加熱爐溫度控制系統(tǒng)_畢業(yè)論文

1、摘要溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機(jī)的溫度控制系統(tǒng)等。加熱爐溫度控制在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行PID 控制, 然而單片機(jī)控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計較為復(fù)雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處, 然而PLC 在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。加熱爐溫度是一個大慣性系統(tǒng)，一般采用PID調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。隨著PLC功能的擴(kuò)充在許多PLC 控制器中都擴(kuò)充了PID 控制功能, 因此在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場所中采用PLC控制是較為合理的。本設(shè)計是利用西門子S7-200PLC控制加熱爐溫度的控制系統(tǒng)。首先介紹了溫

2、度控制系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)的組成，然后介紹了西門子S7-200PLC和系統(tǒng)硬件及軟件的具體設(shè)計過程。關(guān)鍵詞：溫度控制；PID；溫度傳感器；可控硅電壓調(diào)整器AbstractTemperature control system has been widely used in the industry controlled field，as the temperature control system of boilers and welding machines in steel works、chemical plant、heat-engine plant etc. Heating-stove t

3、emperature control has also been applied widely in all kinds of fields .The application of this aspect is based on SCM which is making the PID control, yet the hardware and software design of DDC system controlled by SCM is somewhat complicated , its not an advantage especially related to logic cont

4、rol, however it is accepted as the best choice when mentioned to PLC. The furnace temperature of heating-stove is a large inertia system，so generally using PID adjusting to control. With the expanding of PLC function, the control function in many PLC controllers has been expanded. Therefore it is mo

5、re reasonable to apply PLC controlling in the applicable fields where logical control and PID control blend together. The design has utilized the control system with which Siemens S7-200 PLC control the temperature heating-stove. In the first place this paper presents the working principles of the t

6、emperature control system and the elements of this system. Then it introduces Siemens S7-200 PLC and the specific design procedures of the hardware and the software.Keywords Temperature control PID temperature pickup SCR Voltage Converter 目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景及意義11.2 研究的主要內(nèi)容11.3 系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)及技術(shù)要

7、求11.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計原理21.5 技術(shù)綜述2第2章 硬件設(shè)計42.1 西門子S7-200 PLC42.1.1 西門子S7-200主要功能模塊介紹42.1.2 開關(guān)量I/O模塊介紹52.2 溫度傳感器52.2.1 熱電偶62.2.2 熱電阻62.3 模擬量輸入模塊82.3.1 EM231模擬量輸入模塊82.3.2 EM232模擬量輸出模塊102.4 可控硅電壓調(diào)整器112.4.1 可控硅電壓調(diào)整器簡介112.4.2 可控硅電壓調(diào)整器的主要性能指標(biāo)122.4.3 雙向可控硅交流調(diào)壓原理122.4.4 可控硅電壓調(diào)整器在加熱爐中的應(yīng)用132.5 本章小結(jié)14第3章 爐溫PID控制算法153.1

8、 PID控制器基本概念153.2 PID控制算法數(shù)字化處理163.3 PID在PLC中的回路指令193.4 模擬量采集的數(shù)字濾波算法213.5 采樣周期的選擇233.6 PID參數(shù)整定243.7 本章小結(jié)27第4章 軟件設(shè)計284.1 STEP7編程軟件簡介284.2 方案設(shè)計思路284.3 程序流程圖304.4 系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)304.5 PLC爐溫控制系統(tǒng)的調(diào)試314.6 本章小結(jié)31第5章 組態(tài)畫面設(shè)計325.1 組態(tài)王簡介325.2 組態(tài)畫面設(shè)計325.2.1 創(chuàng)建項目325.2.2 創(chuàng)建主畫面345.2.3 建立實時趨勢曲線355.2.4 創(chuàng)建報警窗口355.2.5 建立系統(tǒng)原理畫面36

9、5.2.6 建立參數(shù)監(jiān)控畫面375.3 本章小結(jié)38第6章 系統(tǒng)調(diào)試396.1 組態(tài)王與S7-200的通信396.2 啟動組態(tài)王396.3 參數(shù)設(shè)定和監(jiān)控406.4 報警信息提示416.5 趨勢曲線監(jiān)控426.6 本章小結(jié)43結(jié)論44致謝45參考文獻(xiàn)46附錄47附錄249附錄352III第1章 緒論1.1 課題背景及意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制1。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)

