毕业设计（论文）-PLC石灰窑工艺参数的测控系统设计.doc

毕业设计（论文）毕 业 设 计 (论 文) 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: _ 学生姓名: _ 学 号: 课 题: _石灰窑工艺参数的测控系统设计 指导老师: 2011年6月8日 石灰窑工艺参数的测控系统设计摘要本设计采用plc可编程控制器为设计核心，当前可编程控制器已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心装置。我国当前的经济发展特别是钢铁行业对于活性石灰需求相当大，石灰品质的好坏直接影响着钢铁的质量，因此采用先进的自动控制系统对于提高炼铁炼钢的产量和质量，有十分重要的意义。石灰窑过程控制系统可靠、操作方便、控制及时，为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。 石灰窑控制系统是包括码头上料、原料系统、窑头系统、窑尾烟气处理系统、窑预热器系统、成品系统、监测系统、系统网络通讯等系统的基础级自动控制。系统采用三电一体化控制，主体工艺采用三电合一的控制思想，实现仪表、电气及自动控制系统的集成控制。系统采用集散型plc实现分布式网络控制，确保系统运行稳定可靠；上位机、plc之间的通讯采用工业以太网结构，确保系统具有良好的开放性；方案设计充分考虑节能降耗，减少磁干扰，提高系统的稳定性；在完成基础级自动化的基础上，统一规划网络结构。关键词：石灰窑 测控系统 plc abstract the design uses a plc programmable controller for the design of the core, the current plc electrical control system has become the most widely used heart devices. chinas current economic development, especially for the steel industry needs a large lime, lime quality have a direct impact on the quality of steel, so the use of advanced automatic control system for improving yield and quality of iron and steel, has a very important significance.lime kiln process control system is reliable, easy to operate and control in time for the enterprise has brought considerable economic and good social benefits. lime kiln control system is included dock materials, materials systems, kiln system, the kiln flue gas treatment system, kiln preheater system, the finished system, monitoring system, system network communication system based automatic control level. integrated control system using three-, three-one of the main technology used to control thought, to achieve instrumentation, electrical and automatic control system integration control.distributed plc system uses a distributed network control, to ensure stable and reliable; host computer, plc industrial ethernet communication between the structures used to ensure that the system has good open; program designed to take into account energy consumption, reduce the magnetic interference and increase system stability; the completion of basic-level automation, based on the unified planning network. keywords: lime kiln control system plc 目录1 绪 