導(dǎo)熱油溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) plcplc技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用 課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）題目：題目： 導(dǎo)熱油溫度控制系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)熱油溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 院（系）：院（系）： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學(xué)學(xué) 號：號： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 起止時間：起止時間： 2012.12.17-2012.12.282012.12.17-2012.12.28 本科生課程設(shè)計（論文）iii課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語 院（系）： 教研室： 注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級設(shè)計題目導(dǎo)熱油溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計課程設(shè)

2、計（論文）任務(wù)設(shè)計任務(wù)：設(shè)計任務(wù)：導(dǎo)熱油主要用于化工生產(chǎn)過程的熱載體，可以用于加熱或者冷卻。這個系統(tǒng)包括：冷油循環(huán)系統(tǒng)和熱油循環(huán)系統(tǒng)。本課設(shè)要求設(shè)計熱油泵和油加熱器組成的熱油循環(huán)系統(tǒng)，用蒸汽實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)熱油的換熱過程，工作過程為：當(dāng)導(dǎo)熱油的溫度過低時，利用采集的蒸汽流量信號來調(diào)節(jié)蒸汽的流量控制導(dǎo)熱油的溫度；當(dāng)導(dǎo)熱油溫控制穩(wěn)定后利用導(dǎo)熱油溫度控制蒸汽量大小，用以保護(hù)設(shè)備的安全。設(shè)計要求：設(shè)計要求：1、根據(jù)控制要求進(jìn)行方案選擇論證，即分析系統(tǒng)功能，確定系統(tǒng)的輸入/輸出信號及類型，選擇 plc 主機(jī)、溫度傳感器、流量傳感器和蒸汽閥以及相應(yīng)的 plc 擴(kuò)展模塊，并設(shè)計 pid 算法；2、根據(jù)輸入/輸出信號

3、建立 i/o 分配表，完成 plc 與輸入/輸出信號的的外部接線；3、按系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計系統(tǒng)的梯形圖；4、上機(jī)調(diào)試、完善程序；5、按學(xué)校規(guī)定的書寫格式，撰寫、打印設(shè)計說明書一份；設(shè)計說明書應(yīng)在 4000字以上。技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)：1、溫度測量范圍：0400 ；蒸汽流量檢測精度：，1%；2、控制溫度：260；控制精度：0.5；3、溫度最大值：300，越限報警。工作計劃1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。 （2 天）2、確定系統(tǒng)的輸入/輸出信號和類型，選擇 plc 主機(jī)和擴(kuò)展模塊，選擇傳感器型號。 （1 天）3、建立 i/o 分配表，完成 plc 與輸入輸出信號的的外部接線。 （1

4、 天）4、按系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計系統(tǒng)的梯形圖。 （3 天）5、上機(jī)調(diào)試、修改程序、答辯。 （2 天）6、撰寫、打印設(shè)計說明書（1 天）指導(dǎo)教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 指導(dǎo)教師簽字： 總成績： 年 月 日本科生課程設(shè)計（論文）iv摘 要本系統(tǒng)是基于 plc s7-200 控制的導(dǎo)熱油溫度控制系統(tǒng)。根據(jù)測溫范圍，選擇熱電偶溫度傳感器檢測導(dǎo)熱油溫度，經(jīng)溫度信號經(jīng)過擴(kuò)展模塊 em235 傳送到 cpu224 進(jìn)行分析處理，由于熱電偶輸出的是微弱的電壓信號，所以要經(jīng)過放大器件和電壓/電流轉(zhuǎn)換器件,將信號放大并轉(zhuǎn)換成電流信號才可傳送到擴(kuò)展模塊。運(yùn)用 pid 運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對電動執(zhí)行閥開度的控制。

