電氣隧道窯的PLC控制系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）題目名稱：電氣隧道窯的PLC控制系統(tǒng) 學(xué)院名稱：電子信息學(xué)院 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： 摘要I系統(tǒng)介紹了基于西門子可編程控制器（PLC）S7-200和窯溫控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。硬件方面采用了CPU型號為224的S7-200、K型熱電偶和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊EM231。熱電偶作為溫度的采集元件，采集的信號經(jīng)過EM231的處理后就可把數(shù)據(jù)送入PLC中進行處理。PLC通過PID算法，將輸出的數(shù)據(jù)傳送給EM232模塊，EM232輸出相應(yīng)的模擬量控制晶閘管的導(dǎo)通，從而實現(xiàn)溫度的自動控制。實驗結(jié)果表明，采用了PID調(diào)節(jié)思想程序的PLC系統(tǒng)，具有反應(yīng)速度快，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)迅速，精度高等

2、特點。 關(guān)鍵詞：溫度控制，可編程控制器，PID IIAbstractThis thesis mainly introduces a design of temperature control system with SIMATIC programmable logic controller (PLC) S7-200 and the King view configuration soft .We use the PLC s7-200 with cup 224、the K type thermocouple and temperature module EM231 as the hardware

3、 . The thermocouple can measure the temperature of the stove, and translate the temperature signal to the voltage signal. And then the EM232 will transmit it to the PLC after disposing the signal .This system use positional type PID arithmetic and Pulse-Width Modulation methodology .And the procedur

4、e use idea of coarse adjustment algorithm and the fine adjustment algorithm. The procedure will run with different PID parameter in different condition.The experimental results show that，the plc can work reliably, stably. The system using coarse adjustment algorithm and the fine adjustment algorithm

5、 can get a better result. That is fast response, small overshoot, rapid adjustment, high accuracy. The King view is powerful, easy to operate. We can speculate that configuration software will have a good prospect for development. Keywords：Temperature Control, PLC, PID, King ViewII目錄1 引言11.1 課題背景11.

6、2 研究意義22 設(shè)計內(nèi)容及總體方案32.1 設(shè)計要求32.2 內(nèi)容概述32.3 總體設(shè)計方案33 加熱主電路設(shè)計53.1 加熱主電路53.2 硅鉬棒53.2.1 硅鉬棒參數(shù)及選型53.2.2 硅鉬棒的特點73.3 可控硅83.3.1 簡介83.3.2 選型84 電機主電路設(shè)計104.1 電機主電路104.2 電機選型104.2.1 選型104.2.2 電動機相關(guān)技術(shù)參數(shù)115 硬件配置125.1 PLC的選擇125.1.1 西門子S7-200125.1.2 CPU224具體參數(shù)135.2 測溫模塊的選擇135.2.1 熱電偶模塊135.2.2 方案比較175.3 EM232模擬量輸出模塊18

7、6 控制算法描述196.1 PID控制介紹186.2 PID控制算法20III6.3 PID在PLC中的應(yīng)用206.3.1 建立PID回路表206.3.2 對收入采樣數(shù)據(jù)進行歸一化處理206.3.3 對PID輸出數(shù)據(jù)進行工程量化處理216.4 PID參數(shù)整定217 電氣控制原理圖227.1 PLC的I/O分配227.2 電壓調(diào)制器237.2.1 選型237.2.2 調(diào)壓器主要參數(shù)237.2.3 工作原理23IV 中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）7.3 PLC外部接線圖（見附錄3、附錄4）248 器件選型258.1 接觸器258.1.1 接觸器的工作原理258.1.2 選型258.2 低壓斷路器268

8、.2.1 簡介268.2.2 斷路器選型268.3 熱繼電器278.4 快速熔斷器288.5 電阻、電容的選擇298.5.1 電壓上升率dv/dt的抑制298.5.2 整流晶閘管阻容吸收元件的選擇308.6 元器件清單（見附錄5）309 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)319.1 方案設(shè)計319.2 PID指令回路319.3 程序流程圖329.4 PLC程序（見附錄6）339.5 程序調(diào)試3310 結(jié)論3411 參考文獻3512 致謝3613 附錄37附錄1 加熱主電路圖附錄2 電機主電路設(shè)計附錄3 PLC外部接線圖1附錄4 PLC外部接線圖2附錄5 元器件清單附錄6 PLC程序附錄7 電氣說明書V1 引言1.1

