基于plc的工業(yè)爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p>　　論文題目基于PLC的工業(yè)爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　(英文) The Design of the Industrial Furnace</p><p>　　Temperature Control System Based on PLC</p><p>　　所在學(xué)院

2、 電子信息學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月

3、 日</p><p>　　基于PLC的工業(yè)爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　溫度控制作為工業(yè)自動(dòng)化控制的一部分在工業(yè)生產(chǎn)中有重要作用，使用PLC能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制，來(lái)檢測(cè)溫度大小并驅(qū)動(dòng)加熱裝置來(lái)控制溫度，提高了溫度控制的精確度。</p><p>　　該文介紹了電

4、阻爐溫度控制的原理及方法，針對(duì)電阻爐溫度控制的要求，此控制系統(tǒng)使用PT100溫度傳感器把電阻爐溫度模擬信號(hào)輸入A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入三菱PLC中的PID模塊，設(shè)定PID參數(shù)為設(shè)定值并進(jìn)行運(yùn)算，外接固態(tài)繼電器作為開(kāi)關(guān)控制電阻爐加熱。在硬件電路設(shè)計(jì)中，選擇PLC和A/D轉(zhuǎn)換器類(lèi)型，設(shè)計(jì)硬件接線圖。軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)程序梯形圖和程序流程圖。最后將硬件和軟件結(jié)合，設(shè)計(jì)出了符合要求的控制系統(tǒng)，達(dá)到預(yù)期的目的：控制電阻爐溫度為設(shè)定值。&l

5、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞：PID控制；PLC；溫度控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Temperature control as part of the industrial automation control in an important role in the industrial prod

6、uction, use PLC to realize automatic control, to detect temperature size and drive heating device to control temperature, raises the temperature control precision. </p><p>　　This paper introduces the resista

7、nce furnace temperature control principle and method, in view of resistance furnace temperature control requirements, the control system using the PT100 temperature sensor resistance furnace temperature simulation signal

8、 input A/D signal converters converted into digital signal input mitsubishi PLC of PID module, and set the PID parameters for setting and operations, external solid-state relay as switch control heat resistance furnace.

9、In the hardware circuit des</p><p>　　Key Words:PID control;PLC;temperature control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1　引言1</b></p><p>　　2.1 爐溫控制

10、過(guò)程和PID算法5</p><p>　　2.2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)8</p><p>　　3　溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.1 溫度控制系統(tǒng)的硬件配置10</p><p>　　3.2 外圍電路接線圖和I/O表分配12</p><p>　　3.3 硬件接線圖14</p>

11、;<p>　　4　溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1 程序流程圖15</p><p>　　4.2 程序梯形圖16</p><p>　　4.3 系統(tǒng)調(diào)試17</p><p><b>　　總結(jié)和致謝18</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)

12、19</b></p><p>　　附錄1 Pt100熱電阻分度表20</p><p><b>　　1　引言</b></p><p>　　在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。為了保證生產(chǎn)過(guò)程中正常安全的進(jìn)行，提高產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量以及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約能源，對(duì)加熱用的各種電爐要求在一定條件下保持恒

13、溫，不能隨電壓波動(dòng)或爐內(nèi)物體變化而變化，也有的電爐的爐溫需要根據(jù)工藝要求按照某個(gè)指定的升溫或保溫規(guī)律而變化等。本文采用一個(gè)PLC作為控制器，外接A/D轉(zhuǎn)換器，將PT100溫度計(jì)的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后進(jìn)行和設(shè)定值對(duì)比，并使用PLC內(nèi)部PID模塊運(yùn)算后通過(guò)SSR來(lái)控制電阻爐溫度。</p><p>　　在自動(dòng)控制技術(shù)產(chǎn)生之前，人們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中只能采用手動(dòng)控制方式。其控制過(guò)程是通過(guò)觀測(cè)被控對(duì)象的輸出,根據(jù)觀測(cè)結(jié)果做出決策，

14、然后手動(dòng)調(diào)節(jié)輸入，操作人員就是這樣不斷的觀測(cè)、決策、調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的手動(dòng)控制。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人們逐漸采用各種測(cè)量裝置代替人眼，完成對(duì)被控制量的觀測(cè)任務(wù)；利用各種控制器部分地取代人腦，實(shí)現(xiàn)比較、綜合被控制量與給定量之間的偏差。 控制器所給出的輸出信號(hào)相當(dāng)于手動(dòng)控制過(guò)程中人腦的決策，使用各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)被控對(duì)象施加控制，它相當(dāng)于手動(dòng)控制中手的調(diào)整作用。上述控制過(guò)程實(shí)質(zhì)上是從手動(dòng)控制方式中抽象出來(lái)的一個(gè)較為理想化的模型，它是模擬手動(dòng)

