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1、铜陵学院本科毕业设计（论文）专用纸学 号学 号_1009211029 _ 毕 业 设 计 课 题 PLC控制梭式窑燃烧系统设计姓 名 院 别 电气工程学院 专业班级 17自动化专升本 指导教师 倪 琳 二一 年 六 月摘 要近年来来随着电力电子技术的发展，梭式窑的控制上也越来越多的应用自动化的控制技术。梭式窑燃烧系统是由燃气燃烧器（烧嘴）、燃气阀组、助燃风机、流量计、压力变送器、点火装置、燃气/空气压力检测装置、火焰监控装置等组成，确保系统在安全、合理的情况下稳定运行。由温度控制系统、燃烧控制系统、压力控制系统、故障报警系统等组成。本文以梭式窑燃烧控制系统为主要研究目标，在深入研究了梭式窑燃烧
2、的工作过程，详细分析了控制系统的需求后，结合PLC的应用对梭式窑燃烧的控制系统进行了设计研究，针对梭式窑炉运行过程中温度分布不均匀、压力调节繁琐、气氛不可控及抗扰能力差等问题，通过对炉内燃气热值数据分析得出数值模型，结合专家系统在各类温度控制系统中的优点，提出了模糊PID控制算法控制相结合的控制方法。对窑内温度的控制利用了PID的控制方式，引入了先进的控制算法，利用模糊控制算法对控制系统做了优化设计，系统的动态响应快对系统的控制效果好。系统能够根据各个传感器检测到的信息数据传送到控制中心进行决策，PLC根据这些变化的电信号，输出变频器控制信号控制相关的电机的工作状态，完成系统的自动化工作，设计
3、的控制系统自动化水平高，应用前景较大，具有很高的现实意义。关键词：梭式窑， PLC，模糊PID，温度控制，AbstractIn recent years, with the development of power electronics technology, more and more automated control technologies have been applied to the control of shuttle kiln. The shuttle kiln combustion system is composed of a gas burner (burner),
4、a gas valve group, a combustion air blower, a flow meter, a pressure transmitter, an ignition device, a gas/air pressure detecting device, a flame monitoring device, etc., to ensure that the system is safe. Stable operation under reasonable conditions. It consists of a temperature control system, a
5、combustion control system, a pressure control system, and a fault alarm system.In this paper, the shuttle kiln combustion control system is the main research goal. After studying the working process of shuttle kiln combustion in detail, after analyzing the requirements of the control system in detai
6、l, combined with the application of PLC, the control system of the shuttle kiln combustion control system is designed. For the problem of uneven temperature distribution, cumbersome pressure regulation, uncontrollable atmosphere and poor anti-interference ability during the operation of the shuttle
