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计算机控制技术结业论文

《计算机控制技术》 课程结业论文



业:电气工程及其自动化



级: B120405



级: B120405



名:刘凯



号: B12040528

2015 年 05 月 26 日

摘要





烧结机适用于大型黑色冶金烧结厂的烧结作业,将不同成份,粒度的精 矿粉,富矿粉烧结成块,并部分消除矿石中所含的硫,磷等有害杂质。利用 中频炉加热技术的中频烧结机与传统的冷矿带式烧结机相比 , 前者具有加热 速度快、生产效率高、无污染、低耗能等做多有点。可编程控制器是一种应 用很广泛的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯 技术融为一体,具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续 工作的特点,非常适合温度控制的要求。本文主要介绍了基于西门子公司 S7-200 系列的可编程控制器的炉温控制系统的设计方案。编程时调用了编程 软件 STEP 7 -Micro WIN 中自带的 PID 控制模块,使得程序更为简洁,运行 速度更为理想。 关键词: 中频烧结机 温度控制 PID 控制器 可编程控制器

I

ABSTRACT

Abstract
Sintering machine is suitable for large-scale black metallurgy sintering plant, it is the main equipment of the sintering process that could sinter different ingredients and different particle size of ore or rich ore into pieces, and partially remove sulfur contained in ore, phosphorus and other harmful impurities. Comparing the IF sintering machine with the technology of IF furnace heating and the traditional cold heating, high belt-type sintering machine, the former has a fast efficiency, no pollution, low energy consumption and so do many

advantages.Programmable controller is a very wide application of automatic control device, it combines traditional relay control technology, computer technology and communication technology together. With the characteristics of control capability, flexible and convenient operation, high reliability, suitable for long-term continuous work, it is ideal for temperature control requirements.This paper mainly introduces the design plan of the furnace temperature control system of the programmable controller based on Siemens Company S7-200 series. During the programming when has transferred the PID control module which is contented in the programming software STEP 7 - Micro WIN, it makes the procedure even more succinct and the running speed even more ideal.

Keywords: IF sintering machine

Temperature control

PID controller

PLC

- II 2-

目录

目录
摘 要 ............................................. - 1 Abstract ............................................ - 2 1. 绪论 ............................................. - 1 1.1 项目背景和意义 ............................. - 1 1.2 控制算法介绍 ............................... - 1 1.3 主要内容 ................................... - 3 1.4 整体方案设计 ............................... - 3 2.烧结机及 PID 控制器基础 ............................ - 4 2.1 中频烧结机和烧结工艺流程 ..................... - 4 2.1.1 中频烧结机 ............................. - 4 2.1.2 烧结工艺流程 ........................... - 4 2.2 PID 控制器选择 ............................... - 4 2.2.1 PID 控制器介绍 ......................... - 4 2.2.2 使用 PLC 进行 PID 控制 ................... - 5 3.PLC 控制系统硬件设计 .............................. - 6 3.1 PLC 选型 ..................................... - 6 3.1.1 PLC 型号的选择 ......................... - 6 3.1.2 S7-200 CPU 的选择 .................... - 6 3.2 PLC 的控制系统硬件配置 ...................... - 7 3.2.1 EM231 模拟量输入模块 .................. - 7 3.2.2 热电式传感器 .......................... - 8 3.3 I/O 点分配及电气连接图 ...................... - 9 3.4 控制系统数学模型的建立 ...................... - 9 3.5 PID 控制及参数整定 ......................... - 10 4. PLC 控制系统软件设计 ............................ - 11 4.1 PLC 程序设计方法 ........................... - 11 4.2 编程软件 STEP7-Micro/WIN 概述 ............... - 12 4.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍 .............. - 12 4.2.2 梯形图语言特点 ........................ - 13 4.3 程序设计 ................................... - 13 4.3.1 设计思路 .............................. - 13 4.3.2 控制程序流程图 ....................... - 14 4.3.3 梯形图程序 ........................... - 14 4.3.4 PID 指令向导的运用 ................... - 17 结论 ................................................ - 1 参考文献 ............................................ - 1 致 谢 ............................................ - 1 附录 ................................................ - 1 -

II

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1.绪论
PID 控制器是应用最广泛的控制器。据不完全统计,在工业过程控制、 航空航天控制等领域中, PID 控制器占 80%以上 PID 控制器是一个在工业 控制应用中常见的反反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考 值进行比较,然后把这个差别用于计算新的输入值,这个新的输入值的目的 是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同, PID 控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值,这样可以使系 统更加准确,更加稳定。