论11.1选题意义及实现的控制要求11.2 plc的发展阶段与发展方向21.2.1 plc的发展阶段21.2.2 plc的发展方向21.3 s7-200系列微型plc的组成及性能42 硬件设计62.1总体设计62.1.1 plc控制系统的设计内容及设计步骤62.1.2 plc控制系统的硬件设计72.1.3控制方式的选择112.2 基于s7-200的石灰窑工艺参数的测控系统硬件设计112.2.1侧风风机的硬件设计122.2.2软启动器的原理142.2.3温度的测量182.2.4压力及流量的测量与控制203软件部分253.1 s7200 plc的概述253.1.1 s7200的硬件资源253.1.2 s7200系列plc的内部资源293.2软件编程293.2.1本次设计的i/o扩展及地址编址293.2.2 系统的接线图以及i/o地址分配303.2.3软件程序324系统调试384.1模拟内容及所用设备、材料仪器、仪表384.1.1 step 7-micro/win v4.0 sp3功能简介384.1.2. 系统运行要求384.2 模拟过程、模拟结果39结 论40参考文献41致 谢42附录一 英文科技文献翻译43英文文献43附录二62631 绪 论1.1选题意义及实现的控制要求当前可编程控制器（plc）是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行、且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接。本控制系统功能全面，操作简单实用，提高了生产效率，避免了由于操作人员失误而造成的事故，对提高活性石灰生产的管理水平，保证设备安全稳定运行起到了很好的促进作用。石灰窑控制系统是包括码头上料、原料系统、窑头系统、窑尾烟气处理系统、窑预热器系统、成品系统、监测系统、系统网络通讯等系统的基础级自动化控制。系统采用三电一体化控制，主体工艺采用三电合一的控制思想，实现仪表、电气及自动控制系统的集成控制。系统采用集散型plc实现分布式网络控制，确保系统运行稳定可靠；上位机、plc之间的通讯采用工业以太网结构，确保系统具有良好的开放性；方案设计充分考虑节能降耗，减少电磁干扰，提高系统的稳定性；在完成基础级自动化的基础上，统一规划网络结构。结合永联石灰窑控制系统的设计和调试过程，对石灰窑控制系统的组成及系统配置作了系统描述，采用三电结合，实现了仪表、电气和自动控制系统的集成控制，采用集散型plc实现分布式网络控制，确保系统运行稳定可靠。1.2 plc的发展阶段与发展方向1.2.1 plc的发展阶段虽然plc问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通迅技术的不断进步，plc也迅速发展，其发展过程大致可分为三个阶段:(1)早期的plc (60年代末70年代中期)早期的plc一般称为可编程逻辑控制器。这时的plc多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。早期的plc的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中plc特有的编程语言梯形图一直沿用至今。(2)中期的plc (70年代中期80年代中、后期) 在70年代，微处理器的出现使plc发生了巨大变化。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为plc的中央处理单元(cpu )。这样，使plc得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程i/o模块、各种特殊功能模块，使plc得应用范围得以扩大。(3)近期的plc (80年代中、后期至今)进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，使得各种类型的plc所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高plc的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得plc软、硬件功能发生了巨大变化。 1.2.2 plc的发展方向plc是一门综合技术，其发展与微电子技术和计算机技术密切相关。随着可编程序控制器应用领域的不断扩大，它本身也在不断发展。目前plc主要朝两个方向发展。(1)小型化方向发展目前的小型plc大都局限在开关量的输入输出，而且cpu和i/o部件组装在一个箱体内，今后的小型plc也将增加模拟量的处理功能，而且也将有灵活的组态特性，并且能与其它机型连用。小型plc的基本特点是价格低廉、经济可靠，适用于回路或设备的单机控制，便于“机电仪”一体化。但免不了要牺牲一些用户使用的方便性。既要简单经济，又要不断增强功能和使用的方便性是小型plc的发展方向。(2)大型化方向发展主要包含以下几个方面:功能不断加强:不仅具有逻辑运算、计数、定时等基本功能，还具数值运算、模拟调节、监控、记录、显示、与计算机接口、通讯等功能。