9、課題背景溫度在工業(yè)生產(chǎn)中極其重要，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密不可分。溫度控制系統(tǒng)以溫度作為被控制量的反饋控制系統(tǒng)。在化工、石油、冶金等生產(chǎn)過程的物理過程和化學(xué)反應(yīng)中，溫度往往是一個很重要的量，需要準(zhǔn)確地加以控制。除了這些部門之外，溫度控制系統(tǒng)還廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，是用途很廣的一類工業(yè)控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)常用來保持溫度恒定或者使溫度按照某種規(guī)定的程序變化。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，控制方案也有所不同。例如冶金、機械、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

10、有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進的控制技術(shù)和控制理論。 溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研以及日常生活等領(lǐng)域占有重要的地位。溫度控制系統(tǒng)是人類供熱、取暖的主要設(shè)備的驅(qū)動來源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。期間，從低級到高級，從簡單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對溫度控制精度要求的不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術(shù)得到迅速發(fā)展。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比有著較大差距。成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制

11、滯后、復(fù)雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試確定。國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國、德國、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。當(dāng)前在控制領(lǐng)域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術(shù)工具，特別是石油化

12、工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（DCS）。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，可見它的生命力之強，也說明了它的重要性。1.2研究意義隧道窯是現(xiàn)代化的連續(xù)式燒成的熱工設(shè)備，廣泛用于陶瓷產(chǎn)品的焙燒生產(chǎn)，在磨料等冶金行業(yè)中也有應(yīng)用。近年來, 隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、環(huán)保措施的加強, 越來越多的煤燒隧道窯面臨著改造和淘汰的可能。隧道窯屬于逆流操作的熱工設(shè)備，即窯車上的制品，由推車機的推動，在隧道內(nèi)連續(xù)或間歇移動，并完成預(yù)熱、燒成、冷卻過程。電窯的燒成工藝區(qū)段有1.預(yù)熱帶2.低溫帶3.高溫帶

13、4.冷卻帶。如下圖所示：圖1-1 電窯燒成區(qū)段示意圖窯的各帶長度確定的一般原則：1.預(yù)熱帶長度應(yīng)根據(jù)排出廢氣溫度來確定，廢氣離開排煙機溫，溫度應(yīng)低于250；2.燒成帶長度根據(jù)保溫時間來確定；3.冷卻帶長度根據(jù)出窯制品的溫度來確定，一般應(yīng)低于100.電能具有無污染的優(yōu)點，且都完全符合陶瓷模具燒成窯爐的能源選擇原則。在水電豐富,電價便宜的地區(qū)，可采用電作為能源燒成陶瓷模具。電能無污染,燒成中以輻射傳熱為主。陶瓷磨具窯爐按能源種類分為燃料窯爐和電熱窯爐兩大類，按燒成過程的工作方式分為連續(xù)式窯爐和間歇式窯爐。連續(xù)式窯爐包括隧道窯，輥道窯，推板窯。我國目前常用的為傳統(tǒng)的燃氣。燃料及電熱窯車式隧道窯。國際

14、上新型隧道窯在我國陶瓷磨具行業(yè)尚未大量采用。間歇窯包括抽屜窯（車式窯），鐘罩窯，倒焰窯等。我國陶瓷磨具行業(yè)的大中型企業(yè)已經(jīng)采用了一批現(xiàn)代燃氣或燃料油抽屜及鐘罩窯，而大多數(shù)中小型企業(yè)仍以燃料煤為主，少數(shù)企業(yè)采用燃氣倒窯焰。2設(shè)計內(nèi)容及總體方案2.1設(shè)計要求干燥后的砂輪必須經(jīng)過燒成才能成為磨具砂輪，電窯的燒成工藝區(qū)段是：1.預(yù)熱帶2.低溫帶3.高溫帶4.冷卻帶。系統(tǒng)采用硅鉬棒電加熱，電氣自動控制系統(tǒng)控制溫度；液壓推進器控制砂輪小車的進窯速度；電動機控制送風(fēng)機、排風(fēng)機和油泵?？刂葡到y(tǒng)由溫度控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和PLC、電動機等組成。工藝要求:1.電窯功率160千瓦；2. 電窯最高溫度1300度；3

