加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文題 目： 加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 專(zhuān) 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 完成時(shí)間： 2013年05月28 日 摘 要 可編程控制器是一種應(yīng)用很廣泛的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)融為一體，具有控制力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn)。 本文通過(guò)對(duì)電加熱爐溫度控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外情況的分析，確定了設(shè)計(jì)目標(biāo)。主要通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，硬件的選擇、設(shè)計(jì)、使用，軟件程序的編寫(xiě)等方面作了論述，并詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊的原理、設(shè)計(jì)和使用，對(duì)程序中所使用的控制算法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。在此設(shè)計(jì)中以西門(mén)子S7-200PLC作為控制核心，

2、通過(guò)溫度檢測(cè)變送單元對(duì)加熱爐溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，由模擬量擴(kuò)展模塊EM235將檢測(cè)信號(hào)傳輸給PLC,經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)控制調(diào)功器改變加熱器，以此達(dá)到對(duì)系統(tǒng)溫度的控制作用。關(guān)鍵詞： 電加熱爐，S7-200PLC，溫度控制系統(tǒng)Abstract The programmable controller is a automatic control device which is widely used, it will be the traditional relay control technology, computer technology, communication tec

3、hnology com., has strong control ability, flexible and convenient operation, high reliability, suitable for long-term continuous working characteristics. Based on the analysis of the electric heating furnace temperature control system at home and abroad situation, determine the objectives of the des

4、ign. Mainly through the design of the overall scheme of the system, hardware selection, design, use, software programming and other aspects, and introduces the principle, design and use of each module, the control algorithm used in the program are described in detail. In this design the Siemens S7-2

5、00PLC as control core, through the temperature detection transmission unit for real-time detection of the temperature of the heating furnace, by analog expansion module EM235 will detect the signal transmission to PLC, after PID operation and the output control signal, the control signal by controll

6、ing the power regulator changing heater, to control the function of the system temperature.Keywords: electric heating furnace，S7-200PLC，temperature control system 目 錄摘 要.IAbstract.II1 緒 論11.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景11.2 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r11.3 本文的研究?jī)?nèi)容32 設(shè)計(jì)總體方案及控制算法描述42.1系統(tǒng)總體方案42.1.1 硬件方案設(shè)計(jì)42.1.2 軟件方案設(shè)計(jì)52.2 PID控制算法72.2.1 PID

7、算法72.2.2 PID參數(shù)整定方法83 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)103.1 系統(tǒng)的硬件組成103.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成103.1.2 系統(tǒng)各個(gè)組成部分完成的任務(wù)103.2 可編程控制器103.2.1 PLC的特點(diǎn)113.2.2 PLC的選型113.2.3 西門(mén)子S7-200主要功能模塊介紹123.2.4 S7-200PLC中PID回路指令153.3系統(tǒng)其他硬件選型及配置183.3.1 顯示模塊183.3.2 集成式溫度傳感器193.3.3 調(diào)功器203.3.4 主電路接線說(shuō)明224 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)244.1 編程軟件簡(jiǎn)介244.2 程序設(shè)計(jì)244.2.1 主程序部分264.2.2 標(biāo)度變換子程序294.2

8、.2 顯示模塊子程序314.2.3 PID初始化子程序及中斷程序355 系統(tǒng)軟件仿真415.1 系統(tǒng)仿真軟件415.2 對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行仿真425.2.1 仿真準(zhǔn)備工作425.2.2 仿真過(guò)程425.2.3仿真結(jié)果分析46總 結(jié)47參考文獻(xiàn)48致 謝49附錄 主電路接線圖501 緒 論1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景溫度作為幾種重要過(guò)程變量之一，對(duì)溫度的控制在各種過(guò)程控制系統(tǒng)中占據(jù)重要位置，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，人們對(duì)溫度控制精確度要求也越來(lái)越來(lái)高，溫度控制的技術(shù)也得到迅速發(fā)展。各種控制算法如：PID控制算法，模糊控制算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等都在溫度控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，加熱爐的溫度控制系統(tǒng)是比較常見(jiàn)和典

9、型的過(guò)程控制系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)中重要的被控參數(shù)之一，冶金、機(jī)械、食品、化工等各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐，對(duì)工件的處理均需要對(duì)溫度進(jìn)行控制。由于許多實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度的影響因素是多方面的，使得溫度的控制比較復(fù)雜，而傳統(tǒng)的溫度控制器多由繼電器組成的，但是繼電器的觸點(diǎn)使用壽命有限，故障率偏高，穩(wěn)定性差，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代的控制要求。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式微型計(jì)算機(jī)在工業(yè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在溫度控制系統(tǒng)中，使得溫度控制系統(tǒng)變得更小型，更智能。隨著國(guó)家的“節(jié)能減排”政策的提出，嵌入式溫度控制系統(tǒng)能夠降低能耗，節(jié)約成本這一優(yōu)點(diǎn)使得其擁有更加廣闊的市場(chǎng)前景，