15、控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。</p><p>　　傳統(tǒng)的加熱爐的電氣控制系統(tǒng)普遍采用的繼電器控制技術(shù)，因?yàn)槭褂霉潭ú季€的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積大、耗電高、效率低，容易發(fā)生錯(cuò)誤，不能保證正常的工業(yè)化生產(chǎn)要求。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù),必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生的PLC控制技術(shù)取代。和PLC本身優(yōu)良的性能使得基于PLC控制的溫度控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。該溫度控制系統(tǒng)對(duì)改

16、造傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)具有重要意義[1]。</p><p>　　可編程控制器(Programm able Controller)簡(jiǎn)寫(xiě)成PLC，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，現(xiàn)在可編程控制器已經(jīng)成為最重要、最可靠、應(yīng)用場(chǎng)合最廣泛的工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)?？删幊炭刂破骶哂兄T多優(yōu)點(diǎn)：(1)PLC有較高的可靠性和診斷能力，維修容易；(2)PLC還具有編程方便、易于使用、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)；(3)PLC控制功能極強(qiáng)，除基本的邏輯控制、定時(shí)、計(jì)

17、數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等功能外，配合特殊功能模塊還可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制、PID運(yùn)算、過(guò)程控制、數(shù)字控制等功能；(4)PLC的擴(kuò)展以及與外部聯(lián)接極為方便，環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)PLC本身優(yōu)異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)方便【2】。</p><p>　　可編程邏輯控制器（PLC）是一種用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，它是由CPU，存儲(chǔ)器，輸入輸出接口電路，功能模塊，通信模塊和電源等組成。它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部

18、存儲(chǔ)程序，并執(zhí)行邏輯運(yùn)算、定時(shí)、順序控制、計(jì)數(shù)、算術(shù)操作等指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)構(gòu)成靈活、擴(kuò)展容易、以開(kāi)關(guān)量控制成為其特長(zhǎng)；也能進(jìn)行連續(xù)過(guò)程的PID控制；并能和上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如DDC和DCS，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化；編程簡(jiǎn)單、使用方便，采用簡(jiǎn)單明了的梯形圖、語(yǔ)句表或邏輯圖等編程語(yǔ)言，無(wú)需計(jì)算機(jī)知識(shí)，因此系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而

19、不用拆動(dòng)硬件；能適應(yīng)各種惡劣運(yùn)行環(huán)境，其抗干擾能力，可靠性強(qiáng)【3】。</p><p>　　由于常規(guī)的模擬儀表、可控硅原件的制造技術(shù)日趨完善，所以由它們構(gòu)成的PID自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)基本上已能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，控制精確度一般是可達(dá)到士5～士10℃。但是模擬控制系統(tǒng)卻難以滿足日益嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝的要求，也不能滿足對(duì)生產(chǎn)過(guò)程集中控制的管理的迫切需要。而隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，在工業(yè)爐的溫度控制技術(shù)方面，用智能儀表、計(jì)算

20、機(jī)測(cè)量控值系統(tǒng)乃至于集散控制系統(tǒng)取代老的模擬控制系統(tǒng)，用現(xiàn)代的控制方法取代經(jīng)典的調(diào)節(jié)算法已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)【4】。</p><p>　　在科研和生產(chǎn)實(shí)踐等諸多領(lǐng)域，溫度控制具有十分重要的地位，特別是在食品、大棚溫室、冶金、化工、建材、機(jī)械、石油及其他工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的作用【5】。跟著電子器件和集成電路的發(fā)展，PLC也由本來(lái)簡(jiǎn)單邏輯控制，發(fā)展到了可以具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算、模擬量輸入輸出，網(wǎng)絡(luò)功能的控制系

21、統(tǒng)，并且具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、編程容易、修改簡(jiǎn)單等特點(diǎn)【6】?？煽啃?、靈活性、計(jì)算速度大大提升，功能越來(lái)越強(qiáng)，在工業(yè)控制有越來(lái)越多的應(yīng)用，在溫度控制方面也有非常多的運(yùn)用。</p><p>　　此文就是采用三菱PLC進(jìn)行一個(gè)工業(yè)爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。工業(yè)爐的自動(dòng)化控制現(xiàn)在主要是由計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，70年代末期中國(guó)已經(jīng)開(kāi)始工業(yè)爐溫度控制的開(kāi)發(fā)工作，在“六五”期間中國(guó)把工業(yè)爐計(jì)算機(jī)控制列為用電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的

22、三大突破口之一，在此期間得到很大發(fā)展，控制的爐窯數(shù)達(dá)到了100臺(tái)。近年來(lái)由于微型計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展很快，性能更加穩(wěn)定，耐用，壽命變長(zhǎng)，而且價(jià)格在下降，因此微機(jī)控制工業(yè)爐的勢(shì)頭很猛【7】。</p><p>　　由于溫度在工業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的作用，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量。用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)代替人工控制，將大大提高控制精度，并降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。溫度控制系統(tǒng)一般具有大慣性、大延時(shí)的特點(diǎn)。在工業(yè)控制中，難以建立

