李洪任炉窑温度控制系统的设计最终版Word格式.doc
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课程设计(论文)任务及评语
电气工程学院教研室:
学号
070302039
学生姓名
李洪任
专业班级
自动化072
课程设计(论文)题目
炉窑温度控制系统的设计
课程设计(论文)任务
课题完成的功能:
石灰进入石灰窑烧制后形成熟石灰,石灰窑温度是决定熟石灰质量的关键因素。
石灰窑的温度控制需通过调节煤气和空气的流量来实现。
控制系统需完成以下功能:
1、完成高炉煤气的流量控制;
2、完成燃烧空气的流量控制;
3、完成冷却空气的流量控制;
4、完成上料皮带秤的启停控制;
5、完成炉窑的窑顶预热带、煅烧带和冷却带的温度检测。
设计任务及要求:
1、采用西门子公司200系列PLC;
2、方案设计,I/O分配表;
3、硬件设计和软件开发;
4、离线运行结果分析;
5、撰写课程设计说明书;
技术参数:
1、温度范围在800-1000℃,各种气体流量范围为2-5m3/h-2200N;
2、上料皮带电动机的额定功率22Kw,额定电压380V,额定电流7A,额定转速1450rpm。
进度计划
1、熟悉课程设计题目,查找及收集相关书籍、资料(2天);
2、设计系统的结构原理图(1天);
3、仪表、控制系统等设备的选型(1天);
4、程序开发(4天);
5、撰写课设论文(1.5天);
6、设计结果考核(0.5天);
指导教师评语及成绩
平时:
论文质量:
答辩:
总成绩:
指导教师签字:
年月日
注:
成绩:
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
在石灰产品生产的流程中,窑炉烧制是一个非常重要的环节。
石灰窑烧制工业生产过程当中,需要调控的量有很多,最重要的就是高炉煤气流量的控制,燃烧空气流量的控制,冷去流量的控制及上料皮带秤的启停控制,PID调节作为经典控制理论中最典型的闭环控制方法。
本设计对石灰窑炉加热温度调整范围为800℃—1000℃,各种气体流量范围为2-5m3/h-2200N。
软件设计须能进行人工启动,考虑到本系统控制对象为石灰窑炉,是一个大延迟环节,且温度调节范围较宽,所以本系统对过渡过程时间不予要求。
被控对象为炉内温度,温度传感器检测炉内的温度信号,经温度变送器将温度值转换成电压信号送入PLC模块。
PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差,经PID运算后,发出控制信号,相应的控制可控调节阀,从而实现炉温的连续控制。
关键词:
炉窑温度控制;
PID算法;
PLC编程;
目录
第1章绪论 1
第2章课程设计的方案 2
2.1概述 2
2.2系统组成总体结构 2
第3章硬件设计 5
3.1PLC的选型和硬件配置 5
3.2传感器选择 6
3.3可控阀门及电动机选择 7
第4章基于PLC的炉温控制系统的软件设计 8
4.1STEP7MICRO/WIN32软件介绍 8
4.2系统PID算法及流程图 8
4.2.1PID算法简介 8
4.2.2PID算法的数字化处理 9
4.3I/O口分配 15
4.3主程序清单 15
第5章课程设计总结 23
参考文献 24
第1章绪论
随着现代工业的逐步发展,在工业生产中,温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。
其中,温度是一个非常重要的过程变量。
例如:
在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域,都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。
这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。
某种石灰烧制的工艺,要求窑炉温度从室温升高到1000℃左右,经过长时间恒定高温烧制,最后由1000℃左右降至室温。
在温度变化的过程,石灰窑的温度控制需通过调节煤气和空气的流量来实现,必须对窑炉温度的升温、恒温和降温进行精确地控制。
对窑炉温度的控制好坏直接关系到石灰产品的质量、废品率和厂家的生产成本以及安全。
本文针对石灰窑炉快速升温和恒温的过程,在PID调节方法中,采用西门子S7—200PLC,实现了窑炉温度精确控制的效果。
在工业生产过程当中,常常需要用闭环控制方式来控制温度、压力、流量和液位等连续变化的量。
PID调节是经典控制理论中最典型的用于闭环控制系统的调节方法。
第2章课程设计的方案
2.1概述
本PLC温度控制系统的具体指标要求是:
对石灰窑炉加热温度调整范围为800℃—1000℃,各种气体流量范围为2-5m3/h-2200N。
2.2系统组成总体结构
根据系统具体指标要求,可以对每一个具体部分进行分析设计。
整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。
系统硬件框图结构如图所示:
石灰石
料斗
振动筛
单斗提升机
炉窑
烟气