7、kiln, the numerical model is obtained by analyzing the calorific value data of the furnace gas, combined with the expert system at various temperatures. The advantages of the control system are proposed, and the control method combined with fuzzy PID control algorithm control is proposed. The contro
8、l of the temperature in the kiln utilizes the PID control method, introduces an advanced control algorithm, and uses the fuzzy control algorithm to optimize the control system. The dynamic response of the system is fast and the control effect of the system is good. The system can transmit the inform
9、ation data detected by each sensor to the control center for decision. According to these changed electrical signals, the PLC outputs the inverter control signal to control the working state of the relevant motor, completes the automation of the system, and designs the automation level of the contro
10、l system. High, the application prospect is large, and has a high practical significance.Key Words: Shuttle kiln, PLC, Fuzzy PID, Temperature control,目 录1 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 梭式窑基本结构31.4 本章小结42 设计控制系统理论基础62.1 PID控制系统概述62.1.1 PID控制基本原理62.1.2 串级PID控制算法72.1.3 PID控制算法编制82.2 模糊控制82.2.1 模糊控制概述8
11、2.2.2 模糊控制器结构组成92.3 模糊串级PID控制92.3.1 模糊串级PID控制概述92.3.2 模糊串级PID控制系统原理102.4 本章小结113 PLC控制梭式窑燃烧系统方案分析123.1 主控模块的选择123.2变频调速器133.3控制系统整体方案143.4本章小结154 基于PLC的梭式窑控制系统设计174.1 控制系统硬件设计174.2 控制系统PLC模块分析194.3 控制系统软件设计204.4 PLC程序流程图设计214.4.1 温度控制系统PLC程序224.4.2燃烧控制系统264.4.3压力控制系统274.4.4 故障控制系统284.5 本章小结295 PLC梭式