1.1

项目背景和意义
烧结机是属于生产人造富矿的烧结设备,目前,随着市场竞争的加剧,

钢铁工业设备向大型化发展, 对高炉炼铁生产技术指标要求日益提高的提高, 主要依靠入炉原料性质的改善,烧结矿是我国高炉的主要入炉料,因此,保 证和提高烧结矿的质量,是保证钢铁工业稳定发展的重要手段。 通用的烧结设备冷矿带式烧结机,冷矿带式烧结机存在着实收率低、能 耗大、原料浪费严重、运行效率低等缺点。总的来说,普遍有下列原因 : 冷却 风机尾气温度高,带走大量的热量 ; 烧结不完全,热损失大 ; 鼓风量大,烟气 含氧量大 ; 操作水平不高,负荷变化大,温度变化不稳定。因此,对烧结机的 温度控制技术的提高就意味着生产技术的提高。近年来,国内外对温度控制 器进行了广泛、深入的研究,特别是随着计算机技术的发展,温度控制器的 研究取得了巨大的发展,形成了一批商品化的温度调节器,如 : 职能化 PID、 模糊控制、自适应控制等,其性能、控制效果好 , 可广泛应用于温度控制系统 及企业相关设备的技术改造服务。 在恒温控制中,由于 PID 技术的成熟以及控制结构的简单,参数容易调 整而受到众多工程技术人员的青睐。而本文也将采用成熟的 PID 控制器 —— 可编程逻辑控制器 PLC 对中频烧结机温度进行控制。

1.2

控制算法介绍
目前,控制算法很多,工业过程控制中常采用的方法主要有 : 以古典控

制理论为主要基础的 PID 控制方法,以现代控制理论为主要基础的自适应控 制和预测控制等方法以及神经网络控制、模糊控制等智能控制方法。下面介 绍几种有效应用于工业过程中己得到工程界认可的控制算法。 ( 1) PID 控制 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一,由于具有原理简单,适应性 强,鲁棒性强,易于操作等优点,而被广泛应用于工业过程控制中。常规 PID 控制器作为一种线性控制器, 按照偏差的比例 (P-Proportional) 、 积分 (I-Integral)
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和微分 (D-Derivative) 的线性组合构成控制量,对被控对象进行控制。 大量的事实证明,传统的 PID 控制算法对于绝大部分工业过程的被控对 象可取得较好的控制结果。但是在实际生产现场中,由于受到参数整定方法 繁杂的困扰, PID 控制器的参数往往整定不良而使其控制效果欠佳,并且当 对象特性变化较大时,需重新整定参数,以保证系统的性能。 现代控制理论、智能控制的研究和应用的发展为控制复杂过程系统开辟 了新途径。 近年来, 为适应复杂的工况和高指标的控制要求, 采用改进的 PID 算法或将 PID 算法与其它算法进行有机结合,出现了 PID 控制器参数的自整 定技术 · 以及许多新型的 PID 控制方式,如 : 预测控制、自适应控制、神经网 络控制等多种技术结合的 PID 控制方式,具有传统 PID 及现代控制理论、智 能控制理论技术的多重特点,对于复杂对象的控制效果远远超过常规的 PID 控制。 ( 2)预侧控制 预测控制是直接从工业 过程控制中产生的一类基于模型的新型控制 算 法。它高度结合了工业实际的要求,综合控制质量比较高,因而很快引起工 业控制界以及学术界的广泛兴趣与重视。预测控制有三要素,即预测模型、 滚动优化和反馈校正。它的机理表明它是一种开放式的控制策略,体现了人 们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法。 (3) 自适应控制 如采用参数与结构固定不变的控制器,控制系统的性能会不断恶化,为 此设计一种特殊的控制系统,能自动地补偿在模型阶次、参数和输入信号方 面非预知的变化,这就是自适应控制系统。采用自适应控制系统来适应时变 的过程,是辨识与控制的结合,通过不断地测量系统的状态、性能或参数, 从而 “ 认识 ” 或 “ 掌握 ” 系统当前的运行指标并与期望的指标相比较,进而作出 决策以改变控制器的结构、参数或根据自适应律来改变控制作用,以保证系 统运行在某种意义下的最优或接近最优状态。 (4)神经网络控制 人工神经网络 , 主要是从结构和实现机理方面或从功能上对生物神经网 络的一种模拟和近似,使其具有学习、识别、控制等生物神经网络的某些功 能。 (5) 模糊控制 模糊控制是智能控制的一个重要分支,其主要思想是把现场操作人员的 经验知识等逻辑规则的语言表达转化为相关的控制量,在建立专家 “ 知识 ”的 基础上,模仿人的思维过程,通过对模糊信息采用 “不精确推理 ” ,可有效地 处理控制系统中的不精确和不确定性,解决许多复杂而无法建立精确数学模 型系统的控制问题。

