过程控制系统课程设计 玻璃炉窑温度控制、玻璃进给控制系统设计 精品.docVIP

自动化工程系过程控制系统课程设计题目：玻璃炉窑温度控制、玻璃进给控制系统设计目录第1章：课题概述1.1：选题背景与研究意义。11.2：温度控制系统的研究现状及发展趋势。21.3：课题主要工作。2第2章：钢化玻璃生产系统概述2.1：钢化玻璃生产系统总体设计。2第3章：基于PLC的进给控制3.1：进给系统要求。43.2：钢化玻璃进给过程控制。43.3：PLC的选型与概述。53.4：硬件电路设计。6第4章：基于AT89S51单片机的温度控制系统设计4.1：系统功能及实现原理。104.2：主体设计部分。114.3：温度控制系统各部分具体选型与设计。13参考文献。19附录附录1：PLC控制过程具体联线图。20附录2：各器件的具体选择型号一览表。20绪论第一章：课题概述1.1选题背景及研究意义玻璃是一种常见的、普遍使用的建筑装饰材料，能有效地减轻建筑物本身的自重，增强建筑物的装饰美感。随着人们生活水平的提高、科学技术的发展和社会的进步，人们对玻璃的要求越来越趋于多样化、功能化、绿色化。各种功能的玻璃深加工产品，如蒙砂玻璃、彩釉玻璃、镀膜玻璃、低辐射玻璃、压花玻璃等逐渐受到人们的青睐。然而玻璃属于脆性材料，破碎时易危及人身安全，特别是高层建筑的玻璃更具危险。平板玻璃钢化一般采用优质浮法玻璃为原料，将普通平板玻璃经物理或化学的方法处理，使其表面形成压应力，内部形成张应力。在承受外力时，首先抵消表层应力，从而提高承载能力，改善玻璃抗拉强度。所以钢化玻璃又称安全玻璃。它不仅具有热稳定性好以及光洁、透明、可切割等特点，而且安全性能明显提高。第一，钢化玻璃强度较之普通玻璃提高数倍，抗弯强度是普通玻璃的35倍，抗冲击强度是普通玻璃510倍，提高强度的同时亦提高了安全性。第二，钢化玻璃的承载能力增大改善了易碎性质，即使钢化玻璃破坏也呈无锐角的小碎片，极大地降低了对人体的伤害。第三，钢化玻璃的耐急冷急热性质较之普通玻璃有23倍的提高，一般可承受150以上的温差变化，对防止热炸裂有明显的效果。在钢化玻璃生产过程中，钢化玻璃的炉温控制是生产过程的一个重要环节，由于传统方案不能准确的控制钢化炉的炉温，所以实际生产中还主要是以工人的经验来判断和控制炉温时间，这样就影响了钢化玻璃控制系统的自动化程度以及控制控制精度。为了弥补以上不足，有必要研究一种检测方案，对比经典控制与智能控制的优缺点，结合钢化炉温度控制的特性，建立对应钢化炉炉温控制系统的参数数学模型，将最优的控制理论算法研究成果融入到控制系统中，进一步提高工业自动化的水平。1.2温度控制系统的研究现状及发展趋势对于温度控制，主要有两类算法，即包括模糊控制、神经网络和模糊神经网络在内的智能控制形式的算法和包括自整定PID控制和Smith预估计在内的经典控制形式的算法。1智能控制智能控制是一类无需人的干预就能独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制。包括专家控制、模糊控制、神经网络控制、学习控制、遗传算法等。但在众多智能控制方法当中，模糊控制、神经网络以及二者的结合模糊神经网络在温度时滞系统控制中应用较为广泛。智能控制方法虽然克服了Smith预估计器和自适应控制的缺陷，但它们本身也并不完美，普遍存在控制精度不高等缺点。所以智能控制方法经常与Smith预估计及自适应相结合，这也是目前研究的方向。在国内，技术人员努力把各种时滞过程控制方法应用到实际，并且大部分采用PID控制、Smith预估控制及其改进型。2经典控制所谓经典控制及方法是针对时滞系统控制伺题提出并应用得最早的控制策略。主要包括自整定PID控制、Smith预估控方法。这些方法虽理论上较简单，但在实际应用中却能收到良好的控制效果,因而在工业生产实践中获得了广泛的应用.1.3课题主要工作 对于钢化炉，为满足工艺要求，钢化炉温度控制是保证钢化质量的关键因素。同时要求装料平稳、供热分布均匀、可提供较大的供热负荷变化。按工艺流程，将钢化炉分成四段，即加热段(加热至600一650)，保温段(玻璃往复摆动)，急冷段(往复急冷)，缓冷段(冷却风机吹风)。为获得较好的控制效果，采用PLC控制技术配合工控机进行系统的检测及自动控制。在控制算法方面，本系统在传统的PID基础上，开发设计了三种控制器(模糊自适应PID控制器，神经元自适应PID控制，模糊免疫PID)，并对这三种控制器进行仿真对比分析，确定最适合钢化炉温度系统的控制器。最后利用监控界面进行实时监控。设计部分第二章钢化玻璃生产系统概述2.1钢化玻璃生产系统总体设计钢化玻璃自动化生产设备主要有加热炉、冷却风栅、玻璃传送给进装置及控制系统等组成。对5mm厚度的玻璃加热时间在2分2秒至2分10秒之间。加热温度为680685摄氏度。玻璃呈水平由给进装置中的辊道输送，以6米/分钟左右的速度加入加热炉内加热，玻璃有加热炉出来后移到开度为100mm，风压为650水柱的风栅中急速冷却1分40秒左右进行钢化。图2.1为设备工作原理示意图。图中左部位炉前玻璃进给装置，中部为加热炉，右部为冷却风栅部分。钢化玻璃生产的工艺流程如图2.1所示，生产过程可概括为上片，自动往复加热，往复急冷，往复吹风，取片五个工艺阶段。