10、而PLC就是最具代表性的一員。目前智能溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，適用于家電、汽車(chē)、材料、電力電子等行業(yè)，成為發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要熱工設(shè)備之一。在現(xiàn)代化的建設(shè)中，能源的需求非常大，然而我國(guó)的能源利用率極低，所以實(shí)現(xiàn)溫度控制的智能化，有著極重要的實(shí)際意義。1.2 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研以及日常生活等領(lǐng)域占有重要的地位。溫度控制系統(tǒng)是人類(lèi)供熱、取暖的主要設(shè)備的驅(qū)動(dòng)來(lái)源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史，期間，從低級(jí)到高級(jí)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對(duì)溫度控制精度要求的不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術(shù)得到迅速

11、發(fā)展。當(dāng)前比較流行的溫度控制系統(tǒng)有基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機(jī)（IPC）的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）等。單片機(jī)的發(fā)展歷史雖不長(zhǎng)，但它憑著體積小，成本低，功能強(qiáng)大和可靠性高等特點(diǎn)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)已經(jīng)由開(kāi)始的4位機(jī)發(fā)展到32位機(jī)，其性能進(jìn)一步得到改善。基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作精度高，但相對(duì)其他溫度系統(tǒng)而言，單片機(jī)響應(yīng)速度慢、中斷源少，不利于在復(fù)雜的，高要求的系統(tǒng)中使用。PLC是一種數(shù)字控制專(zhuān)用電子計(jì)算機(jī)，它使用了可編程序存儲(chǔ)器儲(chǔ)存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)與演算等功能，并

12、通過(guò)模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機(jī)械或工作程序。PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單，易于被工程人員掌握和使用，目前在工業(yè)領(lǐng)域上被廣泛應(yīng)用。相對(duì)于IPC，DCS，F(xiàn)SC等系統(tǒng)而言，PLC是具有成本上的優(yōu)勢(shì)。因此，PLC占領(lǐng)著很大的市場(chǎng)份額，應(yīng)用前景廣泛。工控機(jī)（IPC）即工業(yè)用個(gè)人計(jì)算機(jī)。IPC的性能可靠、軟件豐富、價(jià)格低廉，應(yīng)用日趨廣泛。它能夠適應(yīng)多種工業(yè)惡劣環(huán)境，抗振動(dòng)、抗高溫、防灰塵，防電磁輻射。計(jì)算機(jī)提供了諸如數(shù)字濾波，積分分離PID，選擇性PID，參數(shù)自整定等各種靈活算法，以及“模糊判斷”功能，是常規(guī)儀表和人力難以實(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在工業(yè)鍋爐溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)中采用控機(jī)工可大

13、大改善了對(duì)鍋爐的監(jiān)控品質(zhì)，提高了平均熱效率。但如果單獨(dú)采用工控機(jī)作為控制系統(tǒng)，又有易干擾和可靠性差的缺點(diǎn)。集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS）是一種功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系統(tǒng)。與常規(guī)儀表相比具有豐富的監(jiān)控、協(xié)調(diào)管理功能等特點(diǎn)。DCS的關(guān)鍵是通信。也可以說(shuō)數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計(jì)就決定了總體的靈活性和安全性?；綝CS的溫度控制系統(tǒng)提供了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和管理水平，能減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有助于提高系統(tǒng)的效率。但DCS在設(shè)備配置上要求網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源甚至模件等都為冗余結(jié)構(gòu)，支持無(wú)擾切換和帶電插拔，由于設(shè)

14、計(jì)上的高要求，導(dǎo)致DCS成本太高?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段的系統(tǒng)。其優(yōu)勢(shì)在于網(wǎng)絡(luò)化、分散化控制?；诳偩€控制系統(tǒng)（FCS）的溫度控制系統(tǒng)具有高精度，高智能，便于管理等特點(diǎn)，F(xiàn)CS系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，能直接執(zhí)行傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能。而且它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置(含變送器、執(zhí)行器等)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)和組態(tài)，這是其他系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的。但是，F(xiàn)CS還沒(méi)有完全成熟，它才剛剛進(jìn)入實(shí)用化的現(xiàn)階段，另一方面，目前現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)共有12種之多，這給FSC的廣泛應(yīng)用添加了很大的阻力。各種溫度系統(tǒng)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，用戶(hù)需要根據(jù)實(shí)際

15、需要選擇系統(tǒng)配置，當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)用中，為了達(dá)到更好的控制系統(tǒng)，可以采取多個(gè)系統(tǒng)的集成，做到互補(bǔ)長(zhǎng)短。溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著較大差距。成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)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(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開(kāi)發(fā)工作的滯后，還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出性能可靠的自整定軟件，控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

16、確定。國(guó)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。日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，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，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)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。1.3 本文的研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)以實(shí)驗(yàn)室用加熱爐為原型，主要是利用西門(mén)子 S7-200PLC作為可編程控制器，系統(tǒng)采用串級(jí)控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手動(dòng)整定或自整定PID參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，控制加熱裝置，使加熱爐溫度為85左右，誤差±1，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和停止，運(yùn)行指示燈實(shí)時(shí)監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前內(nèi)膽溫