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1.3

主要内容
烧结机是属于生产人造富矿的烧结设备,中频烧结机使用中频电磁感应

原理加热,电磁感应过程中电流的大小将决定电磁感应产生热量的多少,对 电磁感应过程中电流进行 PID 控制可以对中频烧结机的工作过程中温度变化 进行控制。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史,它以其结构简单、稳定性好、工 作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参 数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采 用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能 通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用 PID 控制技术。PID 控制, 实际中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差,利用比例、积 分、微分计算出控制量进行控制的。比例( P )控制是一种最简单的控制方 式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输 出存在稳态误差( Steady-state error ) 。在积分( I)控制中,控制器的输出与 输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后 存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统( System with Steady-state Error ) 。在微分( D)控制中,控制器的输出与输入误差信 号的微分(即误差的变化率)成正比关系自动控制系统在克服误差的调节过 程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节) 或有滞后 (delay) 组件, 具有抑制误差的作用, 其变化总是落后于误差的变化。 使用温度传感器,将烧结机中的温度作为控制参数传递给 PID 控制器, 然后由 PID 控制器使用正确的算法进行精确的控制,这样,烧结机的每一点 温度变化都能得到准确及时的测量及控制。

1.4

整体方案设计
烧结机温度控制系统是以西门子公司的 S7-200 系列 PLC 控制器为控制

核心。整个系统硬件部分包括温度检测系统、 A/D 转换、 PLC 、控制执行系 统等。温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号,经过模拟量输入模 块转换成数字量信号并送到 PLC 中进行 PID 调节, PID 控制器输出量转化成 占空比,通过固态继电器控制中频烧结机加热的通断来实现对中频烧结机温 度的控制。整个系统分为两个部分: ( 1 )控制系统硬件设计。 在掌握了可编程控制器( PLC )的组成、工作原理以及充分了解被控对 象的基础上,选择了西门子 S7-200 系列 PLC CPU226 为控制器,热电式传感 器作为温度检测传感器,再加上固态继电器和烤炉组成了温度控制系统。根 据硬件连接图完成控制系统实际的硬件连接。 -3-

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( 2 )控制系统软件设计。 认真学习 PLC 的功能指令, 在掌握系统硬件工作过程的基础上画出控制 程序流程图,然后利用编程软件 STEP7--Micro/WIN 编写了梯形图程序。编 程时应用了编程软件自带的 PID 指令向导模块,使得程序结构简单,更容易 理解。

2.烧结机及 PID 控制器基础
2.1 中频烧结机和烧结工艺流程
2.1.1 中频烧结机
中频烧结机就是利用中频加热原理,对贫矿石进行加热烧结,制造 烧结矿的设备。烧结机适用于大型黑色冶金烧结厂的烧结作业,它是抽 风烧结过程中的主体设备,可将不同成份,不同粒度的精矿粉,富矿粉 烧结成块,并部分消除矿石中所含的硫,磷等有害杂质。烧结机按烧结 面积划分为不同长度不同宽度几种规格,烧结面积越大,产量就越高。 中频炉加热装置具有体积小,重量轻、效率高、热加工质量优及有 利环境等优点正迅速淘汰燃煤炉、燃气炉、燃油炉及普通电阻炉,是新 一代的金属加热设备。

2.1.2 烧结工艺流程
烧 结 生 产 工 艺 流 程 由 原 料 的 接 受 ,贮 存 和 中 和 ,溶 剂 、燃 料 的 破 碎 、 筛分,配料,混合料的制备,烧结,烧结产成品的处理以及烧结过程的 除尘等环节。原料厂按贫矿粉、富精粉、溶剂按不比例混合,然后送混 料机进行二次混匀和造球,由皮带运输机送到烧结机混料仓,完成供料 工 艺 。 铺 底 料 装 置 先 把 底 料 ( 原 块 矿 , 粒 度 为 10-20mm ) 均 匀 的 铺 在 台 车的篦条上,混好的料由布料器对底料进行点火烧结,从台车上的烧结 矿翻到单辊破碎机进行破碎。通过漏斗溜到设在下层平台的热振动筛中 进 行 筛 分 , ≥5mm 的 合 格 烧 结 矿 通 过 溜 槽 溜 到 储 矿 槽 , 供 高 炉 使 用 。 ≤5 mm 的 粉 矿 , 通 过 配 料 皮 带 机 进 行 重 新 配 料 , 烧 结 过 程 产 生 的 废 气 , 除 尘器除尘后,经风机抽入烟囱,排入大气。