10、行PID控制,然而單片機(jī)控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計較為復(fù)雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處,然而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。隨著PLC功能的擴(kuò)充在許多PLC控制器中都擴(kuò)充了PID控制功能,因此在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場所中采用PLC控制是較為合理的，通過采用PLC來對它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)點，而且可以大幅度提高被測溫度的技術(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對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。這也正是本設(shè)計所重點研究的內(nèi)容。1.2 研究的主要內(nèi)容本課題的研究內(nèi)容主要有：1) 溫度的檢測；2) 采用PLC進(jìn)行恒溫控

11、制；3) PID算法在PLC中如何實現(xiàn)；4) PID參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響；5) 溫控系統(tǒng)人機(jī)界面的實現(xiàn)；1.3 系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)及技術(shù)要求本PLC溫度控制系統(tǒng)的具體指標(biāo)要求是：對加熱器加熱溫度調(diào)整范圍為8001000，溫度控制精度小于3，系統(tǒng)的超調(diào)量須小于15%，并具有溫度上下限報警功能和故障報警功能。軟件設(shè)計須能進(jìn)行人機(jī)對話，考慮到本系統(tǒng)控制對象為電爐，是一個大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍較寬，所以本系統(tǒng)對過渡過程時間不予要求。1.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計原理加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1-1所示，它由PLC主控系統(tǒng)、可控硅電壓調(diào)整器、加熱爐、溫度傳感器、溫度變送器等幾個部分組成2。 圖1-1 加

12、熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖通過調(diào)節(jié)雙向可控硅的通斷來調(diào)節(jié)電阻絲的輸出功率，由溫度檢測元件熱電阻將采集到的爐膛溫度信號，經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換為電壓信號，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進(jìn)來的電壓信號轉(zhuǎn)化為西門子S7-200PLC可識別的數(shù)字量。用編制好的程序?qū)ζ溥M(jìn)行計算，得到實際溫度值，在與給定的溫度值比較，得到的偏差經(jīng)過PID運算后，輸出的數(shù)字量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，在由模擬量輸出模塊送給可控硅電壓調(diào)整器，產(chǎn)生可控硅脈沖觸發(fā)信號，該信號觸發(fā)可控硅電路，最終由該電路驅(qū)動電爐的加熱絲，通過調(diào)整可控硅觸發(fā)信號（即調(diào)節(jié)供電電壓每個周期的導(dǎo)通角），即可控制電爐電壓的通斷及大小，進(jìn)而達(dá)到控制爐溫的目的。1.5 技

13、術(shù)綜述自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應(yīng)參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平。

14、成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復(fù)雜時變溫度系統(tǒng)控制，而且適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少?，F(xiàn)在，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外還有著一定的差距。溫度控制系統(tǒng)大致可分別用3種方式實現(xiàn)，一種是用儀器儀表來控制溫度，這種方法控制的精度不高。另一種是基于單片機(jī)進(jìn)行PID控制，然而單片機(jī)控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計較為復(fù)雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處, 而PLC 在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。隨著PLC功能的擴(kuò)充在許多PLC 控制器中都擴(kuò)充了PID控制功能。因此本設(shè)計選

15、用西門子S7-200PLC來控制加熱爐的溫度。第2章 硬件設(shè)計隨著微處理器、計算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。本章主要介紹西門子S7-200系列PLC以及其它硬件的組成與選型。2.1 西門子S7-200 PLCS7-200 系列 PLC 是由德國西門子公司生

16、產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能夠滿足多種自動化控制的需求，其設(shè)計緊湊，價格低廉，并且具有良好的可擴(kuò)展性以及強(qiáng)大的指令功能，可代替繼電器在簡單的控制場合，也可以用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強(qiáng)的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用3。S7-200系列可以根據(jù)對象的不同, 可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上。2.1.1 西門子S7-200主要功能模塊介紹S7-200的CPU 模塊包括一個中央處理單元,電源以及數(shù)字I/O 點,這些都被集成在一個緊湊,獨立的設(shè)備中。CPU 負(fù)責(zé)執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號,輸出部分則輸出控制信號,驅(qū)動

