電力電氣 智能化電加熱爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

緒論1.1課題研究背景及意義在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)系統(tǒng)壓力、溫度等參數(shù)進(jìn)行有效地跟蹤控制。其中，溫度控制系統(tǒng)的重要性不言而喻，溫度控制可分為測(cè)溫和控溫兩方面。溫度測(cè)量技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟；對(duì)于溫度控制技術(shù)，被控對(duì)象具有多樣性以及復(fù)雜性，所以無(wú)法有效的對(duì)溫度進(jìn)行控制，隨著其本身不斷發(fā)展，不斷完善，促使了溫度控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展。電加熱爐已被廣泛應(yīng)用于玻璃制造、金屬冶煉等需要對(duì)溫度進(jìn)行精確控制的工業(yè)行業(yè)中，所以可對(duì)溫度進(jìn)行精確控制的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)中是不可或缺的。電能作為人類賴以生存的重要能源之一，在許多工廠的生產(chǎn)過(guò)程中，電加熱爐所消耗的電能可占據(jù)所有電能消耗的七成以上。電加熱爐的能源損失較大且無(wú)法大幅度提高節(jié)能效果亦是難以解決的問(wèn)題。所以一種可以有效提高溫度控制效果且能源損失較小的電加熱爐溫度控制有著重大的實(shí)際意義。1.2溫度控制系統(tǒng)介紹單片機(jī)憑借著重量輕，耗費(fèi)物資低，作用范圍廣泛以及具有很高的精準(zhǔn)率等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用在不少領(lǐng)域，且可應(yīng)用于大部分的環(huán)境中。單片機(jī)隨著社會(huì)對(duì)控制要求的升高，性能方面有著不小的提高，使用單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)通常不會(huì)存在系統(tǒng)崩潰的情況，且穩(wěn)定性高、成本低、效果優(yōu)秀。但是與其他同類型設(shè)備相比之下，單片機(jī)返回所需內(nèi)容程序的速度不夠快、中斷源也不夠多，只能應(yīng)用在簡(jiǎn)單的，要求較低的系統(tǒng)中。IPC在運(yùn)行時(shí)十分穩(wěn)定、支持的應(yīng)用很多、成本也比較低，在工廠中越來(lái)越受歡迎。并且IPC可以在多種工作環(huán)境下作業(yè)，減震效果好、十分耐熱、密閉性良好、不會(huì)受其他外界磁場(chǎng)干擾。以前的工業(yè)用爐膛基本上是用人與機(jī)器合作進(jìn)行操作，得到預(yù)想的結(jié)果十分困難，較為精確的模型不容易構(gòu)建，運(yùn)用傳統(tǒng)的PID儀器控制，效果較差。但是計(jì)算機(jī)功能較多具有數(shù)據(jù)整理分析等許多運(yùn)算方法，還有“關(guān)鍵字搜索”等常用功能，是普通設(shè)備和人工不容易實(shí)現(xiàn)的。在工廠爐膛溫度控制過(guò)程中應(yīng)用能夠提高把控精度，使平均發(fā)熱轉(zhuǎn)換能力得到提升。若直接選擇工控機(jī)為控制系統(tǒng)效果不佳。DCS是一種新式操作系統(tǒng)，與普通設(shè)備相比擁有著可靠的控制能力、工作的穩(wěn)定高等優(yōu)點(diǎn)。DCS最大的優(yōu)點(diǎn)是信息傳遞，即數(shù)據(jù)鏈路是DCS的重中之重。因?yàn)槠涫滓ぷ魇菍C(jī)器中每個(gè)部分中建立數(shù)據(jù)傳輸路徑，所以機(jī)器整體的便捷性和穩(wěn)定性取決于數(shù)據(jù)的性能。因?yàn)镈CS有著各種特點(diǎn)，使得操作工人的現(xiàn)場(chǎng)使用難度降低，從而達(dá)到提高系統(tǒng)性能的目的。不過(guò)DCS本身因其中一些必備但實(shí)用性不大的部件如控制器以及隨時(shí)斷電接電等要求導(dǎo)致價(jià)格較高。FCS是將多樣技術(shù)手段集一身的系統(tǒng)，其本身具有可聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)?；贔CS對(duì)溫度把控上有著數(shù)據(jù)精確，操作方便等特色，F(xiàn)CS系統(tǒng)因其具有信息處理現(xiàn)場(chǎng)化前提，并且不需提前準(zhǔn)備而進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、把控、發(fā)出警報(bào)等工作。它還能夠?qū)?chǎng)地中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試、修復(fù)等工作，并且這是除FCS以外其他系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。不過(guò)，F(xiàn)CS技術(shù)并不完善，該技術(shù)仍然在試用階段，而且現(xiàn)場(chǎng)總線的評(píng)定規(guī)則有許多種，也在一定程度上限制了FCS在工業(yè)上的推廣?，F(xiàn)在使用計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行智能控制已成主流。