2.2 PID 控制器选择
2.2.1 PID 控制器介绍
在工程实际控制中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微 分控制,简称 PID 控制,又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 70 年 历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的 主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数 -4-

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学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须 依靠经验和现场调试来确定,这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不 完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数 时,最适合用 PID 控制技术。 PID 控制,实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差, 利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 目前, PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器已经很多,产品已在工程 实际中得到了广泛的应用,有各种各样的 PID 控制器产品,各大公司均开发 了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator) 。有利用 PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现 PID 控制功能的可编程 控制器 (PLC) ,还有可实现 PID 控制的 PC 系统等等。可编程控制器 (PLC) 是 利用其闭环控制模块来实现 PID 控制,而可编程控制器 (PLC) 还可以直接与 ControlNet 相连,利用网络来实现其远程控制功能。

2.2.2 使用 PLC 进行 PID 控制
本温度控制系统选择德国西门子公司的 S7-200 系列的 PLC , S7-200 能 够进行 PID 控制,而且可以支持 8 个 PID 控制回路, S7-200 的编程软件 STEP7-Micro/WIN 提供了 PID Wizard ( PID 指令向导) ,可以帮助用户方便地 生成一个闭环控制过程的 PID 算法。此向导可以完成绝大多数 PID 运算的自 动编程,用户只需在主程序中调用 PID 向导生成的子程序,就可以完成 PID 控制任务。 PID 向导既可以生成模拟量输出 PID 控制算法,也支持开关量输 出;既支持连续自动调节,也支持手动参与控制。本项目程序中就正好运用 STEP7-Micro/WIN 软件自带的 PID 指令向导。从而使得程序简单易懂,同时 也达到了控制要求。 PLC 从组成形式上分为整体式和模块式两种, 但在逻辑结构上基本相同。 无论是整体式还是模块式,从硬件结构看, PLC 都是由 CPU 、存储器、 I/O 接口单元及扩展接口和扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成,各部 分之间通过系统总线连接。 PLC 的基本结构如图 1 所示:

存储单元

输 入 接 口

中央处理单元 CPU

输 出 接

电源



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图1

PLC 基本结构图

PLC 的对外功能主要是通过各种 I/O 接口模块于外界联系来实现的。输 入模块和输出模块是 PLC 与现场 I/O 装置或设备之间的连接部件,起着 PLC 与外部设备之间的传递信息的作用。 I/O 模块分为开关量输入、开关量输出、 模拟量输入和模拟量输出等模块。除了通用的 I/O 模块外, PLC 还提供了各 种各样的特殊 I/O 模块,如热电阻、热电偶、温度控制、中断控制、位置控 制、以太网、远程 I/O 控制、打印机等专用型或智能型的 I/O 模块,用以满 足各种特殊功能的控制要求。同样, PLC 多样化的 I/O 模块亦方便了我们对 温度检测电路以及温度控制电路的设计, 这也是选择 PLC 进行本次 PID 控制 的原因之一。

3.PLC 控制系统硬件设计
在掌握了 PLC 的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后,就可 以 PLC 作为主要 PID 控制器来构造控制系统。 本章主要从系统设计结构和硬 件设计角度,介绍该项目 PLC 的硬件配置、外部电路设计以及 PLC 控制器 的设计和参数的整定。 无论是用 PLC 组成集散控制系统, 还是独立控制系统, PLC 控制部分的设计都可以参考图 2 所示的步骤。

3.1 PLC 选型
3.1.1 PLC 型号的选择
本温度控制系统选择德国西门子公司的 S7-200 系列的 PLC 。 S7-200 PLC 属于小型整体式的 PLC, 本机自带 RS-485 通信接口、内置电源和 I/O 接口。 它的硬件配置灵活,既可用一个单独的 S7-200 CPU 构成一个简单的数字量 控制系统,也可通过扩展电缆进行数字量 I/O 模块、模拟量模块或智能接口 模块的扩展,构成较复杂的中等规模控制系统。

3.1.2

S7-200

CPU 的选择

S7-200 系列的 PLC 有 CPU221 、 CPU222 、 CPU224 、 CPU224XP 、 CPU226 等类型。此系统选用 S7-200 CPU226 , CPU226 集成了 24 点输入 /16 点输出, 共有 40 个数字量 I/O 。可连接 7 个扩展模块,最大扩展至 248 点数字量或 35 点模拟量 I/O 。还有 13KB 程序和数据存储空间空间, 6 个独立的 30KHz 高 速计数器, 2 路独立的 20KHz 高速脉冲输出,具有 PID 控制器。配有 2 个 RS485 通讯口, 具有 PPI, MPI 和自由方式通讯能力, 波特率最高为 38.4 kbit/s , 可用于较高要求的中小型控制系统。 本温度控制系统由于输入 / 输出点数不多,本可以使用 CPU224 以下的类 型,不过为了能调用编程软件 STEP 7 里的 PID 模块,只能采用 CPU226 及 以上机种。 -6-