15、.油泵電機功率0.55千瓦。2.2內(nèi)容概述32米電加熱隧道窯是生產(chǎn)陶瓷砂輪的專用設(shè)備，裝機容量160KW，主電路采用星形接法，發(fā)熱元件采用硅鉬棒，三組加熱為獨立控制方式，工作溫度為1250，要求溫度的誤差為±5，控溫電路設(shè)計為大功率晶閘管/調(diào)壓方式，并有適當(dāng)?shù)谋Ｗo電路。1、三組加熱方式為獨立方式，根據(jù)硅鉬棒的特點，選擇主電路的晶閘管控溫方式。2. 按上述要求設(shè)計出電路圖并選擇元器件參數(shù)。3. 在繼電器基礎(chǔ)上設(shè)計PLC系統(tǒng)，并設(shè)計出PLC外圍硬件圖。4. 采用PLC現(xiàn)場調(diào)試。2.3總體設(shè)計方案系統(tǒng)框圖見圖2-1。圖2-1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)隧道窯溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖2-1所示， 它由硅鉬

16、棒、 傳感器、 信號處理、 A/D模塊、 PLC主控系統(tǒng)、 觸發(fā)模塊、 可控硅（SCR） 七部分組成。PLC是電阻爐溫度控制的主控核心。傳感器采集的硅鉬棒加熱對象的溫度信號，通過信號采集電路處理，A/D模塊，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量， 然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行處理，通過過零觸發(fā)模塊，觸發(fā)可控硅（SCR）按一定的占空比導(dǎo)通，控制了硅鉬棒兩端的通電時間，實現(xiàn)電爐溫度控制。3 加熱主電路設(shè)計3.1加熱主電路32米電加熱隧道窯是生產(chǎn)陶瓷砂輪的專用設(shè)備，裝機容量160KW，主電路采用星形接法，發(fā)熱原件采用硅鉬棒，三組加熱為獨立控制方式，工作溫度為1250，要求溫度的誤差為&#

17、177;5，控溫電路設(shè)計為大功率晶閘管/調(diào)壓方式，并有適當(dāng)?shù)谋Ｗo電路。電路圖如下：斷路器QA1控制加熱系統(tǒng)的啟停。熔斷器FA1、FA2、FA3的作用有二：其一，為了保護可控硅；其二，為整個加熱系統(tǒng)起到斷路保護的作用。阻容保護的作用是限制加在晶閘管上的正向電壓上升率dv/dt。圖3-1 加熱主電路3.2硅鉬棒3.2.1硅鉬棒參數(shù)及選型 表3-1 硅鉬棒參數(shù)圖根據(jù)需要，本設(shè)計采用加熱元件型號如下： 硅鉬棒 6mm/12mm 冷端600mm×熱端300mm 共60支 加熱方式：采用3組晶閘管調(diào)壓、調(diào)功獨立控制。硅鉬棒的參數(shù)為： 裝機容量：2.28KW×60=136.8KW 故裝機

18、容量設(shè)為160KW。3.2.2 硅鉬棒的特點a：硅鉬棒的化學(xué)性質(zhì)硅鉬棒在高溫氧化氣氛下，表面生成一層石英保護層防止硅鉬棒繼續(xù)氧化。當(dāng)元件溫度大于1700時，石英保護層熔融，元件在氧化氣氛下，繼續(xù)使用，石英保護層重新生成。硅鉬棒不宜在400-700范圍內(nèi)長期使用，否則元件會因低溫的強烈氧化作用而粉化。b: 硅鉬棒元件的安裝 硅鉬棒元件在常溫下脆性較大，高溫時又有可塑性，所以U型棒最好是垂直懸掛安裝，若需水平安裝，請選用高溫耐火材料支撐，把硅鉬棒水平放置。元件圓錐部分一定要延伸到爐膛內(nèi)，硅鉬棒夾具不能一次擰的太緊，待元件升到高溫時，再次擰緊，這樣元件不易折斷，爐頂保溫性能要好，一般爐頂溫度不能超過

19、300。夾頭導(dǎo)線與元件接觸電壓應(yīng)低于0.1V，為避免幅射熱傳到夾頭，夾頭下端和塞磚上面的距離不應(yīng)小于50mm。6元件不能長期使用170A，9元件不能長期使用300A。由加熱主電路圖可知： 調(diào)功方式：由于單個硅鉬棒的工作電壓為15.2V，故可將20個硅鉬棒串聯(lián)。 即： 15.2×20=304V380V，故硅鉬棒可正常工作。 3.3可控硅3.3.1簡介可控硅又叫晶閘管。自從20世紀(jì)50年代問世以來已經(jīng)發(fā)展成了一個大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、快速晶閘管，等等。今天大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說的普通晶閘管，它是由四層半導(dǎo)體材