17、度值與夾套溫度值。具體有以下幾方面的內(nèi)容：1 緒論：對(duì)課題研究背景及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了闡述，并分別從基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機(jī)（IPC）的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）等介紹當(dāng)前溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。2 設(shè)計(jì)總體方案：簡(jiǎn)單的從硬件部分和軟件部分介紹了系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)PID控制算法及其參數(shù)整定方法做了基本介紹。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組成和連線圖，對(duì)系統(tǒng)所用到的器件進(jìn)行了介紹和選型。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：對(duì)編程的思路和各個(gè)編程部分的任務(wù)、組成、流程圖和梯形圖進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)編程用軟件作了說(shuō)明。 5

18、 系統(tǒng)軟件仿真。2 設(shè)計(jì)總體方案及控制算法描述2.1系統(tǒng)總體方案 加熱爐溫控制系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。2.1.1 硬件方案設(shè)計(jì) 硬件基本構(gòu)成有PLC主控系統(tǒng)部分、調(diào)功器、加熱爐、加熱器、啟動(dòng)/停止開(kāi)關(guān)按鈕、數(shù)顯表與溫度變送器五部分組成。其結(jié)構(gòu)硬件部分組成及其關(guān)系如圖2.1所示。模擬量擴(kuò)展模塊PLC調(diào)功器 U 溫度變送器夾套溫度數(shù)顯表內(nèi)膽溫度數(shù)顯表溫度變送器 內(nèi)膽溫度 加熱器夾套溫度啟動(dòng)停止 圖2.1 加熱爐硬件組成圖 基本工作原理：加熱爐是加熱對(duì)象（本設(shè)計(jì)采用自來(lái)水作為加熱對(duì)象）的容器，通過(guò)集成溫度傳感器檢測(cè)爐內(nèi)水溫和夾套溫度，并經(jīng)過(guò)溫度變送器將信號(hào)傳送給PLC的模擬量擴(kuò)展模塊，由P

19、LC進(jìn)行運(yùn)算和處理后再由模擬量擴(kuò)展模塊產(chǎn)生控制信號(hào)傳送給調(diào)功器，調(diào)功器根據(jù)不同的控制信號(hào)輸出不同的電壓來(lái)控制加熱爐內(nèi)的加熱器來(lái)進(jìn)行加熱和控制，由于水溫升高或降低會(huì)影響溫度檢測(cè)元件，從而形成了一個(gè)閉環(huán)控制回路，達(dá)到平衡控制水溫的目的。通過(guò)啟動(dòng)和停止產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)量數(shù)字信號(hào)來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行和停止，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制的功能，兩個(gè)數(shù)顯表分別用于實(shí)時(shí)顯示夾套溫度和內(nèi)膽溫度。2.1.2 軟件方案設(shè)計(jì) 軟件基本結(jié)構(gòu)由主/副控器PID，控制對(duì)象溫度調(diào)功器、檢測(cè)元件溫度變送器等部分組成。其基本工作原理：首先計(jì)算出兩個(gè)控制器PID的有關(guān)參數(shù)，進(jìn)行PID初始化，把夾套溫度變送器和內(nèi)膽溫度變送器傳送回來(lái)的信號(hào)通過(guò)模擬量輸入模塊的

20、A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)?32000的數(shù)字量，然后進(jìn)行變換變?yōu)?1的過(guò)程量形參，給定一個(gè)夾套溫度給定量SV和夾套溫度過(guò)程量PV1傳送給主控制器PID運(yùn)算，得到的結(jié)果OUT1作為副控制器的給定量SV與內(nèi)膽溫度過(guò)程量PV0傳送給副控制器 PID運(yùn)算，得到的結(jié)果OUT0經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換和模擬量輸出模塊的D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)榭刂菩盘?hào)傳送給溫度調(diào)功器，對(duì)爐內(nèi)加熱器進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)內(nèi)膽溫度和夾套溫度進(jìn)行檢測(cè)，形成雙閉環(huán)回路控制。其組成圖如圖2.2所示，流程圖如圖2.3所示。 圖2.2 加熱爐軟件控制部分組成開(kāi)始按下啟動(dòng)按鈕SB1，參數(shù)初始化設(shè)定外環(huán)主控制器給定值SV主被控制變量夾套溫度過(guò)程值PV1反饋到給定端與SV比較主控制

21、器按PID1算法運(yùn)算并輸出控制量OUT1較OUT1作為副控制器的給定，與內(nèi)膽溫度反饋值PV0比較較副控制器按PID2算法計(jì)算出OUT0，并經(jīng)過(guò)擴(kuò)展模塊輸出控制量較內(nèi)膽溫度檢測(cè)夾套溫度檢測(cè)較U控制加熱爐內(nèi)加熱器擴(kuò)展模塊輸出控制信號(hào)傳送給調(diào)功器，用來(lái)控制調(diào)功器的控制電壓U較按下停止按鈕模擬量入口AIW2模擬量入口AIW0停止YN圖2.3 系統(tǒng)流程框圖2.2 PID控制算法模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是PID控制，PID在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有60多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。人們?cè)趹?yīng)用的過(guò)程中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)，PID的研究已經(jīng)到達(dá)一個(gè)比較高的程度。比例控制(P)是一種最簡(jiǎn)單的控制方式,其控制器的輸出與