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评估控制任 务 PLC 机型的选 择 控制流程的 设计 程 序 设 控制柜设计及布 线 PLC 安装 计 程序检查、调 试 模 拟 运 行 联机调试 修改软、硬 件 是否满足 要求 程 序 备 份 投 入 使 用 图 2 PLC 控制系统设计步骤

3.2
3.2.1

PLC 的控制系统硬件配置
EM231 模拟量输入模块
本温度控制系统中,传感器将检测到的温度转换成 0 ~ 41mv 的电压信

号, 系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入 PLC 中 进行处理。在这里,我们选用了西门子 EM231 4TC 模拟量输入模块。EM231 热电偶模块提供一个方便的,隔离的接口,用于七种热电偶类型: J 、K、E、 N、S 、T 和 R 型,它也允许连接微小的模拟量信号 (±80mV 范围 ),所有连到 模块上的热电偶必须是相同类型, 且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。 EM231 模块需要用户通过 DIP 开关进行组态: SW1 ~ SW3 用于选择热电偶类型, SW4 没有使用, SW5 用于选择断线检测方向, SW6 用于选择是否进行断线 检测,SW7 用于选择测量单位,SW8 用于选择是否进行冷端补偿。本系统用 的是 K 型热电偶,所以 DIP 开关 SW1 ~ SW8 组态为 00100000; -7-

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表 3-1 单极性

EM231 选择模拟量输入范围的开关表

满量程输入 SW1 ON SW2 OFF ON SW3 ON OFF 0 到 10V 0 到 5V 0 到 20mA 双极性 满量程输入 SW1 OFF SW2 OFF ON SW3 ON OFF ±5V ±2.5V

分辨率 2.5mV 1.25mV 5uA 分辨率 2.5mV 1.25mV

表 3-1 所示为如何使用 DIP 开关设置 EM231 模块,开关 1 、 2 和 3 可选择模 拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。表中, ON 为接 通, OFF 为断开。 EM231 校准和配置位置图如图 3-2 所示。

图 3-2

DIP 配置 EM231

3.2.2

热电式传感器

热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式 传感器中,以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最常用于测 量温度的是热电偶和热电阻, 热电偶是将温度变化转换为电势变化 ,而热电阻 是将温度变化转换为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中已 得到广泛应用。该系统中需要用传感器将温度转换成电压,且炉子的温度最 高达几百度 ,所以我们选择了热电偶作为传感器。热电偶是工业上最常用的温 度检测元件之一。

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3.3

I/O 点分配及电气连接图
1) 该温度控制系统中 I/O 点分配表如表 3-3 所示。 表 3-3 I/O 点分配表 输入触点 IO.1 I0.2 功能说明 启动按钮 停止按钮 输出触点 Q0.0 Q0.1 Q0.3 功能说明 运行指示灯(绿) 停止指示灯(红) 固态继电器

2) 系统整体设计方案及硬件连接图。系统选用 PLC CPU226 为控制器, K 型热电偶将检测到的实际炉温转化为电压信号, 经过 EM231 模拟量输入模 块转换成数字量信号并送到 PLC 中进行 PID 调节, PID 控制器输出量转化成 占空比, 通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。 PLC 和 HMI 相连接,实现了系统的实时监控。整个硬件连接图

图3

系统硬件连接图

3.4 控制系统数学模型的建立
控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受 控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求,确定控制器的结构以及和受 控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。 本温度控制系统中,传感器(电热偶)将检测到的温度信号转换成电压 信号经过温度模块后,与设定温度值进行比较,得到偏差,此偏差送入 PLC -9-

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控制器按 PID 算法进行修正,返回对应工况下的固态继电器导通时间,调节 电热丝的有效加热功率,从而实现对炉子的温度控制。控制系统结构图如图 4 所示,方框图如图 5

PLC 控制器

固态继电器

烤炉

温 度 模

热电偶

块 图 4 控制系统结构图

R(s) + _

E(s) Gc(s)

U(s)Go(s)

Y(s)

