炉窑温度控制系统

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1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 PLCPLC技术及应用技术及应用 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 炉窑温度控制系统的设计炉窑温度控制系统的设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化072072 学学 号：号： 070302039070302039 学生姓名：学生姓名： 李洪任李洪任 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2010.12.22-2010.12.312010.12.22-2010.12.31 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 注：成绩：平时20%

2、论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 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：设计任务及要求： 1、采用西门子公司 200 系列 P

3、LC； 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：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

4、文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 摘摘 要要 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 8001000，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

5、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； 目目 录录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 第第 2 2 章章 课程设计的方案课程设计的方案 2 2.1 概述 .2 2.2 系统组成总体结构 .2 第第 3 3 章章 硬件设计硬件设计 5 3.1 PLC 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 第第 4 4 章章 基于基于 PLCPLC 的炉温控制系统的

6、软件设计的炉温控制系统的软件设计 8 4.1 STEP 7 MICRO/WIN32 软件介绍 .8 4.2 系统 PID 算法及流程图 .8 4.2.1 PID 算法简介.8 4.2.2 PID 算法的数字化处理.9 4.3 I/O 口分配 .15 4.3 主程序清单 15 第第 5 5 章章 课程设计总结课程设计总结 .23 参考文献参考文献 24 第第 1 1 章章 绪论绪论 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

7、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。 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。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

8、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 S7200PLC，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。 第第 2 2 章章 课程设计的方案课程设计的方案 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 8001000，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

9、要求。 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

10、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。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。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

11、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。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。 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 可控阀门 煤气 输送 管道 煤气流量 传感器 给定流量 S7-200PLC CPU

12、 运算处理 变送器 图 2.3 高炉煤气系统硬件框图 可控阀门 燃烧空气 输送管道 燃烧空气流 量传感器 给定流量 S7-200PLC CPU 运算处理 变送器 图 2.4 燃烧空气系统硬件框图 可控阀门 冷却空气 输送管道 冷却空气 传感器 给定流量 S7-200PLC CPU 运算处理 变送器 图 2.5 冷却空气系统硬件框图 可控阀门 上料 皮带 皮带秤 传感器 给定值 S7- 200PLC CPU 运算处理 变送器 图 2.6 皮带秤系统硬件框图 第第 3 3 章章 硬件设计硬件设计 3.1 PLC 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

13、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

14、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：CPU221 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。CPU222 它有 8 输入/6 输出，I/0 共计 14 点，和 CPU 221 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。CPU224 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

15、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。CPU226 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。CPU226XM 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

16、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 相比与其他型号具有更好的硬 件指标