基于S7-200PLC纸浆浓度控制系统设计.doc

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1、 毕业设计 基于S7-200PLC纸浆浓度控制系统设计摘 要 在造纸生产过程中，纸浆浓度是最重要的物理量之一，稳定地调节纸浆浓度是实现工艺目标，达到质量标准的重要环节，更有利于企业在节省生产成本的基础上提高经济效益。为此本人设计了一基于S7-200PLC的纸浆浓度控制系统，该系统自动检测纸浆浓度，并与设定值进行比较产生偏差，经过一定的控制算法输出控制进水电动阀门开度，从而调节进入浆泵的稀释水量，使输浆管内的浆料浓度发生变化，最终得到浓度稳定的浆料。 本设计方案是使用内旋式纸浆浓度变送器测量实际纸浆浓度，将浓度信号转换成4-20mA标准信号，然后通过A/D转换后反馈到控制器，与给定值进行比较，得

2、到偏差。对得到的偏差按PID算法进行计算，以此调节白水入口电动阀的开度，从而实现对纸浆浓度的调节。并利用组态软件MCGS设计人机界面，实现控制系统的实时监控。在本设计中使用的是Simens S7-200 CN，CPU型号为224XP CN，由于224XP CN自带两个模拟量输入和一个模拟量输出接口，故无需额外使用模拟量扩展模块。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环保及文化娱乐等各个行业。使用情况大致可归纳为如下几类：1、开关量的逻辑控制 2、模拟量控制 3、运动控制 4、过程控制 5、数据处理 6、通信及联网。其主要优点有：1.可靠性

3、高，抗干扰能力强 2.配套齐全，功能完善，适用性强 3.易学易用，深受工程技术人员欢迎4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 5.体积小，重量轻，能耗低。关键词：PLC 纸浆浓度 PID算法IThe Design of Pulp Consistency Control System Based On The S7-200 PLC AbstractIn the process of paper production,the pulp consistency is one of the most important physical qualities, To ajust the pul

4、p consistency stably plays an important role in achieving the process goals and meeting the quality standard.And it can help the Enterprise to improve the economy efficiency by saving production cost.Therefore I designed a pulp consistency control system based on S7-200 PLC，the system automatically

5、detects the pulp consistency，biase and compare with set point, and after a certain control algorithm，the output signal can control the opening of the electric valve over the water inlet,which regulates water diluted into slurry pump, and the pulp consistency in the slurry pipe changes, finally we ge

6、t a stable pulp consistency.This design uses the screw type pulp consistency transducer to measure actual pulpconsistency,the consistency signal is converted into standard 4-20 ma signal,and then AD conversion convert the analog signal into digital signal and feedback to the controller，and after com

7、paring with the giver value,we get the deviation.Calculate the deviation by PID algorithm，then use the result to adjust the opening of the electric valve of the water inlet,so as to realize the adjustment of the pulp consistency. Also.we use the configuration software MCGS to design man-machine inte

8、rface ,so as to realize the real-time monitoring of the control system.In this design we chose the Simens S7-200,224 XP CN as the controller,and because the 224 XP CN has two analog input and one analog output interface,it can meet the requiment,so we dont have to use analog extended module. At pres

9、ent,at home and abroad the PLC has been widely used in steel,petroleum,chemical industry,electric power,building materials,machinery manufacturing,automobile,light textile,transportation,environment protection and cultural entertainment,and other industries.The usege can be roughly summarized as the

10、 following categories:1,the switch quantity logic control 2,analog control 3,motion control 4,process control 5.data processing 6,networking.Its main advantages are :1.the high reliability,strong anti-jamming capability.2,comlete,fully functional,high applicability,easy to learn and easy to use,welc

11、omed by engineering and technical personner.4,small amount of work of system design and construction,maintenance is convenient,easy to transform. 5,small size,light weight,low energy consuption.KEYWORDS: PLC PULP CONSISTENCY PID ALGORITHMIII目 录引 言.1第1章 绪论.21.1论文研究背景.2 1.1.1 研究背景.2 1.1.2 纸浆浓度变送器的发展趋势

12、.2 1.1.3 PLC的发展趋势.2 1.1.4 控制算法的发展趋势.21.2 本文研究主要内容.31.3 研究意义.31.4 设计思路.31.5 研究工作与成果.3第2章 总体技术方案.42.1 纸浆浓度工艺描述及系统结构图.42.2 系统各组成模块及控制方框图.42.3 方案的确定.5第3章 系统硬件设计.63.1 浓度变送器的原理.6 3.1.1 力学法浓度测量原理.6 3.1.2 内旋式浓度变送器的原理.6 3.1.3 内旋式变送器的数学模型.7 3.2 执行器的原理.8 3.2.1 电动执行器的基本原理.8 3.2.2 调节阀门的选择及阀门流量特性.103.3 PLC及Simens

13、公司的S7-200简介.12 3.3.1 PLC的产生及定义.12 3.3.2 PLC系统组成.13 3.3.3 S7-200系列PLC的硬件系统及内部资源.133.4 S7-200 CPU 224XP CN的I/O口分配.14第 4 章 系统软件设计.15 4.1 控制算法描述.15 4.2 程序设计.17 4.2.1 程序流程图.17 4.2.2程序地址分配 .18 4.2.3 PID指令回路表.19 4.2.4程序梯形图 .19第 5 章 系统建模及仿真.205.1 系统建模的方法.20 5.2 对象特性的实验测定.20 5.2.1 时域响应的测定.20 5.2.2 时域数据处理方法.2

