基于PLC的爐溫控制

1、 本科畢業(yè)論文論文題目 基于plc的爐溫控制 摘 要摘 要溫度是工業(yè)生產(chǎn)對象中主要的被控參數(shù)之一，本文通過設(shè)計溫度控制系統(tǒng)，體現(xiàn)plc在模擬量信號監(jiān)測與控制中應用的優(yōu)越性。本文中被控對象為電加熱爐，在爐溫自動控制系統(tǒng)中，爐溫經(jīng)熱電偶檢測和溫度變送器的轉(zhuǎn)換，變?yōu)橄鄳碾妷盒盘?，送往plc控制器，再經(jīng)模擬量輸入/輸出模塊(a/d)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并由程序?qū)⒔o定的溫度值與測量值比較，然后根據(jù)偏差大小按比例調(diào)節(jié)規(guī)律，計算出校正量。通過模擬量輸入/輸出模塊的輸出控制作用，消除爐溫的偏差，從而使爐溫達到并穩(wěn)定在給定的數(shù)值上。關(guān)鍵詞：plc；溫度控制；比例調(diào)節(jié)iii目 錄abstractthe tempera

2、ture is a primarily being controlled parameter in the object of the industry production , this text is an example of the temperature monitors and control system, and explains the plc applied problem in imitate deal signal to monitor with the control.the electricity heat furnace is controlled object

3、in this text, in the automatic control system of the heat furnace temperature , the temperature is examined by thermocouple and transformed by the thermostat , changed into the relevant electric voltage signal, send to plc controller, and being transformed into arithmetic figure deal by imitate deal

4、 signal input/ output the mold piece(a/d), given temperature will be compared to measured value from procedure, then according to the deviation size and inverse proportion regulates regulation, and compute out to correct the deal. according to output control function of imitate deal signal input/ ou

5、tput the mold piece, eliminating warp of the heat furnace temperature, accordingly the heat furnace temperature make attain stable and at the deviation size. key words：plc；temperature control；proportion adjust目 錄1 緒論11.1課題背景、目的及意義11.1.1課題背景11.1.2課題的目的及意義11.2本文研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排22 模塊方案的選擇與論證32.1總體方案的選擇32.2各獨立

6、模塊方案論證52.2.1溫度檢測模塊52.2.3變頻調(diào)速模塊72.2.4功率輸出電路及其控制原理分析72.2.5顯示電路設(shè)計82.2.6按鍵接入92.2.7報警電路設(shè)計92.2.8溫度調(diào)節(jié)模塊92.2.9硬件總框圖113系統(tǒng)軟件設(shè)計133.1.1主要的工作流程圖133.1.2 pid控制器的參數(shù)整定143.1.3 程序設(shè)計164結(jié)論195結(jié)束語216致謝237參考文獻25即可）：1 緒 論1 緒論1.1課題背景、目的及意義1.1.1課題背景隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展，ic技術(shù)的不斷提高，plc在國民經(jīng)濟生產(chǎn)各行業(yè)發(fā)揮了重要的作用。它因為集成度高，體積小，運行可靠，應用靈活，價格低，面向控制等特點得

7、到了廣大工程技術(shù)人員和客戶的好評。在溫度控制方面，plc能夠代替以前常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器。光纖制造設(shè)備、集成電路芯片制造設(shè)備、石油化工生產(chǎn)設(shè)備、汽車和飛機制造設(shè)備等現(xiàn)代化的裝備工業(yè)也體現(xiàn)著光機電一體化、智能化、自動化的顯著特點。目前，我國在這些方面的技術(shù)水平與歐美等擁有先進制造技術(shù)的國家還有相當?shù)牟罹?。我們迫切需要培養(yǎng)和訓練能夠設(shè)計智能化、自動化設(shè)備的工程技術(shù)人才。智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預先設(shè)定的模式在一個環(huán)境里自動的運作，不需要人為的管理，可應用于科學勘探，娛樂等的用途。爐溫自動控制就是其中的一個體現(xiàn)。本設(shè)計介紹了利用plc進行爐溫控制系統(tǒng)的基本組成，工作原理，程序設(shè)

