毕业论文-电气隧道窑的plc控制系统设计

毕业设计（论文）题目名称电气隧道窑的PLC控制系统学院名称电子信息学院班级学号学生姓名指导教师摘要系统介绍了基于西门子可编程控制器（PLC）S7200和窑温控制系统的设计方案。硬件方面采用了CPU型号为224的S7200、K型热电偶和模数转换模块EM231。热电偶作为温度的采集元件，采集的信号经过EM231的处理后就可把数据送入PLC中进行处理。PLC通过PID算法，将输出的数据传送给EM232模块，EM232输出相应的模拟量控制晶闸管的导通，从而实现温度的自动控制。实验结果表明，采用了PID调节思想程序的PLC系统，具有反应速度快，超调量小，调节迅速，精度高等特点。关键词温度控制，可编程控制器，PIDABSTRACTTHISTHESISMAINLYINTRODUCESADESIGNOFTEMPERATURECONTROLSYSTEMWITHSIMATICPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLCS7200ANDTHEKINGVIEWCONFIGURATIONSOFTWEUSETHEPLCS7200WITHCUP224、THEKTYPETHERMOCOUPLEANDTEMPERATUREMODULEEM231ASTHEHARDWARETHETHERMOCOUPLECANMEASURETHETEMPERATUREOFTHESTOVE,ANDTRANSLATETHETEMPERATURESIGNALTOTHEVOLTAGESIGNALANDTHENTHEEM232WILLTRANSMITITTOTHEPLCAFTERDISPOSINGTHESIGNALTHISSYSTEMUSEPOSITIONALTYPEPIDARITHMETICANDPULSEWIDTHMODULATIONMETHODOLOGYANDTHEPROCEDUREUSEIDEAOFCOARSEADJUSTMENTALGORITHMANDTHEFINEADJUSTMENTALGORITHMTHEPROCEDUREWILLRUNWITHDIFFERENTPIDPARAMETERINDIFFERENTCONDITIONTHEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHAT，THEPLCCANWORKRELIABLY,STABLYTHESYSTEMUSINGCOARSEADJUSTMENTALGORITHMANDTHEFINEADJUSTMENTALGORITHMCANGETABETTERRESULTTHATISFASTRESPONSE,SMALLOVERSHOOT,RAPIDADJUSTMENT,HIGHACCURACYTHEKINGVIEWISPOWERFUL,EASYTOOPERATEWECANSPECULATETHATCONFIGURATIONSOFTWAREWILLHAVEAGOODPROSPECTFORDEVELOPMENTKEYWORDSTEMPERATURECONTROL,PLC,PID,KINGVIEW目录1引言111课题背景112研究意义22设计内容及总体方案321设计要求322内容概述323总体设计方案33加热主电路设计531加热主电路532硅钼棒5321硅钼棒参数及选型5322硅钼棒的特点733可控硅8331简介8332选型84电机主电路设计1041电机主电路1042电机选型10421选型10422电动机相关技术参数115硬件配置1251PLC的选择12511西门子S720012512CPU224具体参数1352测温模块的选择13521热电偶模块13522方案比较1753EM232模拟量输出模块186控制算法描述1961PID控制介绍1862PID控制算法2063PID在PLC中的应用20631建立PID回路表20632对收入采样数据进行归一化处理20633对PID输出数据进行工程量化处理2164PID参数整定217电气控制原理图2271PLC的I/O分配2272电压调制器23721选型23722调压器主要参数23723工作原理2373PLC外部接线图（见附录3、附录4）248器件选型2581接触器25811接触器的工作原理25812选型2582低压断路器26821简介26822断路器选型2683热继电器2784快速熔断器2885电阻、电容的选择29851电压上升率DV/DT的抑制29852整流晶闸管阻容吸收元件的选择3086元器件清单（见附录5）309系统软件实现3191方案设计3192PID指令回路3193程序流程图3294PLC程序（见附录6）3395程序调试3310结论3411参考文献3512致谢3613附录37附录1加热主电路图附录2电机主电路设计附录3PLC外部接线图1附录4PLC外部接线图2附录5元器件清单附录6PLC程序附录7电气说明书1引言11课题背景温度在工业生产中极其重要，任何物理变化和化学反应过程都与温度密不可分。温度控制系统以温度作为被控制量的反馈控制系统。