除尘机
换热器
抽风机
排空
煤气流量传感器
空气流量传感器
出灰机
煤气
鼓风机
图2.1系统硬件框图
整个控制系统是一个相对联系的结合体,但是又可以分开讨论。
当被控对象为炉内温度,温度传感器检测炉内的温度信号,经变送器将温度值转换成电压信号送入PLC模块。
PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差,经PID运算后,发出控制信号,经可控阀门调控,从而实现炉温的连续控制。
当被控对象为煤气流量,流量传感器检测煤气输送管道内的流量信号,经变送器将流量值转换成电压信号送入PLC模块。
当被控对象为燃烧空气流量,流量传感器检测燃烧空气输送管道内的流量信号,经变送器将流量值转换成电压信号送入PLC模块。
当被控对象为冷却空气流量,流量传感器检测冷却空气输送管道内的流量信号,经变送器将流量值转换成电压信号送入PLC模块。
当被控对象为皮带秤石灰石上料量,皮带秤传感器检测皮带秤上的石灰石料量信号,经变送器将流量值转换成电压信号送入PLC模块。
可控阀门
石灰窑炉
温度传感器
给定温度
S7-200PLC
CPU运算处理
变送器
图2.2温度系统硬件框图
煤气输送管道
给定流量
图2.3高炉煤气系统硬件框图
燃烧空气输送管道
燃烧空气流量传感器
图2.4燃烧空气系统硬件框图
冷却空气输送管道
冷却空气传感器
图2.5冷却空气系统硬件框图
上料皮带
皮带秤传感器
给定值
图2.6皮带秤系统硬件框图
第3章硬件设计
3.1PLC的选型和硬件配置
S7-200系列PLC是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器,它能够满足多种自动化控制的需求,其设计紧凑,价格低廉,并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能,可代替继电器在简单的控制场合,也可以用于复杂的自动化控制系统。
由于它具有极强的通信功能,在大型网络控制系统中也能充分发挥作用。
S7-200系列可以根据对象的不同,可以选用不同的型号和不同数量的模块。
并可以将这些模块安装在同一机架上。
SiemensS7-200主要功能模块介绍:
(1)CPU模块S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元,电源以及数字I/O点,这些都被集成在一个紧凑,独立的设备中。
CPU负责执行程序,输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载.从CPU模块的功能来看,CPU模块为CPU22*,它具有如下五种不同的结构配置CPU单元:
①CPU221它有6输入/4输出,I/0共计10点.无扩展能力,程序和数据存储容量较小,有一定的高速计数处理能力,非常适合于少点数的控制系统。
②CPU222它有8输入/6输出,I/0共计14点,和CPU221相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。
③CPU224它有14输入/10输出,I/0共计24点,和前两者相比,存储容量扩大了一倍,它可以有7个扩展模块,有内置时钟,它有更强的模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多S7-200产品。
④CPU226它有24输入/16输出,I/0共计40点,和CPU224相比,增加了通信口的数量,通信能力大大增强。
它可用于点数较多,要求较高的小型或中型控制系统。
⑤CPU226XM它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和CPU226相同。
(2)开关量I/O扩展模块当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行I/O扩展,I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。
通常开关量I/O模块产品分3种类型:
输入模块,输出模块以及输入/输出模块。
为了保证PLC的工作可靠性,在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。
如光电隔离,输入保护(浪涌吸收器,旁路二极管,限流电阻),高频滤波,输入数据缓冲器等。
由于PLC要控制的对象有多种,因此输出模块也应根据负载进行选择,有直流输出模块,交流输出模块和交直流输出模块。
按照输出开关器件种类不同又分为3种:
继电器输出型,晶体管输出型和双向晶闸管输出型。
这三种输出方式中,从输出响应速度来看,晶体管输出型最快,继电器输出型最差,晶闸管输出型居中;
若从与外部电路安全隔离角度看,继电器输出型最好。
在实际使用时,亦应仔细查看开关量I/O模块的技术特性,按照实际情况进行选择。
由于本系统是单回路的反馈系统,CPU224XP相比与其他型号具
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