8、計和系統(tǒng)的抗干擾措施。該系統(tǒng)可對爐溫控制，工作穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)控制精度的要求。本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，較容易實現(xiàn)，但具有高度的智能化、人性化，一定程度體現(xiàn)了智能。1.1.2課題的目的及意義溫度是生產(chǎn)過程科學實驗中普遍有十分重要的作用，它是一個一階滯后慣性系統(tǒng)，它具有明顯滯后特性。溫度控制電路廣泛應用于社會生活的各個領(lǐng)域，如家電、汽車、材料、電力電子等，對于需要快速準確的獲取和控制事實溫度的場合，采用一般的控制方法很難獲得滿意的控制效果，因此，在溫度控制系統(tǒng)中控制算法的研究是非常重要的。本次畢業(yè)設(shè)計選擇“基于plc的爐溫控制”是為了更好地學習和研究plc電路系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)知識，掌握電路設(shè)計的方法和技巧。學

9、會如何將學習到的理論知識運用到實際當中去，怎樣能夠活學活用，深入的了解電子元器件的使用方法，了解各種元器件的基本用途和方法，能夠靈活敏捷的判斷電路中出現(xiàn)的故障，學會獨立設(shè)計電路，積累更多的設(shè)計經(jīng)驗，加強焊接能力和技巧，同時在實踐過程中鍛煉查閱、歸納資料的能力，提高理論知識聯(lián)系動手的能力。同時通過親自獨立設(shè)計訓練我們大學生應用所學專業(yè)知識解決實際工程實踐問題的技能 , 鞏固所學專業(yè)知識，拓寬知識面。激發(fā)我們大學生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)大學生實踐動手能力和綜合科研能力。1.2本文研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排本設(shè)計是“基于plc的爐溫控制”，系統(tǒng)以plc為控制核心，加以溫度檢測電路、變頻調(diào)速器、d/a轉(zhuǎn)換器以及其他

10、電路構(gòu)成。系統(tǒng)由plc通過對溫度檢測電路檢測到的溫度加以分析，與給定的對應所要控制的多組溫度值進行比較，找出現(xiàn)溫度值所在范圍，根據(jù)plc中設(shè)置的pid參數(shù)，輸出相應溫度初值對應的受控對象電機的轉(zhuǎn)速初值，經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬電壓，通過信號轉(zhuǎn)化為變頻器的頻率，控制變頻調(diào)速裝置，帶動被控對象，并且把被控對象的轉(zhuǎn)速經(jīng)變換電路和d/a轉(zhuǎn)換器反饋到plc中，與輸出的轉(zhuǎn)速初值進行比較，其偏差被pid程序計算出后重新輸出，在規(guī)定的時間內(nèi)循環(huán)，從而實現(xiàn)對溫度的控制。本系統(tǒng)簡潔、靈活、可擴展性好，具有電路設(shè)計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點。232 模塊方案的選擇與論證2 模塊方案的選擇與論證2.1總體方案的選

11、擇根據(jù)題目的要求，我們提出了以下的三種方案：方案一：此方案是采用傳統(tǒng)的模擬控制方法，選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，反饋的溫度值與給定的溫度值比較后，決定加熱或者不加熱。本方案的特點是電路簡單，易于實現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動作頻繁，系統(tǒng)靜差大，不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實現(xiàn)復雜的控制算法，而且不易實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制及對溫度的顯示，人機交換性能差。 方案二：采用plc來作為整機的控制單元它的組成框圖如圖2.1。系統(tǒng)的工作中，經(jīng)過溫度檢測及變換電路把被測對象的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號，該電壓信號經(jīng)d/a變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入plc中，與給定的對應所要控制的多組溫度值進行比較，找

12、出現(xiàn)溫度值所在范圍，根據(jù)plc中設(shè)置的pid參數(shù)，輸出相應溫度初值對應的受控對象電機的轉(zhuǎn)速初值，經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬電壓，通過信號轉(zhuǎn)化為變頻器的頻率，控制變頻調(diào)速裝置，帶動被控對象，并且把被控對象的轉(zhuǎn)速經(jīng)變換電路和d/a轉(zhuǎn)換器反饋到plc中，與輸出的轉(zhuǎn)速初值進行比較，其偏差被pid程序計算出后重新輸出，在規(guī)定的時間內(nèi)循環(huán)，從而實現(xiàn)對溫度的控制 ，直到達到在誤差允許的范圍內(nèi)輸出的轉(zhuǎn)速值與轉(zhuǎn)速初值相等。對于欠溫度，控制加熱功率；對于過溫度，控制吹風冷卻裝置。方案三：采用at89s52來作為整機的控制單元。它是一個低功耗，高性能cmos 8位plc經(jīng)過信號采集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理來控制溫度。使用