在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的量，需要准确地加以控制。除了这些部门之外，温度控制系统还广泛应用于其他领域，是用途很广的一类工业控制系统。温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。当前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的PID控制。PID结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。PID的使用已经有60多年了，可见它的生命力之强，也说明了它的重要性。12研究意义隧道窑是现代化的连续式烧成的热工设备，广泛用于陶瓷产品的焙烧生产，在磨料等冶金行业中也有应用。近年来,随着国家能源结构的调整、环保措施的加强,越来越多的煤烧隧道窑面临着改造和淘汰的可能。隧道窑属于逆流操作的热工设备，即窑车上的制品，由推车机的推动，在隧道内连续或间歇移动，并完成预热、烧成、冷却过程。电窑的烧成工艺区段有1预热带2低温带3高温带4冷却带。如下图所示图11电窑烧成区段示意图窑的各带长度确定的一般原则1预热带长度应根据排出废气温度来确定，废气离开排烟机温，温度应低于250；2烧成带长度根据保温时间来确定；3冷却带长度根据出窑制品的温度来确定，一般应低于100电能具有无污染的优点，且都完全符合陶瓷模具烧成窑炉的能源选择原则。在水电丰富,电价便宜的地区，可采用电作为能源烧成陶瓷模具。电能无污染,烧成中以辐射传热为主。陶瓷磨具窑炉按能源种类分为燃料窑炉和电热窑炉两大类，按烧成过程的工作方式分为连续式窑炉和间歇式窑炉。连续式窑炉包括隧道窑，辊道窑，推板窑。我国目前常用的为传统的燃气。燃料及电热窑车式隧道窑。国际上新型隧道窑在我国陶瓷磨具行业尚未大量采用。间歇窑包括抽屉窑（车式窑），钟罩窑，倒焰窑等。我国陶瓷磨具行业的大中型企业已经采用了一批现代燃气或燃料油抽屉及钟罩窑，而大多数中小型企业仍以燃料煤为主，少数企业采用燃气倒窑焰。2设计内容及总体方案21设计要求干燥后的砂轮必须经过烧成才能成为磨具砂轮，电窑的烧成工艺区段是1预热带2低温带3高温带4冷却带。系统采用硅钼棒电加热，电气自动控制系统控制温度；液压推进器控制砂轮小车的进窑速度；电动机控制送风机、排风机和油泵。控制系统由温度控制系统、液压控制系统和PLC、电动机等组成。工艺要求1电窑功率160千瓦；2电窑最高温度1300度；3油泵电机功率055千瓦。22内容概述32米电加热隧道窑是生产陶瓷砂轮的专用设备，装机容量160KW，主电路采用星形接法，发热元件采用硅钼棒，三组加热为独立控制方式，工作温度为1250，要求温度的误差为5，控温电路设计为大功率晶闸管/调压方式，并有适当的保护电路。1、三组加热方式为独立方式，根据硅钼棒的特点，选择主电路的晶闸管控温方式。2按上述要求设计出电路图并选择元器件参数。3在继电器基础上设计PLC系统，并设计出PLC外围硬件图。4采用PLC现场调试。23总体设计方案系统框图见图21。图21系统基本结构隧道窑温度控制系统基本构成如图21所示，它由硅钼棒、传感器、信号处理、A/D模块、PLC主控系统、触发模块、可控硅（SCR）七部分组成。PLC是电阻炉温度控制的主控核心。传感器采集的硅钼棒加热对象的温度信号，通过信号采集电路处理，A/D模块，将模拟电压信号转化为数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行处理，通过过零触发模块，触发可控硅（SCR）按一定的占空比导通，控制了硅钼棒两端的通电时间，实现电炉温度控制。3加热主电路设计31加热主电路32米电加热隧道窑是生产陶瓷砂轮的专用设备，装机容量160KW，主电路采用星形接法，发热原件采用硅钼棒，三组加热为独立控制方式，工作温度为1250，要求温度的误差为5，控温电路设计为大功率晶闸管/调压方式，并有适当的保护电路。电路图如下断路器QA1控制加热系统的启停。熔断器FA1、FA2、FA3的作用有二其一，为了保护可控硅；其二，为整个加热系统起到断路保护的作用。阻容保护的作用是限制加在晶闸管上的正向电压上升率DV/DT。图31加热主电路32硅钼棒321硅钼棒参数及选型表31硅钼棒参数图根据需要，本设计采用加热元件型号如下硅钼棒6MM/12MM冷端600MM热端300MM共60支加热方式采用3组晶闸管调压、调功独立控制。硅钼棒的参数为15201AUVR额定电压电阻028IAPKW工作电流功率装机容量228KW601368KW故装机容量设为160KW。322硅钼棒的特点A硅钼棒的化学性质硅钼棒在高温氧化气氛下，表面生成一层石英保护层防止硅钼棒继续氧化。当元件温度大于1700时，石英保护层熔融，元件在氧化气氛下，继续使用，石英保护层重新生成。硅钼棒不宜在400700范围内长期使用，否则元件会因低温的强烈氧化作用而粉化。B硅钼棒元件的安装硅钼棒元件在常温下脆性较大，高温时又有可塑性，所以U型棒最好是垂直悬挂安装，若需水平安装，请选用高温耐火材料支撑，把硅钼棒水平放置。