PLC即是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備的一種，它是建立在單片機(jī)之上的產(chǎn)品，運(yùn)用了可修改代碼存儲(chǔ)器，具有保存各種命令、實(shí)現(xiàn)時(shí)間記錄、數(shù)字統(tǒng)計(jì)及運(yùn)算等特點(diǎn)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言等路徑輸入輸出，從而對(duì)每個(gè)運(yùn)行程序進(jìn)行掌控。PLC使用精度高、十分穩(wěn)定不容易受到外界因素的影響、編寫(xiě)容易、可以十分方便的被操作者使用，當(dāng)下，多用于機(jī)械金屬生產(chǎn)加工過(guò)程中。PLC與IPC，DCS，F(xiàn)SC這些系統(tǒng)相對(duì)比，PLC耗費(fèi)成本較低，且相對(duì)其他系統(tǒng)更實(shí)用。所以PLC在市面流通范圍最廣，有著較好的應(yīng)用前景。每個(gè)溫度控制系統(tǒng)本身具有不同的優(yōu)劣勢(shì)，使用者應(yīng)該根據(jù)自身需要挑選合適的配置，也可以在具體使用時(shí)選取多種系統(tǒng)的組合，使控制系統(tǒng)更加完善，各個(gè)系統(tǒng)取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同作業(yè)，從而得到更加完善的結(jié)果。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況溫度控制系統(tǒng)在我國(guó)社會(huì)日常生活中的使用已經(jīng)非常普遍，但是與其他技術(shù)水平居于領(lǐng)先地位的國(guó)家比較仍然在本身性能方面十分懸殊。我國(guó)的加熱爐常規(guī)儀表控制或計(jì)算機(jī)控制，仍有大量工業(yè)單位處于人工經(jīng)驗(yàn)、單值設(shè)定值控制的階段。完善的設(shè)備以“點(diǎn)位”控制和普遍使用的PID控制器當(dāng)做主要部件。但是其本身只能進(jìn)行普通溫度系統(tǒng)控制，對(duì)于需要多變溫度且要求精度較高、人工又不能及時(shí)調(diào)整的溫度的控制效果相對(duì)較差。一些發(fā)達(dá)國(guó)家在這此方面的進(jìn)步飛快，在智能化、惡劣環(huán)境適應(yīng)能力、數(shù)據(jù)處理等許多領(lǐng)域有著不小的突破，例如美國(guó)、英國(guó)、日本、意大利等國(guó)家技術(shù)水平居于領(lǐng)先。我國(guó)雖然對(duì)此研究起步較晚，但我國(guó)對(duì)外銷售的溫度控制器各個(gè)類型的產(chǎn)品性能功能均十分優(yōu)秀，且適用范圍較廣，在社會(huì)許多工業(yè)產(chǎn)業(yè)以及日常生活都有它的身影。當(dāng)下，國(guó)內(nèi)的溫度控制系統(tǒng)和儀器儀表正沿著運(yùn)算精確可靠操作難度低且其本身朝著科技化、小型化等方向迅速進(jìn)步。1.4本課題研究的內(nèi)容意義及章節(jié)安排在此設(shè)計(jì)中，使用S7-200系列PLC作為此系統(tǒng)的控制核心，PLC相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的大腦。系統(tǒng)使用串級(jí)控制方案，其中主副控制器以PID算法為基礎(chǔ)進(jìn)行控制，從而達(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)爐內(nèi)水溫進(jìn)行控制的目的，且PID算法中的PID參數(shù)可人為設(shè)定。此設(shè)計(jì)在外部加入了數(shù)顯表與指示燈，用來(lái)顯示加熱爐夾套以及內(nèi)膽的水溫，同時(shí)實(shí)時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)的工作情況。根據(jù)以上方法將水溫控制在80攝氏度左右并且可以由外部開(kāi)關(guān)手動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的啟動(dòng)以及關(guān)閉。除此之外此系統(tǒng)在保證運(yùn)行正常的情況下，還加入了一系列使用的功能，可以簡(jiǎn)單化電路結(jié)構(gòu)使其只需重新編寫(xiě)PLC的控制程序即可完成對(duì)水溫的控制。章節(jié)內(nèi)容安排如下：第一章：對(duì)研究背景以及幾種常見(jiàn)的控制設(shè)備進(jìn)行介紹，并對(duì)我國(guó)的發(fā)展情況以及國(guó)外發(fā)展情況進(jìn)行對(duì)比給出研究?jī)?nèi)容及論文結(jié)構(gòu)。第二章：確定了系統(tǒng)的總體方案及PID算法方案。第三章：對(duì)系統(tǒng)的硬件模塊進(jìn)行介紹、選型與接線設(shè)計(jì)。第四章：對(duì)系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。第五章：根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果的優(yōu)缺點(diǎn)做出結(jié)論與展望。2加熱爐控制系統(tǒng)的總體方案與PID算法方案2.1總體方案的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)分為硬件及軟件兩部分：硬件部分設(shè)計(jì)方案，其主要包括部分硬件，如開(kāi)關(guān)、加熱裝置、數(shù)顯表等。軟件部分設(shè)計(jì)方案，其主要以PLC為基礎(chǔ)，配合上部分可實(shí)現(xiàn)控制的電路組成。2.1.1硬件模塊的設(shè)計(jì)在此篇論文中溫度控制系統(tǒng)由六個(gè)小方面構(gòu)成，其構(gòu)成圖如圖2.1所示：圖2.1硬件部分構(gòu)成圖圖2.1中主要硬件部分及功能的簡(jiǎn)要介紹如下：1.PLC主控系統(tǒng)部分：包括主機(jī)、電源、輸入輸出接口等。