图 5 控制系统方框图 图 5 中, R(s) 为设定温度的拉氏变换式; E(s) 为偏差的拉氏变换式; Gc(s) 为控制器的传递函数;Go(s) 为广义对象,即控制阀、对象控制通道、测量变 送装置三个环节的合并; 该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统,传递函数为 ( 3-1) 式 3-1 中,为对象放大系数; T 0 为对象时间常数; ? 为对象时滞。

( 3-2 ) 由阶跃响应法求得, K 0 =0.5 ; T 0 = 2.5 分钟; ? = 1.2 分钟。

3.5

PID 控制及参数整定
比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基

本的控制规律,具有反应速度快,控制及时,但控制结果有余差等特点。积 分控制可以消除余差,但是工业上很少单独使用积分控制的,因为与比例控 制相比,除非积分速度无穷大,否则积分控制就不可能想比例控制那样及时 - 10 -

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的对偏差加以响应,所以控制器的输出变化总是滞后与偏差的变化,从而难 以对干扰进行及时且有效的控制。 微分作用是对偏差的变化速度加以响应的, 因此,只要偏差一有变化,控制器就能根据变化速度的大小,适当改变其输 出信号,从而可以及时克服干扰的影响,抑制偏差的增长,提高系统的稳定 性。但是理想微分控制器的控制结果也不能消除余差,而且控制效果要比纯 比例控制器更差。将三种方式加以组合在一起,就是比例积分微分( PID ) 控制 , 其数学表达式为 式 3-3 中: K p 为比例系数, T I 为积分时间常数, TD 为微分时间常数。 根据以上的分析,本温度控制系统适于采用 PID 控制。 完成了上述内容后,该温度控制系统就已经确定了。在系统投运之前, 还需要进行控制器的参数整定。控制器参数整定方法很多,归纳起来可分为 两大类,即理论计算整定法和工程整定法。 理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上,根据选取的质 量指标,通过理论计算(微分方程、根轨迹、频率法等) ,来求得最佳的整定 参数。这类方法计算繁杂,工作量又大,整定结果的精度是不高的,因而未 在工程上受到广泛推广。 对于工程整定法,工程技术人员无需知道对象的数学模型,无需具备理 论计算所需的理论知识,就可以在控制系统中直接进行整定,因而简单、实 用,在实际工程中被广泛使用。常用的工程整定法有经验整定法、临界比例 度法、衰减曲线法、反应曲线法、自整定法等。在这里,我们采用经验整定 法来整定控制器的参数值。 经验整定法实质上是一种经验凑试法,是工程技术人员在长期生产实践 中总结出来的。由于比例作用是最基本的控制作用,经验整定法主要通过调 整比例度 ? 的大小来满足质量指标。

4. PLC 控制系统软件设计
PLC 控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分,上面已经详 细介绍了本项目硬件连接。本章在硬件设计的基础上,将详细介绍本项目软 件设计,主要包括软件设计的基本步骤、方法,编程软件 STEP7--Micro/WIN 的介绍以及本项目程序设计。

4.1

PLC 程序设计方法
编写 PLC 程序的方法很多,这里主要介绍几种典型的编程方法。 1. 图解法编程 图解法是靠画图进行 PLC 程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程

图法、时序流程图法和步进顺控法。 - 11 -

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( 1)梯形图法 梯形图法是用梯形图语言去编制 PLC 程序。这是一种模仿继电器控制系 统的编程方法,其图形甚至元件名称都有继电器电路十分相似。这种方法很 容易地把原继电器控制电路移植成 PLC 的梯形图语言。 这对于熟悉继电器控 制的人来说,是最方便的一种编程方法。 ( 2)逻辑流程图法 逻辑流程图法是用逻辑框图表示 PLC 程序的执行过程,反映输入与输出 的关系。逻辑流程图会使整个程序脉络清晰,便于分析控制程序、查找故障 点及调试和维修程序。 ( 3)时序流程图法 时序流程图法是首先画出控制系统的时序图(即到某一个时间应该进行 哪项控制的控制时序图) ,再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图, 最后把框图写成 PLC 程序。 这种方法很适合以时间为基准的控制系统的编程 方法。 ( 4)步进顺控法 步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂 的程序都可以分成若干个功能比较简单的程序段,一个程序可以看成整个控 制过程的一步。 2. 经验法编程 经验法是运用自己的或者别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与 自己工艺要求相近的程序,把这些程序看成是自己的 “ 试验程序 ” 。结合自己 工程的情况,对这些 “ 试验程序 ”逐一修改,使之适合自己的工程要求。 3. 计算机辅助设计编程 计算机辅助设计是通过 PLC 编程软件(比如 STEP7--Micro/WIN )在计 算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。