23、溫度系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，而應(yīng)用模擬或數(shù)字式PID閉環(huán)控制往往能獲得較好的控制精度。</p><p>　　20世紀(jì)30年代以來(lái)，PID控制因其控制結(jié)構(gòu)和算法簡(jiǎn)單，適用對(duì)象廣，控制效果好，以及近年來(lái)其控制硬件的商品化，已成為工業(yè)控制應(yīng)用中最廣泛的一種控制策略，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，并在長(zhǎng)期應(yīng)用中積累了廣泛的經(jīng)驗(yàn)【8】。</p><p>　　特別是在工業(yè)控制過(guò)程，對(duì)被控量的數(shù)學(xué)模型難以

24、建立，系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用控制理論分析不僅要需要花費(fèi)很大代價(jià)，并且難以得到預(yù)期效果。在用PLC組成的控制系統(tǒng)中，PID很容易通過(guò)擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)。對(duì)于軟件的靈活性，PID算法可以得到修正，參數(shù)能夠得到完善，從而使數(shù)字PID控制系統(tǒng)從PLC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　目前在張力、速度、液位特別是溫度等過(guò)程控制中，經(jīng)常使用溫控器等專(zhuān)用控制器或用戶自制設(shè)備。這些控制器雖然使用和設(shè)置比較簡(jiǎn)單且控制針對(duì)性強(qiáng)，但是用途

25、比較單一，控制范圍有限，同時(shí)用戶自身的經(jīng)驗(yàn)技巧不易應(yīng)用到其中。近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的處理速度越來(lái)越快，功能也越來(lái)越豐富。因此，采用PLC進(jìn)行PID控制可以逐漸取代一些傳統(tǒng)的控制手段。</p><p>　　隨著PLC功能的擴(kuò)展，在許多PLC控制器中都擴(kuò)充了PID控制模塊，因此在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場(chǎng)所中采用PLC控制是較為合理的，通過(guò)采用PLC來(lái)對(duì)它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大的優(yōu)

26、點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測(cè)溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，PLC對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問(wèn)題。</p><p>　　溫度控制，可以比較出采用PLC的特點(diǎn)。通常所使用的溫度控制器用于單純的單回路溫度控制，PLC可以作為多回路的整體控制，它有以下的特點(diǎn)：在多點(diǎn)加熱時(shí)，錯(cuò)開(kāi)加熱器導(dǎo)通時(shí)序，避免同時(shí)導(dǎo)通的大電流；可以使用相位控制，降低沖擊電流、峰值電流，減少熱壓力；可以實(shí)現(xiàn)

27、多種警報(bào)功能等等。</p><p>　　最初的PLC主要是用于取代繼電器進(jìn)行順序控制,其后又逐步擴(kuò)充了數(shù)值運(yùn)算、模擬量、網(wǎng)絡(luò)通信。從發(fā)展趨勢(shì)看PLC溫度控制將是今后PLC 應(yīng)有的功能。</p><p>　　PID是一個(gè)閉環(huán)控制算法。因此要實(shí)現(xiàn)PID算法，必須在硬件上具有閉環(huán)控制，就是得有反饋。本文就是控制一個(gè)工業(yè)爐溫，就得有一個(gè)測(cè)量溫度的傳感器，并將結(jié)果反饋到PLC上。</p>

28、<p>　　PLC的PID控制所具有的上下限幅輸出功能，極為適合以石墨材料作發(fā)熱體的高溫電爐的控溫。因?yàn)槭馁|(zhì)的批次差異較大，加工后的發(fā)熱體難以符合設(shè)計(jì)規(guī)定的功率值，往往造成自動(dòng)調(diào)溫時(shí)輸 出功率超過(guò)設(shè)計(jì)值，這對(duì)可控硅、電爐變壓器很不利。利用PLC的上下限幅功能，則可很容易地將電爐最大負(fù)荷控制在安全值之內(nèi)。</p><p>　　自動(dòng)化溫度控制在不加人工處理的情況下，自動(dòng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，隨著環(huán)境的變化能夠

29、使溫度維持在一個(gè)范圍內(nèi)，用PID控制算法，可以在滯后的情況下調(diào)節(jié)溫度不至于過(guò)高或過(guò)低。</p><p>　　2　溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程</p><p>　　2.1 爐溫控制過(guò)程和PID算法</p><p>　　在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)中常常要求不斷地測(cè)量溫度，同時(shí)還進(jìn)行控制。電阻爐爐溫的控制，根據(jù)工藝要求不同而有所變化，但大體上可歸納為以下幾個(gè)過(guò)程：</p