元件圆锥部分一定要延伸到炉膛内，硅钼棒夹具不能一次拧的太紧，待元件升到高温时，再次拧紧，这样元件不易折断，炉顶保温性能要好，一般炉顶温度不能超过300。夹头导线与元件接触电压应低于01V，为避免幅射热传到夹头，夹头下端和塞砖上面的距离不应小于50MM。6元件不能长期使用170A，9元件不能长期使用300A。由加热主电路图可知调功方式由于单个硅钼棒的工作电压为152V，故可将20个硅钼棒串联。即15220304V380V，故硅钼棒可正常工作。33可控硅331简介可控硅又叫晶闸管。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极图2A第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号图2B可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。图32晶闸管基本结构332选型加热系统主回路采用两只晶闸管反并联后串联在交流电路中,控制晶闸管就可控制交流电力,以达到控制温度的目的。晶闸管的触发电路属于过零触发型,即晶闸管触发导通的时刻总是在电压和电流过零的时刻,每次过零触发导通输出正弦波的数量是被控制的,由此连续调节输出加热功率来实现温度的控制。由于输出的是完整的正弦波,其辐射小,传导干扰及负载的瞬态浪涌电流也最小。晶闸管的电流有效值（48）212SIN122UWTUWINIDTRR当0时，（49）3814202UIAR晶闸管的额定电流4157TAVII1707A3414A（410）考虑到安全余量，选取晶闸管的额定电流为500A（411）TI可控硅在门极无信号，控制电流IG为0时，在阳A一一阴K极之间加J2处于反向偏置，所以，器件呈高阻抗状态，称为正向阻断状态，若增大UAK而达到一定值VBO，可控硅由阻断突然转为导通，这个VBO值称为正向转折电压，这种导通是非正常导通，会减短器件的寿命。所以必须选择足够正向重复阻断峰值电压VDRM。在阳一一阴极之间加上反向电压时，器件的第一和第三PN结J1和J3处于反向偏置，呈阻断状态。当加大反向电压达到一定值VRB时可控硅的反向从阻断突然转变为导通状态，此时是反向击穿，器件会被损坏。而且VBO和VRB值随电压的重复施加而变小。在感性负载的情况下，如磁选设备的整流装置。在关断的时候会产生很高的电压LDI/DT，如果电路上未有良好的吸收回路，此电压将会损坏可控硅器件。因此，器件也必须有足够的反向耐压VRRM。可控硅在变流器如电机车中工作时，必须能够以电源频率重复地经受一定的过电压而不影响其工作，所以正反向峰值电压参数VDRM、VRRM应保证在正常使用电压峰值的23倍以上，考虑到一些可能会出现的浪涌电压因素，在选择代用参数的时候,只能向高一档的参数选取。峰值电压UF2U1414U311V则晶闸管额定电压为（23）UF622933V考虑到安全余量，选择晶闸管的额定电压为1000V。故选取晶闸管型号为KP500A1000V型号说明KP500A1000V正反向重复峰值电压级别额定通态平均电流系列表示普通的反向阻断型表示闸流特性4电机主电路设计41电机主电路电机主电路如下所示三台电机分别控制进风机、排风机、油泵。三台电机分别用MA1，MA2，MA3代表。交流接触器分别为QA11，QA12，QA13，BB1，BB2，BB3分别为三台电机过载保护用的热继电器。QA8，QA9，QA10分别为三台电机的主电路的隔离开关，QA0为主电源电路总开关。电窑运行时，首先闭合隔离开关QA10，通电使交流接触器QA13吸合，窑车运行。当窑内温度过高时，需闭合隔离开关QA8，QA9，送风排风电机工作，排出热风。图41电机主电路42电机选型421选型根据系统要求，排风电机和进风电机选择型号为Y80M24型电动机，油泵电机选择Y80M14型电动机。Y系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。安装尺寸和功率等级符合IEC标准，外壳防护等级为IP44，冷却方法为IC411，连续工作制（S1）。适用于驱动无特殊要求的机械设备，如机床、泵、风机、压缩机、搅拌机、运输机械、农业机械、食品机械等。Y系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。Y80315电动机符合Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件JB/T96161999。Y355电动机符合Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件JB527491。Y80315电动机采用B级绝缘。Y355电动机采用F级绝缘。额定电压为380V，额定频率为50HZ。功率3KW及以下为Y接法；其它功率均为接法。电动机运行地点的海拔不超过1000M；环境空气温度随季节变化，但不超过40；最低环境空气温度为15；最湿月月平均最高相对湿度为90；同时该月月平均最低温度不高于25。