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平顶山学院2011届本科生毕业设计 PLC控制的加热炉温度串级控制系统设计 毛红梅

目录

1 绪论 ................................................................................................................................. 1

1.1 加热炉温度控制的背景及研究状况 ..................................................................... 1 1.2 本课题主要研究内容 ............................................................................................. 2 2 控制系统的总方案设计 ................................................................................................. 2

2.1 概述 ......................................................................................................................... 2 2.2 控制方式确定 ......................................................................................................... 3 2.3 检测元件和执行机构的选择 ................................................................................. 3 2.4 控制算法的选择和计算 ......................................................................................... 4

2.4.1 控制算法的选择 .......................................................................................... 4 2.4.2 参数的计算 .................................................................................................. 6

3 系统硬件设计 ................................................................................................................. 7

3.1 温度串级控制系统主、副回路的设计 ................................................................. 7 3.2 基于下位机PLC的控制设计................................................................................ 8

3.2.1 可编程控制器的概述 .................................................................................. 8 3.2.2 可编程控制器的系统结构 .......................................................................... 9 3.2.3 PLC的硬件及软件 .................................................................................... 12 3.2.4 下位机PLC的设计过程 ........................................................................... 12 3.2.5 PLC与上位机(MCGS组态软件)、执行机构之间的通信接线 ............. 15

4 系统软件设计 ............................................................................................................... 15

4.1 概述 ....................................................................................................................... 15 4.2 组态软件设计 ....................................................................................................... 16

4.2.1 MCGS组态软件的概述 ............................................................................ 16 4.2.2 MCGS组态软件的系统构成 .................................................................... 16 4.2.3 组态软件MCGS 5.5通用版的介绍 ......................................................... 18 4.2.4 系统主控画面的设计 ................................................................................ 19 4.3 PLC软件的程序设计........................................................................................... 21 5 结论 ............................................................................................................................... 25 参考文献 ............................................................................................................................ 27 致谢 .................................................................................................................................... 28

平顶山学院2011届本科生毕业设计 PLC控制的加热炉温度串级控制系统设计 毛红梅

1 绪论

1.1 加热炉温度控制的背景及研究状况

随着我国国民经济的快速发展，加热炉的应用越来越广泛。加热炉是工业企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽或热水，以满足负荷的需要。它也是一个复杂的控制对象，影响加热炉温度恒定的因素很多，因此对加热炉进行控制是工业过程的一个重要而且困难的问题。

在传统控制方式中，加热炉的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，致使控制系统存在许多缺点，如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等。近年来随着计算机控制技术的发展，并且各企业重视节源效益，对加热炉生产工艺的不断完善和优化，加热炉生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。传统继电器控制技术逐渐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普遍性意义。

国际上对加热炉的优化控制开始于70年代，我国从80年代才开始对这方面进行研究。在钢铁领域，以前人们对加热炉优化控制研究主要集中在钢坯的升温过程的数学模型，炉温优化设定及燃烧控制。近年来智能控制技术正逐步被应用到加热炉温度控制中。

目前面向节能降耗，提高轧制产品质量和产量设计的加热炉工程控制计算机系统已广泛应用于现代冶金企业的加热炉生产控制中。实现加热炉的自动化能够提高加热炉运行的安全性、经济性和劳动生产率、改善劳动条件、减少运行人员。设计一套完善可行的加热炉温度控制系统有其巨大的经济价值、环保意义。

本课题通过对加热炉进行模型辨识，建立典型加热炉温度串级控制系统的数学模型；使用PLC实现控制系统的设计；应用MCGS组态软件，完成上位机的监控界面的设计[1]。

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1.2 本课题主要研究内容

本设计从工业生产的实际需求出发，给出加热炉温度控制的整体方案，该设计的重点放在PLC控制的加热炉温度串级控制的方案设计上。温度控制是加热炉控制的关键，本设计用文献法、归纳分析法、总结法等，对 PLC控制的加热炉温度串级控制系统各模组的指标进行初步分析，编写并优化控制(PLC)程序，建立串级控制系统的数学模型，设计出控制系统，并根据过程控制基本内容及其控制策略，对加热炉进行模型辨识，建立典型加热炉温度串级控制系统的数学模型；使用PLC实现控制系统的设计；应用MCGS组态软件完成PLC控制的加热炉温度串级控制系统设计。