12、窑燃烧控制算法仿真及分析305.1 控制对象和仿真平台分析305.2 模糊PID控制仿真315.3 仿真模型326 总结与展望34致 谢35参考文献36第V 页1 绪论1.1 研究背景及意义梭式窑的应用正日益广泛, 它给卫生瓷生产带来的好处是明显的。首先是生产安排非常灵活, 每一窑都可以采用不同的烧成制度, 烧制不同的产品, 很适合现在市场多变的要求; 可以随时根据销售情况决定生产, 可以生产连续窑不易生产的大件、超大件产品, 这些都是连续窑无法比拟的。但它也有许多缺点, 能耗高就是其中关键一项。随着技术水平的提高, 梭式窑的优点正得到充分的发挥, 而过去的缺点更日益成为历史。现在国外引进的梭
13、式窑, 其能耗指标比隧道窑高不出多少, 因此应用也日益广泛, 甚至成为有些厂在小规模生产时的主要设备。但相比较而言, 国产梭式窑的性能还有点差距, 能耗当然也是其中之一。 九十年代初, 我国引进了一条瑞士尼诺的梭式窑, 该窑一定程度上代表了早期梭式窑设计上的思路。窑底两边侧墙上共布置了5 支烧嘴, 功率较大。五个排烟口也分布在侧墙底部, 风机排烟。烟气排出后经过热交换器加热助燃风, 烟气自身被冷却,再由风机排出。从实际应用效果来看, 效果并不理想, 除了温度均匀性较差外, 能耗也较高。同时由于换热效果不理想, 烟气得不到充分冷却, 不得不用冷却水冷却后再经风机排空。 1996 年, 天津美标公
14、司从英国Bricesco 公司购买两座60m3梭式窑, 应该讲, 该窑代表了当今梭式窑设计上的最新思路。在窑体的两侧墙分散布置了24 支烧嘴, 采用了脉冲两侧燃烧系统, 分散式顶部自然排烟。从应用来看, 温度均匀性非常好, 烧成周期可以缩短到14 小时以下, 能耗约在1600 1800kcarlkg瓷。1997 年上半年, 该公司的所有产品都是用这两条梭式窑烧成, 质量非常稳定。该窑并没有采用任何余热利用措施, 烟气烟囟直接排入大气, 能耗却已达到相当先进的水平。 我国的厂家自行设计制造的梭式窑大多倾向于采用余热回收利用设备, 一般用烟气通过热交换器加热助燃空气, 但总体效果并不理想。相比较而
15、言, 从近两年引进的卫生瓷生产用梭式窑来看, 几乎都不采用余热利用设备, 而是烟气直接自然排出, 但能耗却已大大降低。由此可见, 余热利用设备的采用对卫生瓷用 梭式窑性能的影响值得我们作一个综合性评价。PID控制是常用的工控方法，但是其存在一定的局限性，比如控制器自身无法随着环境变化而优化自身参数。为了提高控制器的适应能力，实现自我优化参数，本文在PID的基础上增加了模糊控制理论的方法。模糊控制是目前智能控制中的重要领域，模糊控制与PID控制相结合的方法也成为目前研究的热点，未来，模糊PID控制将进一步扩大其应用领域。本文将模糊控制与PID控制联合起来，应用模糊控制的方法对PID控制参数进行在
16、线调整，实现实时最佳控制，通过matlab仿真实验，对比本控制器与传统PID控制器，证明本控制器的鲁棒性和动、静态性及自适应性优势。1.2 国内外研究现状作为行业内的关键设备，梭式窑己历经数年的发展完善。特别是近几十年，我们国家通过引进国外先进的控制技术及经验，结合我们自己的实际情况，不仅在窑炉的工艺机构方面有所改善，在自动控制水平上更是有了相当大的提升。但这没有完全改变我国梭式窑整体自控水平落后的现状。绝大多数窑炉控制系统仍采用的是单一变量、常规仪表的控制方式，这还是无法完全实现自动控制。而要解决现在这种状况，我们目前面临的主要问题有三个:首先，窑炉的运行状态不稳，极易造成产品质量的一致性较
17、差;其次，人工依赖性强，生产过程需要耗费大量人力;最后，也是最为重要的一点，能源消耗大，污染、浪费严重。为了改善现状，提高我国工业窑炉的自动控制水平，赶超发达国家。研究开发先进的梭式窑自动控制系统己经是迫在眉睫了。现代科技的不断发展，计算机技术飞速革新，窑炉的控制方式也随之从最开始的普通仪表、人工发展到现如今的DCS , PLC以及现场总线控制方式。控制系统架构也由最初单一的分散、集中控制一点一点的向效率更高的计算机集散控制过渡。近些年来，我国的窑炉控制技术突飞猛进，与发达国家间的差距正在逐渐缩小。增加效益的同时也抬高了企业的行业地位。这与我们国家各窑炉生产企业及各有关研究单位的不懈努力密不可