30、><p>　　自由升溫階段，即根據(jù)電阻爐自身?xiàng)l件對(duì)升溫速度沒(méi)有控制的升溫過(guò)程。</p><p>　　恒溫升溫過(guò)程，即要求爐溫上升的速度按某一斜率進(jìn)行。</p><p>　　保溫階段，即要求爐溫上升的速度按某一斜率保持不變。</p><p>　　慢速降溫段，要求爐溫下降的速度按某一斜率進(jìn)行。</p><p><b>

31、;　　自由降溫段。</b></p><p>　　圖2-1 爐溫控制要求</p><p>　　根據(jù)爐溫變化曲線如圖2-1的要求，可以將它分為三部分來(lái)控制：由T0到a點(diǎn)為自由升溫段，溫度進(jìn)入a點(diǎn)，就進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)節(jié)。從b點(diǎn)到c點(diǎn)為保溫段，要始終在系統(tǒng)的控制下，要保證爐內(nèi)溫度的精度，保溫的時(shí)間為50~100min。加工結(jié)束，由c點(diǎn)到d點(diǎn)為自然降溫段。爐溫變化曲線對(duì)各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)要求如下：&

32、lt;/p><p>　　過(guò)度過(guò)程時(shí)間：從升溫到保溫段時(shí)間t1≤100min。</p><p>　　超調(diào)量(式2-1)：即升溫過(guò)程出現(xiàn)的溫度最大值（TM）與保溫值（TK）之差與保溫值之比：</p><p>　　。 (2-1)</p><p>　　靜態(tài)誤差(式2-2)：即當(dāng)溫度進(jìn)入保溫段后的實(shí)

33、際溫度（T）與保溫值（TK）之差與保溫值之比：</p><p>　　。 (2-2)</p><p>　　溫度保溫值的變化范圍：50℃-100℃。設(shè)保溫值為100℃。</p><p>　　真正需要電氣控制的是前兩個(gè)階段，即自由升溫段和保溫段。為避免過(guò)沖，從室溫到80%額定溫度為自由升溫段，在（100±

34、10）%額定溫度時(shí)為保溫段。在自由升溫段中希望升溫越快越好，總是將加熱功率全開(kāi)，因此得到自由升溫段控制規(guī)律為：當(dāng)Tf≤0.8T0時(shí)，選Kp=1；在Tf≥0.8Tg后，以較接近需要保溫的值Tk，為此采用保溫段控制方程。</p><p>　　保溫控制方法有很多種，如比例控制，因?yàn)闋t絲的功率和溫度變化之間存在一定的時(shí)間延遲，使用溫度差值來(lái)控制輸出時(shí)，即是比例控制?？刂葡到y(tǒng)在爐溫與給定值相同才會(huì)停止輸出，而由于爐溫變化所

35、具有延遲性質(zhì)，爐溫卻并不因輸入停止而馬上停止上升，從而超過(guò)了給定溫度。滯后的時(shí)間越大，超過(guò)給定值也會(huì)越大。爐溫會(huì)上升到了一定的高度后才會(huì)開(kāi)始下降并繼續(xù)下降到小于給定的溫度的時(shí)候，系統(tǒng)才會(huì)重新輸出控制信號(hào)。同樣是由于爐溫變化滯后于輸出，它將繼續(xù)下降，從而造成溫度的上下波動(dòng)，即所謂振蕩?？紤]到滯后影響，調(diào)節(jié)規(guī)律必須加入微分因數(shù)，即PD調(diào)節(jié)。</p><p>　　比例微分控制規(guī)律(PD)：微分具有超前作用，對(duì)于具有容量

36、滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。因此，對(duì)于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場(chǎng)合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。如：加熱型溫度控制、成分控制。</p><p>　　有了PD調(diào)節(jié)，系統(tǒng)輸出不僅取決于溫差大小，還取決于溫差的變化。所以當(dāng)爐溫從自由升溫段進(jìn)入到保溫段時(shí)，爐溫還小于給定值，但溫差變化較大，由于溫差及溫度變化

37、對(duì)系統(tǒng)輸出都有影響，而在升溫過(guò)程中，這兩項(xiàng)對(duì)輸出的作用是相反的，因而系統(tǒng)可提前減少或停止輸出控制信號(hào)。使?fàn)t溫不至于出現(xiàn)過(guò)大的超調(diào)，同樣在降溫過(guò)程中也是如此，從而改善了爐溫調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。積分作用可以提高溫度控制的靜態(tài)精度，適當(dāng)選擇積分的作用，則可以在不影響動(dòng)態(tài)性能下提高溫度控制的精度。所以保溫控制也可以采用PID控制方法。</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求

38、維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實(shí)際值與工藝要求的預(yù)定值一致。不同的控制規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過(guò)程，必須合理選擇相應(yīng)的控制規(guī)律，否則PID控制器將達(dá)不到預(yù)期的控制效果。</p><p>　　由于溫度控制本身有一定的滯后性和慣性，這使得系統(tǒng)控制出現(xiàn)誤差。而為了減少誤差來(lái)提高系統(tǒng)的精度，考慮到系統(tǒng)的控制對(duì)象，本系統(tǒng)