22、輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。其特點(diǎn)是具有快速反應(yīng)，控制及時(shí)，但不能消除余差。在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點(diǎn)，不能快速對(duì)誤差進(jìn)行有效的控制。在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系,微分控制具有超前作用，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),避免較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，它們一起使用的時(shí)候又互相制約，但只要合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量。2.2.1 PID算法PID控制環(huán)節(jié)被控對(duì)象反饋環(huán)節(jié)r(t)u(t)c(t)+_e(t) 圖2.4

23、帶PID控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2.4所示，PID控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系： 式(2.1) 控制器的輸出為： 式(2.2) 上式中, PID回路的輸出；比例系數(shù)； 積分系數(shù)；微分系數(shù);PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為： 式(2.3)數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對(duì)偏差周期采樣后，計(jì)算輸出值。其離散化的規(guī)律如表2.1所示。 表 2.1 模擬與離散形式模擬形式離散化形式 所以PID輸出經(jīng)過(guò)離散化后，它的輸出方程為： 式(2.4) 式2.4中， 稱(chēng)為比例項(xiàng)； 稱(chēng)為積分項(xiàng)； 稱(chēng)為微分項(xiàng)。 上式中，積分項(xiàng)是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的

24、所有誤差的累積值，計(jì)算中，沒(méi)有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種思想。2.2.2 PID參數(shù)整定方法PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時(shí)間Ti和和微分時(shí)間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿(mǎn)意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)確定，但誤差太大,目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例度法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法，它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，利用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn)，其規(guī)律如表2.2所示。表

25、2.2溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時(shí)間（分鐘）微分時(shí)間（分鐘）溫度 滯后較大2060204003實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。 1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。 2）整定積分環(huán)節(jié)先將步驟1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的5080，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿(mǎn)意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。 3）整定微分環(huán)節(jié)先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿(mǎn)意的控制效果和PID控

26、制參數(shù)。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)的硬件組成3.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括一臺(tái)可編程控制器、一臺(tái)調(diào)功器、兩個(gè)溫度檢測(cè)回路、一個(gè)加熱器、一個(gè)模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊、兩個(gè)數(shù)顯表、兩個(gè)啟動(dòng)/停止按鈕，一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行指示燈。3.1.2 系統(tǒng)各個(gè)組成部分完成的任務(wù)1）運(yùn)行指示燈和啟動(dòng)按鈕/停止按鈕實(shí)現(xiàn)運(yùn)行監(jiān)控和啟動(dòng)和停止系統(tǒng)的控制：按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮；按下停止按鈕，系統(tǒng)停止運(yùn)行系統(tǒng)指示燈熄滅。2）數(shù)顯表：根據(jù)PLC的輸出實(shí)時(shí)顯示內(nèi)膽溫度和夾套溫度的實(shí)際溫度值，便于控制和觀察。3）溫度變送器：用來(lái)檢測(cè)夾套和內(nèi)膽溫度，將溫度值轉(zhuǎn)換為PLC可以讀取的電壓模擬量信號(hào)，同時(shí)

27、傳送給PLC模擬量輸入模塊。4）調(diào)功器和加熱器：是PLC的控制對(duì)象，根據(jù)PLC模擬量輸出模塊輸出的控制信號(hào)，來(lái)控制調(diào)功器的輸出功率電壓，對(duì)加熱器進(jìn)行控制，來(lái)加熱爐內(nèi)溫度。5）可編程控制器和模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊：可編程控制器對(duì)采集來(lái)的溫度信號(hào)進(jìn)行標(biāo)度變換處理后得到實(shí)際的溫度值，將數(shù)據(jù)傳送給兩個(gè)數(shù)顯表對(duì)內(nèi)膽溫度和夾套溫度分別顯示；另一方面，根據(jù)采集到得溫度值，和給定的溫度值進(jìn)行計(jì)算處理，采用PID控制算法處理后通過(guò)模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊對(duì)調(diào)功器進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器的控制。3.2 可編程控制器可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而

28、設(shè)計(jì)制造的，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱(chēng)作可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC。3.2.1 PLC的特點(diǎn)1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。2)配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲

29、透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中，加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。3)易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。4)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及

30、建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。5)體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。3.2.2 PLC的選型全球PLC有二百多種，國(guó)內(nèi)常用PLC也就二三十種，常用的有德國(guó)西門(mén)子，法國(guó)施耐德，美國(guó)AB，ABB，日本歐母龍，三菱，松下，韓國(guó)三星，國(guó)產(chǎn)和利時(shí)，科創(chuàng)思等。西門(mén)子PLC相對(duì)于其他的PLC價(jià)錢(qián)比較高，但是性能相對(duì)強(qiáng)大，可操作性強(qiáng)，有相配套的伺服系統(tǒng)和組態(tài)軟件。西門(mén)子PL

