李洪任炉窑温度控制系统的设计最终版

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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 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评

2、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% 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

3、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 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：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

4、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 本科生课程设计（论文） 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

5、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； 本科生课程设计（论文） 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

6、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 本科生课程设计（论文） 1 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

7、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。 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

8、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 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。 本科生课程设计（论文） 2 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 8

9、001000，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。 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 本科生课程设计（论文） 3 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

10、。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。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

11、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

12、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 本科生课程设计（论文） 4 可控阀门 煤气 输送 管道 煤气流量 传感器 给定流量 S7-200PLC CPU 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

13、 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 本科生课程设计（论文） 5 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

14、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：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

15、/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 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

16、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 本科生课程设计（论文） 6 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