20、料組成的，有三個PN結(jié)，對外有三個電極圖2(a)：第一層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號圖2(b)可以看到，它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ姷钠骷?，關(guān)鍵是多了一個控制極G，這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。圖3-2 晶閘管基本結(jié)構(gòu)3.3.2選型加熱系統(tǒng)主回路采用兩只晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中 ,控制晶閘管就可控制交流電力 ,以達到控制溫度的目的。晶閘管的觸發(fā)電路屬于過零觸發(fā)型 ,即晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的時刻總是在電壓和電流過零的時刻 ,每次過零觸發(fā)導(dǎo)通輸出正弦波的數(shù)量是被控制的 ,由此連續(xù)調(diào)節(jié)輸出加熱功

21、率來實現(xiàn)溫度的控制。由于輸出的是完整的正弦波 ,其輻射小 ,傳導(dǎo)干擾及負載的瞬態(tài)浪涌電流也最小。晶閘管的電流有效值： （4-8）當(dāng)=0時， （4-9）晶閘管的額定電流：=170.7A-341.4A （4-10）考慮到安全余量，選取晶閘管的額定電流為：=500A （4-11） 可控硅在門極無信號，控制電流Ig為0時，在陽(A)一一陰(K)極之間加(J2)處于反向偏置，所以，器件呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，稱為正向阻斷狀態(tài)，若增大UAK而達到一定值VBO，可控硅由阻斷突然轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，這個VBO值稱為正向轉(zhuǎn)折電壓，這種導(dǎo)通是非正常導(dǎo)通，會減短器件的壽命。所以必須選擇足夠正向重復(fù)阻斷峰值電壓(VDRM)。在陽一一陰極

22、之間加上反向電壓時，器件的第一和第三PN結(jié)(J1和J3)處于反向偏置，呈阻斷狀態(tài)。當(dāng)加大反向電壓達到一定值VRB時可控硅的反向從阻斷突然轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，此時是反向擊穿，器件會被損壞。而且VBO和VRB值隨電壓的重復(fù)施加而變小。在感性負載的情況下，如磁選設(shè)備的整流裝置。在關(guān)斷的時候會產(chǎn)生很高的電壓( =-Ldi/dt)，如果電路上未有良好的吸收回路，此電壓將會損壞可控硅器件。因此，器件也必須有足夠的反向耐壓VRRM?？煽毓柙谧兞髌?如電機車)中工作時，必須能夠以電源頻率重復(fù)地經(jīng)受一定的過電壓而不影響其工作，所以正反向峰值電壓參數(shù)VDRM、VRRM應(yīng)保證在正常使用電壓峰值的2-3倍以上，考慮到一些

23、可能會出現(xiàn)的浪涌電壓因素，在選擇代用參數(shù)的時候,只能向高一檔的參數(shù)選取。 峰值電壓：Uf=2×U=1.414U=311V則晶閘管額定電壓為：（23）×Uf=622933V考慮到安全余量，選擇晶閘管的額定電壓為1000V。故選取晶閘管型號為：KP500A1000V 型號說明： K P 500A 1000V 正反向重復(fù)峰值電壓級別 額定通態(tài)平均電流系列 表示普通的反向阻斷型 表示閘流特性4 電機主電路設(shè)計 4.1 電機主電路電機主電路如下所示：三臺電機分別控制進風(fēng)機、排風(fēng)機、油泵。三臺電機分別用MA1，MA2，MA3代表。交流接觸器分別為QA11，QA12，QA13，BB1，B

24、B2，BB3分別為三臺電機過載保護用的熱繼電器。QA8，QA9，QA10分別為三臺電機的主電路的隔離開關(guān)，QA0為主電源電路總開關(guān)。電窯運行時，首先閉合隔離開關(guān)QA10，通電使交流接觸器QA13吸合，窯車運行。當(dāng)窯內(nèi)溫度過高時，需閉合隔離開關(guān)QA8，QA9，送風(fēng)排風(fēng)電機工作，排出熱風(fēng)。圖4-1 電機主電路4.2電機選型4.2.1 選型根據(jù)系統(tǒng)要求，排風(fēng)電機和進風(fēng)電機選擇型號為：Y80M2-4型電動機，油泵電機選擇Y80M1-4型電動機。Y系列電動機是一般用途的全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動機。安裝尺寸和功率等級符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，外殼防護等級為IP44，冷卻方法為IC411，連續(xù)工作制（S1）。