17、外部負(fù)載.從 CPU 模塊的功能來看, CPU 模塊為CPU22*,它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置CPU 單元：CPU221 它有 6 輸入/4 輸出,I/0 共計 10 點.無擴(kuò)展能力,程序和數(shù)據(jù)存 儲容量較小,有一定的高速計數(shù)處理能力,非常適合于少點數(shù)的控制系統(tǒng)。CPU222 它有8 輸入/6 輸出，I/0 共計 14 點，和 CPU 221 相比,它可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個模塊的擴(kuò)展,因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。CPU224 它有 14 輸入/10 輸出，I/0 共計 24 點，和前兩者相比,存儲容量 擴(kuò)大了一倍,它可以有 7個擴(kuò)展模塊,有內(nèi)置時鐘,它有更強(qiáng)的模擬量和高速計數(shù)的處

18、理能力,是使用得最多 S7-200 產(chǎn)品。CPU224XP 它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計 40 點,和 CPU224 相比,增加了 通信口的數(shù)量,通信能力大大增強(qiáng)。它可用于點數(shù)較多,要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。CPU226它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計 40 點,它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進(jìn)行了擴(kuò)展,其他指標(biāo)和 CPU224XP相同。2.1.2 開關(guān)量I/O模塊介紹當(dāng) CPU 的 I/0 點數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時,就要進(jìn)行 I/O 擴(kuò) 展,I/O 擴(kuò)展包括 I/O 點數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。通常開關(guān)量 I/O 模塊產(chǎn)品 分 3 種類型:輸入模

19、塊,輸出模塊以及輸入/輸出模塊。為了保證 PLC 的工作可 靠性,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術(shù)措施。如光電隔離,輸入保護(hù)(浪 涌吸收器,旁路二極管,限流電阻),高頻濾波,輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。由于 PLC 要控制的對象有多種,因此輸出模塊也應(yīng)根據(jù)負(fù)載進(jìn)行選擇,有直流輸出模塊, 交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開關(guān)器件種類不同又分為 3 種：繼電 器輸出型,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中,從輸出響應(yīng)速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中；若從 與外部電路安全隔離角度看,繼電器輸出型最好。在實際使用時，亦應(yīng)仔細(xì)查看開關(guān)量 I/O 模塊的技術(shù)特性，按

20、照實際情況進(jìn)行選擇。 由于本系統(tǒng)是單回路的反饋系統(tǒng)，CPU224XP相比與其他型號具有更好的硬件指標(biāo)，其上自帶有模擬量的輸入和輸出通道，因此節(jié)省了元器件的成本，CPU224XP自帶的模擬量I/O規(guī)格如表2-1所示： 表2-1 模擬量I/O配置表I/O信號信號類型電壓信號電流信號模擬量輸入*2±10V/模擬量輸出010V020mACPU224XP自帶的模擬量輸入通道有2個，模擬量輸出通道1個。在S7-200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號的數(shù)值范圍是032000，雙極性模擬信號的數(shù)值范圍是-32000+320004。2.2 溫度傳感器溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度

21、密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學(xué)會的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進(jìn)行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。2.2.1 熱電偶 工業(yè)熱電偶作為測量溫度的傳感器，

22、通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中不同范圍的溫度。若配接輸出4-20mA、0-10V等標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓信號的溫度變送器，使用更加方便、可靠。對于實驗室等短距離的應(yīng)用場合，可以直接把熱電偶信號引入PLC進(jìn)行測量。熱電偶的工作原理是,兩種不同成份的導(dǎo)體,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當(dāng)熱端和冷端存在溫差時，就會在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)；接上顯示儀表，儀表上就會指示所產(chǎn)生的熱電動勢隨動勢的對應(yīng)溫度值，電溫度升高而增長。熱電動勢的大小只和熱電偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關(guān)，而和熱電偶的長短粗細(xì)無關(guān)。根據(jù)使用場合的不

23、同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。2.2.2 熱電阻 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度測量元件。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增

24、加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。當(dāng)電阻值變化時，二次儀表便顯示出電阻值所對應(yīng)的溫度值。通常用PT100來表示,其中PT后的100即表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為138.5歐姆。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定，典型的有銅熱電阻、鉑熱電阻等,其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀，它的阻值會隨著溫度的變化而改變，在-200+850范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢。鉑熱電阻根據(jù)使用場合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及其它智能模塊或儀表配

25、套使用，為它們提供精確的輸入值。若做成一體化溫度變送器，可輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號或0-10V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，使用起來更為方便。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對應(yīng)起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實測的AD值以查表方式計算相應(yīng)溫度值5。工業(yè)上將鉑電阻R0分別在50和100（稱Pt100）的條件下，制成相應(yīng)Rt-t關(guān)系制成分度表，供查用。如表2-2所示：表2-2 鉑熱電阻分度表工作端溫度/Pt100