2.溫度變送器：將溫度信號(hào)以可識(shí)別的電信號(hào)形式輸出至PLC。3.調(diào)功器：即可控硅，起調(diào)節(jié)作用。4.數(shù)顯表：即具有數(shù)字顯示功能的儀表裝置。5.開(kāi)關(guān)按鈕：負(fù)責(zé)系統(tǒng)開(kāi)始以及停止等。6.加熱爐及加熱器：用于加熱。除此之外，此系統(tǒng)中額外加入了可獨(dú)立控制的觸摸屏，從而方便用戶操作。2.1.2軟件模塊的設(shè)計(jì)軟件的主要結(jié)構(gòu)與作用的簡(jiǎn)要介紹如下：1.主控制器，對(duì)夾套溫度給定量和夾套溫度過(guò)程量進(jìn)行PID運(yùn)算；2.副控制器，對(duì)內(nèi)膽溫度給定量和內(nèi)膽溫度過(guò)程量進(jìn)行PID運(yùn)算；3.溫度調(diào)功器，通過(guò)調(diào)節(jié)功率改變溫度；4.溫度傳感器，用于溫度采集。首先計(jì)算出有關(guān)參數(shù)（主副控制器），然后進(jìn)行PID初始化處理并采集夾套以及內(nèi)膽的模擬信號(hào)即溫度信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，因溫度信號(hào)無(wú)法被PLC使用，所以將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（0-100MV），再通過(guò) 擴(kuò)展模塊把所收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠被PLC使用的數(shù)字信號(hào)（0-32000）[5]。數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)行變換，變換為0或1的過(guò)程形參。最后將之前所測(cè)的夾套溫度給定量以及過(guò)程量輸入主控制器，并且通過(guò)PID算法算出的數(shù)值當(dāng)成副控制器的給定量，和內(nèi)膽溫度的過(guò)程量一同輸入給副控制器，同理通過(guò)PID算法得到的數(shù)值經(jīng)過(guò)模塊EM235變成0-5V的控制信號(hào)輸入至溫度功率調(diào)節(jié)器中，在此同時(shí)對(duì)其開(kāi)始內(nèi)部檢測(cè)，形成雙閉合回路，最終實(shí)現(xiàn)改變爐內(nèi)電壓的目的，從而對(duì)水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.1.3溫度控制系統(tǒng)圖的確定第一步：信號(hào)采集，由溫度傳感器采集水的模擬信號(hào)即溫度信號(hào)；第二步：信號(hào)轉(zhuǎn)換，因溫度信號(hào)無(wú)法被PLC識(shí)別，所以將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)然后通過(guò)EM235擴(kuò)展模塊再次進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號(hào)；第三步：進(jìn)行變換，變化為0或1的過(guò)程形參；第四步：對(duì)比反饋，將水溫的給定量與反饋量進(jìn)行比較，得到二者的誤差，通過(guò)PID算法，得到新的輸出量并將其作為新的給定量，再次對(duì)比反饋得到新的誤差，最后再次通過(guò)PID算法得到新的輸出量；第五步：控制電壓，將新的輸出量作為功率調(diào)節(jié)器的輸入量，從而控制電壓輸出效率，實(shí)現(xiàn)改變爐內(nèi)電壓的目的，從而對(duì)水溫進(jìn)行控制。其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)上述的基礎(chǔ)通過(guò)結(jié)合控制系統(tǒng)的基本功能要求，對(duì)控制系統(tǒng)框圖進(jìn)行了繪制，如下圖2.3所示：圖2.3溫度控制系統(tǒng)的框圖2.2PID控制算法常見(jiàn)的算法如隨機(jī)最優(yōu)控制、模糊PID控制、自適應(yīng)控制等算法較為深?yuàn)W，所以無(wú)法大范圍使用所以選擇PID算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.2.1PID控制算法介紹此論文使用的PID算法具有控制效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，以舉例的方式對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。需針對(duì)以下三方面問(wèn)題進(jìn)行解決。一是因?yàn)橥饨缫蛩貦C(jī)器人實(shí)際的行走速度并不穩(wěn)定，二是需要讓機(jī)器人以最短的時(shí)間達(dá)到設(shè)定的速度，三是此時(shí)的控制需為閉環(huán)控制。若機(jī)器人行走速度的提升過(guò)程為線性過(guò)程，只需使用P控制即可，比如在PWM=40%，速度確定在3m/s，需要目標(biāo)速度達(dá)到6m/s，只需要將PWM調(diào)至80%即可。但實(shí)際上因?yàn)橥饨缫蛩?，機(jī)器人行走速度的提升過(guò)程中，并不是均勻加速的即是非線性的。所以這個(gè)過(guò)程需要一種速度快且可靠性高的算法來(lái)調(diào)節(jié)，這種情況便展現(xiàn)了PID算法的作用。接下來(lái)簡(jiǎn)單介紹以下PID算法，PID控制是在上個(gè)世紀(jì)30-40年代最初被應(yīng)用在船舶自動(dòng)舵上?