39、采用增量型PID算法。</p><p>　　按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)稱為PID（Proportional - Integral - Differential）調(diào)節(jié)器。</p><p>　　PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式，其調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用于輸出控制。</p><

40、p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體情況，可以靈活地改變PID的結(jié)構(gòu)，取其一部分來(lái)進(jìn)行控制。</p><p>　　PID控制實(shí)現(xiàn)的控制方式</p><p>　　模擬控制方式：用電子電路調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中，將被測(cè)信號(hào)與給定值比較，然后把比較出的差值經(jīng)PID電路運(yùn)算后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變給進(jìn)量，達(dá)到調(diào)節(jié)之目的。</p><p>　　數(shù)字控制方式：用計(jì)算機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算，將

41、計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，輸出去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。</p><p>　　增量式PID運(yùn)算公式：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　式（2-3）中e(n)、e(n-1)、e(n-2)為PID連續(xù)三次的偏差輸入。Δe(n)、Δe(n-1)中為系統(tǒng)連續(xù)兩次執(zhí)行的誤差。Kp為比例放大系數(shù)，T、T1、TD分別為采樣周期、積分時(shí)間

42、、微分時(shí)間。</p><p>　　該電阻爐穩(wěn)定工作在100℃（可以對(duì)其設(shè)置）。當(dāng)加熱爐啟動(dòng)時(shí)，測(cè)到爐溫是常溫，e=Tg-Tf為正值且比較大，e是PID控制器的輸入，此時(shí)PID控制器中的P（比例）起主要作用，使SSR打開(kāi)時(shí)間最大并使電阻爐加熱。當(dāng)溫度 達(dá)到100℃以上時(shí)，e=Tg-Tf為負(fù)值，經(jīng)PID計(jì)算，使SSR打開(kāi)時(shí)間變少，電阻爐溫度降低。當(dāng)溫度正好達(dá)到100℃時(shí)，e=Tg-Tf為零PID不調(diào)節(jié)，此時(shí)SSR打開(kāi)

43、時(shí)間正好平衡加熱爐消耗的了熱量，系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。</p><p>　　PID控制器參數(shù)選擇的方法很多，例如試湊法、臨界比例度法、擴(kuò)充臨界比例度法等。但是，對(duì)于PID控制而言，參數(shù)的選擇始終是一件非常煩雜的工作，需要經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)整才能得到較為滿意的控制效果。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般PID參數(shù)確定的步驟如下：</p><p>　　1) 確定比例系數(shù)Kp</p><p>　　確定

44、比例系數(shù)Kp時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，可以令Ti=0、Td=0，使之成為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許輸出最大值的60％～70％，比例系數(shù)Kp由0開(kāi)始逐漸增大，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例系數(shù)Kp逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的比例系數(shù)Kp，設(shè)定PID的比例系數(shù)Kp為當(dāng)前值的60％～70％。</p><p>　　2) 確定積分時(shí)間常數(shù)Ti</p><p>　　比

45、例系數(shù)Kp確定之后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，然后再反過(guò)來(lái)，逐漸增大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的Ti，設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150％～180％。</p><p>　　3) 確定微分時(shí)間常數(shù)Td</p><p>　　微分時(shí)間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可，此時(shí)PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為PI調(diào)節(jié)。如果需要設(shè)定，則與確定Kp的方法相同，取不振

46、蕩時(shí)其值的30％。</p><p>　　2.2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　本電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)</p><p>　　它由PLC控制系統(tǒng)，固態(tài)繼電器，電阻爐，傳感器等4個(gè)部分組成。</p><p>　　根據(jù)傳感器檢測(cè)到的溫度

47、與給定溫度的偏差,通過(guò)傳統(tǒng)PID控制規(guī)律,控制或調(diào)節(jié)電阻爐,從而控制溫度的輸出,是典型的反饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)非線性控制系統(tǒng),控制變量多、各種參數(shù)都存在不同程度的時(shí)變性、被控制量的延遲性,并且存在諸如空氣成分、電壓波動(dòng)等諸多不確定因素的干擾。</p><p>　　控制過(guò)程是：PLC定時(shí)（即采樣周期）對(duì)爐溫進(jìn)行測(cè)量和控制，爐內(nèi)溫度由四個(gè)鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，其信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換電路放大送到數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片換算成相應(yīng)的數(shù)字量

