導熱油溫度控制系統(tǒng)的設計

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 plcplc技術及應用技術及應用 課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目： 導熱油溫度控制系統(tǒng)設計導熱油溫度控制系統(tǒng)設計 院（系）：院（系）： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： 起止時間：起止時間： 2012.12.17-2012.12.282012.12.17-2012.12.28 本科生課程設計（論文）iii課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語 院（系）： 教研室： 注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算學 號學生姓名專業(yè)班級設計題目導熱油溫度控制系統(tǒng)的設計課程設

2、計（論文）任務設計任務：設計任務：導熱油主要用于化工生產過程的熱載體，可以用于加熱或者冷卻。這個系統(tǒng)包括：冷油循環(huán)系統(tǒng)和熱油循環(huán)系統(tǒng)。本課設要求設計熱油泵和油加熱器組成的熱油循環(huán)系統(tǒng)，用蒸汽實現(xiàn)對導熱油的換熱過程，工作過程為：當導熱油的溫度過低時，利用采集的蒸汽流量信號來調節(jié)蒸汽的流量控制導熱油的溫度；當導熱油溫控制穩(wěn)定后利用導熱油溫度控制蒸汽量大小，用以保護設備的安全。設計要求：設計要求：1、根據(jù)控制要求進行方案選擇論證，即分析系統(tǒng)功能，確定系統(tǒng)的輸入/輸出信號及類型，選擇 plc 主機、溫度傳感器、流量傳感器和蒸汽閥以及相應的 plc 擴展模塊，并設計 pid 算法；2、根據(jù)輸入/輸出信號

3、建立 i/o 分配表，完成 plc 與輸入/輸出信號的的外部接線；3、按系統(tǒng)的控制要求，設計系統(tǒng)的梯形圖；4、上機調試、完善程序；5、按學校規(guī)定的書寫格式，撰寫、打印設計說明書一份；設計說明書應在 4000字以上。技術參數(shù)：技術參數(shù)：1、溫度測量范圍：0400 ；蒸汽流量檢測精度：，1%；2、控制溫度：260；控制精度：0.5；3、溫度最大值：300，越限報警。工作計劃1、布置任務，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。 （2 天）2、確定系統(tǒng)的輸入/輸出信號和類型，選擇 plc 主機和擴展模塊，選擇傳感器型號。 （1 天）3、建立 i/o 分配表，完成 plc 與輸入輸出信號的的外部接線。 （1

4、 天）4、按系統(tǒng)的控制要求，設計系統(tǒng)的梯形圖。 （3 天）5、上機調試、修改程序、答辯。 （2 天）6、撰寫、打印設計說明書（1 天）指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 指導教師簽字： 總成績： 年 月 日本科生課程設計（論文）iv摘 要本系統(tǒng)是基于 plc s7-200 控制的導熱油溫度控制系統(tǒng)。根據(jù)測溫范圍，選擇熱電偶溫度傳感器檢測導熱油溫度，經溫度信號經過擴展模塊 em235 傳送到 cpu224 進行分析處理，由于熱電偶輸出的是微弱的電壓信號，所以要經過放大器件和電壓/電流轉換器件,將信號放大并轉換成電流信號才可傳送到擴展模塊。運用 pid 運算，實現(xiàn)對電動執(zhí)行閥開度的控制。

5、當導熱油的溫度過低時，閥門開度增大，蒸汽流量增大，溫度升高。同時將法蘭式 v 錐流量傳感器 ffm61s 傳送的流量值進行三位 led 循環(huán)顯示。關鍵詞：pid；熱電偶；s7-200；本科生課程設計（論文）v目 錄第 1 章 緒論.1第 2 章 課程設計的方案.22.1 系統(tǒng)分析 .22.2 plc 選型.22.3 擴展模塊的選擇 .32.4 流量傳感器的選擇 .32.5 調節(jié)閥的選擇 .32.6 pid 算法.4第 3 章 硬件設計.53.1 外部接線圖 .53.2 i/o 分配.5第 4 章 軟件設計.64.1 初次上電 .64.2 子程序 .74.3 中斷程序，pid 的計算.8第 5

6、章 系統(tǒng)測試與分析.11第 6 章 課程設計總結.12參考文獻.13本科生課程設計（論文）1第 1 章 緒論人類社會已經進入了工業(yè)高度發(fā)達的時代，現(xiàn)在我們對各種工業(yè)產品的要求已經從原來的量向質轉變，對各種工業(yè)產品的要求越來越高，因此，對各種生產設備及過程控制的要求也越來越嚴格，對各種工業(yè)生產環(huán)境的要求也越來越高。溫度是工業(yè)生產中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關。在科學研究和生產實踐的諸多領域中, 溫度控制占有著極為重要的地位, 特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。對于不同生產情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控