14、25.3 纸浆浓度控制系统的数学模型.225.4 PID参数的整定.23 第 6 章 MCGS组态软件模拟.256.1 MCGS组态软件简介.256.2 MCGS软件组成部分.256.3 组态软件的设计要求.25 6.4 MCGS组态界面设计.25第7章 总结.297.1 技术原理、方案先进性评价.297.2 研究工作进展评价.297.3 需要解决的遗留问题.297.4 研究存在的不足.29结论与展望.30致谢.31参考文献.32附录A硬件电路图.33附录B外文文献原文及翻译.33附录C主要参考文献及其摘录.48附录D程序梯形图.50插图清单 图2-1 纸浆浓度控制工艺流程图.4图2-2 系统

15、控制方框图.4图3-1 纸浆粘度与浓度的关系.6图3-2 内旋式变送器的结构.7图3-3 内旋式变送器的转轴机构.7图3-4 等效惯量，阻尼系统和弹簧系统.8图3-5 内旋式变送器的结构图.8图3-6 电动执行器的原理图.9图3-7 伺服放大器的原理图.9图3-8 变送器原理图.10图3-9 PLC的系统组成.13图3-10 PLC的配置.14 图4-1 程序流程图.18图5-1 由矩形脉冲响应确定的阶跃响应.21图5-2 切线法.22图5-3 SIMULINK中纸浆浓度控制系统的系统模型.23图5-4 阶跃响应曲线.24图6-1 系统人机界面.26 图6-2 定义数据变量.26 图6-3 动

16、画组态属性设置.27图6-4 定义通道的类型与地址.28图6-5 通道连接.28表格清单表3-1 PLC的I/O分配.14表4-1 PID调节规律的模拟与离散形式.16表4-2 内存地址分配.18表4-3 PID指令回路表.19VII 引 言 现今，中国已成为世界造纸产品的主要生产国和主要消费国，同时也是世界造纸产品的主要进口国。在造纸行业中，纸浆浓度是一项重要的参数，对纸张的质量有着很大的影响。因此，让纸浆浓度稳定的保持在一定数值上成为一项重要的工作。传统的纸浆浓度控制是采用人工控制，但是采用人工测控的合格率只在60%左右：采用仪表检测同时配合人工测控的合格率也只在80%左右，因定量问题引起

17、的产品质量下降和消耗增高所造成的损失是巨大的，因此需要一种能自动稳定浆料浓度的可靠装置来控制生产。本文正是基于以上问题，设计了一种基于西门子PLC S7-200的自动控制系统用来控制和稳定纸浆的浓度。 在本设计中控制器采用的是西门子公司的S7-200系列产品。其具有可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，使用、维修方便等众多优点。变送器采用的是内旋式纸浆浓度变送器，内旋式纸浆浓度变送器是一种闭环仪表，虽然结构较为复杂造价成本高，但其测量精度、灵敏度、稳定性都很高，适合用于计量等需要高精度的场合。执行器采用的是电动执行器来控制阀门的开度，以调节稀释白水的进水量，进而用以控制纸浆浓度。此外，本设计中还采

18、用了工控组态软件MCGS建立了人机界面用来对纸浆浓度进行实时监控。 第1章 绪论1.1 论文研究背景1.1.1 研究背景 在造纸行业中,由于木材资源短缺，环境保护的压力和能源消耗等因素，生产效率高，污染少，能源消耗低的制浆方法已经成为制浆造纸工业迫切需要解决的问题。而在制浆造纸生产过程中，稳定地调节纸浆浓度是实现工艺目标，达到质量标准，减少污染和能耗的一个重要因素。纸浆浓度是指在一定重量(或体积)纤维的悬浮液中，绝干纤维的百分比含量。造纸生产工艺一般包括三个工序：备料、制浆和抄纸，其中在制浆和抄纸过程中都需要用水稀释原浆。而在稀释原浆的过程中，纸浆浓度总是不断变化的。要使其稳定在一个定值上是很

19、困难的一件事。例如：在造纸机抄前成浆池内，纸浆浓度总是在不断变化。因此，无论纸机车速、干燥等其余指标控制的再好，也会造成纸定量不断波动，质量大幅度下降。传统的控制制浆浓度的方法是采用人工测控的方法，这种方法不仅耗费人力，而且调节效果也不好，浓度变化幅度也比较大。为此，本文设计了一种基于PLC S7-200的纸浆浓度自动控制系统来稳定上浆的浓度。1.1.2纸浆浓度变送器的发展趋势 目前，国内外有些厂家和院校针对不同两相流的在线浓度测量对象研究出了多种不同的测量方法，主要有：用射线法、用阻抗法、密度法、电容法、流动成像法、超声波法、光学法和力学法。这其中力学法（也叫机械法）是目前能很好的应用在工程中的在线测量两相流浓度的方法。它是一种利用流体粘度的性质的测量纸浆浓度行之有效