26、工作端溫度/Pt100工作端溫度/Pt100-5080.31100138.51250194.10-4084.27110142.29260197.71-3088.22120146.07270201.31-2092.16130149.83280204.90-1096.09140153.58290208.480100.00150157.33300212.0510103.90160161.05310215.6120107.79170164.77320219.1530111.67180168.48330222.6840115.54190172.17340226.2150119.40200175.8635

27、0229.7260123.24210179.53360233.2170127.08220183.19370236.7080139.90230186.84380240.1890134.71240190.47390243.64常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點是將PT100的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。本設(shè)計采用的就是三線制電橋接線。如圖2-1所示： 圖2-1 熱電阻三線制電橋接法由于鉑熱電阻測出的是溫度變化，需要在將信號輸入PLC前加一個溫度變送器，將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。本系

28、統(tǒng)采用的是0-10V標(biāo)準(zhǔn)溫度變送器，使用過程中要加一個24V的電源，該電源可以從PLC上直接獲得。如圖2-2所示：圖2-2 PT100標(biāo)準(zhǔn)一體化溫度變送器接線圖2.3 模擬量輸入模塊S7-200系列PLC模擬量I/O模塊主要由EM231模擬量4路輸入、EM232模擬量2路輸出和EM235模擬量4輸入/1輸出混合模塊3種，另外還有EM231模擬量輸入熱電偶模塊和EM231模擬量輸入熱電阻模塊7。2.3.1 EM231模擬量輸入模塊 傳感器檢測到溫度轉(zhuǎn)換成010V的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入PLC內(nèi)部的模擬量輸入寄存器AIW中。在這里，我們選用了西門子EM2

29、31模擬量輸入模。存儲在16位模擬量寄存器AIW中的數(shù)據(jù)有效位為12位，其格式如圖2-3所示。對單極性格式，最高位為符號位，最低3位是測量精度，即A/D轉(zhuǎn)換是以8為單位進(jìn)行的；對于雙極性格式，最低4位為轉(zhuǎn)換精度，A/D轉(zhuǎn)換是以16為單位進(jìn)行的。圖2-3 模擬量輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字量格式使用模擬量輸入模塊時，首先需要根據(jù)模擬量信號的類型及范圍通過模擬量模塊有右下側(cè)的DIP設(shè)定開關(guān)進(jìn)行輸入信號的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設(shè)計選用的電壓信號為010V作為模擬量模塊的輸入信號，則DIP選擇開關(guān)應(yīng)選為SW1開、SW2關(guān)、SW3開。使用模擬量輸入模塊時，首先需要根據(jù)模擬量信號的類型及范圍通過模擬量模塊

30、有右下側(cè)的DIP設(shè)定開關(guān)進(jìn)行輸入信號的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設(shè)計選用的電壓信號為010V作為模擬量模塊的輸入信號，則DIP選擇開關(guān)應(yīng)選為SW1開、SW2關(guān)、SW3開。如圖2-4所示： 圖2-4 EM231選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表選好DIP開關(guān)的設(shè)置后，還需對輸入信號進(jìn)行整定，輸入信號的整定就是要確定模擬量輸入信號與數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系，通過設(shè)定DIP設(shè)定開關(guān)左側(cè)的增益旋鈕可調(diào)整該模塊的輸入輸出關(guān)系。為了使DIP開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給PLC的電源斷電再通電。如圖2-5所示：圖2-5 EM231模擬量輸入模塊端子及DIP開關(guān)示意圖經(jīng)上述調(diào)整后，若輸入電壓范圍為010V的模擬

31、量信號，則對應(yīng)的數(shù)字量結(jié)果應(yīng)為032000或所需要數(shù)字2.3.2 EM232模擬量輸出模塊 EM232模擬量輸出的過程是將PLC模擬量輸出寄存器AQW中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為可用于驅(qū)動元件的模擬量，其外部接線端子及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖2-6所示：圖2-6 EM232模擬量輸出模塊外部接線圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖可知，存儲于AQW中的數(shù)字量經(jīng)EM232模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器分為兩路信號輸出，一路經(jīng)電壓輸出緩沖器輸出標(biāo)準(zhǔn)的-10+10V 電壓信號，令一路經(jīng)電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出標(biāo)準(zhǔn)的020mA的電流信號。在16位的模擬量輸出寄存器AQW0中的數(shù)字量其有效位為12位，格式如圖2-7所示。數(shù)據(jù)的最高有效位是符號位，最低4位在轉(zhuǎn)換