图2.1 钢化玻璃系统部分说明图 1,.进料区2.前门3.加热区4.后门.5速冷6.出料口.7进料电机8.主传电机I9主传电机II 基于水平钢化玻璃生产线示意图，我们得出系统的总框图图2.2 系统总体框图第三章基于PLC的进给控制3.1进给系统要求 进给装置运动方式和传动方式的确定进给装置由三部分组成：炉前进给部分、炉内进给部分和出炉风栅部分。玻璃的进给右进给装置上的若干根平行排列的辊子的旋转运动实现，即辊子旋转时，玻璃在辊子摩擦力的带动下水平运动。电气传动控制系统考虑到进给装置的速度和运动精度不高。为简化结构、降低成本，采用三相交流电机，经减速器和链条驱动与辊子连接的链轮作旋转运动。由于风机产生的空气压力需要根据生产工艺情况而变化，所以风机电机应能调速。因此，采用交流变频调速器实现风机的变频调速。在进给装置中，有PLC控制电机。3.2钢化玻璃进给过程控制(1) 进给控制的工作过程钢化玻璃进给行程控制是借助于行程开关来实现的。当辊子的玻璃撞压到行程开关后，行程开关的触点动作。此信号有可编程控制器检测，控制电机的转、停和正反转，以达到行程开关的控制的目的。进给装置的工作流程如下：玻璃原料被工人用吸盘放到进给部分1的辊子上玻璃压下行程开关sw1、sw2延时10s进给部分电机1启动，辊子带动玻璃进给，使玻璃在加热炉被加热，出炉玻璃完全运动到风栅冷却区内，玻璃压下行程开关sw21、sw22进给停止，开启风栅，对玻璃进行冷却淬火，冷却时间为1分40秒启动进给部分2，是玻璃离开风光栅，由操作人员用吸盘吸走。如图所示为进给部分流程图： 图3.1 进给部分系统流程图3.3 PLC的选型与概述本课题选用西门子的S7一300控制器，负责从现场设备接收数据、检测各状态量、对实时数据按算法处理、向执行机构发布命令、与上位机通讯、各PLC协调工作等。SIMATIC S7-300是一种通用型的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，使得S7-300在各种工业领域中实施各种控制任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案。SIMATIC S7-300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护。1.上位机及PLC系统配置S7-300的特点是高效率的组态和编程，从而大幅度地降低工程成本。现能提供符合IEC61131-3国际标准的SIMATIC工程工具。此外，集成的高性能系统诊断功能可保证控制器的更高可用性，能够显著提高生产率。为了减少停机时间，增加产量，提供可组态的过程诊断，以用于分析和排除过程故障。控制站的配置与整个生产过程中检测点的类型及其数量密切相关。在钢化玻璃生产线控制过程中，所有的FO点类型分为四种，即模拟量输入(AD、模拟量输出(AO)、开关量输入(Dl)、开关量输出(DO)等四种。S7一300的模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转化器。 图3.2 S7-300系列PLC系统构成框图3.4硬件电路设计 PLC型号电路确定西门子的S7一300控制器进给驱动电机 进给装置分为2个部分，需要2台电机分别驱动。炉前和炉内进给部分的进给运动由1台电机驱动，出炉和在风栅下的进给运动由另1台电机驱动，选取电机型号为J02-21-6三相交流异步电机，极对数为3，功率为0.8KW，额定电压380V，额定转速n=970r/m。电机上带电磁铁，在电机断电时，可以迅速制动电机，由于在某些工况下，要有反向进给运动，因此，要求能控制电机的正反转。电机到辊子的传动比为:=n电机/n辊子=970/31.85=30.455，采用1级齿轮传动即可实现。PLC控制电路连线图及I/O端子号分配PLC控制电路连线图如图3. I/O端子号分配如表1.输入端流入的电路很小，采用直流汇点式接线，其中SW3接通为自动方式，断开为手动方式。当设置为手动状态时，PB1PB4按钮为手动点动按钮，操作人员点动的对应按钮控制电机的正反转，从而完成手动控制进给量。输出端4个端子为一组，每组有一个公共端()，每个端子允许流过的额定电流为1A，由于输出端与接触器的线圈相接，电流小于1A，这种接法完全可行。输出外接220V交流电。输入器件及符号输入端子号输出器件及符号输出端子号启动按钮1SBX0电机正转接触器Y30总停按钮2SBX1线圈KM1行程开关SW11X2电机1反转接触器Y31行程开关SW12X3线圈KM2行程开关SW21X4电机2正转接触器Y32行程开关SW22X5线圈KM3自动/手动电机2反转接触器Y33切换开关SW3X400线圈KM4电机1正转PB1X401风栅接触器Y35电机1反转PB2X402线圈KM5电机2正转PB3X403工作指示灯Y36电机2反转PB4X404报警指示灯Y37表1 模拟输入输出单元的配置从加热炉出来的玻璃需急冷淬火，急冷淬火除需要控制温度外，还有一个重要的参数是空气压力。空气压力可通过对空气压缩机电机变频调速来实现。实现的方法是PLC通过D/A转换器输出控制电压给变频器，来调节电机的转速，从而调节空气压力，PLC配置的模拟量单元为FX2-6A-E。