25、適用于驅(qū)動無特殊要求的機械設(shè)備，如機床、泵、風(fēng)機、壓縮機、攪拌機、運輸機械、農(nóng)業(yè)機械、食品機械等。Y系列電動機效率高、節(jié)能、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動小、運行安全可靠。Y80315電動機符合Y系列（IP44）三相異步電動機技術(shù)條件JB/T9616-1999。Y355電動機符合Y系列（IP44）三相異步電動機技術(shù)條件JB5274-91。Y80315電動機采用B級絕緣。Y355電動機采用F級絕緣。額定電壓為380V，額定頻率為50Hz。功率3kW及以下為Y接法；其它功率均為接法。電動機運行地點的海拔不超過1000m；環(huán)境空氣溫度隨季節(jié)變化，但不超過40；最低環(huán)境空氣溫度為-15；最濕月月平均最高相對

26、濕度為90%；同時該月月平均最低溫度不高于25。4.2.2 電動機相關(guān)技術(shù)參數(shù)Y80M2-4型電動機：額定電壓：380V 額定電流：2.0A 額定功率：0.75KW 轉(zhuǎn)速：1390r/min效率：74.5% 功率因數(shù)：0.76 堵轉(zhuǎn)電流額定電流：6A堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩：2.3 最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩：2.3最小轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩： 1.7Y80M1-4型電動機：額定電壓：380V 額定電流：1.5A 額定功率：0.55KW 轉(zhuǎn)速：1390r/min效率：73% 功率因數(shù)：0.76 堵轉(zhuǎn)電流額定電流：6A堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩：2.4 最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩：2.3最小轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩： 1.7 5 硬件配置5.1 PLC的

27、選擇PLC的品牌有西門子、歐姆龍、三菱、AB、松下、日立、光洋等。但AB、松下、日立、光洋品牌的PLC在國內(nèi)的普及率遠不如西門子、三菱、歐姆龍。西門子的PLC編程的靈活性是三菱沒法比擬的，有很多功能西門子很容易實現(xiàn)，三菱卻不能。三菱的PLC編程比較容易上手，但是在大型的宏程序上，和西門子還是有差別的，大型的設(shè)備控制還是用西門子的會好些。 在價格上小型機，西門子已經(jīng)國產(chǎn)化，價格相對較低。當(dāng)然，其成功的關(guān)鍵也來自于產(chǎn)品的合格性與良好的服務(wù)態(tài)度。西門子PLC是更多消費者的首選品牌，因而選擇使用西門子的PLC來進行本設(shè)計。5.1.1西門子S7-200S7-200系列可編程控制器有CPU21X系列，CP

28、U22X系列，其中CPU22X型可編程控制器提供了4個不同的基本型號，常見的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四種基本型號。小型PLC中，CPU221價格低廉能滿足多種集成功能的需要。CPU 222是S7-200家族中低成本的單元，通過可連接的擴展模塊即可處理模擬量。CPU 224具有更多的輸入輸出點及更大的存儲器。CPU 226和226XM是功能最強的單元，可完全滿足一些中小型復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。本論文采用的是CUP224。它具有1

29、4個輸入點和10個輸出點。S7-200系列的基本單元如表5-1所示。表5-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元型 號輸入點輸出點可帶擴展模塊數(shù)CPU221640CPU222862個擴展模塊CPU22414107個擴展模塊CPU224XP24167個擴展模塊CPU22624167個擴展模塊5.1.2 CPU224具體參數(shù)表5-2 CPU 224 AC/DC/繼電器I/O特性數(shù)字量輸入14 輸入數(shù)字量輸出10 輸出模擬量輸入無模擬量輸出無允許最大的擴展I/O模塊7個模塊允許最大的智能模塊7個模塊脈沖捕捉輸入14單相計數(shù)器6，每個30KHz兩相計數(shù)器4，每個20KHz脈沖輸出2個20K

30、Hz(僅限于DC輸出)5.2 測溫模塊的選擇5.2.1 熱電偶模塊熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表，轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢熱電動勢，這就是所謂熱電偶是塞貝克效應(yīng)。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可每點額定電流(最大)2.0A供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般