32、為模擬量輸出值時，將自動屏蔽。圖2-7 模擬量輸出數(shù)據(jù)之間的數(shù)字量格式2.4 可控硅電壓調(diào)整器2.4.1 可控硅電壓調(diào)整器簡介 ZK系列可控硅電壓調(diào)整器與可控硅配合使用，能作為單相或三相的電壓功率調(diào)整，其調(diào)節(jié)精度較高，抗干擾能力強(qiáng)。能以自動方式（外給定信號）或手動發(fā)式（內(nèi)給定）對單向或雙向可控硅進(jìn)行移相或過零觸發(fā)，實現(xiàn)可控硅調(diào)功或調(diào)壓控制。其中移相觸發(fā)方式是通過改變可控硅導(dǎo)通角大小，調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓，從而調(diào)節(jié)負(fù)載加熱功率，而過零觸發(fā)方式則是通過改變可控硅在一定周期內(nèi)的通斷時間，調(diào)節(jié)負(fù)載電源通斷的占空比，從而調(diào)節(jié)負(fù)載加熱功率，通過與相應(yīng)的控制儀表配合使用實現(xiàn)負(fù)載對象輸入功率的自動調(diào)節(jié)，達(dá)到精確

33、控制溫度的目的9。本系列儀表采用了先進(jìn)的脈沖信號處理技術(shù)及抗干擾處理，控制輸出采用小型晶閘管強(qiáng)觸發(fā)方式，并引進(jìn)先進(jìn)的光點耦合技術(shù)進(jìn)行光電隔離，相位采集和脈沖信號傳輸，并采用光條代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動圈表頭指示輸出功率，從而使本系列控制器具有以下優(yōu)點：（1）優(yōu)異的抗干擾性能。（2）采用新穎的小型晶閘管強(qiáng)觸發(fā)電路，觸發(fā)電路與電網(wǎng)實行光電隔離，從而保證各種可控硅快速可靠開通，安全可靠。（3）手動、自動控制可任意按鍵切換，操作直觀方便，功率指示燈為光條指示百分比，清晰直觀無視差。有010mA , 420m A,05V,15V等多種控制觸發(fā)信號輸入方式供選擇。（4）晶閘管運行時無噪音，壽命長，功率因數(shù)高。（5）體

34、積小，重量輕，操作簡單，使用方便，接線容易，無需調(diào)試（6）可用于各種單相電路以及三相負(fù)載星型接法及三角形接法。2.4.2 可控硅電壓調(diào)整器的主要性能指標(biāo)本設(shè)計采用ZK-1可控硅電壓調(diào)整器，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）輸入信號：010mA（輸入阻抗800）或420mA（輸入阻抗250）；（2）輸入脈沖：幅值不小于3V、寬度不小于50 us(20負(fù)載時)；（3）移相觸發(fā)型最大導(dǎo)通角，不小于150度；（4）工作環(huán)境：溫度0-50相對濕度不超過85%的無腐蝕性氣體場合；（5）電源：交流220V±15%,50Hz約3VA；（6）重量：約0.8Kg；2.4.3 雙向可控硅交流調(diào)壓原理雙向可控硅交流

35、調(diào)壓原理：一只雙向可控硅的工作原理，可等效兩只同型號的單向可控硅互相反向并聯(lián)，然后串聯(lián)在調(diào)壓電路中實現(xiàn)其可控硅交流調(diào)壓的。為50Hz交流電的電壓波形。在0時間內(nèi)，SCR1因控制極無正脈沖信號而正向阻斷，而SCR2則反向不導(dǎo)通。在時間內(nèi),SCR1控制極受觸發(fā)脈沖觸發(fā)而導(dǎo)通.。如圖2-8所示：圖2-8 雙向可控硅導(dǎo)通原理圖將可控硅在正向陽極電壓作用下不導(dǎo)通的范圍稱為控制角，用字母表示，而導(dǎo)通范圍稱為導(dǎo)通角，用字母表示。顯然控制角的大小，可改變正負(fù)半周波形切割面積的大小。當(dāng)越小被切割的波形面積越小，輸出交流電壓的平均值越大。相反，當(dāng)角越大，被切割的波形面積越大，輸出交流電壓的平均值越小。例如在30度