网络功能是plc发展的一个重要特征。各种个人计算机，图形工作站、小型机等都可以作为plc的监控主机或工作站，这些装置的结合能够提供屏幕显示、数据采集、记录保持、回路面板显示等功能。大量的plc联网及不同厂家生产的plc兼容性增加，使得分散控制或集中管理都能轻易地实现。应用范围不断扩大:不仅能进行一般的逻辑控制，还能进行中断控制、智能控制、过程控制为、远程控制等。用于过程控制的plc往往对存贮器容量及速度要求较高，为此，开发了高速模拟量输入模块，专用独立的pid控制器，多路转换器等，使得数字技术和模拟量技术在可编程序控制器中得到统一。编程软件的多样化和高级化:采用多种编程语言，有面向顺序语言和面向过程控制系统的流程图语言;还有与计算机兼容的高级语言，如basic, c及汇编语一言;另外还有专用的高级语言，例如三菱的melsap采用编译的方法将语句变为梯形图程序;也有采用布尔逻辑语言的。plc也将具有数据库，并可实现整个网络的数据库共享。还将不断发展自适应控制和专家系统。构成形式的分散化和集散化:plc与i/o口分散，plc本身也可分散，分散的plc可以连用，这样可将集中控制存在的“危险集中”化为“危险分散”。分散的plc与上位机结合构成集散系统，分散地进行控制，这就便于构成多层分布式控制，以实现整个工厂或企业的自动化控制和管理。1.3 s7-200系列微型plc的组成及性能s7-200系列是一种可编程序逻辑控制器(micro plc)。它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。s7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使s7-200成为各种控制应用的理想解决方案。1. s7-200 cpus7-200 cpu将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的micro plc。在下载了程序之后，s7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。s7-200系列plc有cpu21x和cpu22x两代产品，其中cpu22x型plc有cpu221,cpu222,cpu224,和cpu226四种型号。表1-1中对cpu的一些特性作了简单比较。表1-1 s7-200的技术指标2.s7-200扩展模块为了更好地满足应用要求，s7-200系列为您提供多种类型的扩展模块。您可以利用这些扩展模块完善cpu的功能。表1-2列出了现有的扩展模块。表1-2 s7-200扩展模版2 硬件设计2.1总体设计plc是一种计算机化的高科技产品，价格较高，在选用plc之前，首先应考虑是否有必要使用plc。如果被控系统很简单，i/o点数很少，控制要求也不复杂，则没有必要使用plc。下列情况可以考虑使用plc:1、系统的i/o点数要求特别多，控制要求复杂，如果用继电器控制，需要大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件。2、系统对可靠性的要求特别高，继电器控制不能满足要求。3、由于工艺流程和产品品种的变化，需要经常改变控制电路的结构和修改多项控制参数。一个完整的plc应用系统包含两方面的内容:plc控制系统和人机界面。plc控制系统对现场进行参数采集并完成控制功能:人机界面是人与控制系统进行信息及数据交流的一个窗口。设计时，不但要熟悉plc的硬件，还要熟悉plc的软件，以及人机界面软件的编制方法和遵循的原则。2.1.1 plc控制系统的设计内容及设计步骤plc控制系统的设计分为硬件选型及plc软件编制两个方面。本人在这次设计中负责硬件部分，故以下部分仅就本次硬件设计所需部分作简要介绍。（1）控制系统设计内容 plc的硬件由plc及i/o设备构成。plc控制系统设计的基本内容如下所述。1、选择i/o设备通过输入设备(如按钮、操作开关、转换开关、限位开关和传感器等)可以输入参数给plc控制系统;输出设备(如继电器、接触器、信号灯等执行机构)是控制系统的执行机构，i/o设备是plc与控制对象连接的惟一桥梁。2、选择合适的plcplc是该控制系统的核心部件，合理选择plc对于保证整个控制系统的技术指标和质量是至关重要的。选择plc应包括机型、容量、i/o模块和电源等的选择。3、分配i/o点绘制i/o端子的连接图，是合理分配i/o点的必要保证。整个硬件系统技术文件包括说明书、电气原理图、电气安装图、元器件明细表。在plc控制系统中这一部分图统称为“硬件图”。它在传统电气图的基础上增加了plc部分，因此在电气原理图中还应包括plc的i/o连接图。（2）控制系统设计步骤plc控制系统硬部分的基本设计步骤如下:1、深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求。如控制的基本方式，需要完成的动作(动作顺序、动作条件、必需的保护和连锁等)，操作方式(手动、自动、连续、单周期和单步等)。2、根据被控对象对plc控制系统的功能要求和所需要的i/o信号的点数等，选择合适类型的plc。