48、后，再送入PLC進(jìn)行判別和運(yùn)算，得到應(yīng)有的通電時(shí)間，供給固態(tài)繼電器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到爐溫變化曲線的要求。</p><p>　　當(dāng)電爐再某一設(shè)定溫度正常運(yùn)行時(shí)，如果由于某種原因（例如電源電壓的波動(dòng)），周?chē)h(huán)境溫度變化等）使?fàn)t溫發(fā)生變化（如下降），鉑電阻溫度計(jì)所檢測(cè)出來(lái)的溫度信號(hào)Tf將下降Tf送入計(jì)算機(jī)內(nèi)與設(shè)定值Tg比較，得到偏差信號(hào)e=Tg-Tf增加，于是經(jīng)放大后，使固態(tài)繼電器工作，使電熱絲通電，溫度隨之增加，因而

49、補(bǔ)償了溫度的下降，電阻爐又重新在一個(gè)新的平衡溫度下運(yùn)行。另外，如果供給電熱絲的電源電壓升高，則會(huì)使固態(tài)繼電器閉合時(shí)間D150下降，補(bǔ)償由于電源電壓升高對(duì)爐溫的影響。</p><p>　　3　溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 溫度控制系統(tǒng)的硬件配置</p><p>　　電阻爐是將電作為能源，使其通過(guò)由金屬或非金屬，由電熱效應(yīng)轉(zhuǎn)化為熱能的一種加熱裝置，

50、依靠輻射傳導(dǎo)到要進(jìn)行加熱的物體上進(jìn)行加熱。電阻爐結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，操作方便，應(yīng)用廣泛。易于實(shí)現(xiàn)控制的自動(dòng)化和機(jī)械化。在化工、食品、建材、金屬加工和各種實(shí)驗(yàn)中都有應(yīng)用。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控和自動(dòng)控制。</p><p>　　本系統(tǒng)將對(duì)低溫電阻爐進(jìn)行控制，其溫度在650攝氏度以下，換熱方式以對(duì)流換熱為主，多用于干燥以及有色金屬及合金加熱，鋼鐵以及有色金屬的回火處理。</p><p>　　

51、可編程邏輯控制器采用三菱FX2N型號(hào)PLC，三菱公司FX系列PLC吸收了整體式和模塊式可編程控制器的優(yōu)點(diǎn)，它的基本單元,擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊的高度和寬度相同。它們的相互連接不同基板，僅用于扁平電纜連接，緊密拼裝后組成一個(gè)整齊的長(zhǎng)方體。其體積小，很適于在機(jī)電一體化產(chǎn)品中使用【9】。</p><p>　　PLC模擬量輸入模塊選用采用FX2N-4AD-PT模擬量輸入模塊，將來(lái)自四個(gè)鉑電阻溫度傳感器(PT100，3線，10

52、0Ω)的輸入信號(hào)放大，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可讀數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在主單元（MPU）中。攝氏度和華氏度數(shù)據(jù)都可以讀取。讀取分辨率是0.2℃到0.3℃/0.36℉到0.54℉。所有的數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)設(shè)置都可以通過(guò)FX2N-4AD-PT的軟件控制來(lái)調(diào)整；由FX2NPLC的TO/FORM應(yīng)用指令來(lái)完成。FX2N-4AD-PT占用FX2n擴(kuò)展總線的8個(gè)點(diǎn)。這8點(diǎn)可以分配成輸入或輸出。FX2N-4AD-PT消耗FX2n主單元或有源擴(kuò)展單元5V電源槽的30mA電流。&

53、lt;/p><p>　　溫度傳感器的分類(lèi)和選擇</p><p>　　溫度傳感器將溫度的模擬量即電壓信號(hào)傳送到A/D模塊，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送入PLC。由PLC進(jìn)行計(jì)算，將采集到的數(shù)據(jù)和溫度設(shè)定值進(jìn)行比較再控制固態(tài)繼電器使加熱器進(jìn)行加熱或停止。</p><p>　　溫度采集和流量采集、壓力采集等一起是在工業(yè)控制里最為普遍的應(yīng)用，它可以直接測(cè)量各種在生產(chǎn)過(guò)程

54、中液體、蒸汽、氣體和固體介質(zhì)表面的溫度。常用的采集方法有熱電偶、熱電阻這兩種方式，此外還有非接觸型的紅外測(cè)溫等產(chǎn)品，一個(gè)典型的應(yīng)用例子是鋼鐵廠中的紅外測(cè)溫設(shè)備。</p><p>　　本文采用鉑熱電阻溫度傳感器，鉑熱電阻根據(jù)使用場(chǎng)合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件構(gòu)成。鉑熱電阻作為測(cè)溫元件，它具有良好的輸出特性，經(jīng)常和記錄器、顯示器、調(diào)節(jié)器和其它的智能運(yùn)算模塊或者儀表進(jìn)行配套來(lái)進(jìn)行使用，為它們提供了