36、加一脈沖，可控硅只能通過余下的150度的電壓。加熱器倆端的電壓受可控硅觸發(fā)角的控制，通過控制加在可控硅控制極觸發(fā)脈沖的時刻（的大?。┘纯蓪崿F(xiàn)加熱器的功率或溫度的調(diào)節(jié)。當(dāng)增大時，電阻絲兩端電壓U降低，加熱器功率下降，溫度降低，反之，則溫度升高。2.4.4 可控硅電壓調(diào)整器在加熱爐中的應(yīng)用1. ZK-1可控硅電壓調(diào)整器在220V加熱爐中的應(yīng)用ZK-1可控硅電壓調(diào)整器作為單相電壓調(diào)整器，其工作電壓為220V,當(dāng)工作處于手動或自動狀態(tài)時，隨著輸入信號的變化，輸出的門控信號的移相范圍也跟著變化，從而改變可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到不同的輸出電壓比例，導(dǎo)通角的范圍是0100%,調(diào)整電壓范圍是0220V這樣可以通過

37、控制加熱元件的發(fā)熱功率來控制溫度。使用時，需在可控硅的輸出端加上反饋，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。ZK-1可控硅電壓調(diào)整器在電加熱爐系統(tǒng)中的硬件框圖如下圖2-9所示：圖2-9 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件框圖2. ZK-1可控硅電壓調(diào)整器在380V加熱爐中的應(yīng)用在交流380V電加熱爐設(shè)備中，電源電壓為380V，在設(shè)備的調(diào)試和使用中發(fā)現(xiàn)，即使ZK-1可控硅電壓調(diào)整器的導(dǎo)通角達(dá)到100%，輸出電壓始終上不去，限制在220V左右，這與要求輸出的380V電壓相差甚遠(yuǎn)。因為ZK-1可控硅電壓調(diào)整器的工作電壓為交流220V，電路系統(tǒng)當(dāng)中，其工作電壓和反饋電壓都是以220V為標(biāo)準(zhǔn)，輸出電壓比例為0100%。這樣，在主

38、回路為交流380V電路系統(tǒng)中，要想達(dá)到220V的輸出，通過從輸出端直接加反饋至ZK-1可控硅電壓調(diào)整器的反饋輸入端，顯然達(dá)不到目的。所以，我們在輸出端至反饋輸入端之間加一個控制變壓器（380V/220V），這樣輸出電壓就可以達(dá)到0380V。反饋回路加變壓器控制原理圖如下圖2-10所示。圖2-10 反饋回路加變壓器控制原理圖3. ZK-1可控硅電壓調(diào)整器接口匹配情況在電加熱爐系統(tǒng)中，本系統(tǒng)選用的模擬量輸出信號為010V的電壓信號，與ZK-1可控硅電壓調(diào)整器的輸入信號（要求010mA電流信號）不匹配，解決方法如下：（1）使用變流器，將010V的電壓信號轉(zhuǎn)換為010mA電流信號。（2）對ZK-1可控

39、硅電壓調(diào)整器的信號輸入電路作部分改動，即增大輸入電阻值。2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了本系統(tǒng)的主要硬件的設(shè)計，包括S7-200的選型、溫度傳感器的選擇、還有可控硅電壓調(diào)整器的選型，詳細(xì)介紹了各個器件的硬件特性以及在整個控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。第3章 爐溫PID控制算法在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和

40、現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的11。3.1 PID控制器基本概念比例（P）控制：比例控制是一種最簡單,最常用的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，

41、則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(de

42、lay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示： 圖3-1 PID模擬控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器的微分方程和傳遞函

43、數(shù)形式為: Error! No bookmark name given. ( 3.1 ) （3.2）3.2 PID控制算法數(shù)字化處理為了能讓數(shù)字計算機(jī)處理這個控制式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值，數(shù)字計算機(jī)處理的算式如下：Mn =Kc*en +Ki*ex+Mintial+Kd*(en-en-1) （3.3） 輸出=比例項+積分項+微分項其中：Mn 在采樣時刻n，PID回路輸出的計算值 Kc PID回路增益 en 采樣時刻n回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的前一個值 ex 采樣時刻x的回路偏差值 Ki 積分項的比例常數(shù) Mintial 回路輸出的初始值 Kd 微分