其配置如图3.3 图 3.3PLC控制过程具体连线图（见附录1）具体控制程序第四章 基于AT89S51单片机的温度控制系统设计温度是工业控制中主要的被控参数之一特别是在冶金化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测 温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产 品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。本设计即用微机对温度进行实时检测与控制。4.1系统功能及实现原理系统设计目标 单片机对温度进行实时检测和控制，以解决工业及常生活中对温度的及时自动控制问题；用共阳极数码显管显示实际温度值，方便人工监视；用键盘输入温度控制范围值便于在不同应用场所设置不同温度范围值。当实际温度值不在该范围时，系统能自动调节温度，以保持设定的温度基本不变，达到自动控制的目的。系统的温度最小区分度为 1。在环境温度变化时，温度控制的静态误差小于等于05。系统设计的出发点 在达到对温度的检测和控制的基础上，达到一定的测控精度，并尽量使系统的可靠性高、稳定性好、性价 比高、速度快、使用灵活、实现容易、便于扩充。设计原理 本设计采用 89S51单片机应用系统来实现设计要求，因89C51在片内含4kb的EEPROM，不需外扩展存储器，可使系统整体结构简单。利用 89S51串行口输出工作方式，使 89C51的利用率大大提高，外部电路得以简化。89C51可直接对键盘进行扫描读数，可直接用串并转换模块74LS104驱动LED显示温度值因其利用率高，负载重 ，后向电路只需加一块同向驱动器即可正常工作。在串行 传输数据时，频率可达到1MHz，对温度的显示完全达到测控精度要求。14具体方案硬件电路由单片机、显示器、温度采集电路、执行部件等构成，框图见图1。A/D转换温度检测玻璃窑电阻丝可控硅控制电路AT89S51给定值图2单片机控制电路4.2主体设计部分可控硅控制电路PLC进给电路LED共阳极数码显示管电源键盘电路温度采集及A/D转换AT89S51单片机本系统采用比较流行的AT89S51作为电路的控制核心,使用8位的模数转换器ADC0809进行数据转换,控制电路部分采用PWM控制可控硅的通断以实行对锅炉温度的连续控制,此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。系统整体设计具体方案图3温度控制系统具体设计方案框图根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们设计了以AT89S51单片机为检测控制中心的电热锅炉温度自动控制系统。温度控制采用改进的PID数字控制算法,显示采用8位LED静态显示。该设计结构简单,控制算法新颖,控制精度高,有较强的通用性。所设计的控制系统有以下功能： 温度控制设定波动范围小于1%,测量精度小于1%,控制精度小于2%,超调整量小于4%; 实现控制可以升温也可以降温; 实时显示当前温度值; 按键控制：设置数字键、设置键、确认键; 越限报警。图 4具体系统连线图综上所述，给出温度控制系统的流程图：4.3温度控制系统各部分具体选型与设计硬件电路主要有两大部分组成：模拟部分和数字部分：从功能模块上来分有：主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。（1） LED硬件显示电路根据要求，本系统采用共阳极数码管共阳极是低电平有效时有效输入。在C51单片机要使发光二极管点亮,数码管是共阳极的就要让I/O口的电位变为低电位，因些不同的器件会有不同的数码值。另外引脚信号与码位的对应关系也会影响码值,即引脚可以由高到低排列(7-1),也可以由低到高排列(1-7)。本实验的数码管为共阳极,采用由高到低的排列P1口用来输出数据，即为写锁存。经过74LS138译码，分别片选到数码管的个、十、百三位。上数码管显示设定值，下数码管显示热电偶测试的温度，直观的显示了系统所测温度与设定温度之差。为下面的PID的参数提供依据。硬件电路图如下所示：（2） 键盘电路在键盘中按键数量较多时，通常将按键排列成矩阵形式，如图所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，可以构成44=16个按键。1、44矩阵键盘的工作原理矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是44个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。图1为ME300B矩阵键盘电路图，行线接P1.4P1.7，列线接P1.0P1.3。图1 矩阵键盘电路图2 按键排列（3） A/D数模转换电路本系统选取比较熟悉的ADC0809 A/D转换器，ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。 1主要特性1）8路输入通道，8位AD转换器，即分辨率为8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s 4）单个5V电源供电 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mW。