31、也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。由于電加熱隧道窯溫度為1250±5。 表5-3 七種熱電偶溫度范圍J型熱電偶0760K型熱電偶01370T型熱電偶-100400E型熱電偶01000R型熱電偶5001750S型熱電偶5001750B型熱電偶5001800 因而采用的是K型熱電阻。經(jīng)分析可得溫度控制有兩種方案。方案一：選擇西門子的熱電偶和EM231 AI 4X 測溫模塊 K型熱電偶將從隧道窯內(nèi)采集的溫度進行轉(zhuǎn)換，并把溫度信

32、號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，將數(shù)據(jù)傳送給EM231 AI 4X 測溫模塊，EM231測溫模塊進行數(shù)據(jù)處理分析，再將處理完的數(shù)據(jù)送到PLC中。21a）EM231 AI4X熱電偶 參數(shù)指標(biāo)表5-4 EM231 AI4X熱電偶物理I/O數(shù)4個模擬輸入點耗電量自+5V DC（自I/O總線）87mA自L+20.4至28.8V DCLED 指示燈24V DC電源供電良好ON=無錯，OFF=無24V DC電源，SF：ON=模塊故障，閃爍=輸入信號錯誤,OFF=無錯模擬量輸入特性共模輸入范圍120V AC共模抑制>120dB 120V AC輸入類型浮地?zé)犭娕驾斎敕秶鸁犭娕碱愋?選一種) S，T，R，E，N，K

33、，J ； 電壓范圍：+/-80mV輸入分辨率溫度0.1/0.1電壓15位加符號位測溫原理西格瑪三角模塊更新時間405ms線回路電阻（最大）100歐數(shù)據(jù)字格式電壓：-27648至+27648輸入阻抗>1M歐分辨率15（含符號位）基本誤差0.1FS冷節(jié)點誤差±1.5 b) 熱電偶連接 圖5-1 熱電偶接線圖c)EM 231熱電偶模塊傳感器檢測到溫度轉(zhuǎn)換成041mv的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入PLC中進行處理。在這里，我們選用了西門子EM231 4TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊提供一個方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E

34、、N、S、T和R型，它也允許連接微小的模擬量信號(±80mV范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。EM231模塊需要用戶通過DIP開關(guān)進行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷端補償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組態(tài)DIP開關(guān)進行以上選擇，如圖所示。本設(shè)計采用的是K型熱電偶，結(jié)合其他的需要，我們設(shè)置DIP開關(guān)為00100000。對于EM231 4TC模塊，SW1SW3用于選擇熱電偶類型，見表5-3 。SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進行斷線檢測，SW7用于選擇測量單位，SW8用于選擇是否

35、進行冷端補償，見表5-3。為了使DIP開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給PLC的電源斷電再通電。表 5-5 熱電偶類型選擇熱電偶類型SWISW2SW3J（默認）000K001T010E011R100S101N110+/-80mv111 表 5-6 熱電偶其他設(shè)置DIP開關(guān)功能開/關(guān)狀態(tài)SW5熔斷方向正向標(biāo)定0負定方向1SW6斷線啟動斷線測量電流0禁止斷線測量電流1SW7測量單位攝氏0華氏1SW8冷端啟用冷端補償啟用0冷端補償禁止1方案二：選擇熱電偶和西門子的EM231模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊K型熱電偶將從隧道窯內(nèi)采集的溫度進行轉(zhuǎn)換，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，再通過溫度變送器將電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號010V

36、的電壓信號，將標(biāo)準(zhǔn)電壓信號傳送給EM231模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，EM231模塊將收到的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量數(shù)據(jù)032000。EM231A/D模塊再將處理后的數(shù)字量數(shù)據(jù)傳送到PLC中，使PLC產(chǎn)生相應(yīng)的動作。5.2.2 方案比較方案一：設(shè)計簡單。熱電偶將采集的硅鉬棒加熱對象的溫度信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，再將相應(yīng)的電信號傳輸給EM231熱電偶模塊。方案二：設(shè)計復(fù)雜，但價格較低。熱電偶將采集的硅鉬棒加熱對象的溫度信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，電信號通過溫度變送器轉(zhuǎn)換成010V的標(biāo)準(zhǔn)電壓，再將標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號傳輸給EM231模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。EM231熱電偶模塊的市場價格比EM231模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊高很高，考慮到設(shè)計