5、當(dāng)導(dǎo)熱油的溫度過低時，閥門開度增大，蒸汽流量增大，溫度升高。同時將法蘭式 v 錐流量傳感器 ffm61s 傳送的流量值進(jìn)行三位 led 循環(huán)顯示。關(guān)鍵詞：pid；熱電偶；s7-200；本科生課程設(shè)計（論文）v目 錄第 1 章 緒論.1第 2 章 課程設(shè)計的方案.22.1 系統(tǒng)分析 .22.2 plc 選型.22.3 擴(kuò)展模塊的選擇 .32.4 流量傳感器的選擇 .32.5 調(diào)節(jié)閥的選擇 .32.6 pid 算法.4第 3 章 硬件設(shè)計.53.1 外部接線圖 .53.2 i/o 分配.5第 4 章 軟件設(shè)計.64.1 初次上電 .64.2 子程序 .74.3 中斷程序，pid 的計算.8第 5

6、章 系統(tǒng)測試與分析.11第 6 章 課程設(shè)計總結(jié).12參考文獻(xiàn).13本科生課程設(shè)計（論文）1第 1 章 緒論人類社會已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)高度發(fā)達(dá)的時代，現(xiàn)在我們對各種工業(yè)產(chǎn)品的要求已經(jīng)從原來的量向質(zhì)轉(zhuǎn)變，對各種工業(yè)產(chǎn)品的要求越來越高，因此，對各種生產(chǎn)設(shè)備及過程控制的要求也越來越嚴(yán)格，對各種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的要求也越來越高。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中, 溫度控制占有著極為重要的地位, 特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控

7、制方案 也有所不同。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等。溫度控制系統(tǒng)的工藝過程復(fù)雜多變，具有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進(jìn)的控制技術(shù)和控制理論?？删幊炭刂破鳎╬lc）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機(jī)，是繼承計算機(jī)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強(qiáng)，價格便宜， 可靠性強(qiáng)，編程簡單，易學(xué)易用等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此 plc 已在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中被廣泛地使用。目前在控制領(lǐng)域中，雖然逐步采用了電子計算機(jī)這個先進(jìn)技術(shù)工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（dc

8、s） 。但就其控制策略而言，占統(tǒng)治地位的仍然是常規(guī)的 pid 控制。pid 結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。pid 的使用已經(jīng)有 60 多年了，有人稱贊它是控制領(lǐng) 域的常青樹。本文導(dǎo)熱油溫度控制過程，在 pid 調(diào)節(jié)方法中，采用西門子 s7-200 plc，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)熱油溫度精確控制的效果。在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，常常需要用閉環(huán)控制方法來控制溫度、壓力、流量和液位連續(xù)變化的量。pid 調(diào)節(jié)是經(jīng)典控制理論中最典型的用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法。 本科生課程設(shè)計（論文）2第 2 章 課程設(shè)計的方案2.1 系統(tǒng)分析本系統(tǒng)輸入量為蒸汽流量大小，通過控制調(diào)節(jié)閥的開度大小進(jìn)而控制蒸汽流

9、量的大小，從而實(shí)現(xiàn)對溫度大小的控制，同時將蒸汽流量值通過 led 循環(huán)顯示，由于輸入量為模擬量需要擴(kuò)展模塊。溫度的大小則通過與設(shè)定值比較作差之后送入 plc，進(jìn)行 pid 算法運(yùn)算，進(jìn)而控制調(diào)節(jié)閥大小來控制蒸汽流量大小，使系統(tǒng)溫度能在安全范圍內(nèi)，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，保護(hù)設(shè)備的安全2.2 plc 選型s7-200 系列可以根據(jù)對象的不同, 可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上?？刂坪诵牟捎?cpu224，提供數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù) 14 點(diǎn)，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù) 10 點(diǎn)(提供給擴(kuò)展單元 dc5v 電流能力為 660ma)，完全滿足系統(tǒng)的數(shù)字量和開關(guān)量輸入輸出點(diǎn)數(shù)的要求。cpu