55、精確的輸入值。如果將它做成一個(gè)一體化的溫度變送器，可以進(jìn)行輸出4到20mA標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)或0到10V標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，使用更加方便自如。</p><p>　　鉑電阻是用很細(xì)的鉑絲(Ф0.03～0.07mm)繞在云母支架上組成，因?yàn)殂K電阻在氧化介質(zhì)和高溫環(huán)境下化學(xué)物理性質(zhì)非常穩(wěn)定，所以其它精度高、穩(wěn)定性好、性能非?？煽俊?lt;/p><p>　　鉑電阻的工作原理是：在溫度的作用下，鉑熱電阻絲的電阻

56、值隨溫度變化而變化，他們的關(guān)系成線性關(guān)系。且電阻與溫度的關(guān)系即分度特性符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。分度號(hào)PT100的含義為在0℃時(shí)的名義電阻值為100Ω，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。此外還有PT10、PT200、PT500和PT1000等鉑熱電阻，CU50、CU100的銅熱電阻等。</p><p>　　該設(shè)計(jì)采用PT100鉑電阻溫度計(jì)，其穩(wěn)定性好，精度高，Pt100的數(shù)值就是說(shuō)它的阻值在0度時(shí)為100歐姆，其阻值隨著溫度

57、成線性變化。</p><p>　　FX2N-4AD-PT接入四通道三線型PT100，PT100溫度傳感器的參數(shù)如下：測(cè)量范圍：-100℃～+600℃；解析度0.2℃～0.3℃；變換速度15ms×4點(diǎn)；并且PT100溫度傳感器還具有防振、穩(wěn)定性能好、精度高、耐高壓等特點(diǎn)。</p><p>　　FX2N-4AD-PT將溫度轉(zhuǎn)換為16位帶正負(fù)號(hào)的-1000~6000的數(shù)字量其轉(zhuǎn)換特性如

58、圖（3-1）所示：</p><p><b>　　圖3-1 轉(zhuǎn)換特性</b></p><p>　　采集到PLC模塊是時(shí)，使用的時(shí)候需要一塊PT100的集成電路，要注意的是這個(gè)集成電路采集的不是電流信號(hào)是電阻值，PT100的集成電路（需要一個(gè)＋－12VDC電源提供工作電壓）直接把采集到的電阻變?yōu)?-5VDC輸入到PLC，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的+-*/計(jì)算就可以得到相應(yīng)的溫度值。<

59、;/p><p>　　本設(shè)計(jì)采用PT100作為溫度傳感器，F(xiàn)X2N-4AD模擬量輸入模塊，三菱FX-2N型PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)，使用FXGPWIN進(jìn)行編程和仿真，使用固態(tài)繼電器作為開(kāi)關(guān)控制加熱。</p><p>　　固態(tài)繼電器是一種無(wú)可動(dòng)接點(diǎn)的繼電器即無(wú)接點(diǎn)繼電器，它在用途上與有接點(diǎn)繼電器相同，但在結(jié)構(gòu)上由晶閘管，二極管，晶體管等半導(dǎo)體電子元器件組成。它具有速度快，無(wú)損耗，干擾小，其用途廣

60、泛。</p><p>　　3.2 外圍電路接線圖和I/O表分配</p><p>　　FX2N-4AD-PT接線圖如圖3-2所示，</p><p>　　圖3-2 FX2N-4AD-PT接線圖</p><p>　　傳感器模擬量通過(guò)雙絞屏蔽線纜輸入至FX2N-4AD-PT各個(gè)通道中。</p><p>　　可以采用壓降補(bǔ)償?shù)姆?/p>

61、式來(lái)提高傳感器的精度。如果存在電氣干擾，將電纜屏蔽層與外殼地線端子（FG）連接到FX2N-4AD-PT的接地端和主單元的接地端。如可行的話，可在主單元使用3級(jí)接地。</p><p>　　將PLC與FX2N-4AD-PT通過(guò)擴(kuò)展電纜相連。</p><p>　　PLC的特殊功能模塊具有模擬量輸入輸出，高速計(jì)數(shù)模塊，PID過(guò)程控制模塊，通信模塊。這些模塊與PLC連在一起構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)單元，使得

62、PLC的功能越來(lái)越強(qiáng)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。此文將FX2N-4AD-PT連接到0號(hào)位置，PLC最多可以連接8個(gè)特殊模塊。FX2N-4AD-PT模塊占用FX2N的8個(gè)點(diǎn)，這8個(gè)點(diǎn)可以是輸入點(diǎn)或輸出點(diǎn)。FX2N消耗FX2N主單元或有源擴(kuò)展單元5V電源槽30mA的電流。</p><p>　　本系統(tǒng)采用4個(gè)PT100輸入模擬量用轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成符合要求的電壓然后輸入FX2N-4AD-PT的輸入通道，SB1控制啟動(dòng)，SB2控制停止