37、成本的要求，本著節(jié)約的要求，因而選擇方案二。5.3 EM232模擬量輸出模塊表5-7 EM232具體參數(shù) EM232參數(shù)表規(guī)格參數(shù)2路輸入 12位精度功耗2W電源損耗+5V DC消耗電流20mA從L+70mA(帶2路輸出20mA)L+電壓范圍第2級或DC傳感器供電20.4V280.VLED燈指示24V電源狀態(tài) 亮正常 滅故障量程范圍電壓輸出±10V電流輸出020mA數(shù)據(jù)字格式電壓-32000+32000電流0+32000分辨率量程電壓12位電流11位6 控制算法描述6.1 PID控制介紹PID控制一直是眾多的控制算法中應(yīng)用最為廣泛的控制算法，以其原理組成的控制器是自動控制系統(tǒng)設(shè)計中最

38、為經(jīng)典的一種控制器。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠工作、調(diào)整方便而成為工業(yè)過程控制中不可替代的主要技術(shù)之一。PID調(diào)節(jié)包含三個部分：比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)、微分調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)：按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。積分調(diào)節(jié)：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。微分調(diào)節(jié)：反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分環(huán)節(jié)作用消除。如果一個 PI D回路的輸出 M是時間 t的函數(shù),則可以看作是比例項、 積分項和微分項三部分之和。即：以上各量都是連續(xù)量,第一項為比例項,最后一項為微分項,中

39、間兩項為積分項。其中 e是給定值與被控制變量之差,即回路偏差。Kc為回路的增益。用 P LC處理這樣的控制算式,即連續(xù)的算式必須周期性地采樣并進行離散化,同時各信號也要離散化。公式如下:公式中包含 9個用來控制 PID運算的參數(shù)，其中：PID回路增益 : 第n次采樣的設(shè)定值 ：第n次采樣時刻的設(shè)定值：第n-1次采樣時刻的設(shè)定值：采樣周期：積分時間的比例常數(shù)：積分項前值：微分項的比例常數(shù)6.2 PID控制算法圖6-1 帶PID控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖63 PID在PLC中的使用使用PID回路指令的關(guān)鍵有三步：（1）建立PID回路表；（2）對收入采樣數(shù)據(jù)進行歸一化處理；（3）對PID輸出數(shù)據(jù)進行工

40、程量化處理。6.3.1 建立PID回路表公式中包含9個用來控制和監(jiān)視PID運算的參數(shù)，在PID指令使用時要建立一個所謂的PID回路表，用來給這些參數(shù)分配一個存放的地址單元，回路表中所有的地址都是雙字地址。6.3.2 對收入采樣數(shù)據(jù)進行歸一化處理用PLC控制PID回路時，要把實際測量收入量、設(shè)定值和回路表中的其他輸入?yún)?shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即用程序把它們轉(zhuǎn)化為PLC能夠識別和處理的數(shù)據(jù)，也即把它們轉(zhuǎn)化為無量綱的歸一化純量和浮點數(shù)的格式。第一步，將工程實際值由16位整數(shù)轉(zhuǎn)化為實數(shù)，設(shè)模擬量AIW0,程序如下： XORD AV0,AC0 /清累加器AC0 TDT AIW0,AC0 /把整數(shù)轉(zhuǎn)化為雙整數(shù)D

41、TR AC0,AC0 /把雙整數(shù)轉(zhuǎn)化為實數(shù)第二步，將實數(shù)格式的工程實數(shù)實際值轉(zhuǎn)化為0.01.0之間的無量綱相對值。 為工程實際值的歸一化值； 為工程實際值在未進行歸一化處理的實數(shù)形式值。標(biāo)準(zhǔn)化分為雙極性和單極性兩種。 為補償值或偏置，單極性為0.0，雙極性為0.5; 為值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32000；雙極性為64000。由于本設(shè)計采用的是單極性數(shù)據(jù)，故轉(zhuǎn)換公式為：6.3.3 對PID輸出數(shù)據(jù)進行工程量化處理程序執(zhí)行時把各個標(biāo)準(zhǔn)化為實數(shù)量用離散化PID算式進行處理，產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)化實數(shù)運算結(jié)果。 第一步，將回路輸出轉(zhuǎn)換為工程量標(biāo)定的實數(shù)格式 第二步,將已標(biāo)定的實數(shù)格式的回

