加热炉前馈反馈系统Word文档下载推荐.docx

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组员：

瑞勇璐璐

学号:

0402100127〔29〕

班级：

生产过程1001

指导教师：

梁硕

摘要

可编程序控制器（PLC）是一种集自动化技术、计算机技术和通信技术为一体的高可靠性的工业计算机，应用很广泛，现在已经越来越成熟，小批量、多品种、多规格、低本钱和高质量的产品不断涌入市场。

本设计主要是在西门子编程软件S7-300的根底上实现PLC的前馈反响系统的设计，并通过具体的实例，即对加热炉温度的前馈反响控制的实现来说明前馈反响的具体流程。

加热炉的实时温度经过温度传感器、温度变送器将模拟量传送给PLC的模拟量输入模块，模拟量输入模块将模拟量转换成数字量送到PLC部处理，再由模拟量输出模块将数字量转换为模拟量输出控制阀门的开度以达到炉温度稳定的控制。

本文研究的重点是如何用PLC以与WinCC对现场的前馈-反响控制系统进展控制的，如何将前馈-反响控制系统得到的数据经过PLC后传送到上位机，用组态软件WinCC进展实时监控。

经仿真运行后，本系统能实现控制要求。

1绪论

1.1国外研究现状

现代社会要求生产厂商能对市场的需求做出迅速反响，生产出小批量、多品种、多规格、低本钱和高质量的产品。

老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置。

PLC是以微处理器为根底，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术开展起来的一种通用的工业自动控制装置。

今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主要控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。

PLC通过模拟量I/O模块实现模拟量与数字量之间的A/D,D/A转换,并对模拟量进展闭环PID控制，可用PID子程序来实现，也可使用专用的PID模块。

PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、机械、冶金、电力等行业。

PLC在最近几年非常广泛的用于各式各样的行业中，为了进一步提高其在应用过程中各方面的能力，国各公司与研究机构的研究人员不断的致力于研究这个领域。

基于PLC的控制模式日趋成熟，黄干将总结了PLC的主要控制模式：

1、顺序控制。

2、过程控制，过程控制的代表类型是开环控制与闭环控制，这种控制手段在台金、化工、锅炉控制等方面的应用效果都非常明显。

3、运动控制。

4、信息控制。

5、远程控制。

在过程控制中，某某机电职业技术学院的罗邕生在基于PLC的根底上对液位进展反响串级控制，并采用组态软件实现动态数据显示和现场设备的实时监控，取得良好效果。

国外的PLC控制系统比国的更加成熟，计算机技术的新成果更多地应用于可编程控制器的设计和制造上会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现。

伴随着计算机网络的开展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成局部，将在工业与工业以外的众多领域发挥越来越大的作用

可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的开展方向。

目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。

PLC+DCS〔分布式计算机控制系统〕结合，采用集散控制多台PLC分担了系统功能，并将危险性分散，人机界面友好、操作方便，并通过输入设备对工艺过程进展控制和调节，确保生产过程的安全可靠、高质高效。

但由于此系统常应用在复杂的造纸等行业，DCS需要测量

的模拟量信号较多，且现成干扰打，稳定性与准确度都不高，在一些相对简单一些的工业过程中应用这种控制系统显然不大适宜。

而对于PLC的前馈控制系统、反响控制系统或前馈-反响控制系统来说，就更加容易实现。

本文主要研究前馈反响控制方式，这种控制方式的优点是：

既有前馈控制对主要扰动进展补偿，又有闭环负反响消除其他的小的扰动。

本课题研究容与方法

过程控制系统的分类可以分为：

前馈控制系统、反响控制系统、前馈-反响控制系统。

在工业生产过程中，引起被控参数变化的扰动是多种多样的。

开环前馈控制的最主要的优点是能针对主要扰动与时迅速的克制其对被控参数的影响；

对于余次要扰动，如此利用反响控制予以克制，使控制系统稳定时能准确的是被控量控制在给定值上。

本文主要研究的是基于PLC的根底上实现的前馈-反响控制，即利用PLC的各种功能块对控制前馈-反响的控制系统的输入输出，并对模拟信号和数字信号进展处理，将满足要求的数据送入PID控制模块进展相应处理，最后通过输出通道〔模拟量输出模块〕对现场实施控制；

数字量的输出通过上位机的WinCC界面将控制信号通过CPU输出到数字量输出模块的端口来对现场进展控制。

本文主要研究容为：

1、研究在PLC的根底上前馈-反响控制系统的工作原理；

2、研究此控制系统软件设计方案与PLC的编程；

3、整定PID控制参数，使控制系统达到理想的控制效果；

4把工业生产过程中复杂的环境考虑进去时，研究该系统的可行性，分析此类环境的应对方法。

本设计主要研究方法为：

通过西门子的PLC软件STEP7的功能模块编程对前馈-反响控制系统的控制，以与应用组态软件WinCC对现场进展监控。

前馈-反响控制系统的调节器利用增量式PID控制算法，按照经验试凑的方法设定控制参数。

2PLC的前馈-反响控制系统设计

2.1系统的工艺流程

由于本设计的要设计基于PLC的前馈反响控制系统，主要的侧重点在前馈反响的控制系统，由于课题中没有给出直接的控制对象，本设计中，由于加热炉的炉温控制较适合应用前馈反响控制系统，而且在专业课的学习中也学了一些相关的知识，因此本人对加热炉的炉温控制相比照拟熟悉，在此就以炼油装置上的加热炉的炉温为控制对象来实现前馈反响控制系统的设计，控制器为西门子系列的PLC，利用其编程软件S7-300PLC来实现程序的编写，对系统进展控制。