如果需要网络控制系统，还须选择网络通信系统的类型。3、根据控制要求所需的用户i/o设备，确定plc的i/o点数，并设计i/o端子的接线图。2.1.2 plc控制系统的硬件设计plc控制系统的硬件设计是指硬件选型。近十几年来，国内外众多生产厂家提供了多种系列、功能各异的plc产品。plc品种繁多，其结构形式、性能、i/o点数、用户程序存储器容量、运算速度、指令系统、编程方法和价格等各有不同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择plc，对提高plc控制系统的技术、经济指标着重要作用。（1）plc机型的选择机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑的因素如下所述。结构合理对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的plc;否则，选用模块式结构的plc。功能强、弱适当对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的plc。如西门子公司的s7-200系列机或欧姆龙公司的comi。对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用含有a/d转换的模拟量输入模块和含有d/a转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档plc。如西门子公司的s7-300或s7-400。对于控制比较复杂、控制功能要求较高的工程项目，如要求实现pid运算、闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂的程度，选用中档机或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全plc的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。机型统一plc的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构体积小、价格便宜，但由于整体式结构的plc功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。一般大型的控制系统都使用模块结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。一个大型企业选用plc时，尽量要做到机型统一。同一机型的plc，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理;另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训;其外部设备通用也有利于资源共享。若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台plc联成一个多级分布式控制系统，相互通信，集中协调管理。plc的环境适应性由于plc是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下，可靠地工作。尽管如此，每种plc都有自己的环境技术条件，我们在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。对于需要应用在特殊环境下的plc，要根据具体的情况进行合理的选择。鉴于本次设计主要是控制气动阀的开关，并且控制要求不高，所以本次设计选用西门子的s7-200。 （2）plc容量的选择plc容量包括两个方面:一是i/o的点数;二是用户存储器的容量(字数)。plc容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%25%考虑裕量。对于开关量控制系统，存储器字数为开关量i/o乘以8;对于有模拟量控制功能的plc，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。各种指令占存储器的字数可查阅plc产品使用手册。i/o点数应留有适当裕量。由于目前i/o点数较多的plc价格也较高，若备用的i/o点的数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常i/o点数按实际需要的10%15%考虑备用量。本次设计中，要实现三种控制方式，另外，9个气动阀的运行状况要实时反馈给plc的cpu，故输入口需要12个。在输出部分，plc的cpu输出的状态量直接控制着气动阀的开关，另加一个自动运行指示灯和故障报警信号，共需11个输出口。考虑到以后的调整和扩充，本次设计选用s7-200的cpu226，型号6es7 216 2bd23-0xb8。该型号有24点输入，16点输出，满足本次设计需求。（3）选择i/o设备正确、合理地选用各种电器元件，是控制线路安全、可靠工作的保证，也是使电气控制设备具有一定的先进性和良好的经济性的重要环节。