422电动机相关技术参数Y80M24型电动机额定电压380V额定电流20A额定功率075KW转速1390R/MIN效率745功率因数076堵转电流额定电流6A堵转转矩额定转矩23最大转矩额定转矩23最小转矩额定转矩17Y80M14型电动机额定电压380V额定电流15A额定功率055KW转速1390R/MIN效率73功率因数076堵转电流额定电流6A堵转转矩额定转矩24最大转矩额定转矩23最小转矩额定转矩175硬件配置51PLC的选择PLC的品牌有西门子、欧姆龙、三菱、AB、松下、日立、光洋等。但AB、松下、日立、光洋品牌的PLC在国内的普及率远不如西门子、三菱、欧姆龙。西门子的PLC编程的灵活性是三菱没法比拟的，有很多功能西门子很容易实现，三菱却不能。三菱的PLC编程比较容易上手，但是在大型的宏程序上，和西门子还是有差别的，大型的设备控制还是用西门子的会好些。在价格上小型机，西门子已经国产化，价格相对较低。当然，其成功的关键也来自于产品的合格性与良好的服务态度。西门子PLC是更多消费者的首选品牌，因而选择使用西门子的PLC来进行本设计。511西门子S7200S7200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号。小型PLC中，CPU221价格低廉能满足多种集成功能的需要。CPU222是S7200家族中低成本的单元，通过可连接的扩展模块即可处理模拟量。CPU224具有更多的输入输出点及更大的存储器。CPU226和226XM是功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。S7200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。本论文采用的是CUP224。它具有14个输入点和10个输出点。S7200系列的基本单元如表51所示。表51S7200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数CPU221640CPU222862个扩展模块CPU22414107个扩展模块CPU224XP24167个扩展模块CPU22624167个扩展模块512CPU224具体参数表52CPU224AC/DC/继电器I/O特性数字量输入14输入数字量输出10输出模拟量输入无模拟量输出无允许最大的扩展I/O模块7个模块允许最大的智能模块7个模块脉冲捕捉输入14单相计数器6，每个30KHZ两相计数器4，每个20KHZ脉冲输出2个20KHZ仅限于DC输出52测温模块的选择521热电偶模块热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并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材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势，这就是所谓热电偶是塞贝克效应。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可每点额定电流最大20A供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。由于电加热隧道窑温度为12505。表53七种热电偶温度范围J型热电偶0760K型热电偶01370T型热电偶100400E型热电偶01000R型热电偶5001750S型热电偶5001750B型热电偶5001800因而采用的是K型热电阻。经分析可得温度控制有两种方案。方案一选择西门子的热电偶和EM231AI4X测温模块K型热电偶将从隧道窑内采集的温度进行转换，并把温度信号转换成热电动势信号，将数据传送给EM231AI4X测温模块，EM231测温模块进行数据处理分析，再将处理完的数据送到PLC中。A）EM231AI4X热电偶参数指标表54EM231AI4X热电偶物理I/O数4个模拟输入点耗电量自5VDC（自I/O总线）87MA自L204至288VDCLED指示灯24VDC电源供电良好ON无错，OFF无24VDC电源，SFON模块故障，闪烁输入信号错误,OFF无错模拟量输入特性共模输入范围120VAC共模抑制120DB120VAC输入类型浮地热电偶输入范围热电偶类型选一种S，T，R，E，N，K，J；电压范围/80MV输入分辨率温度01/01电压15位加符号位测温原理西格玛三角模块更新时间405MS线回路电阻（最大）100欧数据字格式电压27648至27648输入阻抗1M欧分辨率15（含符号位）基本误差01FS冷节点误差15B热电偶连接图51热电偶接线图CEM231热电偶模块传感器检测到温度转换成041MV的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里，我们选用了西门子EM2314TC模拟量输入模块。