31、C的種類(lèi)分為S7-200PLC，S7-300PLC，S7-400PLC等，S7-300PLC，S7-400PLC與S7-200PLC相比功能更為強(qiáng)大，為S7-200的升級(jí)產(chǎn)品，但由于本系統(tǒng)所需功能和技術(shù)要求S7-200完全能夠解決，所以從經(jīng)濟(jì)方面考慮選用西門(mén)子S7-200PLC系列產(chǎn)品。S7-200系列PLC是由德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能滿(mǎn)足多種自動(dòng)化控制的需求，其設(shè)計(jì)緊湊，價(jià)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(jiǎn)單的控制場(chǎng)合，也可以用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于具有極強(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。S7-200系列可以

32、根據(jù)對(duì)象不同，可以選用不同的型號(hào)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。3.2.3 西門(mén)子S7-200主要功能模塊介紹1）CPU模塊：S7-200的CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元，電源及數(shù)字I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊，獨(dú)立的設(shè)備中，CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào)，輸出部分則輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。從CPU模塊功能來(lái)看，CUP模塊為CUP22*，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/O共計(jì)10點(diǎn)。無(wú)擴(kuò)展能力，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量較小，有一定的高速計(jì)數(shù)處理能力，非常適合于少點(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。CUP222它有8輸入/6輸出，I

33、/O共計(jì)14點(diǎn)，和221相比，它可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個(gè)模擬量擴(kuò)展，因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。CUP224它有14輸入/10輸出，I/O共計(jì)24點(diǎn)，和前兩者相比，存儲(chǔ)容量擴(kuò)大了一倍，它可以有7個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力，是使用得最多S7-200產(chǎn)品。CUP226 它有24輸入/16輸出，I/O共計(jì)40點(diǎn)，和CUP224相比，增加了通信口數(shù)量，通信能力大大增強(qiáng)。它可用于點(diǎn)數(shù)較多，要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。CUP226XM 它在用戶(hù)程序存儲(chǔ)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量上進(jìn)行了擴(kuò)展，其他指標(biāo)和CUP226相同。在本設(shè)計(jì)中由數(shù)字量2輸入/4輸出，需要一個(gè)模擬量擴(kuò)展，

34、而CUP226有24輸入/16輸出，和7個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需故本設(shè)計(jì)選用CPU226DC/DC/DC。CPU用DC24V,輸入DC24V,輸出DC24V，其功率為11W。2）模擬量擴(kuò)展模塊： 溫度傳感器檢測(cè)到溫度轉(zhuǎn)換成0100mV的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入PLC中進(jìn)行處理，得到的控制信號(hào)也要通過(guò)模擬量輸出模塊把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)成15V的電壓信號(hào)對(duì)調(diào)功器進(jìn)行控制。S7-200PLC的模擬量模塊有EM231，EM232和EM235三種類(lèi)型的模擬量擴(kuò)展模塊。EM231有4路模擬量輸入，EM232有2路模擬量輸出，EM235有4路模擬量輸入和1路模擬量輸

35、出。本設(shè)計(jì)中需要檢測(cè)兩個(gè)溫度信號(hào)，和輸出一個(gè)電壓控制信號(hào)，所以需要2路模擬量輸入/1路模擬量輸出，所以我們選擇EM235模擬量輸入/輸出模塊，其功耗為2W。其輸入/輸出特性如表3.1所示。表3.1 EM235輸入 /輸出特性模擬量輸入特性：模擬量輸入點(diǎn)數(shù)4輸入范圍 電壓(單極性) 電壓(雙極性) 電流010V，05V， ±10V，±5V，±2.5V， 020mA數(shù)據(jù)字格式 雙極性，全量程范圍 -32000+32000 單極性，全量程范圍 032000-32000+320000 032000模擬量輸出特性：模擬量輸出點(diǎn)數(shù)1信號(hào)范圍 電壓輸出 電流輸出±10

36、V 020mA數(shù)據(jù)字格式 電壓 電流-32000+32000 0+32000 EM235輸入數(shù)據(jù)字格式如圖3.1所示。 模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器(ADC)的12位讀數(shù)，其數(shù)據(jù)格式是左端對(duì)齊的，最高有效位是符號(hào)位，0表示是正值數(shù)字量，對(duì)單極性格式，3個(gè)連續(xù)的0使得ADC計(jì)數(shù)數(shù)值每變化1個(gè)單位則數(shù)據(jù)字的變化是以8為單位變化的；對(duì)雙極性格式，4個(gè)連續(xù)的0使得ADC計(jì)數(shù)數(shù)值每變化1個(gè)單位，則數(shù)據(jù)字的變化是以16為單位變化的。圖3.1 CPU中模擬量輸入字中12位數(shù)據(jù)值的存放位置格式EM235輸出數(shù)據(jù)字格式如圖3.2所示。圖3.2 CPU中模擬量輸出字中12位數(shù)據(jù)值的存放位置格式 數(shù)字量到模擬量轉(zhuǎn)換器（DA