有关常用电气元件的选用原则在相关教材中已详细介绍，下面就设计、使用方面简要介绍一些常用控制电器的选用依据。 按钮、刀开关、组合开关及万能转换开关的选择（1） 按钮按钮通常是用来短时接通或断开小电流控制电路的一种主令电器。其选用依据主要是根据需要的触点对数、动作要求、是否需要带指示灯、使用场合以及颜色等要求。目前，按钮产品有多种结构型式、多种触头组合以及多种颜色，供不同使用条件选用。例如，紧急操作一般使用蘑菇形，停止按钮通常选用红色等。其额定电压有交流500v、直流440v，额定电流为5a。本次设计采用的按钮是施耐德公司的xb2ea131,该按钮是绿色，是启动自动控制的。自动控制的停止按钮用施耐德的xb2ea145,该按钮是红色的。旋钮用来控制自动操作的过程，选择xb2ed21c。（2） 刀开关刀开关又称为闸刀，主要用于接通和切断长期工作设备的电源及不经常启动及制动的容量小于7.5kw的异步电动机。刀开关选择时，主要是根据电源种类、电压等级、断流容量及需要的级数。当用刀开关来控制电动机时，其额定电流大于电动机额定电流的3倍。（3） 组合开关组合开关主要用于电源的引入，所以又叫电源隔离开关。选用依据是电源种类、电压等级、触头数量以及断流容量。当采用组合开关来控制5kw以下小容量异步电动机时，其额定电流一般为电动机额定1.5-2.5倍，接通次数小于（1520）次/h时，常用的组合开关为hz10系列。（4） 万能转换开关万能转换开关主要用于电气控制电路的转换、配电设备的远距离控制、电气测量仪表的转换和微型电动机的控制，也可用于小功率笼型异步电动机的起动、换向和变速。由于它能控制多个回路，适应复杂电路要求，故有“万能”转换开关之称。常用的万能转换开关有lw8、lw6、lw5、lw2等系列。 断路器又称空气开关、自动开关。由于断路器具有很好的保护作用，故在电气设计的应用中越来越多。断路器的类型较多、有框架式、塑料外壳式、限流式、手动操作式和电动操作式。在选用时，主要从保护特性要求（几段保护）、分断能力、电网电压类型、电压等级、长期工作负载的平均电流、操作频繁程度等方面去确定它的型号。在初步确定断路器的类型和等级后，各级保护动作值的整定还必须注意和上、下级开关保护特性的协调配合，从总体上满足系统对选择性保护的要求。本次设计选用施耐德的osmc32n2c10。 继电器的选择继电器的种类很多，有电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器、压力继电器、热与温度继电器等。本次设计主要是利用软件实现控制要求，故对继电器的种类要求不是很高，本次设计只用到了中间继电器。中间继电器实质是一种电压继电器。主要用来对外部开关量的接通能力和触电数量进行放大。本次设计选用的是3个rxm2ab1p7和9个rxm4ab1p7。其中rxm2ab1p7有2个触点，额定电流为12a,线圈电压为ac230v。其中rxm4ab1p7有4个触点，额定电流为6a,线圈电压为ac230v。 熔断器的选择选择熔断器的主要内容是类型、额定电压、熔断器额定电流等级与熔体额定电流。依据负载保护特性、短路电流大小、各类熔断器的适用范围来选择熔断器的类型。额定电流是熔断器选择的关键，它与负载大小负载性质密切相关。对于负载平稳、无冲击电流，如照明、信号、电热电路可直接按负载额定电流选取。而对于像电动机一类有冲击电流的负载，熔体额定电流可按下式计算值选取：单台电动机长期工作ir =(1.52.5) in多台电动机长期共用一个熔断器保护ir =(1.52.5) inmax + in式中，inmax 容量最大一台电动机的额定电流; in 除容量最大的电动机之外，其余电动机额定电流之和。轻载及启动时间短时，系数取1.5，启动负载较重及启动时间长，启动次数较多的情况，则取2.5 。熔体额定电流的选择还要照顾到上下级保护的配合，以满足选择性保护要求，使下一级熔断器的分断时间较上一级熔断器熔体的分断时间要小，否则将会发生越级动作，扩大停电范围。本次设计选用熔体额定电流为6a的熔断器。2.1.3 控制方式的选择继电接触控制或plc控制方式均可满足本系统的控制要求 。前者成本低，但硬件线路较复杂、控制箱体积大、方式选择不灵活；后者线路简单、程序预选 综上所述，本次设计采用plc控制方式。2.2 基于s7-200的石灰窑工艺参数的测控系统硬件设计下图为两台风机中的某台风机的主电路以及控制电路图，由于风机电机的功率较大不能进行直接起动。直接起动时，起动电流为额定值的48倍，起动矩为额定值的0.51.5倍；在定子降压起动方式下，起动电流为额定值的0.50.75倍，而采用-起动也同样会产生较大的冲击电流。采用自偶变压器降压起动同样存在着上述的缺点。为此，我们采用软启动器来进行起动。 图21 风机控制电路2.2.1侧风风机的硬件设计抽风机，是对作业环境通风的设备。抽风机正常工作时,利用机械动能使风机运转,将厂房停滞不动的热气、异味、乌烟，在最短的时间内迅速排出室外，同时把室外新鲜的空气和室内进行循环交换,从而达到通风降温改善车间环境的目的。以下是烟气抽风机的电控回路的硬件设计，烟气抽风机是用来抽取由石灰竖窑所排放的烟气，使其依次通过旋风除尘器，热交换器和布袋除尘器，从而达到除尘净化的目的，最后再把过滤的烟气排放到大气中。