EM231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型J、K、E、N、S、T和R型，它也允许连接微小的模拟量信号80MV范围，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM231模块需要用户通过DIP开关进行选择的有热电偶的类型、断线检查、测量单位、冷端补偿和开路故障方向，用户可以很方便地通过位于模块下部的组态DIP开关进行以上选择，如图所示。本设计采用的是K型热电偶，结合其他的需要，我们设置DIP开关为00100000。对于EM2314TC模块，SW1SW3用于选择热电偶类型，见表53。SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿，见表53。为了使DIP开关设置起作用，用户需要给PLC的电源断电再通电。表55热电偶类型选择热电偶类型SWISW2SW3J（默认）000K001T010E011R100S101N110/80MV111表56热电偶其他设置DIP开关功能开/关状态正向标定0SW5熔断方向负定方向1启动断线测量电流0SW6断线禁止断线测量电流1摄氏0SW7测量单位华氏1冷端补偿启用0SW8冷端启用冷端补偿禁止1方案二选择热电偶和西门子的EM231模数转换模块K型热电偶将从隧道窑内采集的温度进行转换，并把温度信号转换成热电动势信号，再通过温度变送器将电信号转换成标准的电信号010V的电压信号，将标准电压信号传送给EM231模数转换模块，EM231模块将收到的模拟量数据转换成相应的数字量数据032000。EM231A/D模块再将处理后的数字量数据传送到PLC中，使PLC产生相应的动作。522方案比较方案一设计简单。热电偶将采集的硅钼棒加热对象的温度信号转换成相应的电信号，再将相应的电信号传输给EM231热电偶模块。方案二设计复杂，但价格较低。热电偶将采集的硅钼棒加热对象的温度信号转换成相应的电信号，电信号通过温度变送器转换成010V的标准电压，再将标准的电压信号传输给EM231模数转换模块。EM231热电偶模块的市场价格比EM231模数转换模块高很高，考虑到设计成本的要求，本着节约的要求，因而选择方案二。53EM232模拟量输出模块表57EM232具体参数EM232参数表规格参数2路输入12位精度功耗2W电源损耗5VDC消耗电流20MA从L70MA带2路输出20MAL电压范围第2级或DC传感器供电204V280VLED灯指示24V电源状态亮正常灭故障量程范围电压输出10V电流输出020MA数据字格式电压3200032000电流032000分辨率量程电压12位电流11位6控制算法描述61PID控制介绍PID控制一直是众多的控制算法中应用最为广泛的控制算法，以其原理组成的控制器是自动控制系统设计中最为经典的一种控制器。PID控制器以其结构简单、稳定性好、可靠工作、调整方便而成为工业过程控制中不可替代的主要技术之一。PID调节包含三个部分比例调节、积分调节、微分调节。比例调节按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。积分调节使系统消除稳态误差，提高无差度。微分调节反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分环节作用消除。如果一个PID回路的输出M是时间T的函数,则可以看作是比例项、积分项和微分项三部分之和。即0/TTCCINTALCMKEEDKDET以上各量都是连续量,第一项为比例项,最后一项为微分项,中间两项为积分项。其中E是给定值与被控制变量之差,即回路偏差。KC为回路的增益。用PLC处理这样的控制算式,即连续的算式必须周期性地采样并进行离散化,同时各信号也要离散化。公式如下1/NCNNCSINNCDSNKSPVKTSVMXPV公式中包含9个用来控制PID运算的参数，其中PID回路增益C第N次采样的设定值SP第N次采样时刻的设定值V第N1次采样时刻的设定值1采样周期ST积分时间的比例常数I积分项前值MX微分项的比例常数D62PID控制算法图61带PID控制器的闭环控制系统框图63PID在PLC中的使用使用PID回路指令的关键有三步（1）建立PID回路表；（2）对收入采样数据进行归一化处理；（3）对PID输出数据进行工程量化处理。631建立PID回路表公式中包含9个用来控制和监视PID运算的参数，在PID指令使用时要建立一个所谓的PID回路表，用来给这些参数分配一个存放的地址单元，回路表中所有的地址都是双字地址。632对收入采样数据进行归一化处理用PLC控制PID回路时，要把实际测量收入量、设定值和回路表中的其他输入参数进行标准化处理，即用程序把它们转化为PLC能够识别和处理的数据，也即把它们转化为无量纲的归一化纯量和浮点数的格式。第一步，将工程实际值由16位整数转化为实数，设模拟量AIW0,程序如下XORDAV0,AC0/清累加器AC0TDTAIW0,AC0/把整数转化为双整数DTRAC0,AC0/把双整数转化为实数第二步，将实数格式的工程实数实际值转化为0010之间的无量纲相对值。ESTPANRAWNOUMOFSRR/为工程实际值的归一化值；NOUMR为工程实际值在未进行归一化处理的实数形式值。