，F(xiàn)今在工程應(yīng)用中，因?yàn)楦鞣N因素，必然存在誤差，PID算法實(shí)際上為按照誤差的比例、積分、微分經(jīng)過(guò)計(jì)算從而調(diào)整輸入輸出。依照上文的機(jī)器人行走例子對(duì)PID進(jìn)行舉例說(shuō)明：1.比例控制即P控制，相當(dāng)于控制機(jī)器人行走到50m處，機(jī)器人行走到47m或53m停止，多出來(lái)少出來(lái)的三步即為誤差，控制器的輸出和誤差成比例，也即為輸出存在著穩(wěn)態(tài)誤差。2.PI積分控制即機(jī)器人走到47m后繼續(xù)向前走，走到53m處，接著走到48m，再次回頭走到51m處，來(lái)來(lái)回回最終到達(dá)50m處。穩(wěn)態(tài)誤差就是最終走到了49m處停止。積分項(xiàng)和誤差之間關(guān)系由時(shí)間決定，隨著時(shí)間不斷流逝，積分項(xiàng)也不斷變大，從而調(diào)整控制器輸出使穩(wěn)態(tài)誤差不斷降低。PI控制可以在設(shè)備達(dá)到穩(wěn)態(tài)后最小化穩(wěn)態(tài)誤差或無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。3.PD積分控制即機(jī)器人行走到53m處，緩慢向著50m處移動(dòng)，最終準(zhǔn)確的停在50m處，即為無(wú)靜差控制，若是最終處于49m處則是有靜差控制。PD控制可以抑制誤差控制為零或者為負(fù)值，這種方法可以有效以用于降低超調(diào)現(xiàn)象較大等特定地方。所以對(duì)于以滯后的被控對(duì)象來(lái)說(shuō)，這種方法可以有效優(yōu)化控制中動(dòng)態(tài)特性。2.2.2PID控制算法的設(shè)計(jì)PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示，系統(tǒng)由被控對(duì)象及PID控制器構(gòu)成。圖2.4閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2.3PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定在整個(gè)系統(tǒng)的流程中極為關(guān)鍵，整定的方法各式各樣，可分成以下兩種方式：方式1：通過(guò)計(jì)算來(lái)整定參數(shù)，首先需要建立數(shù)學(xué)模型且這一步驟具有一定難度，然后根據(jù)已知數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算得出參數(shù)，這個(gè)步驟中的數(shù)據(jù)并不好獲得，且不一定適用，有時(shí)甚至需要經(jīng)過(guò)各種方法運(yùn)算才可使用，確定參數(shù)后還需要進(jìn)行工程實(shí)踐來(lái)做出最終的整改。方式2：通過(guò)經(jīng)驗(yàn)直接測(cè)試系統(tǒng)，相對(duì)第一種的理論計(jì)算較為適用，但是也更依賴工程經(jīng)驗(yàn)。整定方法中最常見(jiàn)的就是臨界比例法，這種方法與大部分整定法雖原理與功效不同，但均是在進(jìn)行試驗(yàn)后，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法確定整定的參數(shù)。在整定結(jié)束后還有一步至關(guān)重要，需要通過(guò)最后的實(shí)際運(yùn)行來(lái)調(diào)整，從而使結(jié)果更加精確。臨界比例法的整定步驟如下：首先使系統(tǒng)運(yùn)行預(yù)選段采樣周期，采樣周期較短為宜，然后加入環(huán)節(jié)P，對(duì)放大系數(shù)以及臨界震蕩周期進(jìn)行保存及分析，最后一步是根據(jù)算法公式得到其準(zhǔn)確參數(shù)。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1可編程控制器PLC具有眾多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，例如在生活中的電梯，家庭中的電冰箱、洗衣機(jī)，十字路口的紅綠燈，工業(yè)上的供水、供電、鍋爐、制造業(yè)、建筑業(yè)甚至娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)中。3.1.1PLC定義PLC即可編程控制器是應(yīng)用于工業(yè)中的電子系統(tǒng)。PLC是以計(jì)算機(jī)編程為核心的一種較為新穎高效的控制設(shè)備，使用可編程的存儲(chǔ)器，其作用包括定時(shí)、計(jì)數(shù)、運(yùn)算等，并根據(jù)對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換以及I/O進(jìn)行控制，可以將達(dá)到對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制作用的PLC作為一種控制電路，也可以將其當(dāng)做根據(jù)硬件緊密結(jié)合的編程方法。所謂最好的進(jìn)步方式，就是在摸索中進(jìn)步，PLC的發(fā)展經(jīng)歷亦是如此，在生產(chǎn)過(guò)程中包含許多開(kāi)關(guān)量順序控制，根據(jù)邏輯條件進(jìn)行以順序?yàn)橹鞯墓ぷ鞣绞?，具有可以根?jù)邏輯關(guān)系對(duì)其進(jìn)行連鎖保護(hù)的作用，并且在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中效果優(yōu)異。在PLC等技術(shù)尚未成熟時(shí)，均通過(guò)蒸汽或其他復(fù)雜且效率較低的傳統(tǒng)方式來(lái)達(dá)到控制要求。