13、相比方案一精確，但是相比帶有溫度元件的plc就顯得不是很方便。比較以上三種方案的優(yōu)缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好，具有電路設(shè)計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點，能達到題目的設(shè)計要求，因此采用方案二來實現(xiàn)本設(shè)計。 圖 2-1 plc的組成框圖本系統(tǒng)的基本工作原理：假定實際爐溫恰好等于給定爐溫，這時u=u(r)-u(t)=0故電動機連同調(diào)節(jié)閥門靜止不動,煤氣流量一定,煉鋼爐處于規(guī)定的恒溫狀態(tài)。如果增加工件，爐的負荷加大，而煤氣流量一時沒變，則爐溫就要下降，使得給出溫度u(t)減小，則有u=u(r)-u(t)>0。經(jīng)過溫度檢測及變換電路把被測對象的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號，該電壓信號經(jīng)d/a變換器

14、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入plc中，與給定的對應所要控制的多組溫度值進行比較，得知系統(tǒng)處于欠溫度狀態(tài)。此時系統(tǒng)會啟動熱電阻，控制加熱功率，從而使爐溫回升，直到重新等于給定值(即u(t)=u(r)為止。如果負荷減小或煤氣壓力突然加大，則爐溫升高。u(t)隨之加大，使u=u(r)-u(t)<0。經(jīng)過溫度檢測及變換電路把被測對象的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號，該電壓信號經(jīng)d/a變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入plc中，與給定的對應所要控制的多組溫度值進行比較，得知系統(tǒng)處于過溫度狀態(tài)。此時系統(tǒng)會啟動風扇，控制吹風冷卻裝置，從而使爐溫下降，直到重新等于給定值為止。由此看出系統(tǒng)是通過熱電偶測量被控量，并反饋到系統(tǒng)的輸入端

15、，從而形成了閉合回路，此反饋信號通過比較線路與給定值進行加法或者減法運算，獲得偏差信號，系統(tǒng)再根據(jù)偏差信號的大小和方向進行調(diào)節(jié)。所以，爐溫度控制系統(tǒng)是一個按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)。爐溫度控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖2.2所示。圖2-2 爐溫控制系統(tǒng)原理方框圖2.2各獨立模塊方案論證2.2.1溫度檢測模塊a. 溫度檢測電路的選擇方案一：熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。方案二：熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應,即兩種不同成分

16、的導體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。其優(yōu)點是： 測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。 測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800（如鎢-錸）。 構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。缺點是熟悉度不夠，想要正確安裝頗有難度。方案三：采用fx2n-8da，它是一種提供8個16位模擬量輸入和溫度傳感輸入模塊，輸入為dc-10+10v和-20+20ma電流或電壓。 這次設(shè)計我采用方案三，使

17、用三菱公司的主控plc，在這基礎(chǔ)上使用它的一個模塊協(xié)調(diào)，且安裝簡便，可操作性強。 表2-1fx2n-8da技術(shù)指標2.2.2主控模塊plcfx2n-2lc，有12位2通道溫度輸入和2通道晶體管輸出，提供自調(diào)整pid控制可以檢測斷線故障。分辨率為0.1攝氏度。它里面有溫度變送器和模擬量輸入電路，對傳感器的非線性進行了校正。溫度可以用攝氏度或華氏度表示，額定溫度范圍為-100到+600，輸出數(shù)字量位1000到+6000，控制周期為500ms、通道，模擬和數(shù)字電路間有光隔離，在程序中占用8個i/o點.圖2-3 plc接線圖 2.2.3變頻調(diào)速模塊a. 變頻調(diào)速器的選擇由n=60f/p知，當極對數(shù)p不

18、變時，同步轉(zhuǎn)速n和電源頻率f成正比。因此，連續(xù)地改變供電電源的頻率，就可以平滑地調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。這樣的調(diào)速方法就是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速具有較好的調(diào)速性能，是交流調(diào)速方法中，具有重要意義的一咱調(diào)速方法。在國內(nèi)外都已得到推廣和應用。目前，國外生產(chǎn)的變頻裝置容量已達一萬千瓦以上，價格和性能都可以與直流系統(tǒng)相媲美。國內(nèi)也有不少產(chǎn)品問世。但是，由于元件制造水平低、價格貴，加上技術(shù)上要求復雜，所以限制了它的推廣和應用。隨著生產(chǎn)與技術(shù)水平的提高，變頻調(diào)速系統(tǒng)必將得到更大的發(fā)展，以致在某些領(lǐng)域逐步代替直流調(diào)速系統(tǒng)。故本系統(tǒng)采用變頻調(diào)速器。b. 變頻調(diào)速器的工作原理變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源

