电石炉温度控制系统的设计和实现毕业设计(编辑修改稿)

电石炉温度控制系统的设计和实现毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

特点的实际调研和其生产环境的了解得知，电石炉现场条件较为恶劣，灰尘多，温度高，电磁干扰严重。 因此对控制设备的可靠性要求较高。 为此除一方面设置防尘屏蔽各种措施外，另一方面则要设计高性能和高可靠的控制系统。 在生产过程控制中，目前国内外，普遍采用 PLC 系统。 该电石炉控制系统的调节回路较少，而检测参数较多，模拟量较少，开关 量较多，属于中等规模的技改项目。 参考冶金行业类似的电弧炉等成功案例情况以及较高的性价比，控制系统的硬件采用了可编程控制器和上位计算机构成 PLC 控制系统。 可编程控制器的可靠性较高和抗干扰性较强，主要负责生产现场及控制，上位计算机选用工业控制级计算机，主要负责生产过程参数的动态显示、存储和监督控制工作。 方案的选择，由工控机控制参数的变化，通过 PLC 把采集到的信号和设定值作比较进而控制电磁阀，调节电极的升降，增加或减小电弧强度，达到改变温度的目的，与 PLC 相连的 2 个 A/D 模块作用是及时的把变送器送来的数据转换数 字信号并送 PLC 中，电流互感器作用是把测到的电流或电压按比例转换成 A/D 模块能接受的范围，保护模块不被损坏（如图 41所示）。 如果此循环工作系统成立，就能达到使炉内温度尽量恒定在最佳温度值，进而能达到提高生产质量 [19]。 本 科 毕 业 设 计 第 14 页 共 43 页 图 41 电石炉 PLC 控制系统示意图 工控机的选型 主站 上位计算机选用研华系列工业控制机 如图 42 所示 ， 台湾研华股份有限公司生产的高性能工业控制机是专为工业环境下保证系统连续运行而设 计制作的。 可以在 0~50 ℃ 的温度范围内 正 常工作。 电源采用开关电源，其 MTBF（ 平均无故障时间 ） 至少在 50 000 h，机箱采用钢制全封闭结构。 有效地防止了 EMI（ 电磁干扰 ） ，系统易于扩展，可采用 IEEE488， RS232， RS422/485 通讯卡来实现分布式数据采集与控制，还配有丰富的接口板。 工控机 PLC 电磁阀 电磁阀 电磁阀 电极升降 电极升降 电极升降 A/D 模块 A/D 模块 电压变送器 电压互感器 二次测电压 电压变送器 电压变送器 电流变送器 电流变送器 电流变送器 电压互感器 电压互感器 电流互感器 电流互感器 电流互感器 二次测电压 二次测电压 一次测电流 一次测电流 一次测电流 本 科 毕 业 设 计 第 15 页 共 43 页 图 42 研华工控机实物图 图 43 FX2N16MR001 型 PLC PLC的选型 PLC 程序是整 个控制系统的核心，也连接现场信号和人机界面的纽带， PLC 程序完成的功能包括数据采集和处理，按照工艺完成相应的工序，还有三项电极调节算法的部分实现工作。 同时，上位计算机中的监控程序读写 PLC 中的数据，完成储存、设定和报警的功能。 PLC单元选用 FX2N16MR001型 PLC如图 43所示 ， 参数 如下： 8点输入点数 、 8点输出点数 、 可控硅输出可用 FX2n16MS、晶体管输出可用 FX2n16MT、扩展模块可用点数为 24～ 32。 FX2n系列是 FX系列 PLC家族中较先进的系列。 由于 FX2n系列具备如下特点 ：包容了标准特点、程式执行快、补充了通信功能、适合不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，可以自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 为大量实际应用而开发的特殊功能 开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要 模拟 I/O，高速计数器。 24V、 400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。 采用了优良的可维护性快速断开端子块，并在 FX2N系列 PLC中都有实时时钟标准。 时间设置和比较指令易于操作，还有小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。 为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。 可以用 输入滤波器平整输入信号（在基本单元中 x000到 x017）。 元件注解可以记录在程序寄存器中，在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。 面板上运行 /停止开关易于操作，远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据，并使用一个八位数字密码保护您的程序 [19]。 模拟量输入 /输出的选型 模拟量输入模块选用三菱的 FX2N4AD 如图 44所示，该模块有 4 个输入通道，其分辨率为 12 位。 可选择电流或电压输入，选择通过用户接线来实现。 可 本 科 毕 业 设 计 第 16 页 共 43 页 选为模拟值范围为177。 10VDC（分辨率位 5mV）或 4～ 20mA、 20～ 20mA（分辨率位20181。 A）。 转换的速度最高位 6ms/通道。 FX2N4AD 占用 8 个 I/O 点。 模拟量输出模块选用三菱的 FX2N4DA 如图 45所示，该模块有 4 个输出通道。 提供了 12位高精度分辨率的数字输入。 转换速度为 ，使用的通道数变化不会改变转换速度。 其他的性能与 FX2N2DA 相似。 图 44 FX2NAD 模块 图 45 FX2NDA 模块 可编程控制器采用三菱公 司的 FX2N16MR001。 上位计算机采用台湾研华公司的工业控制计算机和液晶显示器。 PLC 控制程序的编程采用了 组 态王软件作为开发工具，上 位 机监控部分的设计采用了 组态 软件作为开发工具 [20]。 本系统上位机选用研华工控机，运行 Windows20xx 操作系统，以满足上位组态软件的运行要求。 17 寸彩色液晶显示器，可清晰的现实各种图形和文字，相对于传统的 CRT 显示器，可免受电磁干扰的影响。 工控及外接打印机以打印报表， 由 一台 500VA 的不间断电源 UPS 供电，保证工控机的正常工作和数据的完整记录。 