開(kāi)關(guān)量的邏輯控制是PLC較為常見(jiàn)，使用較多的一種，可以用于單個(gè)或多個(gè)設(shè)備系統(tǒng)以及自動(dòng)化流水線的調(diào)控。現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用在如包裝，注塑機(jī)等地方，開(kāi)關(guān)量的邏輯控制相對(duì)于繼電器電路更為可靠方便，并且現(xiàn)已逐漸取代了繼電器電路?，F(xiàn)今PLC已經(jīng)被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，比如在生活中的電梯，家庭中的電冰箱、洗衣機(jī)，十字路口的紅綠燈，工業(yè)上的恒壓供水、節(jié)能供電、鍋爐參數(shù)、制造業(yè)、建筑業(yè)甚至娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)中。3.1.2PLC控制方式PLC控制方式一般可分為以下四種。（1）開(kāi)關(guān)量的邏輯控制開(kāi)關(guān)量的邏輯控制是PLC較為常見(jiàn)，使用較多的一種，可以用于單個(gè)或多個(gè)設(shè)備系統(tǒng)以及自動(dòng)化流水線的調(diào)控。開(kāi)關(guān)量的邏輯控制相對(duì)于繼電器電路更為可靠方便，并且現(xiàn)在已經(jīng)逐漸取代了繼電器電路。（2）過(guò)程控制過(guò)程控制的意義為對(duì)模擬量以閉環(huán)方式進(jìn)行控制，例如電加熱爐中的溫度，壓力爐中的壓力，供水廠的液位等。因?yàn)镻LC是應(yīng)用在工業(yè)中的控制設(shè)備，它必須具備能夠適應(yīng)多種類的工作方式，所以PLC有著可以對(duì)多種算法程序進(jìn)行編程的功能從而完成閉環(huán)控制。PID控制是最常見(jiàn)的幾種控制調(diào)節(jié)方式之一，許多小型PLC中都加入這此功能，其他PLC中更是幾乎都擁有這項(xiàng)功能模塊。PID處理通常是通過(guò)16路的PID子程序進(jìn)行工作。過(guò)程控制應(yīng)用廣泛，在能源行業(yè)，建筑行業(yè)，生產(chǎn)行業(yè)、等眾多行業(yè)都起著非常關(guān)鍵的作用。（3）運(yùn)動(dòng)控制在PLC的制造公司中通常會(huì)帶有運(yùn)動(dòng)控制功能，說(shuō)明了運(yùn)動(dòng)控制功能在生活或工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，例如電梯，機(jī)器人等方向。從另一個(gè)方面來(lái)看，控制機(jī)構(gòu)配置在之前是直接使用在開(kāi)關(guān)量的邏輯控制以及數(shù)據(jù)輸入輸出的模塊上，與傳感器和執(zhí)行設(shè)備相連。（4）模擬量控制在生活和工業(yè)過(guò)程中，存在一種持續(xù)改變的量，例如電加熱爐中的溫度，壓力爐中的壓力，供水設(shè)備的液位等，被稱之為模擬量。但是PLC無(wú)法識(shí)別出模擬量，必須進(jìn)行數(shù)?；蛘吣?shù)轉(zhuǎn)換才可以被識(shí)別。模擬量英文為Analog，數(shù)字量英文為Digital，故此數(shù)模轉(zhuǎn)換被縮寫(xiě)為D/A轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換可被縮寫(xiě)成A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)模轉(zhuǎn)化和模數(shù)轉(zhuǎn)換這兩種模塊較為常見(jiàn)，一般由PLC的生產(chǎn)商配套的出售，使PLC可以應(yīng)用在對(duì)模擬量的控制上。3.1.3PLC的組成PLC的硬件由CPU、I/O單元、通信單元等所構(gòu)成，其中CPU是PLC的核心及大腦，I/O單元是將其與CPU相接的單元，通信接口用于和外設(shè)單元相接入。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可以將PLC分為以下兩種：一種為整體式PLC，這種PLC一般為單獨(dú)使用且大部分為小型PLC，此設(shè)計(jì)中使用的S7-200就是整體式PLC，組成框圖如圖3.1所示。這種PLC將CPU輸入輸出單元以及其他部分等放置并固定在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱中。另一種為模塊式PLC，例如常見(jiàn)的S7-300，這種PLC是通過(guò)將各個(gè)單元插在底板的插座上，這種PLC更便于擴(kuò)展，可以進(jìn)行靈活的配置，一般使用于大中型PLC中。圖3.1PLC組成框圖（1）中央處理單元（CPU）CPU是PLC中最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，每臺(tái)PLC中，至少包括一個(gè)CPU且以CPU為基礎(chǔ)決定控制規(guī)模大小，運(yùn)行快慢等，其常見(jiàn)型號(hào)如下：第一種為通用微處理器，它在CPU中是最常見(jiàn)最常用之一，CPU從英特爾公司8086CPU到奔騰系列CPU都是采用這種處理器。第二種為單片微處理器，也就是人們常說(shuō)的單片機(jī)比如英特爾公司的MCS51系列其中包括8051、8052、8032等,也是非常常見(jiàn)的型號(hào)。第三種為速度快的位片式微處理器，這種處理器速度快，但他集成度不高，成本不低，但是因?yàn)椴粩喔倪M(jìn)下，且易于流水線操作，也成了CPU的主流選擇。