标准化分为双极RAW性和单极性两种。为补偿值或偏置，单极性为00，双极性为05PANS为值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000；双极ESTOF性为64000。由于本设计采用的是单极性数据，故转换公式为320/RAWNOUMR633对PID输出数据进行工程量化处理程序执行时把各个标准化为实数量用离散化PID算式进行处理，产生一个标准化实数运算结果。第一步，将回路输出转换为工程量标定的实数格式SPANOFMRESTNSCAL第二步,将已标定的实数格式的回路输出转化为16位的整数格式，并输出。TURNCAC0,AC0/取整数DTIAC0,AC0/双整数转化为整数MOVWAC0,AQW0/把整数值送到模拟量输出通道64PID参数整定根据经验PID参数设定如下015；35S；30MIN；0MINCKSTIDT7电气控制原理图71PLC的I/O分配表71I/O地址分配名称代号地址PLC启动按钮SF1I00PLC停止按钮SF2I01窑车启动SF3I02窑车停止SF4I03窑车前进SF5I04窑车后退SF6I05进风机启动SF7I06进风机停止SF8I07排风机启动SF9I10排风机启动SF10I11加热启动SF11I12加热停止SF12I13极限位行程开关1BG1I14极限位行程开关2BG2I15运行指示PG2Q00停止指示PG3Q01加热控制QA1Q02窑车启动控制QA13Q03窑车前进控制KF1Q04窑车后退控制KF2Q05进风机控制QA11Q06排风机控制QA12Q07极限位（末端）报警PG4Q10极限位（始端）报警PG5Q1172电压调制器721选型ZK30三相可控硅电压调整器，是以数字技术为核心，采用数模结合技术，集移相触发与过零触发于一身，可以灵活地选择触发方式，使用可靠方便。仪表可与具有连续PID电流输出的调节仪表配套使用，可作为冶金、机械、化工等行业中需要大功率的三相电加热设备，如电窑、电炉的调压、调功；用于需要三相整流、直流电机调速等场合，仪表也可使用于电感性负载。对硅钼棒、硅碳棒类等加热元件，因冷热态电阻差较大，会带来启动瞬间电流过大，而容易损坏元件，而本仪表的附加扩展功能可以加装自动软启动功能，使仪表开机时，输入讯号很大而不致启动电流太大。负载电流可以由小到大的缓慢上升，由于仪表核心采用逻辑电路，很好地解决了三相脉冲同步准确，保证了负载电流（电压）的平衡。故选择上海自动化仪表有限公司生产的ZK30三相可控硅电压调整器722调压器主要参数表72调压器主要参数主要技术指标010MADC配用可控硅KP50500A输入信号420MADC配用可控硅KP50500A软启动时间30150S20S输出信号三相触发脉冲幅值4V宽度100S电源电压220VAC1050HZ过零触发周期310S2S可调工作环境050可控硅触发方式过零或移相触发消耗功率约8W723工作原理仪表可以方便地用开关切换触发方式，仪表当工作于移相触发方式时，输入信号送至与同步锯齿波信号进行比较，以产生与输入信号及反馈信号叠加的信号大小变化而自由移动的基本信号。同步锯齿波信号来自A相同步交流，经滤波移相得到的光滑正弦波，经外同步锯齿波电路而得到。基本信号控制逻辑电路产生理想的三相正负半周的触发脉冲，三相脉冲经合成及功放再经脉冲变压器的隔离送至可控硅。73PLC外部接线图（见附录3、附录4）热电偶作为温度的采集元件，采集的信号经过EM231的处理后就可把数据送入PLC中进行处理。PLC通过PID算法，将输出的数据传送给EM232模块，EM232输出相应的模拟量控制晶闸管的导通，从而实现温度的自动控制。PLC是系统运行状态的核心控制器，与加热控制系统，电机控制系统，窑车控制系统均有连接。各控制按钮和行程开关作为CPU224的数字量输入，数字量输出加热的启停，风机的启停，窑车的启停和前进、后退，运行指示，极限位始末端的报警。8器件选型81接触器接触器是用来接通或分断电动机主电路或其他负载电路的控制器，用它可以实现频繁的远距离自动控制。由于它体积小、价格低、寿命长、维护方便，因而用途十分广泛。811接触器的工作原理当交流接触器线圈通电后，在铁芯中产生磁通，由此在铣铁气隙处产生吸力，使铣铁产生闭合动作，主触点在衔铁的带动下闭合，于是接通了主电路。同时衔铁还带动辅助触点动作，使原来断开的辅助触点闭合，而原来闭合饿辅助触点断开。当线圈断电或电压显著降低时，吸力就消失或减弱，衔铁在释放弹簧作用下打开，主、辅触电又恢复到原来状态。这就是接触器的工作原理。表81常见接触器使用类别及其它典型用途表电流种类使用类别典型用途AC1无感或微感负载、电阻炉AC2绕线式电动机的启动和分析AC3笼型电动机的启动和分析交流（AC）AC4笼型电动机的启动、反向制动DC1无感或微感负载、电阻炉DC3并励电动机的启动、反向制动直流（DC）DC5串励电动机的启动、反向制动812选型交流接触器的选择原则（1）对于55KW以下的电动机，其控制接触器的额定电流约为电动机额定功率数值的23倍。（2）对于5511KW的电动机，其控制接触器的额定电流约为电动机额定功率数值的2倍。