18、分。当下，无论国内还是国外，窑炉控制的自动化程度越来越高。各窑炉生产企业也己提高窑炉自动控制水准作为提升自身在行业内竞争力的重要手段，特别是针对窑炉烧成工艺控制的自动化，己经成为各窑炉生产企业急待追寻的目标。自动控制技术在燃气梭式窑中的应用己经蓬勃发展，并且智能控制理论在实际中的应用也日趋成熟，这必将促进燃气梭式窑也朝着现代化智能控制的方向进发。将脉冲燃烧技术应用到燃气梭式窑炉中，并结合智能控制算法，将这样的控制算法应用于燃气梭式窑的优化控制中将会产生前瞻性的意义。1.3 梭式窑基本结构梭式窑最大的特点是可烧成制品种类多、操作简单、便于维修等优点，广泛应用在陶瓷、化工、无机材料加工等行业，集中
19、体现在窑底采用台车式结构取代传统窑炉的固定式，脉冲控制式烧嘴的应用很大程度上解决了能源浪费、炉内局部温差大等问题，燃气梭式窑的具体结构。梭式窑炉一般由窑体部分、烧嘴燃烧子系统、鼓风排烟机构和测量控制系统等构成其中对于窑内衬的耐火材料要求高，主要采用轻质莫来石、氧化铝空心球等材料，外部用硅酸铝纤维、硅酸钙板等覆盖隔热保温，如图1.1,所示。主要有窑体及机械装置、烧嘴及测温装置的布置、窑炉的其他部分。图1.1梭式窑炉结构图由温度控制系统、燃烧控制系统、压力控制系统、故障报警系统等组成。控制系统包括开关电源、报警装置、 PLC、继电器等。按照预先设定的升温曲线，经PLC运算，输入信号送给电磁阀，电磁
20、阀接受PLC的信号，实现电磁阀的开关，控制燃烧器的大小火以及开关时间。当检测温度与设定温度偏离时，PLC系统控制燃烧器的燃烧功率调节炉内温度。控制曲线如图1.2所示。图1.2 梭式窑烧成的温度、窑压、风机运行曲线图1.4 本章小结本文旨在设计一种控温效果好、稳定性强的梭式窑燃烧控制系统，该系统利用一些外围设备配合，达到控制梭式窑内烧成温度、压力等的目的，利用模糊PID的控制算法对整个窑内的温度实现智能控制。本文的主要组织结构如下：第一章讲述了本课题研究的背景及意义，分析了国内外的研究现状，梭式窑的基本结构，组成和各个部分的功能，说明了控制系统的控制对象，介绍了本文的主要研究内容。第二章是对锅炉
21、过热汽温控制系统设计的理论基础进行详细的分析，主要是对PID控制的相关介绍，包括PID控制的相关原理、串级PID控制的相关算法、算法的实现程序，PID控制的局限性和未来发展趋势，模糊控制概述、模糊控制器的机构组成。在此基础上对设计的方案用的模糊串级PID进行了分析。第三章主要对系统的方案进行了设计，包块主控模块的选择和模块介绍，变频器的选择和分析，给出了整个系统的控制方案，对PLC的硬件连接电路做了详细的设计。第四章主要是给出了梭式窑燃烧的PLC控制系统硬件系统和软件实现进行了设计，给出了给出了设计的硬件电路和系统的主程序流程图。第五章对系统的控制算法做了仿真实验，并对结果进行了详细分析。2
22、设计控制系统理论基础2.1 PID控制系统概述2.1.1 PID控制基本原理PID是比例、积分、微分的缩写，也就是说PID调节过程包含比例环节、积分环节和微分环节。PID的调节量曲线往往是一条震荡的曲线，P是调节曲线的斜率，也就是跟踪的速度，积分调节曲线的震荡时间，微分控制调节值的偏差，也就是曲线震荡的振幅。常见的闭环PID控制系统基本结构如图2.1所示，该结构主要包括：控制器、执行器、被控对象以及反馈。而计算机控制的闭环系统的基本结构在回路中增加了AD和DA两个基本单元，如图2.2所示。图2.1 一般闭环控制系统基本结构图2.2 计算机控制的闭环系统的基本结构如图2.3所示，PID控制是一种
23、并联控制，连续系统的PID控制数学表达式可以用下式表示： （2.1）式中的是PID的输出，代表PID控制器的输入，、分别为控制器的比例系数、积分时间和微分时间。图2.3 PID控制系统原理框图2.1.2 串级PID控制算法在串级PID控制中常用的方法有两种，第一种是位置式PID控制，第二种是增量PID控制。两种控制方式如下：（1）位置式PID控制算法 （2.2）将式（2.2）代入式（2.1）可以得到位置式PID控制的表达式为： （2.3）上式（2.3）中的KI是积分系数，KD是微分系数。这种方法存在一定的缺点，即系统输出与之前的所有时刻的状态都有关，也就是说计算过程中需要对e(k)进行累加，这
