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生产奶粉的干燥器温度控制系统1

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23

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辽 宁 工 业 大 学

PLC 课程设计（论文)

题目： 生产奶粉的干燥器温度控制系统
院（系）： 电气工程学院
专业班级: 测控072班
学 号： 070301041
学生姓名: 黄修刚
指导教师： 郑海英
起止时间：2010.12。13-2010。12.24

课程设计（论文)任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室:测控技术与仪器
学 号
070301041
学生姓名
黄修刚
专业班级
测控072
课程题目
生产奶粉的干燥器温度控制系统
课程设计(论文)任务
实现功能
设计一个基于PLC的奶粉干燥器温度控制系统。干燥器的温度变化范围为0到400度，采用PID调节,使其温度恒定在75度.
设计任务及要求
1、 根据设计任务，进行系统方案论证,输入量和输出量标准化采用双极性方案，采用PID调节;
2、 选择合适的PLC及I/O扩展模块和模拟量模块等；
3、 合理选择温度传感器和相应的变送器进行变量的检测和变送;
4、 建立I/O分配表，完成梯形图程序设计并上机调试;
5、 按统一的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数
1、干燥塔直径：3.300m；进风温度：0-100℃；蒸发能力:150Kg H2O/h
2、温度设定值：75℃；采样时间：30S；输出为双极性模拟量,用以控制加热阀门的开度在0到100％间变化。
3、控制精度1％
工作计划
1、 布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天）
2、 确定系统的输入/输出信号和类型，选择PLC主机和扩展模块。(1天）
3、 建立I/O分配表，完成PLC与输入输出信号的外部接线。（1天)
4、 建立系统的控制要求，设计系统的梯形图。(3天)
5、 上机调试、修改程序、答辩。(2天)
6、 撰写、打印设计说明书。（1天）
指导教师评语及成绩

平时： 论文质量: 答辩： 指导教师签字:

总成绩： 年 月 日
注:成绩：平时20％ 论文质量60％ 答辩20% 以百分制计算

摘要

传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术,由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多,效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。 随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。 而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有相当的意义。干燥器是通过加热使物料中的湿分（一般指水分或其他可挥发性液体成分)汽化逸出,以获得规定湿含量的固体物料的机械设备。干燥的目的是为了物料使用或进一步加工的需要。
在以PLC控制为核心，干燥器为基础的温度自动控制系统中，PLC将干燥器温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差经PID运算后得到的信号控制输出电压的大小，从而调节加热器加热,实现温度自动控制的目的。文章介绍了基于S7-200温度控制系统的PID调节器的实现。

关键词：PLC 温度控制 PID 调节器 S7—200 温度传感器

目录
第1章 绪论 5
1.1 课题背景 5
1.2 研究的主要内容 5
第2章 课程设计的方案 6
2。1 概述 6
2。2 系统设计思路 6
2.3系统参数选择 7
2.4 控制方案设计 7
第3章 硬件设计 9
3.1 S7—200PLC选型 9
3.2 温度传感器 10
3。3 模拟PID算法简介 11
第4章 软件设计 13
4。1 控制程序的组成 13
4.2 控制程序设计 13
第5章 系统测试与分析/实验数据与分析 17
第6章 课程设计总结 19
参考文献 20

第1章 绪论
1。1 课题背景
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。
随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能，因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此,PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。这也正是本课题所重点研究的内容。
1.2 研究的主要内容
本课题的研究内容主要有：
温度的检测;
采用PLC进行恒温控制；
PID算法在PLC中如何实现；
PID参数对系统控制性能的影响；

第2章 课程设计的方案
2.1 概述
本次设计是对生产奶粉的干燥器温度控制系统的设计，通过对PLC课程所学的基本理论和基本方法，来掌握简单的PLC系统设计的基本方法。
该系统主要应用于乳制品干燥过程，包括温度检测、电源、调节器和调节阀等部分。
系统功能介绍：系统通过温度传感器测量干燥器出口温度,从而根据出口温度对奶粉含水量进行控制，是产品达到质量要求。
2.2 系统设计思路
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.
图2。1是喷雾式乳液干燥流程示意图，通过空气干燥器将浓缩乳液干燥成乳粉，已浓缩的乳液由高位储槽流下，经过滤器去掉凝结快,然后从干燥器顶部喷嘴喷出。干燥空气经热交换器加热、混合后,通过风管进入干燥器与乳液充分接触，使乳液中的水分蒸发成为乳粉。成品乳粉与空气一起送出进行分离。