10、224 本身不具備模擬量輸入和輸出單元，但與 cpu221相比，cpu224 可擴(kuò)展七個模塊，內(nèi)置時鐘，有更強(qiáng)的模擬量和高速計數(shù)的處理能力。圖 2.1 s7-200 cpu224 主機(jī)本科生課程設(shè)計（論文）32.3 擴(kuò)展模塊的選擇在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉(zhuǎn)換成4-20ma 的電流信號，系統(tǒng)需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入 plc 中進(jìn)行處理。本文選擇西門子的 em235模擬量輸入/輸出模塊。em235 模塊具有4路模擬量輸入/一路模擬量的輸出。它允許 s7-200連接微小的模擬量信號，80mv 范圍。cpu 與模塊連接如下：cpu224em235圖 2.1

11、cpu 與 em235 連接圖2.4 流量傳感器的選擇流量傳感器是蒸氣流量的檢測部件，在此論文中選擇法蘭式 v 錐流量傳感器 ffm61s。工作原理：v 錐流量計是由 v 錐傳感器和差壓變送器組合而成的一種差壓流量計，可精確測量寬雷諾數(shù)（8103re5107）范圍內(nèi)各種介質(zhì)的流量。其測量理論是：由于實(shí)際流體都具有粘性，不是理想流體，當(dāng)其在管道中流動時，在充分發(fā)展管內(nèi)流動的前提下，具有層流和紊流兩種流動狀態(tài)。根據(jù)連續(xù)流動的流體能量守恒原理和伯努力方程：對于以層流狀態(tài)流動的流體，其流速分布是以管道中心線為對稱的一個拋物面，流體通過一定管道的壓力降與流量成正比；對于紊流狀態(tài)流動的流體，其流速分布是以

12、管道中心線為對稱的一個指數(shù)曲面，流體通過一定管道的壓力降與流量的平方成正比。2.5 調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥可分為氣動，電動，液動調(diào)節(jié)閥三種。電動調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動化過程控制中的重要執(zhí)行單元儀表。隨著工業(yè)領(lǐng)域的自動化程度越來越高正被越來越多的應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)林宇中。與傳統(tǒng)的氣動調(diào)節(jié)閥相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)電，環(huán)保，安裝便捷。因此論文中選擇電動調(diào)節(jié)閥。本科生課程設(shè)計（論文）42.6 pid 算法1.pid 控制器的組成pid 控制器由比例單元（p） 、積分單元（i）和微分單元（d）組成。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 公式（3-1）dtde(t)tde(t)dtti1kce(t)u(t)t0(1) 比例系數(shù) kc對

13、系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。c偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。c太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。c太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。c可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。如果c的符號選擇不當(dāng)對象狀態(tài) (pv 值)就會離控制目標(biāo)的狀態(tài) (sv 值)越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況c的符號就一定要取反。 (2) 積分控制i對系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，i?。ǚe分作用強(qiáng)）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 (3) 微分控制d對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，d偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。d偏小

14、時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有d合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。 本科生課程設(shè)計（論文）5第 3 章 硬件設(shè)計3.1 外部接線圖硬件外部接線如圖3.1所示，cpu224輸出端子q0.1-q0.6接發(fā)光二級管，用來顯示流量值。q0.7接紅燈，用來作為報警顯示。1l、2l、3l接l1，然后接220v電源。啟動開關(guān)接l+。 圖3.1 外部接線圖3.2 i/o 分配表 3.2 i/o 分配表模塊名稱地址編號信號名稱i0.0啟動按鈕q0.0段碼顯示 a 段q0.1段碼顯示 b 段q0.2數(shù)碼顯示 c 段q0.3段碼顯示 d 段q0.4段碼顯示 e 段q0.5段碼顯示 f 段q0.6段碼顯示