给定的烟气抽风机的参数是132kw，242a，由于它的功率较大，不能直接起动，于是需要选用软起动器对其实行起动。如图2-5所示。这里选用的是长沙奥托自动化技术有限公司的软起动器qb42-132型号。qb系列软起动器是一种以数字电路为控制核心，以可控硅为交流调压元件，用于三相异步电动机的起动装置。用于电力、冶金、水泥及各工矿企业中的水泵、风机等设备。图2-2 侧风风机硬件电路图该起动装置从技术特性、可靠性及操作使用方面均优越于常规的自耦变压器降压起动和（星/三角）转换起动装置。它克服了自耦降压起动设备接触器易烧坏，体积庞大，与负载相匹配及电动机转矩很难控制等缺点；消除了因（星/三角）切换瞬间出现的高电流尖峰，避免了电动机在起动时的冲击电流对电网电压波动的影响。是常规的自耦变压器降压起动和（星/三角）转换起动装置的理想替代产品。是具有软起动和保护为一体的高科技产品。它具有以下几个特点:（1）软起动过程中恒电流平滑加速，避免冲击电网。（2）起动电流可根据负载情况调整，以最小电流产生最佳转矩。（3）减少机械应力，延长电动机及附属机械使用寿命。（4）降低供电系统的设计容量。（5）起动时间可调，在该时间范围内，电动机转速缓慢上升。（6）具有缺相，三相不平衡，过载，过流等电机的全方位保护。（7）性能/价格比高，使用操作简单。（8）体积小，重量轻，安装调试方便。（9）具有可控硅过热和过电压保护。主回路中，1/l1，3/l2，5/l3是输入端子，连接三相电源；2/t1，4/t2，6/t3是输出端子，连接三相电机；pe是保护接地端子；qb42-132软起动器对电源和电机的相序不作要求，可任意连接，仅与电机的转向有关。在控制回路中，11（n/零线），12（l/相线）外接控制电源（ac220伏）；13，14控制软起动器工作，接通时起动，断开时停止；15，16，17为运行辅助触点，在起动结束后动作，用于控制旁路接触器，15，16为常闭，15，17为常开，触点容量为250v/2a；18，19，20为故障辅助触点，在故障保护时动作。18，19为常闭，18，20为常开，触点容量为250v/2a。在起动时，闭合空气开关qf1，h11为电源指示灯灯亮，按下起动按钮sb12继电器k11得电，k11常开触点闭合，并自锁，13，14接通，控制软起动器开始工作，起动电机，h12起动运行的指示灯灯亮。当烟气抽风机的电压上升到380v，15，17闭合，起动旁路，继电器k21得电，k21常开触点闭合，继电器km1得电，km1常闭触点断开，k11失电，km1常开触点闭合， 13，14断开，软起动器起动结束，电机开始正常运行，h13运行指示灯亮。h14为故障指示灯，当18，20常开触点闭合，即出现起动故障时，h14灯亮。2.2.2软启动器的原理下图便为软启动器的原理示意图。它主要由三相交流调压电路和控制电路构成。基本原理是利用晶闸管的导通角改变输出电压，达到通过调压方式来控制起动电流和起动转矩的目的的。控制电路按预定的不同的启动方式，通过控制主电路的反馈电流，控制其输出电压，可以实现不同的启动特性。最终软启动器输出全压，电机进行全压运行。由于软启动器为电子调压并对电流实时检测，因此还具有对电动机和软启动器本身的热保护，限制转矩和电流冲击，三相不平衡，缺相、断相等保护功能，并能实时的检测并显示电流、电压、功率因数等参数。软启动器的控制功能又是如何实现的呢？异步电动机在软启动的过程中，软启动器通过控制加到电动机上的电压来控制电动机的起动电流和转矩，起动转矩逐渐增加，转速也不断增加。一般软启动器可以通过改变参数设定得到不同的启动特性，以满足不同负载特性要求。图23 软启动器原理示意图（1）斜坡升压启动方式斜坡升压启动特性如图所示。此种启动方式一般可以设定初始电压uq0和启动时间。这种启动方式断开电流反馈，属于开环控制。在电动机启动过程中，电压线性逐渐增加，在设定的时间内达到额定电压。这种启动方式主要用于一台软起动器并接多台电动机或电动机功率远低于软起动器额定值的场合。 图24a 斜坡升压启动方式 图24b转矩控制及启动电流限制启动（2）转矩控制及启动电流限制启动方式转矩控制及启动电流限制曲线如图所示。此种启动方式一般可以设定启动初始力矩，启动阶段力矩限幅、力矩斜坡上升时间和启动电流限幅。这种启动方式引入电流反馈，通过计算间接得到负载转矩，属于闭环控制方式。由于控制目标为转矩，故软启动器输出电压为非线性上升。图中同时给出了启动过程中转矩t，电压u和电流i和电机转速n的曲线，其中转速曲线为恒加速度上升。在电机启动阶段中，保持恒定的转矩使电动机转速以恒加速度上升，实现平稳启动。在电机启动的初始阶段，启动转矩逐渐增加，当转矩达到预先所设定的限幅值后保持恒定，直到启动完毕。在启动的过程中，转矩上升的速度可以根据电动机负载情况调整设定。斜坡陡，转矩上升速率大，即加速度上升速率大，启动时间短。当负载较轻或者是空载启动时，所需启动转矩较低，可使斜坡缓和一点。由于在启动过程中，控制目标为电动机转矩，即电动机的加速度，即使电网电压发生波动或负载发生波动，通过控制电路自动增大或减小软启动器的输出电压，也可以维持转矩设定值不变，保持启动的恒加速度。