7、制方案 也有所不同。例如冶金、機械、食品、化工等各類工業(yè)生產中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等。溫度控制系統(tǒng)的工藝過程復雜多變，具有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進的控制技術和控制理論?？删幊炭刂破鳎╬lc）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，是繼承計算機、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜， 可靠性強，編程簡單，易學易用等特點，在工業(yè)領域中深受工程操作人員的喜歡，因此 plc 已在工業(yè)控制的各個領域中被廣泛地使用。目前在控制領域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（dc

8、s） 。但就其控制策略而言，占統(tǒng)治地位的仍然是常規(guī)的 pid 控制。pid 結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學模型。pid 的使用已經有 60 多年了，有人稱贊它是控制領 域的常青樹。本文導熱油溫度控制過程，在 pid 調節(jié)方法中，采用西門子 s7-200 plc，實現(xiàn)了導熱油溫度精確控制的效果。在工業(yè)生產過程當中，常常需要用閉環(huán)控制方法來控制溫度、壓力、流量和液位連續(xù)變化的量。pid 調節(jié)是經典控制理論中最典型的用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的調節(jié)方法。 本科生課程設計（論文）2第 2 章 課程設計的方案2.1 系統(tǒng)分析本系統(tǒng)輸入量為蒸汽流量大小，通過控制調節(jié)閥的開度大小進而控制蒸汽流

9、量的大小，從而實現(xiàn)對溫度大小的控制，同時將蒸汽流量值通過 led 循環(huán)顯示，由于輸入量為模擬量需要擴展模塊。溫度的大小則通過與設定值比較作差之后送入 plc，進行 pid 算法運算，進而控制調節(jié)閥大小來控制蒸汽流量大小，使系統(tǒng)溫度能在安全范圍內，以保證系統(tǒng)正常運行，保護設備的安全2.2 plc 選型s7-200 系列可以根據(jù)對象的不同, 可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機架上?？刂坪诵牟捎?cpu224，提供數(shù)字量輸入點數(shù) 14 點，數(shù)字量輸出點數(shù) 10 點(提供給擴展單元 dc5v 電流能力為 660ma)，完全滿足系統(tǒng)的數(shù)字量和開關量輸入輸出點數(shù)的要求。cpu

10、224 本身不具備模擬量輸入和輸出單元，但與 cpu221相比，cpu224 可擴展七個模塊，內置時鐘，有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力。圖 2.1 s7-200 cpu224 主機本科生課程設計（論文）32.3 擴展模塊的選擇在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉換成4-20ma 的電流信號，系統(tǒng)需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號轉換成數(shù)字信號再送入 plc 中進行處理。本文選擇西門子的 em235模擬量輸入/輸出模塊。em235 模塊具有4路模擬量輸入/一路模擬量的輸出。它允許 s7-200連接微小的模擬量信號，80mv 范圍。cpu 與模塊連接如下：cpu224em235圖 2.1

11、cpu 與 em235 連接圖2.4 流量傳感器的選擇流量傳感器是蒸氣流量的檢測部件，在此論文中選擇法蘭式 v 錐流量傳感器 ffm61s。工作原理：v 錐流量計是由 v 錐傳感器和差壓變送器組合而成的一種差壓流量計，可精確測量寬雷諾數(shù)（8103re5107）范圍內各種介質的流量。其測量理論是：由于實際流體都具有粘性，不是理想流體，當其在管道中流動時，在充分發(fā)展管內流動的前提下，具有層流和紊流兩種流動狀態(tài)。根據(jù)連續(xù)流動的流體能量守恒原理和伯努力方程：對于以層流狀態(tài)流動的流體，其流速分布是以管道中心線為對稱的一個拋物面，流體通過一定管道的壓力降與流量成正比；對于紊流狀態(tài)流動的流體，其流速分布是以

12、管道中心線為對稱的一個指數(shù)曲面，流體通過一定管道的壓力降與流量的平方成正比。2.5 調節(jié)閥的選擇調節(jié)閥可分為氣動，電動，液動調節(jié)閥三種。電動調節(jié)閥是工業(yè)自動化過程控制中的重要執(zhí)行單元儀表。隨著工業(yè)領域的自動化程度越來越高正被越來越多的應用在各種工業(yè)生產林宇中。與傳統(tǒng)的氣動調節(jié)閥相比具有明顯的優(yōu)點，節(jié)電，環(huán)保，安裝便捷。因此論文中選擇電動調節(jié)閥。本科生課程設計（論文）42.6 pid 算法1.pid 控制器的組成pid 控制器由比例單元（p） 、積分單元（i）和微分單元（d）組成。其數(shù)學表達式為： 公式（3-1）dtde(t)tde(t)dtti1kce(t)u(t)t0(1) 比例系數(shù) kc對