19、輸入頻率成正比的關(guān)系：n =60f(1-s)/p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。三相異步電動機轉(zhuǎn)速公式為：n=60f(1-s)/p。從上式可見，改變供電頻率f、電動機的極對數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可太到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同的調(diào)速方式無非是改變交流電動機的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)兩種。2.2.4功率輸出電路及其控制原理分析加熱絲輸出功率大小的調(diào)節(jié)，可以使用移相調(diào)壓電路，也可以采用占空比開關(guān)電路進行控制。在采用移相調(diào)壓電路時，即將計算得到的控制量經(jīng)d/a變換，控制可控硅的移相觸發(fā)電路，實現(xiàn)輸出電壓的

20、無級調(diào)節(jié)。由于電壓輸出波形的不完整，含有高次諧波分量，對電網(wǎng)有一定的干擾。采用占空比開關(guān)電路控制，即考慮可控硅控制電壓和被控的交流電壓之間以及電熱絲產(chǎn)生的熱量和所加的電壓之間的非線性，通過調(diào)節(jié)周期時間內(nèi)的通電時間來調(diào)節(jié)輸出功率的大小，可以避免d/a轉(zhuǎn)換和信號放大造成的不必要的誤差，也可以通過可控硅的過零觸發(fā)電路避免對電網(wǎng)的諧波干擾。在本系統(tǒng)中采用占空比開關(guān)電路控制，功率輸出電路設(shè)計如圖2-4所示。 圖2-4 功率輸出電路 2.2.5顯示電路設(shè)計方案一：液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。方案二：用led數(shù)碼管來顯示

21、。led電子顯示屏作為一種現(xiàn)代電子產(chǎn)品，以其靈活的顯示面積（可分割、任意拼裝）、高亮度、長壽命、大容量、數(shù)字化、實時性的特點。但本系統(tǒng)plc與液晶顯示器相聯(lián)接太麻煩，但是與led連接時比較簡單。所以選用方案二。 圖2-5 顯示電路接線圖 該顯示中選通信號由y0，y4控制。前一單元顯示設(shè)定溫度，后一單元顯示當前溫度。如當前溫度顯示為10則y0y3為0001000000010000。2.2.6按鍵接入本系統(tǒng)設(shè)計中，輸入按鍵只需三個，用一個來控制溫度的升高與下降，一個用來確認，另一個來取消。plc的輸入接口x1用來接溫度控制按鍵，x2作為確認按鍵輸入，x3作為取消按鍵輸入。在須要降穩(wěn)時按下x1鍵再按

22、確認。如錯按則用x3取消。加熱時按兩下x1，再確認。2.2.7報警電路設(shè)計本系統(tǒng)采用的是一個聲光報警電路。當電路檢測到溫度偏高或者偏低時、電路會產(chǎn)生發(fā)光發(fā)聲報警。聲光報警電路采用高亮的led燈以及蜂鳴器來實現(xiàn)，其電路如下圖2-6所示。圖2-6 聲光報警電路2.2.8溫度調(diào)節(jié)模塊本系統(tǒng)中風扇的作用是,當爐溫過高時,控制風扇對其進行降溫,。當系統(tǒng)處于過溫度狀態(tài)，此時系統(tǒng)會啟動風扇，控制吹風冷卻裝置，從而使爐溫下降，直到重新等于給定值為止。本系統(tǒng)中熱電阻的作用是，當爐溫過低時，控制熱電阻對其進行加熱。當系統(tǒng)處于欠溫度狀態(tài)，此時系統(tǒng)會啟動熱電阻，控制加熱功率，從而使爐溫回升，直到重新等于給定值為止。電

23、路圖如下r3heaterk1relay-spdtq18050r11kr55k1d11n4007con1+12 圖2-7繼電器控制與加熱電路r4fank2relay-spdtq28050r21kr65k1d21n4007con2+12 圖2-8 繼電器控制與降溫電路2.2.9硬件總框圖 下圖是總的接線框圖，在接線配線時需要注意的是在避免干擾的需求教高時最好用屏障電纜。還有是信號線與電纜線應該分開走。plcx = 0x = 0x = 0x = 0x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4輸

24、入模塊按鍵報 警2q / l·h-10 x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x =1x =1x =1x =1h / mh / mh / mh / m 5 10 15 20x = 0x = 0.4x = 0.8x =1h / m 15 20 202q / l·h-10 5 10 15 202q / l·h-10 5 10 15 202q / l·h-10 x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x =1x =1x =1x =1h / mh / mh / mh / m 5 10 15 20x = 0x = 0.4x = 0.8x =1h / m 15 20 202q / l·h-10 5 10 15 202q / l·h-10 5 10 15 20pid46x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4h / m646x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0.4x = 0.4x = 0.4x =