考虑到电石炉电 流检测受电磁干扰比较严重 ,程序中考虑到当系统出现意外情况下 ,电极电流偏差严重超限时 ,通过声光报警及时通知操作人员进行人工干预。 由于系统的实际需要 ,系统设“自动控制”和“手动控制” 2 种工作方式。 5 控制系统的 PLC 程序设计 FX2N 系列 PLC 的工作原理 及元件介绍 FX2N 系列 PLC 的工作原理 PLC 大多采用成批输入 /输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次序逐条运行。 一个完整的周期可分为三个阶段： 本 科 毕 业 设 计 第 17 页 共 43 页 （ 1）输入刷新阶段 :程序开始时，监控程序使机器以扫描方式逐个输入所有输入端口上的信号，并依次存入对应的输入映象寄存器。 （ 2）程序处理阶段 :所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果，存入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。 （ 3）输出刷新阶段 :将输出元件映象寄存器的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个结束，依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。 一般地， PLC 的一个扫描周期约 10ms，另外，可编程序控制器的输入 /输出还有响应滞后（输入滤波约 10ms），继电器机械滞后约 10ms，所以，一个信号从输入到实际输出，大约有 2030ms 的滞后。 输入信号的有效宽度应大于 1 个周期 +10ms。 可编程控制器通过输入模块接受外来的输入信号，通过输出模块驱动外部执行机构，而各种信号之间的逻辑关系则通过用户程序来实现。 可编程控制器本质上是一台计算机，和其他计算机一样，他按照分时工作的原理进行工作。 也就是说，它在每一个时刻只能进行一项操作。 按照既定的顺序一步一步地完成各种操作。 FX2N 系列 PLC 的元件介绍 FX2N 系列 PLC 一般含有一下元件： 输入继电器 X 输出继电器 Y 辅助继电器 M： （ 1）通用辅助继电器（ 2）掉电保持辅助继电器（ 3）特殊辅助继电器 状态继电器 S 定时器 T： （ 1）定时器（ 2）积算定时器 计数器 C 数据寄存器 D PLC的 PID 功能介绍 本 科 毕 业 设 计 第 18 页 共 43 页 PID 控制 在工业控制中， PID 控制（比例 积分 微分控制）得到了广泛的应用，这是因为 PID 控制具有以下优点： 1）不需要知道被控对象的数学模型。 实际 上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用 PID 控制可以得到比较满意的效果。 据日本统计，目前 PID 及变型 PID 约占总控制回路数的 90%左右。 2） PID 控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。 3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID 控制的变种和改进的控制方式，如 PI、 PD、带死区的 PID、积分分离式 PID、变速积分 PID 等。 随着智能控制技术的发展， PID 控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现 PID 控制器的参数自整定， 使 PID 控制器具有经久不衰的生命力。 PLC 实现 PID 控制的方法 如图 51 所示为采用 PLC 对模拟量实行 PID 控制的系统结构框图。 用 PLC对模拟量进行 PID 控制时，可以采用以下几种方法： 图 51 用 PLC 实现模拟量 PID 控制的系统结构框图 1）使用 PID 过程控制模块。 这种模块的 PID 控制程序是 PLC 生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。 但是这种模块的 PLC PVf PV Pv(t) C(t) mv(t) MV EV SV PID 调节器 数字滤波 A/D 测量变送 被控对象 执行机构 D/A 本 科 毕 业 设 计 第 19 页 共 43 页 价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。 如三菱的 A 系列、 Q 系列 PLC的 PID 控制模块。 2）使用 PID 功能指令。 现在很多中小型 PLC 都提供 PID 控制用的功能指令，如 FX2N 系列 PLC 的 PID 指令。 它们实际上是用于 PID 控制的子程序，与 A/D、 D/A 模块一起使用，可以得到类似于使用 PID 过程控制模块的效果，价格却便宜得多。 3）使用自编程序实现 PID 闭环控制。 有的 PLC 没有有 PID 过程控制模块和 PID 控制指令，有时虽然有 PID 控制指令，但用户希望采用变型 PID 控制算法。 在这些情况下，都需要由用户自己编制 PID控制程序。 FX2N 的 PID 指令 PID 指令的编号为 FNC88，如图 52所示源操作数［ S1］、［ S2］、 [S3]和目标操作数 [D]均为数据寄存器 D， 16位指令，占 9个程序步。 ［ S1］和［ S2］分别用来存放给定值 SV 和当前测量到的反馈值 PV，［ S3］ ~[S3]＋ 6用来存放控制参数的值，运算结果 MV存放在［ D］中。 源操作数［ S3］占用从［ S3］开始的25 个数据寄存器。 图 52 PID 指令 X000 FNC 88 D0 D1 D100 D150 PID [S1] [S2] [S3] [D] 给定值 反馈值 参数 输出值 （ SV） (PV) (MV) 本 科 毕 业 设 计 第 20 页 共 43 页 PID 指令是用来调用 PID 运算程序，在 PID 运算开始之前，应使用 MOV 指令将参数（见表 51）设定值预先写入对应的数据寄存器中。 如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。 如果目标操作数 [D]有断电保持功能，应使用初始化脉冲 M8002 的常开触点将其复位。 表 51 PID 控制参数及设定 源操作数 参 数 设定范围或说明 备 注 ［ S。