24、使得计算量变得非常大，而且当发生故障时，u(k)就会变得不可控，这会在生产过程中造成严重的问题，因此产生了增量PID控制。（2）增量式PID控制算法增量PID控制顾名思义就是控制器的输出时控制量的增量e。其递推公式如下： （2.4）在实际的控制程序编写中需要存入预先固定的单元，给e（k-1）、e（k-2）设定初值，一般初值为0。与位置式PID控制相比，增量式PID算法的优点主要体现在其不需要过去的所有状态，不会产生很大的累积误差，对控制计算的影响较小。2.1.3 PID控制算法编制在STEP、MATLAB软件中，可以使用标准库里面的PID控制，OB35是固定时间间隔循环执行块。如图2.4所示，
25、与一般的PID控制算法不同的是，也是增量式PID控制算法中的一个重要的特点，因为这个优势可以实现控制的稳定性，就是含有积分分离的控制功能，在控制算法的流程图中可以发现这一特点。图2.4 PID控制算法流程图2.2 模糊控制2.2.1 模糊控制概述模糊控制是基于模糊数学理论而来的控制方法。模糊理论与传统的数学不同，不对各种现象做精确描述，而是用模糊语言来描述现实世界的模糊现象，是完全认定主观问题的理论，然后紧接着用模糊集合的定义和方法来解决无法量化的各种现实问题，这样可以方便人们更好的解决各种现实主观问题。2.2.2 模糊控制器结构组成模糊控制系统经过这么多年的发展和改进，其主要组成部分没有太大
26、改变，一般有以下四部分：（1）模糊控制器：在整个模糊控制系统中占着决定性的地位，无论是在性能还是在组成上都起着决定性的作用，不仅承担着系统的控制要求的实现，还是负责算法的推理，算是模糊推理系统的核心。（2）输入/输出接口装置：这主要是用来对系统的输入输出进行监测和控制，主要为了实现数字信号和模拟信号的双向数模转换。（3）广义对象：特指各种可控对象和现实问题。（4）传感器：改装置将可控对象转换为系统可以识别和处理的电信号。如图2.5所示。其中模糊控制器是组成模糊控制系统的核心，模糊控制器的结构图如图2.6所示。图2.5 模糊控制系统基本结构图2.6 模糊控制器组成电路2.3 模糊串级PID控制2
27、.3.1 模糊串级PID控制概述常规的PID控制器其控制方法相对简单，鲁棒性较好，安全性高，因此在工业控制中应用很广泛，但是其参数是固定的，难易适应环境的改变，因此将模糊控制理论和PID控制方法结合起来，使PID控制器的控制参数能够适应不同的需求而做出相应的调整，通过对该方法进行仿真，分析结果可得结论，可调整参数的模糊PID控制器在很多控制系统中都得到了非常好的控制效果，远远超过常规的PID控制器，系统的稳定性能完全的得到了提高。2.3.2 模糊串级PID控制系统原理模糊串级PID算法有很多先进的地方，在现代控制领域的应用也越来越广泛，常用的控制系统结构原理如图2.7所示。图2.7 模糊串级P
28、ID控制系统结构原理图模糊串级PID控制系统输入为e和，输出为，。其中，Ge和为量化因子，、和为比例因子，根据输入输出取值的范围进行取值。获得的，分别作为PID的Kp，KI，KD参数增量。但是由于其固定的参数，从而难以适合不同的需求，把最新的模糊理论和PID控制方法相结合构成的模糊PID控制器，让PID参数根据外界的不同需求相对应的调整，每种情况使用不同的参数，最后得出了可调整参数的串级模糊控制器的设计方法。 模糊串级PID控制系统调整PID参数计算公式如下： （2.5）式（2.5）中，Kp，KI，KD为初始设定的PID参数。主程序算法如下：%Fuzzy Tunning PID Control
29、 Clear all; Close all;a=newfis(fuzzpid);a=addvar(a，input，e，-1 1 )；a=addmf(a，input，1，N，zmf，-1,-1/3);a=addmf(a, input，1，Z，trimf，-2/3，0，2/3);a=addmf(a, input，1，P，smf，1/3，1);a=addvar(a, input，ec, -1，-1/3);2.4 本章小结本章首先介绍了PID控制系统的基础知识，对系统的基本原理、PID控制算法、算法的编制实验做了概述，重点分析了模糊控制和模糊串级PID控制，并给出了系统的结构和原理图。3 PLC控制梭