下面對(duì)大、中、小型的PLC中CPU分別進(jìn)行介紹說(shuō)明：大型PLC通常會(huì)使用上述的第三種CPU，且通常含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU。對(duì)于大型的PLC來(lái)說(shuō)，其中一個(gè)CPU用來(lái)實(shí)現(xiàn)位處理器的工作，此CPU通常為生產(chǎn)公司所設(shè)計(jì)的CPU，可以提升PLC的運(yùn)行速度，更好的控制被控目標(biāo)，另一個(gè)CPU通常為8/16位的，用來(lái)完成字處理器的工作；中型PLC，大部分與大型PLC相差不多，使用上述第二種和第三種的16位CPU且通常含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU，兩個(gè)CPU的功能于大型CPU相近，所以在此不多做介紹；小型PLC，就小型PLC而言通常使用上述第一種和第二種的8位CPU，且為只包括有一個(gè)CPU。（2）存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的功能就是記錄并保存數(shù)據(jù)及程序，具體將在下述介紹中進(jìn)行說(shuō)明。系統(tǒng)存儲(chǔ)器的功能就是存儲(chǔ)PLC自帶的程序，這種自帶的程序無(wú)法由使用者修改，決定了PLC的基本功能，并且PLC自帶的程序優(yōu)秀與否對(duì)PLC的性能有著較大的影響。用戶存儲(chǔ)器的功能是存儲(chǔ)用戶通過(guò)使用個(gè)人計(jì)算機(jī)或者智能編輯器等額外編寫(xiě)的應(yīng)用程序，當(dāng)用戶完成程序應(yīng)用的編寫(xiě)后，將會(huì)被存儲(chǔ)在通常使用16位/字來(lái)表示存儲(chǔ)器EPROM中。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的功能是存儲(chǔ)PLC工作時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與結(jié)果，例如預(yù)設(shè)值，當(dāng)前值等，并且所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通常是不斷變化的，故無(wú)需一直保存，所以其使用斷電就會(huì)將數(shù)據(jù)清空的RAM存儲(chǔ)器。（3）輸入/輸出單元輸入/輸出單元就是我們常說(shuō)的I/O單元，PLC將獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)換處理編程PLC可用的數(shù)據(jù)信號(hào)，或者將向外部輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換從而調(diào)節(jié)控制對(duì)象，總的說(shuō)就是起到數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換與交換的作用。（4）通信接口通信接口是指外部的子系統(tǒng)（打印機(jī)，電腦等設(shè)備）與PLC的CPU相連接從而實(shí)現(xiàn)通訊且進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，PLC一般自帶通信接口，例如最常見(jiàn)的最主流的RS-232，RS-422，通過(guò)RS-422改進(jìn)的RS-485。以打印機(jī)為例，當(dāng)連接打印機(jī)時(shí)，可以打印下系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)以及各種信息。（5）智能接口模塊智能接口模塊相當(dāng)于系統(tǒng)所需要的功能的擴(kuò)展，它不需要與主PLC共同工作，因?yàn)橛兄陨淼奶幚砥?，只需使用主PLC通過(guò)總線將周期數(shù)據(jù)發(fā)送至智能模塊，并且進(jìn)行綜合處理即可。比如EM231測(cè)溫模塊，它是數(shù)據(jù)測(cè)量功能模塊的特殊形式，使用人員可以直接在此模塊查看溫度。除了這些，還有一些較為常見(jiàn)計(jì)數(shù)器模塊算法等控制模塊等。（6）編程裝置編程設(shè)備的功能在下述介紹中說(shuō)明：現(xiàn)今選擇個(gè)人計(jì)算機(jī)作為編程設(shè)備的較多，因?yàn)閭€(gè)人計(jì)算機(jī)的功能較多，既可以進(jìn)行多種語(yǔ)言的編程，又能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，連接打印機(jī)即可以進(jìn)行數(shù)據(jù)信息打印；不僅如此，選擇使用各種軟件將其所得到的結(jié)果通過(guò)仿真來(lái)進(jìn)行調(diào)整。本設(shè)計(jì)中選擇的S7-200的STEP7-Micro/WIN作為編程軟件，可以直接在電腦上運(yùn)行，即可以做到編程又可以進(jìn)行調(diào)試，并且有著交換數(shù)據(jù)等眾多功能。除個(gè)人計(jì)算機(jī)以外，還有以下幾種：1.專業(yè)計(jì)算機(jī)，可以用于高級(jí)語(yǔ)言的編程；2.智能編輯器，可以使用梯形圖進(jìn)行編程，所以編程較為直觀但是操作復(fù)雜，售價(jià)也不低，也是常見(jiàn)的編程設(shè)備；3.簡(jiǎn)易編程器，除了個(gè)別簡(jiǎn)易編程器如Toshiba的EX系列，僅僅可以進(jìn)行最簡(jiǎn)單的編輯，但是其價(jià)格低廉，方便攜帶也是不錯(cuò)的編程設(shè)備。（7）電源在PLC的內(nèi)部是自帶電源的，無(wú)自帶電源的一般可直接使用工業(yè)電源。自帶電源的功能是為其內(nèi)部電路提供電能支持。