37、C）的分辨率為12位，其輸出數(shù)據(jù)格式是左端對(duì)齊的，最高有效位是符號(hào)位，0表示是正值數(shù)字量，數(shù)據(jù)在裝載到DAC寄存器之前，4個(gè)連續(xù)的0是被截?cái)嗟?，這些位不影響輸出信號(hào)值。EM235配置：表3.2所示為如何用DIP開(kāi)關(guān)設(shè)置EM235模塊，開(kāi)關(guān)1到6可選擇模擬量輸入范圍和分辨率，所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍和格式。 本設(shè)計(jì)中溫度檢測(cè)模塊輸入信號(hào)為0100mV的電壓信號(hào)，為單極性，所以DIP開(kāi)關(guān)設(shè)置為：SW1 OFF；SW2 ON；SW3 OFF；SW4 ON；SW5 OFF；SW6 ON。得到其滿(mǎn)量程輸入為0100mV。表3.2 DIP開(kāi)關(guān)設(shè)置單極性滿(mǎn)量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3

38、 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF ON 0到50mV 12.5V OFF ON OFF ON OFF ON 0到100mV 25V ON OFF OFF OFF ON ON 0到500mV 125uA OFF ON OFF OFF ON ON 0到1V 250V ON OFF OFF OFF OFF ON 0到5V 1.25mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0到20mA 5A OFF ON OFF OFF OFF ON 0到10V 2.5mV DIP開(kāi)關(guān)實(shí)物如圖3.3所示。圖3.3 DIP設(shè)定實(shí)物圖 輸出設(shè)置：本設(shè)計(jì)中輸出為15V的電壓信號(hào)，而EM2

39、35可以輸出-10V+10V的電壓信號(hào)和020mA的電流信號(hào)，所以我們選擇電壓信號(hào)的輸出接線方法，其電壓滿(mǎn)量程輸出數(shù)據(jù)為-32000+32000，滿(mǎn)量程輸出電壓為-10V+10V，而本設(shè)計(jì)所需要的輸出為15V的控制電壓信號(hào)，所以將其數(shù)據(jù)輸出范圍定在320016000。3.2.4 S7-200PLC中PID回路指令現(xiàn)在很多PLC已經(jīng)具備了PID功能，有的是專(zhuān)用模塊，有些是指令形式。西門(mén)子S7-200系列PLC中使用的是PID回路指令見(jiàn)表3.3。 使用方法：當(dāng)EN端口執(zhí)行條件存在時(shí)候，就可進(jìn)行PID運(yùn)算。指令的兩個(gè)操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因?yàn)橐粋€(gè)P

40、ID回路占用了32個(gè)字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號(hào)，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3.4所示。表3.3 PID回路指令名稱(chēng)PID運(yùn)算指令格式PID指令表格式PID TBL，LOOP梯形圖表3.4 PID指令回路表偏移地址名稱(chēng)數(shù)據(jù)類(lèi)型說(shuō)明0過(guò)程變量（PVn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間4給定值（SPn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間8輸出值（Mn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間12增益（Kc）實(shí)數(shù)比例常數(shù)，可正可負(fù)16采樣時(shí)間（Ts）實(shí)數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20積分時(shí)間（Ti）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時(shí)間（Td）實(shí)數(shù)單位為min

41、，必須是正數(shù)28積分項(xiàng)前值（MX）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間32過(guò)程變量前值（PVn-1）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間 1）回路輸入輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法 本設(shè)計(jì)中回路的輸入為兩個(gè)溫度模擬量輸入，夾套和內(nèi)膽溫度經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)模塊，傳送給EM235經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后得到的是16位整數(shù)，而設(shè)計(jì)中所需要的過(guò)程變量為實(shí)數(shù)，所以我們需要將整數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)，這里就要用到I_DI，DI_R指令，就如在標(biāo)度變換中的轉(zhuǎn)換一樣，得到實(shí)際的溫度值。輸出為15V的電壓信號(hào)，所以我們輸入到EM235的數(shù)值也為16位整數(shù)類(lèi)型，而經(jīng)過(guò)PID回路運(yùn)算后得到的數(shù)據(jù)為32位實(shí)數(shù)，這里就要用到ROUND,DI_I指令，就如在副控制器中斷程

42、序一樣，得到的數(shù)據(jù)從模擬量輸出端口輸出。 2) 實(shí)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理因?yàn)镻ID中除了采樣時(shí)間和PID的三個(gè)參數(shù)外，其他幾個(gè)參數(shù)都要求輸入或輸出值0.01.0之間，所以，在執(zhí)行PID指令之前，必須把PV和SP的值作標(biāo)準(zhǔn)化處理，使它們的值都在0.01.0之間。標(biāo)準(zhǔn)化的公式為： 式（3.1） 式中, 標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值； 未標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值；補(bǔ)償值或偏置，單極性為0.0，雙極性為0.5； 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。本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為： 式（3.2）因?yàn)闇囟冉?jīng)過(guò)檢測(cè)和標(biāo)度變換后，得到的值是實(shí)際溫度值，所以為了SP值和PV值在同一個(gè)數(shù)量值0.01