（3）对于11KW以上的电动机，其控制接触器的额定电流约为电动机额定功率数值的152倍。由于系统所用的电机额定功率较小，市面上流行的交流接触器额定电流最小型号为9A，故选择型号为CJX20910。型号说明如下CJX20910辅助触点常开额定电流设计序号小型交流接触器82低压断路器821简介低压断路器也称做自动开关或空气开关，是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的开关电器和保护电路，它集控制和多种保护功能于一身。除了能完成接通和分断电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，也可以用于不频繁启动电机。在保护功能方面，它可以与漏电器、测量、远程操作等模块单元配合使用完成更高级的保护和控制。现在的断路器还能提供隔离剂安全保护功能，特别是针对人身安全、设备安全，以及配电系统的可靠性方面都能满足配电系统更高、更新的要求。断路器是配电系统中主要的保护电器之一，也是功能最完善的保护电器，其主要作用是作为短路、过载、接地故障、失压以及欠电压保护。根据不同需要，断路器可配备不同的继电器或脱扣器。脱扣器是断路器总体的一个组成部分，而继电器，则通过与断路器操作机构相连的欠电压脱扣器、分励脱器来控制断路器。低压断路器一般由脱扣器来完成其保护功能。822断路器选型低压断路器的选择原则如下（1）额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。（2）热脱扣器的整定电流应与所控制负载（电动机）的额定电流一致。（3）欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。（4）断路器选择时电动机额定电流的225倍，整定电流是额定电流的15倍。1、加热主电路中，断路器QA1的额定电流须大于硅钼棒额定电流，即大于150A。选择DZ20系列断路器，型号DZ20C160/3。过载保护电流160A。型号说明DZ20C160/3极数额定电流A经济性设计序号塑壳断路器2、电机主电路中，电机的额定电流较小，断路器QA8QA10根据需要,参考施耐德提供的样本，如下电动机功率（KW）额定电流I（A）断路器型号03712C65D4A05516C65D4A0752C65D6A1128C65D6A1537C65D10A2253C65D10A37C65D16A49C65D16A所以QA8、QA9选择断路器型号C65D6A，QA10选择断路器型号C65D4A3、主干路的QA0根据需要，选择型号为DZ20C200/3，过载电流为200A。型号说明DZ20C200/3极数额定电流A经济性设计序号塑壳断路器83热继电器热继电器是为了充分发挥电动机的过载能力，保证电动机的正常启动和运转，而当电动机一旦出项长时间过载时又能自动切断电路，能随过载程度而改变动作时间的电器。热继电器利用电流的热效应原理以及发热元件热膨胀原理设计，实现了三相交流电动机的过载保护。热继电器的选择原则（1）通常，选取热继电器的额定电流为电动机额定电流的6080。（2）通常，当电动机启动电流为其额定电流的6倍以及启动时间不超过6S且很少连续启动时，就可按电动机的额定电流选取热继电器。很多情况下电动机需要过载运行，可选择电动机额定电流的12到15倍。（3）当电动机为重复且短时工作制时，要注意确定热继电器的允许操作频率，因为热继电器的操作频率是很有限的。施耐德LRD热过载继电器使用于交流50HZ/60HZ、电流01180A的交流电动机的过载与断相保护。其主要参数如表82所示表82施耐德LRD热过载继电器参数表型号整定电流调节范围型号整定电流调节范围LRD01KN01016ALRD10KN46ALRD02KN016025ALRD12KN558ALRD03KN02504ALRD14KN710ALRD04KN04063ALRD16KN913ALRD05KN0631ALRD21KN1218ALRD06KN116ALRD22KN1624ALRD07KN1625ALRD32KN2332ALRD08KN254ALRD35KN3038A本设计选用热继电器的型号如表83所示表83符号名称数量规格型号额定参数BB1热继电器1LRD07KN24ABB2热继电器1LRD07KN24ABB3热继电器1LRD07KN24A84快速熔断器快速熔断器是一种熔断器的一种，快速熔断器主要用于半导体整流元件或整流装置的短路保护。由于半导体元件的过载能力很低。只能在极短时间内承受较大的过载电流，因此要求短路保护具有快速熔断的能力。快速熔断器的结构和有填料封闭式熔断器基本相同，但熔体材料和形状不同，它是以银片冲制的有V形深槽的变截面熔体。快速熔断器的熔丝除了具有一定形状的金属丝外，还会在上面点上某种材质的焊点，其目的为了使熔丝在过载情况下迅速断开。快速熔断器就突出“快”，也就灵敏度高，当电路电流一过载，熔丝在焊点的作用下，迅速发热，迅速断开熔丝，好的快速熔断体其效率相当高，主要用来保护可控硅和一些电子功率元器件。