PLC內(nèi)部自帶的電源無(wú)論是在穩(wěn)定性上還是在抗干擾能力上都比外部電源更加優(yōu)。部分PLC內(nèi)部自帶的電源甚至可以向外部的傳感器等系統(tǒng)供電，（可以提供穩(wěn)定在24V的直流電）。除此之外PLC內(nèi)部自帶的電源對(duì)電網(wǎng)供電要求較低，電網(wǎng)供電允許誤差在15%以內(nèi)。3.1.4PLC的選型及硬件配備通過(guò)上述特點(diǎn)，可以得到以下結(jié)果，即使不使用大型以及中型PLC，也可以完成要求，西門子S7-200系列工作能力超過(guò)同級(jí)別的小型PLC，并且從成本上來(lái)說(shuō)也不高于其他種類的PLC。S7-200一類PLC可以完美符合上訴標(biāo)準(zhǔn)，其指令功能強(qiáng)大并且包括著多類型的功能模塊，例如常見(jiàn)的輸入輸出模塊，解決了模擬量的問(wèn)題，相對(duì)其他小型系列PLC更優(yōu)秀，并且他的系統(tǒng)集成并不復(fù)雜，可以使用三種語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編程，所以它更方便學(xué)習(xí)，除此之外多種人機(jī)交互界面可以使他更方便上手操作。現(xiàn)在因?yàn)镾7-200PLC出色的性能已經(jīng)被大多數(shù)人廣泛認(rèn)可，并且得到了大范圍的使用。3.2系統(tǒng)其它硬件介紹及選型3.2.1溫度傳感器溫度傳感器是17世紀(jì)初被設(shè)計(jì)出用來(lái)采集溫度并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種設(shè)備，其主要有熱電阻傳感器以及熱電偶傳感器兩種，隨著溫度傳感器在四五百多年內(nèi)不斷發(fā)展現(xiàn)，已相對(duì)成熟。熱電阻傳感器將不同溫度以電阻大小的形式顯示出來(lái)，使用的電阻通常為鎳、錳和銠等導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料，此類材料會(huì)因?yàn)闇囟鹊牟煌淖冏约旱碾娮枳柚荡笮?。熱電偶傳感器是最?jiǎn)單的溫度傳感器，可以將其視為能量轉(zhuǎn)換裝置，它通過(guò)將熱能轉(zhuǎn)換為電能，這種情況被稱之熱電效應(yīng)。其適用范圍在90℃至130℃之間并且準(zhǔn)確度不高，故不適用于高精度的溫度測(cè)量。在本設(shè)計(jì)中選擇AD590型號(hào)的溫度傳感器，具有價(jià)格低、可靠性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。溫度測(cè)量電路如圖3.2所示。圖3.2溫度測(cè)量電路3.2.2調(diào)功器為滿足加熱爐的基本要求，此論文中選擇鎳鉻合金作為加熱絲，額定電壓為220V。故選擇220V的單相電源，控制模式選擇相位控制。根據(jù)控制器關(guān)系式可以得到單相電流約為97A，為方便計(jì)算，取單相電流為100A。本設(shè)計(jì)中選用型號(hào)為P-1P-220V100A-20的控制器。3.2.3顯示模塊為滿足加熱爐的基本要求，本文顯示模塊選擇HLP2-39型兩線PLC專用數(shù)顯表，此表通過(guò)輸出端口接收數(shù)據(jù)。實(shí)物如圖3.3所示：圖3.3HLP2-39數(shù)顯表PLC中所有的數(shù)據(jù)信息均可經(jīng)子程序通過(guò)兩個(gè)輸出端口輸出編碼至HLP2-39數(shù)顯表上，其中：主表SDA與PLC中Q0.3相連，其作用為實(shí)時(shí)顯示夾套溫度；從表SDA與PLC中Q0.2相連，其作用為實(shí)時(shí)顯示內(nèi)膽溫度；主表與從表的SDA端口接PLC中Q0.4，其作用為接收時(shí)鐘信號(hào)。3.2.4觸摸屏選擇觸摸屏的型號(hào)為SIEMENS公司的Smart1000。此觸摸屏有著優(yōu)秀的通信能力，通信速率較高，以及分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。并且使用的通信協(xié)議為PPI，可以大幅度降低觸摸屏與PLC通信所需時(shí)間。WinCCFlexible是SIEMENS公司中的HMI軟件，此軟件功能強(qiáng)大并且具有優(yōu)秀的開(kāi)放性及靈活性。用于對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。在對(duì)Smart1000組態(tài)時(shí)，應(yīng)保證采集到的與數(shù)據(jù)PID參數(shù)等數(shù)據(jù)類型與地址同S7-200相對(duì)應(yīng)。使用界面可劃分以下三個(gè)部分：（1）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)區(qū)域，用于顯示預(yù)設(shè)溫度以及當(dāng)前溫度；（2）系統(tǒng)設(shè)定區(qū)域，用于對(duì)PID算法的增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間等參數(shù)及預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)；（3）自整定區(qū)域，用于設(shè)置PID自整定。觸摸屏程序組態(tài)完成后，使用USB/PPI將電腦與觸摸屏連接，然后對(duì)傳輸模式以及傳輸速率進(jìn)行設(shè)定，就可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)加熱系統(tǒng)的控制。