43、.0對(duì)應(yīng)0100，輸入SP值的時(shí)候應(yīng)該是填寫(xiě)一個(gè)是實(shí)際溫度1/100的數(shù)，即想要設(shè)定目標(biāo)控制溫度為85時(shí)，需要輸入一個(gè)0.85。 3）回路輸出變量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換本設(shè)計(jì)中，利用回路的輸出值來(lái)設(shè)定下一個(gè)周期內(nèi)的加熱時(shí)間。回路的輸出值是在0.01.0之間，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)，在輸出變量傳送給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(guò)程是實(shí)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化逆過(guò)程。其公式如下： 式（3.3） 式中, 回路輸出的刻度實(shí)數(shù)值； 回路輸出的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值；補(bǔ)償值或偏置，單極性為0.0，雙極性為0.5； 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。S7-200不提供

44、直接將實(shí)數(shù)一步轉(zhuǎn)化成整數(shù)的指令，必須先將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化成雙整數(shù)，再將雙整數(shù)轉(zhuǎn)化成整數(shù),程序如下：ROUND AC1, AC1DTI AC1, VW343.3系統(tǒng)其他硬件選型及配置3.3.1顯示模塊 HLP2型兩線PLC專(zhuān)用數(shù)顯表可以通過(guò)兩個(gè)PLC輸出端口接收所有PLC發(fā)出的數(shù)據(jù)。PLC程序中任意指定的數(shù)據(jù),如數(shù)量、時(shí)間、溫度、壓力等通過(guò)計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器、數(shù)據(jù)寄存器等數(shù)據(jù)送入指定的顯示緩沖區(qū)內(nèi)，經(jīng)子程序通過(guò)兩個(gè)輸出端口送出編碼至PLC外部的數(shù)顯表上。 由于顯示模塊只需顯示2位數(shù)字，所以選用HLP2系列型號(hào)為HLP2B-39的數(shù)顯表，外形為80*43小外殼，顯示精度為±1。HLP2B-39型號(hào)數(shù)

45、顯表有兩個(gè)輸入端口，一個(gè)時(shí)鐘輸入端口SCK，一個(gè)數(shù)據(jù)輸入端口SDA，可以顯示4位LED數(shù)碼。工作電源為24V DC，所以可以并聯(lián)PLC的工作電源。 HLP2 型PLC 數(shù)顯表的顯示數(shù)據(jù)與PLC 數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表3.3。設(shè)計(jì)中要用到兩個(gè)數(shù)顯表，一個(gè)主表一個(gè)從表，主表SDA連接PLC數(shù)字量輸出端口Q0.3，用于實(shí)時(shí)顯示夾套實(shí)際溫度值，從表SDA連接PLC數(shù)字量輸出端口Q0.2，用于實(shí)時(shí)顯示內(nèi)膽實(shí)際溫度值，主表和從表的SCK端口接PLC輸出端口Q0.4，用于接收時(shí)鐘信號(hào)。 表3.5 HLP2數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表HLP2-39型數(shù)顯表送入PLC顯示寄存器內(nèi)容備注00顯示相應(yīng)數(shù)字112233445566778

46、899EA可根據(jù)需要做相應(yīng)設(shè)計(jì)-BRC全黑DEFF3.3.2 集成式溫度傳感器 集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過(guò)發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)： 式（3.4）式中：K波爾茲常數(shù)；q電子電荷絕對(duì)值。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時(shí)輸出為0V，溫度25時(shí)輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1mA/K。在本設(shè)計(jì)中采用集成式溫度傳感器AD590。AD590是美國(guó)模擬器

47、件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源，它的主要特性如下：1）流過(guò)器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)，即：Ir /T=1mA/K 式中：Ir流過(guò)器件（AD590）的電流，單位為mA；T熱力學(xué)溫度，單位為K。2）AD590的測(cè)溫范圍為-55+150。3）AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。4）輸出電阻大于10M。5）精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3

48、。攝氏溫度測(cè)量電路如圖3.4所示。如圖3.4所示，AD581為10V基準(zhǔn)電壓源，電位器Rw1用于調(diào)整零點(diǎn)，Rw2用于調(diào)整運(yùn)放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0時(shí)調(diào)整R2，使輸出VO=0，然后在100時(shí)調(diào)整R4使VO=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0時(shí)，VO=0mV，100時(shí)VO=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為25，那么VO應(yīng)為25mV。冰水混合物是0環(huán)境，沸水為100環(huán)境。由于我們測(cè)量的溫度在0100之間，所以輸出電壓在0mV100mV之間。圖3.4 用于測(cè)量攝氏溫度的電路其實(shí)物如圖3.5所示。圖3.5 AD590集成溫度傳感器3.3.3 調(diào)功器 調(diào)功器又稱(chēng)電力控制

