毕业设计79基于DDC控制的加热炉温度控制系统2Word格式.docx
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图1-1温度控制系统流程图
在生产过程中,冷物料通过加热炉对其进行加热,工艺要求热物料温度必须维持在某个给定值上下,或在某一小范围内变化。
冷物料以恒定的流量通过管道输送到加热炉中进行加热变成热物料输出,热物料温度信号通过温度变送器转变成电压信号送给温度控制器,再通过调节调节阀的开度以控制燃料的进给流量来保证热物料温度的恒定。
1.2设计思路
该系统为单输入单输出过程控制系统,结构简单只采用了一个测量变送器监测被控过程、一个调节器来保持一个被控参数恒定或在很小的范围内变化,其输出也只控制一个调节阀,故采用单回路控制系统。
1)被控参数的选择
根据设计要求可知,加热炉的温度要求保持在一恒定值。
所以,可以直接选取加热炉的温度作为被控参数。
2)控制参数的选择
影响加热炉的温度有两个量,一是冷物料的流量。
二是燃料的流量。
调节这两个流量的大小都可以改变温度的变化,这样构成加热炉温度控制系统就有两种控制方案。
一般采用燃料的流量控制作为控制参数较好。
3)调节阀的选择
本设计选用电动调节阀。
4)控制规律的选择
一般言之,用比例(P)调节器的系统是一个有差系统,比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小,而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分(PI)调节器,由于积分的作用,不仅能实现系统无余差,而且只要参数δ,Ti调节合理,也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分(PID)调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用,从而使系统既无余差存在,又能改善系统的动态性能(快速性、稳定性等)。
如上所诉我们设计的加热炉温度控制系统根据工艺要求,温度保持恒定,精度要求比较高(上下偏差在—0.5~+0.5)所以该系统要采用比例积分(PI)控制;
由于温度控制系统滞后比较大,故必须采用比例微分(PD)控制。
因此我们采用比例积分微分(PID)控制。
其单回路控系统框图如下图1-2所示。
加热炉温度信号经过7024的A/D转换,转换为1~5V的电压信号,然后与设定值比较得到电压偏差信号,输给PID控制器进行调节,然后将控制器的输出电压信号经过7024的D/A转换,转换为4~20mA的电流信号,作用调节阀,来调节燃料的流量,从而调节加热炉温度,反复循环,使加热炉温度达到设定值的要求。
二.加热炉温度控制系统的硬件设计
2.1ICP-7017
8通道模拟量输入模块。
表1为ICP-7017的技术指标。
型号
功能
I-7107
模
拟
量
输
入
分辨率
16bit
输入通道
8路差动
采样率
10Hz
电压输入
+/-150mV
+/-500mV
+/-1mV
+/-5V
+/-10V
电流输入
+/-20mA
表1
ICP-7017模块24V供电,面板上提供了4通道的输入端口。
每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流。
支持485通讯。
2.2ICP-7024
4通道模拟量输出模块。
表2为ICP-7017的技术指标。
I-7024
出
14bit
输出通道
4路差动
电压输出
0~10V
0~5V
电流输出
0~20mA
4~20mA
表2
ICP-7024模块24V供电,提供了4通道的输出端口。
2.3DDZ-Ⅲ电动温度变送器
温度变送器是电动单元组合仪表的一个主要单元。
它的作用是将热电偶、热电阻的检验信号转变成统一信号,如4~20mA直流电流、1~5V直流电压输出给显示仪表或调节器,实现对温度的显示、记录或自动控制。
温度变送器还可以作为直流毫伏转换器来使用,以将其他能够转换成直流毫伏信号的工艺参数也变成标准统一信号输出。
DDZ-Ⅲ电动温度变送器的输出为4~20mA直流电流、1~5V直流电压信号。
温度变送器输入信号有热电偶、热电阻和直流毫伏信号三种,其结构框图如图3-1所示。
其基本结构由三部分组成,输入桥路、放大电路及反馈电路。
被测温度
图2-1电动温度变送器的方框图
在AE2000B2过程控制系统中,我们采用Pt100热电阻作为温度传感器对系统中的温度进行检测。
工作原理:
利用Pt电阻阻值与温度之间的良好线性关系。
图2-2Pt100热电阻接线图
接线说明:
连接两端元件热电阻采用的是三线制接法,以减少测量误差。
在多数测量中,热电阻远离测量电桥,因此与热电阻相连接的导线长,当环境温度变化时,连接导线的电阻值将有明显的变化。
为了消除由于这种变化而产生的测量误差,采用三线制接法。
即在两端元件的一端引出一条导线,另一端引出两条导线,这三条导线的材料、长度和粗细都相同,如图1.2-4中所示的a、b、c。
它们与温度变送器输入电桥相连接时,导线a和c分别加在电桥相邻的两个桥臂上,导线b在桥路的输出电路上,因此,a和c阻值的变化对电桥平衡的影响正好抵消,b阻值的变化量对仪表输入阻抗影响可忽略不计。
2.4电动执行器
电动执行器是调节系统中的一个重要部分。
它接收来自调节器的4~20mA的直流电流信号,并将其转换成相应的角位移或直行程位移,去操纵阀门、挡板等调节机构,以实现自动调节。
电动执行器有角行程、直行程和多转式等类型。
角行程电动执行机构以电动机为动力元件,将输入的直流电流信号转换为相应的角位移,这种执行机构适用于操纵蝶阀、挡板之类的旋转式调节阀。