加热炉温度控制系统广泛应用于冶金、化工等工业生产过程中，加热炉的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制是否准确直接影响产品的质量。

根据产品不同的应用目的，将材料与其制品加热到相应的温度并保温，是生产工艺经常要认真对待的问题。

热处理加热炉具有大惯性，纯滞后等非线性以与时变的特点，炉门的开关，加热的材料，环境温度以与煤气、空气的压力等都影响着控制过程。

在传统的PID控制中，PID控制参数难以确定，使PID控制器不能总是处于最优状态，而且在控制过程中将发生大的超调，随着PLC技术的不断开展，其各类过程控制模块功能的增强使它取得较好的控制效果，S7-300里的PID控制模块可以较好的实现对炉温的控制，提高了炉温的控制精度。

本设计中炼油装置上的加热炉温度的前馈-反响控制系统为：

如如下图：

图3.1加热炉的前馈-反响控制系统

加热炉出口温度θ为被控量，燃料油流量为控制量。

由于进料流量经常发生变化，因而对此主要扰动进展前馈控制。

前馈控制器〔FFC〕将再变化时与时产生控制作用。

通过带便燃料油来消除进料流量对加热炉出口温度θ的影响。

同时反响控制温度调节器〔TC〕获得温度变θ的信息后，将按照一定的控制规律对燃料油产生控制作用。

两个通道作用叠加的结果将使θ尽快回到给定值。

在系统出现其他扰动时，如进料的温度、燃料油压力等变化时，由于这些信息未被引入前馈补偿器，故只能依靠反响调节器产生的控制作用克制它们对被控温度的影响。

2.2控制系统的硬件选型

PLC的开展与特点

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为根底，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而开展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业兴旺国家自动控制的标准设备之一。

由于PLC采用了“三机一体化一“的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低本钱等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求：

再加上PLC开展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱阻。

目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。

早期的可编程序控制器,主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速开展，可编程序控制器与这些技术相融合，在工业生产中得到了广泛的应用。

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器。

早期的可编程控制器由别离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。

70年代初期，体积小、功能强和价格廉价的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强，硬件和软件方面都有了很大的进步。

进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速开展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。

随着电子技术和计算机技术的开展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：

可靠性高、具有丰富的I\O接口模块、采用模块化结构、编程简单易学、安装简单，维修方便。

2.2.2PLC的部结构

PLC机硬件主要由中央处理单元（CPU）、存贮器、输入\输出单元以与编程器、电源和智能输入\输出单元等构成。

PLC可分为以下几个局部：

（1）中央处理单元（CPU）：

中央处理单元是可编程控制的核心部件，它通过输入装置将外设的状态读入并按照用户程序去处理，根据处理结果通过输出装置去控制外设。

中央处理器的功能是：

CPU按系统程序所赋予的功能，、接收并存贮从编程器输入的用户程序和数据；

CPU按扫描方式工作，从存贮器中逐条读取指令，并存入CPU的指令存放器中；

指令存放器的指令操作码进展译码，执行指令规定的任务，产生相应的控制信号，启闭有关控制门电路，并根据运算结果更新有关标志和输出映像存放器的容，以实现输出控制、制表、打印或数据通讯；

行系统诊断程序，诊断电源、PLC部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。

（2）存贮器：

可编程控制器中存贮器主要用于存放系统程序、用户程序和数据。

系统存贮器用以存贮制造厂家编写的系统程序。

用户存贮器主要用来存放用户的应用程序。

所谓用户程序是指使用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。

此程序由使用者通过编程器输入到PLC机的CMOSRAM存贮器中，以便于用户随时修改。

也可将用户程序存放在EEPROM中。

为确保PLC机控制系统的可靠性，CMOSRAM存贮器有预防电源掉电故障的铿电池保护措施，以防电源掉电后破坏它的存贮容。

数据存贮器用来存放PLC的数据。

（3）输入\输出模块：

输入\输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。

现场的输入信号，如压力、流量、温度、电压、电流等，都要通过输入模块送到PLC。

由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够承受和处理的数字信号。

输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能承受的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。

可编程控制器有多种输入\输出模块，其类型有数字量输入\输出模块和模拟量输入\输出模块。

模拟量输入\输出模块主要用来实现模拟量一数字量之间的转换，即A\D或D\A转换。

由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入\输出模块与PLC的中央处理器连接。

模拟量输入模块A\D转换后的二进制数字量，与PLC的I\O总线连接。

模拟量输出模块D\A转换前的二进制数字量。

现在标准量程的模拟电压主要是0-5伏和0-10伏两种，模拟电流主要是0-20mA和4-20