此种控制方式可以使电动机以最佳的启动加速度、以最快的时间完成平稳的启动，使应用最多的启动方式。随着软启动控制方式的发展，目前它大多采用转矩控制方式，也有采用电流控制方式，即电流斜坡控制及恒流升压启动方式。此种控制方式间接控制电动机电流来达到控制转矩的目的，与转矩控制方式相比启动效果略差，但控制相对简单。(3)电压提升脉冲方式电压提升脉冲启动特性曲线如图2-5所示。此种启动特性方式一般可设定电压提升脉冲限幅。升压脉冲宽度一般为5个电源周波，即100ms。在启动的开始阶段，晶闸管在极短时间内按设定的升压幅值启动，可得到较大的启动转矩，此阶段结束后，转入转矩控制及启动电流限流启动，该启动方法适用于重载需克服较大的静摩擦的场合。 图25 电压提升脉冲启动方式接下来我们来介绍一下风机电机的启动过程：在整个软启动器得电以后，按下启动开关sb2，辅助继电器k1得电以及启动指示灯h2亮。k1得电后并且自保，启动时15，16两点刚开始是闭合的，在启动过程结束以后，15，16两点断开，15，17两点闭合，旁路的辅助继电器k2得电并自保，k2得电以后，主电路的km得电，电动机全压投入运行，且km的触点全部闭合，plc检测到电机正常运行的信号。如果是电机在启动的过程中发生故障，则触点18，19断开，18与20闭合，软启动器停止工作，并通知用户，还能将故障信号送给plc。在电动机运行过程中一旦发生过热故障，热继电器fr动作，fr位于控制电路中的常闭触点断开，电动机停止工作。如果需要手动停止正在工作或启动状态下的软启动器及电路，则只需按下sb1按钮，整个控制电路全部失电，系统停止。通过软启动器的启动，我们得到一个平稳的启动过程，而且能在启动时以及在运行时对各个参数进行实时的监测，保证了整个系统的正常运行。我们将通过其它手段对其它的参数进行控制。2.2.3温度的测量对于我们这个系统而言，温度这个参数是无处不在的，而且整个温度测量变送系统是十分重要的，它有能直接反应我们系统是否处于最佳状态的窑体各部位的温度，也有反应煤气是否安全的温度等。下面我们便来分别介绍各部分温度的测量变送系统。本系统的温度测送包括有窑体部分的温度采集，煤气传送管道的温度采集，空气传送管道的温度采集。其中窑体部分包括有预热带2点，煅烧带6点，冷却带2点，煤气传送管道的温度包括：煤气与烟气经热交换前的和经热交换后，以及侧风的出口温度。由于窑体部分温度过高以及需要测量窑体内部的温度，这几个点选择用热电偶，其中煅烧带选择用铂10-铂 0-1600c，s分度级，分辨率为1c的热电偶，对于预热带以及冷却带我们选择镍铬-镍铬，01300c，k分度级，1c分辨率的热电偶。而其余部分的温度，我们选取pt100,r0=100欧温度测量范围的热电偶。我们分两部分来介绍。首先我们来看看我们选择的温度变送器：我们选用的是由香港虹润精密仪器有限公司生产的201热电偶/热电阻温度变送模块。（1）温度变送模块主要特点小型化插装式结构，它将来自热电偶的热电动势或热电偶的阻值变换成为与温度成比例的隔离15v dc或420ma dc输出信号；变送输出与温度对应的量程可以通过修改变送器内部参数更改；采用智能化设计思路，内部采用微处理器进行数学计算，可对各种非线性信号进行处理。配用hrwp20sha显示模块，可将温度值以数字方式直接显示出来。可选用交、直流两种电源，变送输出与主机隔离，具有15v dc或420ma dc输出信号的选择功能和断偶保护功能。等多项独特的功能，并能实现断电后永久保存。(2)主要技术参数如下输入范围：热电偶：b、s、k、e、t、j、wre等 热电阻：标准铂热电阻：pt100，3线连接 标准铜热电阻：cu50，cu100，3线连接输入范围：标准热电偶：5mv dc 标准热电阻：20零点迁移：输入量程的-100-100源电阻：500欧以下（影响值 小于0.1/150欧） 输出： 与输出隔离的两路输出第一路：15v dc或420ma dc第二路：15v dc或420ma dc精度：0.5fs1字或0.2fs1字参数设定:由hrwp20sha显示块进行设定.断偶保护: 时间2s/fs响应时间: 约500ms(时间常数)约0.5hz/-3db电源:交流或直流供电 ac:90265v dc:2410湿度:5-99rh(不结露)环境温度: 0-55(3) 外部连接 图26 变送器原理图以上a，b两图均为未与plc和数显模块连接的示意图，下边我们给出了连接了以上两种元件的整个的示意图。（1）plc显示模块变送器热电偶 图27 热点偶变送模块热电偶测得的温度经温度变送器变送成为标准电信号:420ma，经过数显仪表在现场进行显示，然后由plc的模拟量采集通道送给上位机。(2)plc数显模块变送器热电阻 图28热电阻变送模块同热电偶一样，热电阻的温度同样是由变送器，数显，plc读入后送ipc中，以上的图只是部分的温度检测与变送模块，全部的测送请见附录。2.2.4压力及流量的测量与控制在整个石灰窑工艺参数测控系统中，压力及流量是相当重要的，只有在压力比较恒定的情况下才能对流量进行有效的控制，而且对于煤气压力而言，更是一个必须加以严格控制的量。 *注：煤气加压站的测控系统不在本次设计的范围当中，由其他的同学来完成，所以我们假定由煤气加压站送来的煤气压力是恒定的。（1）压力的变送：整个系统压力变送包括以下四个，分别是：煤气未经热交换前的压力，煤气经热交换后的压力，侧风空气压力以及底风压力。各点压力经压力变送器变成标准电流信号（420ma）送入plc，压力的现场显示则由直插式压力表来完成。以下便是其中一个压力变送单元的示意图，全部的压力变送单元请见附录。图29 压力变送模块（2）流量变送：由于对窑体温度进行直接的控制是比较困难的事情，温度是一个迟滞量较大的参数，进行流量的控制不仅可以直接影响到温度的变化，而且相对而言也是一个比较容易，快速的控制量。流量的变送采用由节流元件所构成的差压流量计进行测量，气体经过流量计孔板两侧，在孔板的两端产生差压，由流量计采集压差进行一定的计算，便能够测出实际的流量的大小。下图便是流量测量变送的示意图。 图210 流量变送模块对阀门的控制需要用到的主要的器件有手自操器，伺服放大机构等。我们先来看看手操器，手操器主要有以下几个特点： 可直接接在各种调节器之后作为备用的仪表，一旦调节失败，可由其本身的控制器进行手动的操作； 手操器可作为控制器自动跟随输入值进行输出控制（模拟量控制输出或者开关量控制输出），可实现自动/手动的平稳切换； 作为控制器可随意改变仪表的输入信号类型，通过设定仪表的内部参数，可以将仪表从一种输入信号改成另外一种输入信号，进一步提高了仪表的多用性和可靠性； 可有两路模拟量输入（可任意设定），四路开关量输入（上、下限报警，继电器正反转），可适用于任何的测量控制场合； 可以显示外部给定信号及阀门反馈信号的测量值； 带串行通讯口的手操器可以于各种的串行i/o设备之间进行通讯，方便直接进行与上位机的联系，便于管理；我们所选定的手操器是由香港华润精密仪器有限公司生产的hr-wp-d835型号的手操器，以下是部分的技术参数：输入：电偶 b,s,k,e,t,j,l信号：电阻 cu50,pt100,pt100.1 电流 010ma,420ma,020ma等输入电阻250 电压 05v,15v,mv等输入阻抗250k输出：模拟量输出 dc 010ma(负载阻抗750)，dc 420ma（负载阻抗500）信号：dc 05v（输入阻抗250），dc15v（输入阻抗250）开关量输出 : 继电器on/off带回差 触点容量ac220v/3a,dc24v/6a（阻性负载）通讯输出接口方式标准串行双向通讯口：rs232,rs-485,rs-232c等。测量精度 :0.2fs或0.5fs；分辨率:1字；控制精度：1； 以下便是hr-wp-d835led的显示面板 图211 hr-wp-d835 显示面板以下是手操器的工作原理：仪表可接受双路的模拟输入信号，送往仪表的pv和sv接线端，信号为阀位的反馈值，sv信号为外部的给定值，仪表可输入两路模拟量以及四路开关量（见前）自动控制状态仪表控制输出量跟随sv输出信号在模拟输出时，直接将sv输出在阀位控制输出时，比较pv与sv当pvsv+oh时，输出反转直到pvsv；当pvsv-oh时，输出正转直到pvsv；当pvsv时，保持原状态手动操作状态仪表控制输出量跟随手动设定值输出在阀位控制输出时，比较手动设定值与pv当手动给定值vsv+oh时，输出反转直到手动设定值sv；当手动给定值sv-oh时，输出正转直到手动设定值sv；当手动给定值sv时，保持原状态。阀门控制的另一个重要的机构便是伺服放大机构了。下图便是伺服放大机构的简单的原理图：图212伺服放大机构示意图输入端没有信号输入时，伺服放大器没有信号输入，伺服电机不转动，输出轴稳定在预先设定好的位置。位置发送器的输出电流为零。当输入端有输出信号时，此时输入信号与位置发送器发送来的信号进行比较，若不相等，就有误差磁势出现，经伺服放大器放大，使之有足够的输出功率驱动伺服电机，执行器就朝着减少这个误差磁势的方向运转，直到位置反馈与输入信号相等为止，此时，输出轴就稳定在与输入信号相应的转角位置上。通过伺服放大机构与手操器的配合，在加上plc，我们便能同过许多手段来对阀门开度大小进行控制了。下面我们来介绍以下整个测控机构的原理图：图213 流量压力阀门控制图plc给出位置信号，信号经由手操器，进入伺服放大机构，由伺服电机拖动电磁阀工作，并由电磁阀本身的反馈信号送回手操器进行比较控制。手动时，手操器隔离plc信号，直接由用户从手操器给出信号对阀门进行控制。3软件部分3.1 s7200 plc的概述s7200 plc是德国西门子（siemens）公司生产的一种小型的plc，其许多功能能达到大，中型plc的水平，而价格却和小型plc的一样。因此，它一经推出即受到了广泛的关注。特别是s7200 cpu 22*系列（它是cpu221*的替代产品），由于它具有多种功能模块和人机界面（hmi）可以选择，所以系统的集成相当方便，并且很容易地组成plc网络。同时它还具有功能齐全的编程和工业控制组态软件。使得在完成控制系统设计时更加简单，几乎可以完成任何功能控制任务。s7系列plc还有s7300和s7400系列，他们分别为中大型的plc，完全可以替代西门子早期的s 5系列plc。s7系列plc的编