63、，HL燈指示加溫，固態(tài)繼電器SSR輸出加溫信號(hào)。此程序通過(guò)to，from語(yǔ)句進(jìn)行對(duì)外部模塊中的數(shù)字量進(jìn)行寫(xiě)入和讀取，采樣時(shí)間為10ms。</p><p>　　本設(shè)計(jì)I/O地址如表3-1所示采用兩個(gè)輸入接口和兩個(gè)輸出接口。</p><p>　　表3-1 I/O地址</p><p><b>　　3.3 硬件接線圖</b></p>&l

64、t;p>　　圖3-3 PLC硬件接線圖</p><p>　　PLC硬件接線圖如圖3-3所示，將FX2N-4AD-PT與FX-2N用擴(kuò)展線纜相連，F(xiàn)X2N-4AD-PT在0號(hào)位,四個(gè)PT100將溫度信號(hào)接入FX2N-4AD-PT。SB1開(kāi)始開(kāi)關(guān)連接X(jué)1，SB2關(guān)閉開(kāi)關(guān)連接X(jué)2，加熱指示燈連接Y1，固態(tài)繼電器連接Y2，另一邊控制電熱器工作。</p><p>　　4　溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

65、</p><p><b>　　4.1 程序流程圖</b></p><p>　　程序流程圖如圖4-1所示</p><p><b>　　4.2 程序梯形圖</b></p><p>　　圖4-2 程序梯形圖</p><p>　　程序梯形圖如圖4-2所示本程序首先使用一個(gè)自鎖裝置將使

66、用sb1和sb2開(kāi)啟或關(guān)閉m100來(lái)控制系統(tǒng)開(kāi)始。然后使用FROM指令將BMF中的識(shí)別碼#30讀入D0，并將K2010與D0比較，如K2010與D0相同則m1閉合。然后使用TO指令來(lái)初始化FX2N-4AD-PT將采樣速度設(shè)為4，即每周期采樣四次。讀取錯(cuò)誤碼，并把錯(cuò)誤碼輸入到M10~M25這16個(gè)點(diǎn)上，當(dāng)沒(méi)有錯(cuò)誤時(shí)使用FORM讀取CH1~CH4的當(dāng)前值，并用MEAN函數(shù)計(jì)算其平均值存入D20。用初始脈沖來(lái)定義PID的基本參數(shù)，D300~D

67、306儲(chǔ)存基本參數(shù)，D322是輸出上限，D323是輸出下限。由于此設(shè)計(jì)使用2000ms為一個(gè)周期，用T246定時(shí)器定時(shí)在T246定時(shí)的數(shù)字小于PID輸出D150時(shí)就打開(kāi)固態(tài)繼電器開(kāi)關(guān)。</p><p>　　圖4-3 PID輸出狀態(tài)</p><p>　　PID輸出狀態(tài)如圖4-3所示在PID輸出時(shí)在每?jī)擅氲闹芷趦?nèi)有D150×1ms是導(dǎo)通的，即PID運(yùn)算的結(jié)果，兩秒的時(shí)間即一個(gè)周期內(nèi)輸

68、出PID調(diào)節(jié)的結(jié)果。</p><p><b>　　4.3 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p><b>　　(1)系統(tǒng)軟件調(diào)試</b></p><p>　　系統(tǒng)軟件調(diào)試是在PC機(jī)上進(jìn)行，將PLC控制程序錄入編程軟件后，根據(jù)運(yùn)行要求，設(shè)定若干數(shù)字開(kāi)關(guān)量，模擬量，對(duì)系統(tǒng)的每一個(gè)功能進(jìn)行檢測(cè)測(cè)試并在此基礎(chǔ)上不斷完善程序以到系統(tǒng)要求。

69、</p><p><b>　　(2)系統(tǒng)硬件調(diào)試</b></p><p>　　相應(yīng)的系統(tǒng)硬件調(diào)試在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，將硬件電路搭建好，將編好的程序輸入到PLC中，將PLC切換到“運(yùn)行”模式下，通電后觀察各指示燈狀態(tài)，判斷程序好壞。調(diào)試過(guò)程如下：將SB1按下，執(zhí)行程序，通過(guò)觀察爐溫加熱指示燈，觀察程序運(yùn)行情況。</p><p><b>　　

70、總結(jié)和致謝</b></p><p>　　本論文簡(jiǎn)要說(shuō)明了基于PLC的電阻爐溫度控制技術(shù)，并使用PLC進(jìn)行了一個(gè)溫度控制系統(tǒng)的組建.在寫(xiě)論文的過(guò)程中我對(duì)PLC有了初步了解，對(duì)其特殊模塊作用也能進(jìn)行初步應(yīng)用。對(duì)溫度傳感器也有一定了解，對(duì)PID模塊的應(yīng)用也有初步掌握。在此感謝指導(dǎo)老師姚導(dǎo)師的指導(dǎo)，同學(xué)的幫助，才能順利完成論文。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</

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