15、 g 段cpu224q0.7報警指示燈aiw0流量信號輸入em235aiw2溫度信號輸入本科生課程設(shè)計（論文）6第 4 章 軟件設(shè)計4.1 初次上電1)讀入模擬信號，并把數(shù)值轉(zhuǎn)化顯示鍋爐的當(dāng)前電壓2)判斷導(dǎo)熱油溫度是否在正常范圍，打亮溫度越上限報警指示燈調(diào)用子程序本科生課程設(shè)計（論文）7本科生課程設(shè)計（論文）84.2 子程序1）輸入設(shè)定溫度2）把設(shè)定溫度、p 值、i 值、d 值都導(dǎo)入 pid3）每 100ms 中斷一次子程序進(jìn)行 pid 運(yùn)算本科生課程設(shè)計（論文）94.3 中斷程序，pid 的計算本科生課程設(shè)計（論文）10把流量值進(jìn)行段碼顯示。本科生課程設(shè)計（論文）11本科生課程設(shè)計（論文）1

16、2第 5 章 系統(tǒng)測試與分析按照硬件外部接線圖連接電路，將實(shí)驗(yàn)臺與計算機(jī)建立通信，將 cpu224 調(diào)到 run 狀態(tài)，并把 plc 程序?qū)懭?step7 中，點(diǎn)擊下載并執(zhí)行程序，即可在實(shí)驗(yàn)臺上 led 上從百位到個位循環(huán)顯示標(biāo)度變換后的流量值，如圖 5.1 所示圖 5.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖本科生課程設(shè)計（論文）13第 6 章 課程設(shè)計總結(jié)溫度控制一直是工業(yè)控制中的一個最重要最常見的被控變量，隨著 plc 的發(fā)展，種類繁多的控制設(shè)備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，適應(yīng)溫控系統(tǒng)非線性，干擾多，大時延，時變和分布變化的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)具體的應(yīng)用場合、不同的加熱對象和所要求的控制曲線和控制精度

17、，選擇不同的系統(tǒng)方法。在設(shè)計中，采用功能強(qiáng)、安全系數(shù)高的德國 siemens simatic s7-200 可編程控制器來實(shí)現(xiàn)印染定型機(jī)溫度控制系統(tǒng)控制，西門子最大的優(yōu)點(diǎn)就是穩(wěn)定性好、安全系數(shù)高，常?？梢詿o故障工作好幾年，而且就算是哪里壞了也只要換其中的一個模塊，既方便又經(jīng)濟(jì)。根據(jù)環(huán)境的需要，選用 k 型熱電偶做為溫度傳感器，較之其他溫度傳感器，熱電偶能直接測量液體表面溫度，減小人為誤差，并且滿足測量溫度范圍，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，較低溫度漂移和零點(diǎn)漂移。有較強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。設(shè)計基本上達(dá)到了設(shè)計目的,利用 plc 實(shí)現(xiàn)了對的各種控制，通過合理的設(shè)備選型、參數(shù)設(shè)置和軟件設(shè)計，提高了溫度控制系統(tǒng)的可靠性。該溫度控制系統(tǒng)也有一些有不足的地方需要改進(jìn)，編程時我們用了編程軟件自帶的 pid 指令向?qū)K，這樣雖然方便，但是使得控制系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都稍微偏大，若不直接調(diào)用該模塊，而是自己編寫 pid 控制子程序的話，控制效果可能會更好。還有人機(jī)界面內(nèi)容不夠豐富，若再加上報表系統(tǒng)、打印功能的話，那就更完美了。通過本次課程設(shè)計，主要培養(yǎng)了我的綜合運(yùn)用所學(xué)知識和技能去分析和解決本專業(yè)范圍內(nèi)的一般工程技術(shù)問題，建立正確的設(shè)計思想，掌握工程設(shè)計的一般程序和方法。通過課程設(shè)計，進(jìn)行工程知識和工程技能的綜合訓(xùn)練，使我們一走上工作崗位，就具有較強(qiáng)的應(yīng)用生產(chǎn)現(xiàn)場正在使用和近期可能推廣使