42、路輸出轉(zhuǎn)化為16位的整數(shù)格式，并輸出。 TURNC AC0,AC0 /取整數(shù) DTI AC0,AC0 /雙整數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù) MOVW AC0,AQW0 /把整數(shù)值送到模擬量輸出通道6.4 PID參數(shù)整定根據(jù)經(jīng)驗PID參數(shù)設(shè)定如下：=0.15； =35s； =30min； =0min 7 電氣控制原理圖7.1 PLC的I/O分配表7-1 I/O地址分配名稱代號地址PLC啟動按鈕SF1I0.0PLC停止按鈕SF2I0.1窯車啟動SF3I0.2窯車停止SF4I0.3窯車前進SF5I0.4窯車后退SF6I0.5進風(fēng)機啟動SF7I0.6進風(fēng)機停止SF8I0.7 排風(fēng)機啟動SF9I1.0 排風(fēng)機啟動SF10

43、I1.1加熱啟動SF11I1.2加熱停止SF12I1.3極限位行程開關(guān)1BG1I1.4極限位行程開關(guān)2BG2I1.5運行指示PG2Q0.0停止指示PG3Q0.1加熱控制QA1Q0.2窯車啟動控制QA13Q0.3窯車前進控制KF1Q0.4窯車后退控制KF2Q0.5進風(fēng)機控制QA11Q0.6排風(fēng)機控制QA12Q0.7極限位（末端）報警PG4Q1.0極限位（始端）報警PG5Q1.17.2 電壓調(diào)制器7.2.1 選型ZK-30三相可控硅電壓調(diào)整器，是以數(shù)字技術(shù)為核心，采用數(shù)模結(jié)合技術(shù)，集移相觸發(fā)與過零觸發(fā)于一身，可以靈活地選擇觸發(fā)方式，使用可靠方便。儀表可與具有連續(xù)PID電流輸出的調(diào)節(jié)儀表配套使用，可

44、作為冶金、機械、化工等行業(yè)中需要大功率的三相電加熱設(shè)備，如電窯、電爐的調(diào)壓、調(diào)功；用于需要三相整流、直流電機調(diào)速等場合，儀表也可使用于電感性負載。對硅鉬棒、硅碳棒類等加熱元件，因冷熱態(tài)電阻差較大，會帶來啟動瞬間電流過大，而容易損壞元件，而本儀表的附加擴展功能可以加裝自動軟啟動功能，使儀表開機時，輸入訊號很大而不致啟動電流太大。負載電流可以由小到大的緩慢上升，由于儀表核心采用邏輯電路，很好地解決了三相脈沖同步準(zhǔn)確，保證了負載電流（電壓）的平衡。故選擇上海自動化儀表有限公司生產(chǎn)的ZK-30三相可控硅電壓調(diào)整器7.2.2調(diào)壓器主要參數(shù)表7-2 調(diào)壓器主要參數(shù)主要技術(shù)指標(biāo)輸入信號010mA DC配用可

45、控硅KP 50500A420mA DC配用可控硅KP 50500A輸出信號三相觸發(fā)脈沖 幅值4V 寬度100S軟啟動時間30150s±20s電源電壓220VAC±10 50HZ過零觸發(fā)周期310s±2s可調(diào)工作環(huán)境050可控硅觸發(fā)方式過零或移相觸發(fā)消耗功率約8W7.2.3工作原理儀表可以方便地用開關(guān)切換觸發(fā)方式，儀表當(dāng)工作于移相觸發(fā)方式時，輸入信號送至與同步鋸齒波信號進行比較，以產(chǎn)生與輸入信號及反饋信號疊加的信號大小變化而自由移動的基本信號。同步鋸齒波信號來自A相同步交流，經(jīng)濾波移相得到的光滑正弦波，經(jīng)外同步鋸齒波電路而得到。基本信號控制邏輯電路產(chǎn)生理想的三相正負半周的觸發(fā)脈沖，三相脈沖經(jīng)合成及功放再經(jīng)脈沖變壓器的隔離送至可控硅。7.3 PLC外部接線圖（見附錄3、附錄4）熱電偶作為溫度的采集元件，采集的信號經(jīng)過EM231的處理后就可把數(shù)據(jù)送入PLC中進行處理。PLC通過PID算法，將輸出的數(shù)據(jù)傳送給EM232模塊，EM232輸出相應(yīng)的模擬量控制晶閘管的導(dǎo)通，從而實現(xiàn)溫度的自動控制。PLC是系統(tǒng)運行狀態(tài)的核心控制器，與加熱控制系統(tǒng)，電機控制系統(tǒng)，窯車控制系統(tǒng)均有連接。各控制按鈕和行程開關(guān)作為CPU224的數(shù)字量輸入，數(shù)字量輸