13、系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。c偏大，振蕩次數(shù)加多，調節(jié)時間加長。c太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。c太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。c可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。如果c的符號選擇不當對象狀態(tài) (pv 值)就會離控制目標的狀態(tài) (sv 值)越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況c的符號就一定要取反。 (2) 積分控制i對系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，i小（積分作用強）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 (3) 微分控制d對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，d偏大時，超調量較大，調節(jié)時間較短。d偏小

14、時，超調量也較大，調節(jié)時間也較長。只有d合適，才能使超調量較小，減短調節(jié)時間。 本科生課程設計（論文）5第 3 章 硬件設計3.1 外部接線圖硬件外部接線如圖3.1所示，cpu224輸出端子q0.1-q0.6接發(fā)光二級管，用來顯示流量值。q0.7接紅燈，用來作為報警顯示。1l、2l、3l接l1，然后接220v電源。啟動開關接l+。 圖3.1 外部接線圖3.2 i/o 分配表 3.2 i/o 分配表模塊名稱地址編號信號名稱i0.0啟動按鈕q0.0段碼顯示 a 段q0.1段碼顯示 b 段q0.2數(shù)碼顯示 c 段q0.3段碼顯示 d 段q0.4段碼顯示 e 段q0.5段碼顯示 f 段q0.6段碼顯示

15、 g 段cpu224q0.7報警指示燈aiw0流量信號輸入em235aiw2溫度信號輸入本科生課程設計（論文）6第 4 章 軟件設計4.1 初次上電1)讀入模擬信號，并把數(shù)值轉化顯示鍋爐的當前電壓2)判斷導熱油溫度是否在正常范圍，打亮溫度越上限報警指示燈調用子程序本科生課程設計（論文）7本科生課程設計（論文）84.2 子程序1）輸入設定溫度2）把設定溫度、p 值、i 值、d 值都導入 pid3）每 100ms 中斷一次子程序進行 pid 運算本科生課程設計（論文）94.3 中斷程序，pid 的計算本科生課程設計（論文）10把流量值進行段碼顯示。本科生課程設計（論文）11本科生課程設計（論文）1

16、2第 5 章 系統(tǒng)測試與分析按照硬件外部接線圖連接電路，將實驗臺與計算機建立通信，將 cpu224 調到 run 狀態(tài)，并把 plc 程序寫入 step7 中，點擊下載并執(zhí)行程序，即可在實驗臺上 led 上從百位到個位循環(huán)顯示標度變換后的流量值，如圖 5.1 所示圖 5.1 實驗現(xiàn)象圖本科生課程設計（論文）13第 6 章 課程設計總結溫度控制一直是工業(yè)控制中的一個最重要最常見的被控變量，隨著 plc 的發(fā)展，種類繁多的控制設備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領域的應用，適應溫控系統(tǒng)非線性，干擾多，大時延，時變和分布變化的特點。在實際應用中，應該根據(jù)具體的應用場合、不同的加熱對象和所要求的控制曲線和控制精度

17、，選擇不同的系統(tǒng)方法。在設計中，采用功能強、安全系數(shù)高的德國 siemens simatic s7-200 可編程控制器來實現(xiàn)印染定型機溫度控制系統(tǒng)控制，西門子最大的優(yōu)點就是穩(wěn)定性好、安全系數(shù)高，常?？梢詿o故障工作好幾年，而且就算是哪里壞了也只要換其中的一個模塊，既方便又經濟。根據(jù)環(huán)境的需要，選用 k 型熱電偶做為溫度傳感器，較之其他溫度傳感器，熱電偶能直接測量液體表面溫度，減小人為誤差，并且滿足測量溫度范圍，化學性質穩(wěn)定，較低溫度漂移和零點漂移。有較強的實用性和經濟性，在工業(yè)生產中應用廣泛。設計基本上達到了設計目的,利用 plc 實現(xiàn)了對的各種控制，通過合理的設備選型、參數(shù)設置和軟件設計，提高了溫度控制系統(tǒng)的可靠性。該溫度控制系統(tǒng)也有一些有不足的地方需要改進，編程時我們用了編程軟件自帶的 pid 指令向導模塊，這樣雖然方便，但是使得控制系統(tǒng)超調量和調節(jié)時間都稍微偏大，若不直接調用該模塊，而是自己編寫 pid 控制子程序的話，控制效果可能會更好。還有人機界面內容不夠豐富，若再加上報表系統(tǒng)、打印功能的話，那就更完美了。通過本次課程設計，主要培養(yǎng)了我的綜合運用所學知識和技能去分析和解決本專業(yè)范圍內的一般工程技術問題，建立正確的設計思想，掌握工程設計的一般程序和方法。通過課程設計，進行工程知識和工程技能的綜合訓練，使我們一走上工作崗位，就具有較強的應用生產現(xiàn)場正在使用和近期可能推廣使