4.2 编程软件 STEP7-Micro/WIN 概述
STEP7--Micro/WIN 编程软件是基于 Windows 的应用软件,由西门子公 司专为 s7-200 系列可编程控制器设计开发,它功能强大,主要为用户开发控 制程序使用,同时也可以实时监控用户程序的执行状态。它是西门子 s7-200 用户不可缺少的开发工具。现在加上中文程序后,可在全中文的界面下 进行 操作,用户使用起来更加方便。

4.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍
STEP 7--Micro/WIN 提供了用于创建程序的三个编辑器:梯形图( LAD )、 语句表( STL)和功能块图( FBD )。尽管有某些限制,在这些程序编辑器的 任何一个中编写的程序均可用其它程序编辑器进行浏览和编辑。 用的比较多的 是梯形图( LAD )编程语言。 - 12 -

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4.2.2 梯形图语言特点
梯形图是使用得最多的图形编程语言,被称为 PLC 的第一编程语言。梯 形图与电器控制系统的电路图很相似,具有直观易懂的优点,很容易被工厂 电气人员掌握,特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序, 梯形图的设计称为编程。 在工业过程控制领域,电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉,因 此, 由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎, 并得到了广泛的应用。 梯形图程序设计语言的特点是: ( 1)与电气操作原理图相对应,具有直观性和对应性; ( 2)与原有继电器逻辑控制技术相一致,对电气技术人员来说,易于撑握 和学习; ( 3)与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是,梯形图中的能流 ( Power FLow )不是实际意义的电流,内部的继电器也不是实际存在的继 电器,因此,应用时,需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待。

4.2.3 STEP7-Micro/WIN 参数设置(通讯设置)
本项目中 PLC 要与电脑正确通信,安装完 STEP7-Micro/WIN 编程软件 且设置好硬件后,可以按下列步骤进行通讯设置。 ( 1)在 STEP7-Micro/WIN 运行时单击通讯图标,或从 “视图 ” 菜单中选择选 项 “通信 ” ,则会出现一个通信对话框 ( 2)在对话框中双击 PC/PPI 电缆的图标,将出现 PG/PC 接口对话框或者直 接单击 “检视 ”栏中单击 “设置 PG/PC 接口 ” 也行。 ( 3)单击 Properties 按钮,将出现接口属性对话框,检查各参数的属性是否 正确,其中通信波特率默认值为 9.6kbps 。

4.3 程序设计
4.3.1 设计思路
PLC 运行时,通过特殊继电器 SM0.0 产生初始化脉冲进行初始化,将温 度设定值, PID 参数值等,存入有关的数据寄存器,使定时器复位;按启动 按钮,系统开始温度采样,采样周期为 10 秒;K 型热电偶传感器把所测量的 温度进行标准量转换( 0-41 毫伏) ;模拟量输入通道 AIW0 通过读入 0-41 毫 伏的模拟电压量送入 PLC ;经过程序计算后得出实际测量的温度 T, 将 T 和温 度设定值比较,根据偏差计算调整量,发出调节命令。

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4.3.2

控制程序流程图

程序流程图

4.3.3

梯形图程序

启动,绿灯亮

停止,红灯亮

上述程序中, I0.1 和 I0.2 分别是启 动和停止按钮, Q0.0 和 Q0.1 分别是系统 - 14 -

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运行指示灯(绿灯)和系统停止指示灯(红灯) , M0.0 和 M0.1 是中间继电 器。 调用 PID 模块 这里用 SM0.0 直接调用了编程软件自带的 PID 子程序, 即就是用 PID 指 令向导编程。上面的指令中,PV_I 为反馈值,也就是热电偶将检测到的当前 温度值送入温度模块后输出的模拟电压值 AIW0 ; Setpoint_R 为设定值。 每个 PID 回路都有两个输入变量,给定值 SP 和过程变量 PV。执行 PID 指令前必须把它们转换成标准的浮点型实数。即先把整数值转换成浮点型实 数值,再把实数值进行归一化处理,使其为 0.0-1.0 之间的实数。归一化的公 式为 R1=(R/S+ M) ( 3-1 ) 式中,R1 为标准化的实数值;R 为未标准化的实数值;M 为偏置,单极性为 0.0 ,双极性为 0.5 ; S 为值域大小,为最大允许值减去最小允许值,单极性 为 32000,双极性为 64000 [17] 。 在本项目中, R=100, 即就是设定温度 100 度; S=32000,M=0.0, 所以按照 归一化公式 R1=100/32000+0.0=0.03125 ,即 Setpoint_R 为 0.03125.