44、項的比例常數(shù)從這個公式可以看出，積分項是從第一個采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差項的函數(shù)，微分項是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項是當(dāng)前采樣的函數(shù)，在數(shù)字計算機(jī)中，不保存所有的誤差項，實際上也不必要。由于計算機(jī)從第一次采樣開始，每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，只要保存偏差前值和積分項前值。作為數(shù)字計算機(jī)解決的重復(fù)性的結(jié)果，可以得到在任何采樣時刻必須計算的方程的一個簡化算式。簡化算式是：Mn =Kc*en +Ki*en +MX+Kd*(en-en-1) （3.4）輸出=比例項+積分項+微分項其中：Mn 在第n采樣時刻，PID回路輸出的計算值 Kc PID回路增益 en 采樣時刻n回路的偏差

45、值 en-1 回路的偏差值的前一個值 Ki 積分項的比例常數(shù) MX 積分項前值 Kd 微分項的比例常數(shù)CPU實際上使用以上簡化算式的改進(jìn)形式計算PID輸出，這個改進(jìn)型算式是：Mn =MPn +MIn +MDn (3.5)輸出=比例項+積分項+微分項其中：Mn 第n采樣時刻的計算值 MPn 第n采樣時刻的比例項值 Min 第n采樣時刻的積分項值 MDn 第n采樣時刻的微分項值比例項MP是增益（Kc）和偏差（e）的乘積。其中Kc決定輸出對偏差的靈敏度，偏差（e）是給定值（SP）與過程變量值（PV）之差，S7-200解決的求比例項的算式是：MPn=Kc*（SPn-PVn） (3.6)其中：MPn 第

46、n采樣時刻比例項的值 Kc 增益 SPn 第n采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值積分項值MI與偏差和成正比。S7-200解決的求積分的算式是：MIn=Kc*Ts/Ti*(SPn-PVn)+MX (3.7)其中：MIn 第n采樣時刻積分項的值 Kc 增益 Ts 采樣時間間隔 Ti 積分時間 SPn 第n采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值 MX 第n-1采樣時刻積分項（積分項前值） 積分和（MX）是所有積分項前值之和，在每次計算出MIn后，都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被調(diào)整或限制，MX的處置通常在第一次計算輸出以前被設(shè)為Minitial（初值）。積分項

47、還包括其他幾個常數(shù)：增益（Kc），采樣時間（Ts）和積分時間（Ti）。其中采樣時間是重新計算輸出的時間間隔，而積分時間控制積分項在整個輸出結(jié)果中影響的大小。微分項值Md與偏差的變化成正比，S7-200使用下列算式來求解微分項：Mdn=Kc*Td/Ts*(SPn-PVn)-(SPn-1-PVn-1) (3.8)為了避免給定值變化的微分作用而引起的跳變，假定給定值不變SPn=SPn-1，這樣可以用過程變量的變化替代偏差的變化，計算算式可改進(jìn)為：Mdn=Kc*Td/Ts*(SPn-PVn-SPn+PVn-1) (3.9)或Mdn=Kc*Td/Ts*(PVn-1+PVn) (3.10)其中：Mdn 第

48、n采樣時刻的微分項值 Kc 回路增益 Ts 回路采樣時間 Td 微分時間 SPn 第n采樣時刻的給定值 SPn-1 第n-1采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值 PVn-1 第n-1采樣時刻的過程變量的值為了下一次計算微分項值，必須保存過程變量，而不是偏差，在第一采樣時刻，初始化為PVn-1=PVn。在許多控制系統(tǒng)中，只需要一兩種回路控制類型。例如只需要比例回路或者比例積分回路，通過設(shè)置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類型。如果不想要積分動作（PID計算中沒有“I”），可以吧積分時間（復(fù)位）置為無窮大“INF”。即使沒有積分作用，積分項還是不為零，因為有初值MX。如果不想要微分

49、回路，可以把微分時間置為零。如果不想要比例回路，但需要積分或積分微分回路，可以把增益設(shè)為0.0，系統(tǒng)會在計算積分項和微分項時，把增益當(dāng)做1.0看待。3.3 PID在PLC中的回路指令現(xiàn)在很多PLC已經(jīng)具備了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是專用模塊，有些是指令形式。西門子S7-200系列PLC中使用的是PID回路指令。見表3-1。表3-1 PID回路指令名稱PID運算指令格式PID指令表格式PID TBL，LOOP梯形圖使用方法：當(dāng)EN端口執(zhí)行條件存在時候，就可進(jìn)行PID運算。指令的兩個操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB200，因為一