30、式窑燃烧系统方案分析3.1 主控模块的选择随着科学技术的迅猛发展，计算机微机技术不断更新换代。1969年世界上第一台可编程控制器的成功研制，打破了以往继电器控制电路的方式。人们开始将可编程控制器应用于各大工业控制领域。PLC可编程控制器为电气化工业技术的发展开辟了一条前所未有的道路。（1）CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程。CPU主要由算术单元、控制器、寄存器以及数据、控制和
31、状态总线组成，实现它们之间的连接。CPU单元还包括外围芯片、总线接口和相关电路。存储器主要用于存储程序和数据，是PLC不可缺少的组成部分。CPU速度和存储器容量是PLC的重要参数。它们决定了PLC的工作速度、I/O的数量和软件容量，从而限制了控制的规模。（2）I/O模块PLC和电路之间的接口是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入寄存器反映输入信号的状态，输出点反映输出锁存器的状态。输入模块将电信号转换为数字信号到PLC系统，输出模块反转。I/O分为数字输入（DI）、数字输出（DO）、模拟输入（AI）、模拟输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：
32、根据电压等级，有220VAC、110VAC、24VDC，除以隔离，具有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：根据信号类型，有电流类型（4-20mA、0-20mA）、电压类型（0-10V、0-5V、-10-10V）等，根据精度，有12位、14位、16位等。除了上述的通用I/O模块之外，还有专门的I/O模块，如热阻模块、热电偶模块和脉冲模块。模块规格和数量由I/O点决定，I/O模块可以多或少。然而，其最大数量受限于CPU的基本配置，CPU的最大数量受限于背板或机架槽的最大数量。（3）电源模块PLC电源用于向PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，一些还为输入电路提供24V的工作功率。电源输入类型有：交
33、流电源（220VAC或110VAC），直流电源（通常为24VDC）。根据设计要求，主站PLC需要一个启动按钮X5，和一个紧急停止按钮X4，进口车辆传感器X0，出口车辆传感器X1，温度传感器X2，烟雾传感器X3，逆变器故障输入X67个输入信号，输出总共需要8个输出信号。由于隧道集中监控系统传输距离长、控制规模大，四级控制更加灵活、安全、高效。四级控制是中央计算机系统控制、监控分中心计算机系统控制、隧道PLC网络控制和现场自动控制。隧道监控系统一般由监控分中心主控计算机控制下的控制器进行控制。隧道PLC网络在计算机的控制下，对本地设备进行自动控制。监控中心控制计算机从子中心和隧道控制单元收集操作数
34、据、各种类型的检测报警单元，并向相应的控制单元发送命令以执行相应的任务。为了避免由于材料过大而造成的资金浪费，并确保操作的可行性，以及未来扩大的需要。3.2变频调速器随着科学技术的不断发展，变频器的性能得到了很大的提高。如今高端产品如伺服驱动器已经大量应用于汽车、数控等工业领域。采用变频调速既能节省电能开支，还能有效的控制风量，提高风机运行效率。在隧道需要调节通风量时，只需要控制变频器，避免了风机长时间工作在最大状态，做一些无用功，浪费电能。能够在电机启动时，很好的保护电机，避免了大电流启动电机和开关管。变频调速能够提升效率，降低了调速过程中电机的热能损耗，在异步电机的的调速中具有广泛的应用。
35、其调速的基本原理是由三相异步电机旋转磁场转速与转子转速的关系确定： （3-1） （3-2）在式（3-1）、（3-2）中，的意义是电机转子的转速（r/min）；是定子中的交流电的频率（Hz）。要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。变频器主要采用AC-DC-AC模式，首先通过整流器将工频交流电源转换为直流电源，然后将直流电源转换为频率和电压可控的交流电源，为电机供电。逆变电路一般由四部分组成：整流、中间直流环节、逆变电路和控制。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变器部分为IGBT三相桥式逆变