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该网络的程序功能是把 PID 回路输出转换成占空比。因 PID 回路的输出 PID0_Output 为 0.0-1.0 之间的实数值,又因我们设置了采样时间为 10 秒, 所以第一个指令 MUL_R 中 INT2 为 100.0。ROUND 是将实数转换成双整数, DI_I 是将双整数转换成整数。VW2 和 VW4 分别是采样周期内的加热时间和 非加热时间。

上述程序用了两个 100ms 的定时器 T241 和 T242 来控制加热时间,其中 Q0.3 为连接固态继电器的输出端子。

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该网络的程序是为了在电脑上通过 STEP7-Micro/WIN 编程软件显示当 前温度和设定温度值而写的,其实也就是归一化的逆过程。若无该网络,则 显示的温度值都是归一化的实数值,不便于记录和观察。

4.3.4

PID 指令向导的运用

STEP7-Micro/WIN 提供了 PID Wizard ( PID 指令向导) ,可以帮助用户方 便地生成一个闭环控制过程的 PID 算法。此向导可以完成绝大多数 PID 运算 的自动编程,用户只需在主程序中调用 PID 向导生成的子程序,就可以完成 PID 控制任务。 PID 向导既可以生成模拟量输出 PID 控制算法,也支持开关 量输出;既支持连续自动调节,也支持手动参与控制。本项目程序中就正好 运 STEP7-Micro/WIN 软件自带的 PID 指令向导。从而使得程序简单易懂,同 时也达到了控制要求。

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结论

结论
本课题大量参考有关资料,结合中频烧结机实际生产过程,针对烧结过 程中炉温不稳,频繁、无序的变动,使用 PLC(可编程控制器)的 PID 控制 功能,设计了中频烧结机的温度控制系统 PLC 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、 体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。 PID 闭环 控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法,对大部分控制对象都有良好 的控制效果。在西门子 S7-200 系列 PLC 的基础上,我们成功设计出了中频 烧结机温度控制系统,该系统达到了快、准、稳的效果,也达到了预期的目 标。 该温度控制系统也有一些有不足的地方需要改进,编程时我们用了编程 软件自带的 PID 指令向导模块,这样虽然方便,但是使得控制 系统超调量 和调节时间都稍微偏大,若不直接调用该模块,而是自己编写 PID 控制子程 序的话,控制效果可能会更好。

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参考文献

参考文献
[1]张惠宁,烧结设计手册 [M]. 北京:冶金工业出版社, 1990. [2]贾艳,李文兴,铁矿石烧结生产 [M]. 北京:冶金工业出版社, 2006. [3]陶永华, 尹怡欣,葛芦生编著 . 新型 PID 控制及其应用 [M]. 北京 : 机械工业 出版社 ,1998. [4]田淑珍, S7-200 PLC 原理及应用 [M]. 北京:机械工业出版社, 2009. [5]高鸿斌、赫孟合 . 西门子 PLC 与工业控制网络应用 [M], 电子工业出版社, 2006. [6]王永华, 现代电气控制及 PLC 应用技术 [M]. 北京:北京航空航天大学出版 社, 2008. [7]黄柱深, 黄超麟 . 基于 PLC 的高精度温度控制系统 [M]. 广州 : 广东省机械研 究所 ,2006. [8]张扬 .S7-200PLC 原理与应用系统设计 [M]. 北京:机械工业出版社,2007. [9]肖宝兴 .西门子 S7-200PLC 的使用经验和技巧 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2008. [10] 张伟林 . 电气控制与 PLC 综合应用技术 [M]. 北京:人民邮电出版社, 2009. [11]郑凤翼,郑丹丹 . PLC 控制系统梯形图和语句表 [M]. 北京:人民邮电出 版社, 2006. [12]赵继文 ,何玉森 . 传感器与应用电路设计 [M]. 北京 :科学出版社 ,2002.

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致谢





经过自己不断的搜索努力以及刘老师的耐心指导和热情帮助, 本设计已 经基本完成。在这段时间里,刘老师严谨的治学态度和热忱的工作作风令我 十分钦佩,他的指导使我受益非浅。在此对刘羽楠老师表示深深的感谢。 通过这门课程,使我深刻地认识到学好专业知识的重要性,也理解了理 论联系实际的含义,并且检验了大学四年的学习成果。虽然在我对于知识的 运用和衔接还不够熟练。但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完 善。 论文中一定存在很多不足之处,敬请各位老师批评指正。

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附录

附录
语句表( STL)程序 下 面 是 STL 程 序 , 它 可 以 和 梯 形 图 程 序 相 互 转 换 。

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附录

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