熔断器的额定电流可按以下方法选择1、保护无起动过程的平稳负载如照明线路、电阻、电炉等时，熔体额定电流略大于或等于负荷电路中的额定电流。2、保护单台长期工作的电机熔体电流可按最大起动电流选取，也可按下式选取IRN1525IN式中IRN熔体额定电流；IN电动机额定电流。如果电动机频繁起动，式中系数可适当加大至335，具体应根据实际情况而定。3、保护多台长期工作的电机（供电干线）IRN1525INMAXININMAX容量最大单台电机的额定电流。IN其余电动机额定电流之和。系统中，快速熔断器FA1FA3的作用是保护可控硅和对整个加热系统起到断路保护的作用，由于硅钼棒的额定电流为150A。由分析可知，系统选型为RS32200A,额定电流200A，额定分断电流200A，熔断体额定电流200A，分断能力100KA额定电压380VAC，额定电压380VAC可用于220VAC电路中。FA4根据电磁阀的额定电流来选择，由于电磁阀的额定电流较小，一般为几十MA到几A不等。故FA4的额定电流选择5A即可。型号如下RT1420,底座单极，额定电流20A。熔断体额定电流4A，分断能力100KA，额定电压380VAC。额定电压380VAC可用于220VAC电路中。85电阻、电容的选择851电压上升率DV/DT的抑制加在晶闸管上的正向电压上升率DV/DT也应有所限制,如果DV/DT过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制DV/DT的作用，可以在晶闸管两端并联RC阻容吸收回路。在实际晶闸管电路中，常在其两端并联RC串联网络，该网络常称为RC阻容吸收电路。我们知道，晶闸管有一个重要特性参数断态电压临界上升率DLV/DLT。它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的电压上升率的值，则会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况。因为晶闸管可以看作是由三个PN结组成。在晶闸管处于阻断状态下，因各层相距很近，其J2结结面相当于一个电容C0。当晶闸管阳极电压变化时，便会有充电电流流过电容C0，并通过J3结，这个电流起了门极触发电流作用。如果晶闸管在关断时，阳极电压上升速度太快，则C0的充电电流越大，就有可能造成门极在没有触发信号的情况下，晶闸管误导通现象，即常说的硬开通，这是不允许的。因此，对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的变压器漏感或负载电感，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。852整流晶闸管阻容吸收元件的选择1电容的选择C25510的负8次方IFIF0367IDID直流电流值由于系统整流侧采用500A的晶闸管可以计算得C25510的负8次方50012525F故选用25F，1KV的电容器2电阻的选择R24535/IF214856欧，可选择10欧的电阻。PR15PFV2FC的平方10的负12次方R/2671895W其中PFV2U1520U三相电压的有效值所以选择10欧，10W的电容。86元器件清单（见附录6）9系统软件实现91方案设计具体方案如下图91具体方案框图PLC采用的是的S7200，CPU是224系列，采用状态指示灯来显示运行的状态，分别是运行灯、停止灯、电源灯、硅钼棒加热灯、电机运行灯。通过指示灯的开关状况判断加热炉内的运行情况。K型传感器负责检测加热炉中的温度，把温度信号转化成对应的电压信号，经过PLC模数转换后进行PID调节。将PID输出值传递给数模转换模块（EM232），EM232根据采集的数据装换成010V电压。再转换成010MA的电流信号来控制晶闸管调压器，从而使隧道窑的温度控制在1250左右。92PID指令回路表91PID指令回路表地址名称说明VD100过程变量（PVN）必须在0010之间VD104给定值（SPN）必须在0010之间VD108输出值（MN）必须在0010之间VD112增益（KC）比例常数，可正可负VD116采样时间（TS）单位为S，必须是正数VD120采样时间（TI）单位为MIN，必须是正数VD124微分时间（TD）单位为MIN，必须是正数VD128积分项前值（MX）必须在0010之间VD132过程变量前值（PVN1）最后一次PID过程运算变量值93程序流程图程序包括三个部分，分别为一个主程序，两个子程序及一个中断程序，如图所示。主程序子程序0中断程序子程序194PLC程序（见附录7）由于在系统中，PLC的功能主要体现在逻辑控制，并不复杂，所以采用简单设计法来完成程序编写。简单设计法就是将输出控制对象的逻辑函数转换为梯形图。95程序调试实际的编程过程中，由于疏忽或者考虑欠佳，总是不可避免的会出现很多不尽人意的地方，甚至是错误，不可能一次性就能顺利完成，需要反复的修改才能达到预期的效果。所以PLC程序调试是一个很重要的过程，一定不可忽视。程序调试主要是模拟调试。模拟调试就是运用仿真软件进行调试，基本形式和绘制的电路图是一样的，整个界面一目了然，输入输出都有信