图2。1 乳化物干燥器干燥原理图

2.3系统参数选择
按照生产工艺要求，产品质量取决于乳粉的水分含量.湿度传感器测量精度低、滞后大,要精确、快速测量乳粉的水分含量十分困难。而乳粉的水分含量与干燥器出口温度关系密切，而且为单值对应关系.实验表明，干燥器出口温度偏差小于±2℃时,乳粉质量符合要求,因而可选择干燥器出口温度为（间接）被控参数，通过干燥器出口温度控制实现产品质量控制.
影响干燥器出口温度的变量有乳液流量[记为f1（t)］、旁路空气流量[记为f2(t)],、加热蒸汽流量［记为f3(t)］三个因素,并通过图2.1中的调节阀1、调节阀2、调节阀3对这三个变量进行控制。选择其中的任意一个作为控制变量，都可实现干燥器出口温度（被控参数）的控制。
2.4 控制方案设计
分别以三个控制变量作为控制变量，可得到如下三种不同的控制方案
方案一 以旁通冷风流量f2(t）为控制变量（由调节阀2进行控制)，对干燥器出口温度进行控制.

图2。2 以旁路冷风流量为被控变量结构框图
从图2。3可以看出，由调节阀2控制的旁路冷风流量f2(t）经过混合和滞后［Gm(s）］之后进入干燥器。由于一阶惯性环节Gm（s)时间常数Tm和纯滞后t的滞后因素，控制通道有一定滞后，控制变量对干燥器出口温度的控制不够灵敏。干扰f1(t）进入控制通道的位置距调节阀2较远，干扰通道环节少，故其引起的动差较大；干扰f3(t） 进入控制通道的位置距调节阀2很近，干扰通道环节多,其引起的动差小而且平缓.
方案二 以加热蒸汽流量f3(t)为控制变量（由调节阀3进行控制），对干燥器出口温度进行控制。

图2.3 以加热蒸汽流量为控制变量结构框图
从图2.4可以看出，由调节阀3控制的蒸汽流量对流过热交换器的空气加热［Gh（s)］，热空气经过混合和滞后[Gm（s)］之后进入干燥器。由于有Gh（s)两个时间常数Th1和Th2、Gm（s)的时间常数Tm、风管纯滞后t多种因素共同影响，控制通道的时间滞后很大，控制变量f3(t）对干燥器出口温度的控制作用慢；干扰f2（t）进入控制通道的位置距调节阀3较远、干扰f1（t）进入控制通道的位置距调节阀很远,二者干扰通道环节少,引起的动差大。
综上，本次设计选方案一
第3章 硬件设计
3.1 S7—200PLC选型
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［2］
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：①CPU221 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。②CPU222 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。③CPU224 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。④CPU226 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。⑤CPU226XM 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。 本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理，勿做商业用途
（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 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，其上自带有模拟量的输入和输出通道,因此节省了元器件的成本。

输入信号
输出信号
1
I0.0
启动按钮SB1
1
Q0。0
鼓风机
2
I0。1
停止按钮SB2
2
Q0。1
调节阀1
3
AIW0
温度传感器
3
Q0.2
调节阀2

4
AQW0
调节阀3

图3。1 I/O地址分配表

在S7-200中，单极性模拟量的输入/输出信号的数值范围是0~32000，双极性模拟信号的数值范围是-32000~+32000［3］

图3.2 PLC控制电路
3.2 温度传感器
温度传感器有四种主要类型: 热电偶、 热敏电阻、 电阻温度检测器(RTD)和 IC 温度传感器。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器.它的主要特点是测量精度高,性能稳定，典型的有铜热电阻、铂热电阻等.其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，它的阻值会随着温度的变化而改变，通常用PT100来表示。其中PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
PT100是广泛应用的测温元件,在-50～600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势,包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路,其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中,根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值［4].
常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路.本设计采用的就是三线制接线.
由于铂热电阻测出的是温度变化，需要在将信号输入PLC前加一个温度变送器，将温度信号转换成电压信号。本系统采用的温度变送器是DZ4130，使用过程中要加一个24V的电源，该电源可以从PLC上直接获得。
3.3 模拟PID算法简介
在工程实际中,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80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［5］.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：比例控制是一种最简单,最常用的控制方式［6］.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）。
积分（I）控制：在积分控制中，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）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”.积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI）控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D)控制：在微分控制中,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。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零.这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项"，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
模拟PID控制系统框图：