直行程执行机构接收输入的支流电流信号后,使电动机转动,然后经减速器减速并转换为直线位移输出,去操纵单座、双座、三通等各种调节阀和其他的直线式调节机构。
多转式电动执行结构主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门,由于它的电机功率比较大,最大的有几十千瓦,一般多用作就地操作和遥控。
我们使用的执行器是:
QSTP-16K智能电动单座调节阀
主要技术参数:
执行机构
型式:
智能型直行程执行机构
输入信号:
0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC
输入阻抗:
250Ω/500Ω
输出信号:
4~20mADC
输出最大负载:
<
500Ω
信号断电时的阀位:
可任意设置为保持/全开/全关/0~100%间的任意值
电源:
220V±
10%/50Hz
三.系统组态监控界面的设计
3.1制造工程画面:
3.1.1建立画面
(1)在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮,建立“窗口0”。
(2)选中“窗口0”,单击“窗口属性”,进入“用户窗口属性设置”。
(3)将窗口名称改名为:
加热炉温度控制;
窗口标题改为:
窗口位置选中“最大化显示”,其它不变,单击“确认”。
(4)在“用户窗口”中,选中“加热炉温度控制”,点击右键,选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项,将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。
同上所述依次建立实时曲线窗口、历史曲线窗口、退出程序窗口、存盘数据窗口。
如下图3-1所示:
图3-1用户窗口
3.1.2编辑画面
选中“加热炉温度控制”窗口图标,单击“动画组态”,进入动画组态窗口,开始编辑画面。
制作文字框图如下:
(1)单击工具条中的“工具箱”按钮,打开绘图工具箱。
(2)选择“工具箱”内的“标签”按钮,鼠标的光标呈“十字”形。
在窗口顶端中心位置拖曳鼠标,根据需要拉出一个一定大小的矩形。
(3)在光标闪烁位置输入文字“加热炉温度控制系统”按回车键,文字输入完毕。
制作加热炉:
单击工具箱中的常用图符按钮,打开常用的图符工具箱。
选择其中的梯形平面按钮,拖动鼠标绘制一个梯形平面。
选择阀和传感器:
从“阀”和“传感器”类中选取1个阀(阀33),一个传感器(传感器4)。
水管的制作:
选中工具箱内的流动块动画构件图标,鼠标的光标呈“十”字形,移动鼠标至窗口的预定位置,点击鼠标左键,移动鼠标,在鼠标光标后形成一道虚线,拖动一定距离后,点击鼠标左键,生成一段流动块。
最后使用工具箱中标签按钮分别对阀、加热炉、热物料、冷物料、加热炉温度。
生成的整体画面如下图3-1所示:
图3-2加热炉温度控制系统动态画面
3.2实时曲线
实时曲线构件是用曲线显示一个或多个数据对象数值的动画图形,象笔绘记录仪一样实时记录数据对象值的变化情况。
具体制作步骤如下:
(1)双击进入“数据显示”组态窗口。
在实时报表的下方,使用标签构件制作一个标签,输入文字:
实时曲线。
(2)单击“工具箱”中的“实时曲线”图标,在标签下方绘制一个实时曲线,并调整大小。
(3)双击曲线,弹出“实时曲线构件属性设置”窗口,设置:
在画笔属性页中,将曲线1对应的表达式设为:
热物料温度SV;
颜色为红色。
将曲线2对应的表达式设为:
热物料温度PV;
颜色为绿色。
(4)点击“确定”即可。
3.3历史曲线
历史曲线构件实现了历史数据的曲线浏览功能。
运行时,历史曲线构件能够根据需要画出相应历史数据的趋势效果图。
历史曲线主要用于事后查看数据和状态变化趋势和总结规律。
制作步骤如下:
(1)在“数据显示”窗口中,使用标签构件在历史报表下方制作一个标签,输入文字:
历史曲线。
(2)在标签下方,使用“工具箱”中的“历史曲线”构件,绘制一个一定大小的历史曲线图形。
(3)双击该曲线,弹出“历史曲线构件属性设置”窗口,进行设置:
在曲线标识设置中,曲线内容1选取热物料温度SV;
曲线内容2选取热物料温度PV;
3.4定义数据对象
定义数据对象的内容主要包括:
(1)指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围。
(2)确定与数据变量存盘相关的参数,如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。
工程中需要以下数据对象:
3.4设备连接
模拟设备如没有装载到设备工具箱中可按以步骤将其选入下:
(1)在“设备窗口”中双击“设备窗口”进入。
(2)点击工具条中的“工具箱”图表,打开“设备工具箱”。
(3)单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮,弹出如图所示窗口:
(4)在可选设备列表中,双击“智能模块”然后单击“增加”按钮,在
右侧选定设备中选定“泓格i-7017”,“泓格i-7024”单击确认
该摸拟设备,被添加到设备组态窗口中如图:
3.5动画连接
由图形对象搭制而成的图形画面是静止不动的,需要对这些图形对象进行动画设计,真实地描述外界对象的状态变化,达到过程实时监控的目的。
MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接,并设置相应的动画属性。
在系统运行过程中,图形对象的外观和状态特征,由数据对象的实时采集值驱动,从而实现了图形
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