49、器，本設(shè)計(jì)采用SCR電力控制器。 SCR 電力控制器，目前在工業(yè)中已被廣泛應(yīng)用于各種電力設(shè)備中，諸如窯爐、熱處理爐、電氣高溫爐、高周波機(jī)械、電鍍?cè)O(shè)備、印染設(shè)備、涂裝設(shè)備等等，然而因?yàn)樨?fù)載的不同，使用環(huán)境的限制，而又有各種不同的控制模式及各種追加配備，如相位控制，分配式零位控制,時(shí)間比例零位控制。 原理介紹：SCR 電力控制器的基本原理是通過(guò)控制信號(hào)輸入，去控制串在主回路中的SCR（晶閘管）模塊，改變主回路中電壓的導(dǎo)通與關(guān)斷，由此達(dá)到調(diào)節(jié)電壓或功率的目的?？刂破饕话闶怯煽刂瓢寮由现鳈C(jī)（主回路）組成。SCR 電力控制器又可分為調(diào)壓器和調(diào)功器。采用相位控制模式的SCR 電力控制器可叫做調(diào)壓器，它可以

50、方便地調(diào)節(jié)電壓有效值，可用于電爐溫度控制，燈光調(diào)節(jié)，異步電動(dòng)機(jī)降壓軟啟動(dòng)和調(diào)壓調(diào)速等，也可用做調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)電壓，代替效率低下的調(diào)壓變壓器。采用零位控制模式的SCR 電力調(diào)節(jié)器可叫做調(diào)功器，也叫周波控制器。它對(duì)交流電壓的周波進(jìn)行控制，通過(guò)控制負(fù)載電壓的周波通斷比來(lái)控制負(fù)載的功率，多用于大慣性的加熱器負(fù)載。采用這種控制，即實(shí)現(xiàn)了溫度控制，又消除了相位控制時(shí)帶來(lái)的高次諧波污染電網(wǎng)，不過(guò)控制精度有所降低?？刂颇Ｊ絻?yōu)劣比較如表3.6所示。P系列SCR電力控制器功能簡(jiǎn)介：目前P 系列SCR電力控制器分為三相和單相兩類(lèi)。產(chǎn)品完全采用SCR POWER MODULE 密封的IC化電路板，抗干擾能力強(qiáng)，可用

51、于變壓器負(fù)載和高頻裝置前級(jí)調(diào)壓器，具有電流回饋適用于負(fù)阻性負(fù)載如硅鉬棒，白金加熱器。過(guò)流保護(hù)采用高速電子開(kāi)關(guān)，過(guò)流時(shí)自動(dòng)切斷觸發(fā)裝置達(dá)到保護(hù)SCR 模塊的作用。本設(shè)計(jì)采用P系列單相電力控制器，其控制輸入信號(hào)為15V電壓信號(hào)。表3.6 控制模式優(yōu)劣比較控制模式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)相位控制1. 控制精度高2. 任何負(fù)載皆可控制3. 可做各種控制變化1. 控制不當(dāng)易造成電磁干擾須加裝各種防制措施2. 費(fèi)用較高時(shí)間比例零位控制1. 無(wú)電磁干擾2. 構(gòu)造較簡(jiǎn)單3. 費(fèi)用較低1. 只能控制純阻性負(fù)載2. 負(fù)載較易受沖擊3. 控制精度低分配式零位控制1) 無(wú)電磁干擾2) 構(gòu)造較簡(jiǎn)單3) 費(fèi)用較低4) 控制效果比時(shí)間比例

52、零為控制優(yōu)異3) 只能控制純阻性負(fù)載4) 負(fù)載較易受沖擊5) 控制精度較低型號(hào)識(shí)別如圖3.6。PABEFC D圖3.6 型號(hào)識(shí)別A電源種類(lèi) 1：?jiǎn)蜗?(1) 3：三相 (3)B控制模式 P：相位控制 D：分配式零位控制C電源電壓 110V 220V 380V 440VD電流種類(lèi) 40A1200A 按客戶(hù)具體電流要求定制E保護(hù)方式 0：無(wú) 1：快速熔斷保險(xiǎn)管（選配）2：高速電子開(kāi)關(guān)保護(hù) F回饋控制 0：無(wú) 1：定電流 2：定電壓根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們對(duì)型號(hào)進(jìn)行選擇：首先擬采用發(fā)熱絲為鎳鉻合金（恒阻性負(fù)載），功率為21KVA，額定電壓為220V單相電源?？刂破鞯碾娏饔?jì)算公式為：?jiǎn)蜗嚯娏?負(fù)載KVA×1000/線電壓，計(jì)算出單相電流為95A左右，則取100A。 電源種類(lèi)選擇單相；控制模式選擇相位控制；電源電壓選擇220V；電流種類(lèi)選擇100A；保護(hù)方式選擇高速電子開(kāi)關(guān)保護(hù)；回饋控制選擇