36、器，输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功。3.3控制系统整体方案在梭式窑系统的分析中，对整个系统划分为四个大部分做为系统的控制程序开发，包括温度控制系统、燃烧控制系统、压力控制系统、故障报警系统等组成。对整个系统进行简化处理，每个系统做为电机的控制对象，结合其他的非控制量进行分析，通过系统控制电机实现对梭式窑内温度、压力、流量等参数参数的控制。系统包括对梭式内信息量的采集和对控制预警的处理，通过传感器收集的数据传送到PLC，PLC处理后，将信号传送到组态工具、变频器，进行电机工作的控制，控制系统设计流程如图3.1所示。图3.1 系统方案设计流程根据PLC的硬件电路设计，对系
37、统的PLC模块完成功能性接线，对PLC的I/O口进行分配，设计的PLC硬件接线图如图3.2所示。图3.2 PLC控制系统组成示意图3.4本章小结本章首先介绍了本次系统设计梭式窑的控制系统设计方案，这是对系统控制进行设计的前提条件，整个工作流程中作为主要的控制对象就是电机，根据梭式窑的电机工作的意义分析，对整个控制系统划分为四个大的控制系统部分，对系统的整个控制方案进行了分析，包括基于PLC控制系统的组成。4 基于PLC的梭式窑控制系统设计4.1 控制系统硬件设计如上文分析，对整个梭式窑的燃烧控制的分为了四大系统，分别是温度控制系统、燃烧控制系统、压力控制系统、故障报警系统，在各个子系统中都对电
38、机为一个主电机处理。设计的系统硬件电路如图4.1所示，主要由PLC、电机、变频器、基站电源UPS、三相供电回路、断相相序保护装置等构成，在这些中，最为重要的就是PLC和变频器。变频器主要用于电机的调速上，具有丰富的外部片设资源，能够支持24点的I/O接口，有14点的输入，10点的输出，兼容性较强，可以支持外部扩展。在硬件电路设计上，当空气开关闭合时，KM1闭合，KM2断开则电机处于工频运行状态，KM1断开，KM2闭合则系统的电机就会处于变频运行状态。同理一样，KM3、KM4，KM5、KM6，KM7、KM8，为了避免在温度过高时工作，热继电器在发生热故障后能够自动跳闸，断开电路，对电机起到保护的
39、作用。图4.1设计的硬件接线图设计的系统在回转窑需要执行子系统的功能需求时，能够对电机启动、正常运行与停机进行控制与调节。系统设计了一定的软启动过程，目的是将电机的启动电流从零缓慢的增加到额定电流，避免了因全压启动电流过大而对设备和器件的损耗。当电机机正常运行后，运行状态分为两种情况，一种是子系统正常的工作状态，上料、温度、压力都是在正常的范围内；另一种情况是出现了非常的工作状态，例如温度升高，需要加料系统加速完成，就需要启动变频器工作，来调节电机的转速来调节，达到目标所需量。在设计中采用了无极变速的方式对风机进行变频调速，根据梭式窑的燃烧的工作情况，PLC控制变频器自动调整输出电压调节各个子
40、系统的电机转速，使得梭式窑内的各个工作指标参数达到标准给定值。4.2 控制系统PLC模块分析（1）可编程控制器可编程序控制器的英文全称是Programmable Logical Controller，简称PLC。可编程控制器采用一类可编程的存储器。它用于其内部存储程序；执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令；通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程；它是专为工业现场应用而设计的。PLC可以代替继电器来控制复杂的控制系统，最大的特点就是减少了绝大部分的机械触点，从而提高了可靠性，降低了功耗；PLC还具备微机技术，可以程序编制，大大提高了灵活性，而且PLC的编程