2 控制系统的总方案设计

2.1 概述

在生产过程中，一些复杂的环节往往需要进行串级控制，串级控制就是具有双回路的控制。串级控制系统就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则为一个随动系统。以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。

与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器，增加的投资并不多，但控制效果却有显著提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对二次干扰有很强的克服能力；提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力[2]。

在加热炉自动控制系统中，除了应用基于反馈控制原理而设计的各种调节器系统外，计算机技术的应用也越来越普及。由于PLC具有高可靠性、易于实现等优点，而在工业领域得到广泛应用。

系统的工作及构建原理图如图2-1所示：

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f 2 f 3 X1 主 调 节 器 X2 副 调 节 器 f1 调节阀 炉膛 y2 管壁 物料 + - + - y1 副测量变送器 主测量变送器

图2-1 加热炉串级系统框图

2.2 控制方式确定

自动控制方式一般有两种：即开环控制方式和闭环控制方式。

开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作，没有反向联系的控制过程，按照这种方式组成的系统称为开环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响、没有自动修正或补偿的能力。

闭环控制系统刚好相反，就是被控对象与控制装置之间是有反馈的。这种控制方式能够检测输出、计算误差并用以纠正误差，其输出会通过某种途径变换后反馈给输入端以备对下一次输出结果的调整。因此，闭环控制方式的输出误差较小。

综上所述，本设计定采用闭环控制方式。

2.3 检测元件和执行机构的选择

(1) 检测元件的选择

被控参数以及其他一些参数、变量的检测和将测量信号传送至控制器是控制系统设计中重要的一个环。对被控参数迅速、准确的测量是实现高性能控制的重要前提。检测设备主要是根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。被检测参数性质的不同、准确度要求、响应速度要求的不同以及对控制性能的要求的不同都影响检测元件的选择，要从工艺的合理性、经济性加以考虑。其选择一般具有以

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下原则：

① 尽可能的选择测量误差小的测量元件；

② 尽可能的选择快速响应的测量元件； ③ 选择翻遍安装的测量元件；

④ 考虑经济以及检测元件的精确度等。

本系统需要两个温度传感器：一个安装在炉膛内，另一个安装在出口处。根据检测精度和测量范围以及以上原则等，选用铂热电阻Pt100为温度传感器，选择JC100G为温度变送器[3]。

(2) 执行机构的选择

由于本设计应用的是电阻丝加热炉，采用的是220V交流电源作为电阻丝的供应电源，而执行机构主要是用来根据需要来调节电阻丝上的电压从而达到控制加热炉温度的目的。因此对于执行机构的选择选用相对应的MJYD—JL—20型单相交流模块。

2.4 控制算法的选择和计算

2.4.1 控制算法的选择

控制算法即所谓的计算机控制，就是按照规定的算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。在工业控制中，许多控制过程机理复杂、滞后控制对象具有变结构、时变等特点。相应的，每个控制系统都有一个特定的控制规律。因此每一个控制系统都有一套与此控制规律相对应的控制算法。

所谓调节器参数的整定，就是选择合适的比例带积分时间和微分时间，使自动调节系统工作在最佳的状态。调节器PID参数的整定方法主要有：理论建模法、工程整定法；理论建模法主要根据系统的数学模型，用控制论的稳定判据，求得满足工艺运行的调节器参数，这种方法的缺点是需要知道或能够求出控制对象的数学模型，它要用到控制理论和数学方面的有关知识，比较复杂，不易为人们所掌握，而且理论方法求得的数学模型与被控对象的真实模型还有一定差距；工程整定法有经验试凑法、衰减曲线法、临界比例度法等。经过大量整定实践证明，工程整定法行之有效，故得到了广泛应用。衡量控制系统工作优劣的依据是控制系统的性能指标，这

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