图3。3 PID模拟控制系统框图
PID控制器的微分方程和传递函数形式为:

第4章 软件设计
硬件设计完成过后,就需要进行软件设计，通过软件设计使得系统能满足设计的要求，因此软件设计在设计的过程中也是相当的重要。有了好的合适的程序才能使系统发挥其最大的优势，来调节加热炉的温度.
4.1 控制程序的组成
控制程序主要由温度采集程序、数据滤波程序、PID控制程序组成,温度采集程序的作用是将温度值转换成PLC能够识别的数值。数据滤波程序是为了消除干扰对测量结果的影响,在PID控制前，需要对采集的数据进行处理，这样是为了避免由于外部的干扰而导致PID运算出错。因此，滤波程序是非常的重要的。
4.2 控制程序设计

图4.1 梯形图
第5章 系统测试与分析/实验数据与分析
对于单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统的主动量来说,可按单回路控制系统的整定方法和要求来进行。一般希望主动量回路的过渡过程变化缓慢一些，以便从动量得以跟踪上。变比值控制系统结构上属于串级控制系统,因此其主调节器的参数可按串级控制系统进行整定。而从动量回路实质上是一个随动系统，要求从动量能迅速、准确地跟踪主动量变化，而且不宜有过大超调.从动量回路的过渡过程整定非周期临街状态为最佳,此时从动量回路的过渡过程既不震荡有反应最快.从动量回路控制器参数整定步骤如下：
1、根据计算的比值系数K'在满足工艺生产流量比的情况下，将比值控制系统投入进行.
2、将积分时间厂商置于最大，有大到小改变调节器的比例度，使系统响应迅速，并处于振荡与不振荡的临界过程.
3、若有积分作用，则适当的加大比例度，投入积分作用,并减小积分时间,知道系统出现振荡与不振荡的临界过程。
空气流量测量仪表为线性单元,动态滞后可忽略,则有：
（5.1）
温度测量环节用一阶环节来近似：
（5。2)
假设
对于调节阀,由于其流量特性为直线和等百分比，故
对于调节阀控制流量对象，控制通道和扰动通道的动态特性为:
（5。3）
假设,，,流量调节阀前压力波动为
对于流量控制干燥器温度对象，控制通道和扰动通道的动态特性为
(5.4）
假设

由此经过调试可得到仿真图

第6章 课程设计总结
本设计研究了干燥器的温度控制系统，系统采用西门子的S7—200PLC为控制器，运用了PID算法对炉内温度进行控制，最后可在监控的触摸屏画面上准确的观测到温度的实时变化。
该系统采用S7-200PLC对电炉温度进行控制,通过学过的PLC课程，对S7—200有了基本的了解。实际操作起来能够更好的掌握。对于该类PLC配套的人机界面设计也是非常方便的,可以通过人机界面方便的监控PLC的运行状态。
本设计的系统虽说成功的实现了电炉内部的恒温控制，但在系统的设计中也存在一些问题，如:PID参数的整定,利用PLC内部功能模块对PID参数进行整定的时，并不是每次都会得到理想的参数，并且参数的自整定需要花很成长的时间；系统的硬件部分过于复杂，该系统在PLC的输入和输出端都需要加变送器，使得整个系统硬件过于繁杂。这些问题都是需要进一步研究改进的。
参考文献
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[4] 向晓汉等.西门子PLC高级应用实例精讲[M]。北京:机械工业出版社，2010.14～16。
［5] 曾喜娟,庄其仁,吴志华.基于S7-200PLC的PID参数自整定方法[J].控制与检测。2010,1:47~50.
[6] 龚仲华。 S7-200PLC/300/400PLC应用技术通用篇［M]。北京：人民邮电出版社，2007.323~325.
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［8］ 胡文金。计算机测控应用技术[M]。重庆：重庆大学出版社，2003.6:147-149
［9] 向晓汉等。西门子PLC高级应用实例精讲［M].北京：机械工业出版社,2010。14~16。
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