2内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图1322所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近 3外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图1323所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 ADC0809的工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。图.1ADC0809引脚图2 ADC0809控制信号时序图（4） 可控硅控制电路热电偶工作原理 如果两种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端，当两端存在温差时，就会在回路中产生电流，那么两端之间就会存在Seebeck热电势，即塞贝克效应。热电势的大小只与热电偶导体材质以及两端温差有关，与热电偶导体的长度、直径无关。 设计任务设计一个温度自动控制系统，控制对象为玻璃窑炉，温度可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变，系统设计具体要求：l 温度设定范围为650， l 控制器为继电器；l 用十进制数码管显示实际温度。热电偶的选择本系统采用的K型(镍铬一镍硅)热电偶，其可测量1300以内的温度，其线性度较好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，是目前用量最大的廉金属热电偶。热电偶是一种感温元件，它把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路(不受大小和开头的限制)，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就产生热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。热电偶的工作原理植口下图4.1所示。两种不同成份的均质导体A和B为热电极，温度较高的一端T叫工作端(也称测量端)，温度较低的一端T。为自由端(也称补偿端)，自由端通常处于某个恒定的温度下。温度检测电路温度检测电路采用“传感器滤波器放大器冷端补偿线性化处理”模式，将热电偶输出的毫伏级电压信号最终转换为与温度相对应的数字信号与CPU通信。本温度控制系统采用通断控制，通过改变给定控制周期内加热器的导通和关断时间，达到调节温度的目的。系统控制电路由双向可控硅输出型光电耦合器MOC3061和双向可控硅BTA12组成，MOC3061是一种新型的光电耦合器件,它可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。用该器件触发晶闸管,具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。当单片机的P17口输出低电平时，同向驱动器7407输出低电平，MOC3061的输入端有电流输入，输出端的双向可控硅导通，触发外部的双向可控硅BTA12导通，加热器通电；当P17端输出高电平时，MOC3061输出端的双向可控硅关断，外部的双向可控硅BTA12也关断，加热器断电。 图4 温度控制电路8031对温度的控制是通过可控硅调控器实现的。双向可控硅管和加热丝串联接在交流220V，50Hz交流试点回路。在给定的周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。图3.4示出了可控硅管在给定周期T内具有不同接通时间的情况。可控硅接通时间可以通过可控硅控制板上控制脉冲控制。该触发脉冲由8031用软件在P1.7引脚上产生，受过零同步脉冲后经光偶管和驱动器输送到可控硅的控制极上。通常，电阻炉炉温控制采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出史册炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理而获得控制信号去调节电阻炉的假热功率，以实现对电阻炉的炉温控制。（5） PID控制 图3.1 PID控制回路PID控制算法中使用增量式PID控制算法，通过对钢化玻璃窑炉的温度进行PID计算，得到的结果输出给只想结构，进而对窑炉的温度控制。 3.2模糊自适应PID控制由于钢化炉具有时变、非线性、大时滞等特点，考虑采用模糊控制与PID控制相结合的方法对钢化炉温度进行控制。模糊控制有较强的适应对象参数变化的能力，与传统控制方法相比，模糊控制的主要优点在于在设计系统时不需要建立被控对象的精确数学模型，而只需要已有的相关知识和经验即可。因此，模糊控制特别适用于数学模型未知或不易于建立精确数学模型的复杂、非线性的控制。模糊控制系统通常由模糊控制器、输入/输出、执行机构、被控对象和测量装