41、和继电器梯形图基本一致，使用户方便易学；PLC还具备很强的抗干扰能力，使其迅速在工业领域普及。PLC种类虽然很多，但基本思路是一样的，用户一般按照说明书就能学会编程和如何去接线，可以看出PLC的灵活方便。可编程控制器主要由编程器、存储器、输入装置、输入电路、主机、电源、输出装置、输出电路、外围设备组成。如图4.2所示。图4.2 可编程控制器体系结构图4.3 控制系统软件设计控制系统上位机通过专用电缆与PLC模块和触摸屏模块进行通信连接，编制调试程序完毕可以直接下载到触摸屏和PLC各自程序存储器。PLC模块与触摸屏之间由专用电缆连接，触摸屏按键指令可以由通信电缆加载到控制程序以执行相应的操作。另
42、外，外部按钮指令直接加载在PLC输入端以实现相应的指令操作。系统在设计时根据水泥生产的流程及特点，设计了两种工作控制方式，分别是在线控制和就地方式，两种控制方式可以进行设置和切换。在线控制方式主要是利用现在各个厂家提供的组态软件实现，在就地控制中，设计的主要控制方式为工作人员可以进行自动模式操作、检修状态控制方式、手动操作模式。设计的回转窑电控系统流程图如图4.3所示。图4.3 可编程控制器体系结构图4.4 PLC程序流程图设计对整个回转窑的生产过程分为了四大系统，分别是原料系统、燃料煤系统、窑中尾气控制系统、窑头系统，在各个子系统中都对电机为一个主电机处理。4.4.1 温度控制系统PLC程序
43、4.4.2燃烧控制系统4.4.3压力控制系统4.4.4 故障控制系统4.5 本章小结本章对水梭式窑的PLC控制系统硬件系统和软件实现进行了设计，给出了给出了设计的硬件电路和系统的主程序流程图对温度控制系统、燃烧控制系统、压力控制系统、故障控制系统的PLC控制电机的流程图做了详细的设计。5 PLC梭式窑燃烧控制算法仿真及分析5.1 控制对象和仿真平台分析梭式窑内对温度的控制对象与经典的PID控制温度的机理完全相同。可以采用设定控制对象传递函数的办法。设计的控制系统选用的是模糊串级PID控制算法，图5.1为模糊控制器窗口。在图5.2所示的是E、EC的模糊论域和隶属函数。图5.1 模糊控制器窗口图5
44、.2 E、EC的模糊论域和隶属函数5.2 模糊PID控制仿真根据第四章对模糊串级PID控制系统的分析，由设计的模糊规则，PID控制的3个参数（KP、KI、KD）的模糊论域和隶属函数如图5.3所示。图5.3 KP、KI、KD的模糊论域和隶属函数比较传统PID与模糊串级PID，并将两个系统进行仿真。在无干扰情况下，模糊串级PID与传统PID控制系统仿真结果如图5.6所示。在有干扰情况下，模糊串级PID与传统PID控制系统仿真结果如图5.7所示。图5.6 无干扰下传统PID和串级PID仿真结果图5.7 干扰情况下传统PID和串级PID仿真结果5.3 仿真模型由设计的模糊规则，PID控制的3个参数（K
45、P、KI、KD）的模糊论域和隶属函数，仿真对象的数学模型的传递函数取为，其中,，模糊PID控制系统中PID，初始值、。由设计的模糊规则，PID控制的3个参数（KP、KI、KD）的模糊论域和隶属函数,在MATLAB中的Simulink环境下可以直接利用自带的模糊PID控制器搭建的模糊仿真系统，模糊控制器及其封装如图5.8所示，PID控制器封装如图5.9所示，模糊串级PID控制器及封装如图5.10所示，系统仿真结构如图5.11所示。 图5.8 模糊控制器及封装 图5.9 PID控制器及封装图5.10 模糊串级PID控制器及封装图5.11 模糊PID仿真系统框图为了MATLAB的Simulink环境
46、下搭建自适应模糊PID控制器结构设计模糊PID控制系统的仿真框图，如图5.11所示。首先要有模糊控制器及其封装仿真模型如图5.8所示，PID控制器及其封装仿真模型如图5.9所示，其中、为其初始值。把模糊控制器和PID控制器封装在一起，组成Fuzzy-PID控制器，如图5.11所示。再搭建整个模糊PID的仿真系统。6 总结与展望梭式窑是一种以窑车做窑底的倒焰间歇式生产的热工设备,也称车底式倒焰窑，因窑车从窑的一端进出也称抽屉窑,是国内近十年来发展迅速的窑型之一。梭式窑被广泛地使用于艺术陶瓷、日用陶瓷、建筑陶瓷、特种陶瓷、耐火材料及金属热处理行业，要求设计各种性能及不同容积的梭式窑。PLC控制在梭式窑燃烧控制系统尤其重要，发挥着能源利用充分，控制温度和生产