50、個PID回路占用了32個字節(jié)，所以VD200到VD232都被占用了。LOOP是回路號，可以是07，不可以重復(fù)使用。PID回路在PLC中的地址分配情況如表3-2所示。 表3-2 PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據(jù)類型說明0過程變量（PVn）雙字實數(shù)必須在0.01.0之間4給定值（SPn）雙字實數(shù)必須在0.01.0之間8輸出值（Yn）雙字實數(shù)必須在0.01.0之間12增益（Kc）雙字實數(shù)比例常數(shù)，可正可負(fù)16采樣時間（Ts）雙字實數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20積分時間（Ti）雙字實數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時間（Td）雙字實數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項前值（YX）雙字實數(shù)必須在0.01.

51、0之間32過程變量前值（PVn-1）雙字實數(shù)最后一次執(zhí)行PID指令的過程變量值1. 回路輸出數(shù)值轉(zhuǎn)換方法本文中，設(shè)定的溫度是給定值SP，需要控制的變量是爐子的溫度。但它不完全是過程變量PV，過程變量PV和PID回路輸出有關(guān)。在本文中，經(jīng)過測量的溫度信號被轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號溫度值才是過程變量，所以，這兩個數(shù)不在同一個數(shù)量值，需要他們作比較，那就必須先作一下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。從EM231模擬量輸入模塊采集到的過程量都是實際的工程量，其幅度、范圍和測量單位都會不同。在PLC內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)運算之前，必須將這些值轉(zhuǎn)換為無量綱的標(biāo)準(zhǔn)化格式0.01.0。其轉(zhuǎn)換程序如下:XORD AC0, AC0 MOVW AIW0, A

52、C0DTR AC0, AC0/R 64000.0, AC0+R 0.5, AC0MOVR AC0, VD200在這段程序中，將實數(shù)格式的工程實際值轉(zhuǎn)換為0.01.0間的無量綱相對值，用到下面的公式: （3.11）式中, Rnoum標(biāo)準(zhǔn)化的實數(shù)值； Rraw 未標(biāo)準(zhǔn)化的實數(shù)值; Span值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32000.雙極性為64000。 Offest 補(bǔ)償值或偏置，單極性為0.0，雙極性為0.5;本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為: （3.12）2. 回路輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法本設(shè)計中，回路的輸出值是在0.01.0之間，是一個標(biāo)準(zhǔn)化了的實數(shù)格式的數(shù)據(jù)，在輸出變量傳送給

53、D/A模擬量單元之前，必須把回路輸出變量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù)。這一過程是實數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化的逆過程。 （3.13）假定PID運算的標(biāo)準(zhǔn)化實數(shù)格式結(jié)果存儲在AC0中，則經(jīng)過下面程序段的轉(zhuǎn)換，存儲在模擬量寄存器AQW0中的數(shù)據(jù)為一個按工程量標(biāo)定后的16為數(shù)字值。程序如下： MOVR VD 208, AC0 -R 0.5, AC0 *R 64000.0, AC0 TRUNC AC0 , AC0 MOVW AC0, AQW03.4 模擬量采集的數(shù)字濾波算法PLC除了可以對開關(guān)量控制外，還可以進(jìn)行模擬量的處理。典型的PLC模擬量處理是將工業(yè)現(xiàn)場的各種被控對象（如溫度、壓力、流量、液位等）通過相應(yīng)的傳感器將其變換為一標(biāo)準(zhǔn)的模擬電量（常見的是電壓、電流），電壓電流等模擬量常常會因為現(xiàn)場的瞬時干擾而產(chǎn)生較大的波動，這種波動經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后亦反映在PLC的數(shù)字量輸入端。為了消除工業(yè)現(xiàn)場瞬時干擾對模擬量信號的影響，提高模/數(shù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確 ，就必須在硬件和軟件上采取相應(yīng)的抗干擾措施。在硬件上，抗干擾措施一般是在布線時將信號傳輸線和動力線分開布線，信號傳輸線采取屏蔽處理。而在軟件中采取的抗干擾措施一般是數(shù)字濾波算法，即將模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行過濾處理，力爭將干擾