3.3系統(tǒng)硬件連接方式以上述為基礎(chǔ)結(jié)合控制系統(tǒng)的基本功能要求，對(duì)其控制系統(tǒng)的接線方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖3.4所示：圖3.4系統(tǒng)接線圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1方案設(shè)計(jì)思路本文采用S7-200系列PLC，222系列CPU，采用了兩個(gè)按鈕用來(lái)控制系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行指示燈用來(lái)顯示系統(tǒng)的工作情況，主從數(shù)顯表分別用來(lái)顯示夾套及內(nèi)膽的實(shí)時(shí)溫度。為滿足溫度控制系統(tǒng)基本功能要求，并結(jié)合控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，可將軟件設(shè)計(jì)分為以下四個(gè)部分：1.主程序部分；2.標(biāo)度變換部分；3.顯示部分；4.PID運(yùn)算調(diào)節(jié)部分。文中的溫度控制系統(tǒng)地址分配如下：表4.1系統(tǒng)地址分配主程序地址分配I0.0啟動(dòng)按鈕VD204副控制器給定量I0.1停止按鈕VD100主控制器的過(guò)程變量PVQ0.0系統(tǒng)運(yùn)行指示燈VB100主控制器PID的起始地址Q0.1內(nèi)膽溫度輸出SDAVD108主控制器的輸入值Q0.2夾套溫度輸出SDAVD306輸出值寄存地址Q0.3兩個(gè)數(shù)顯表時(shí)鐘SCKVD304內(nèi)膽溫度實(shí)際參數(shù)M0.0系統(tǒng)運(yùn)行控制寄存器VD200副控制器的過(guò)程變量PVM0.1顯示子程序定時(shí)器輔助寄存器VB200副控制器PID的起始地址AIW0夾套溫度模擬量輸入值VD208副控制器PID的輸出值A(chǔ)IW2內(nèi)膽溫度模擬量輸入值VW2022內(nèi)膽溫度待顯數(shù)寄存地址VD300夾套溫度實(shí)際參數(shù)VW2034將BL3轉(zhuǎn)為BCD碼VD304內(nèi)膽溫度實(shí)際參數(shù)VW2014將BL4轉(zhuǎn)為BCD碼VD104主控制器給定量VW2042夾套溫度待顯數(shù)寄存地址VD112主控制器增益KcAQW0EM235模擬量輸出值VD116主控制器采樣時(shí)間Ts（S）VD2044控制字VD120主控制器積分時(shí)間（min）V2041.0夾套溫度顯示輸入數(shù)據(jù)位VD124主控制器微分時(shí)間V2021.0內(nèi)膽溫度顯示輸入數(shù)據(jù)位VD212副控制器增益KcV2045.0控制位SBM34SBM35主控制器中斷定時(shí)器（ms）副控制器中斷定時(shí)器（ms）SBM35副控制器中斷定時(shí)器（ms）4.2加熱爐溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖的確定溫度控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：第一步：信號(hào)采集，由傳感器得到水溫的模擬信號(hào)即溫度信號(hào)；第二步：信號(hào)轉(zhuǎn)換，因?yàn)闇囟刃盘?hào)無(wú)法被PLC使用，所以將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后由EM235擴(kuò)展模塊把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以被PLC使用的數(shù)字量；第三步：對(duì)比反饋，將水溫的給定量與反饋量進(jìn)行比較，得到二者的誤差，通過(guò)PID算法，得到新的輸出量，并將其作為新給定量再次對(duì)比反饋得到新的誤差，再次通過(guò)PID算法得到新的輸出量；第四步：改變電壓，將新的輸出量作為功率調(diào)節(jié)器的輸入量，從而改變電壓輸出效率，實(shí)現(xiàn)改變爐內(nèi)電壓的目的，從而對(duì)水溫進(jìn)行調(diào)整。主程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1系統(tǒng)主流程圖4.3溫度控制系統(tǒng)西門子S7-200程序的實(shí)現(xiàn)以加熱爐的基本控制要求為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)S7-200進(jìn)行編程，得到了以下滿足基本控制要求的設(shè)計(jì)程序。4.3.1溫度控制系統(tǒng)主程序梯形圖及作用溫度控制系統(tǒng)的主程序作用是手動(dòng)開(kāi)始或停止系統(tǒng)與完成對(duì)子程序的調(diào)用。主程序梯形圖如圖4.2所示。圖4.2主程序梯形圖4.3.2溫度控制系統(tǒng)子程序梯形圖及作用子程序（1）標(biāo)度變換子程序的主要作用如下：標(biāo)度變換子程序的主要作用是為方便顯示模塊顯示爐內(nèi)水溫以及CPU的計(jì)算，將0~32000的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~100的溫度信號(hào)。首先進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)模擬量輸入擴(kuò)展模塊再次進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)。（2）顯示模塊子程序的主要作用如下：顯示模塊子程序的主要作用是用來(lái)顯示加熱爐夾套以及內(nèi)膽的水溫。數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)度變換子程序進(jìn)行處理，得到熱爐夾套以及內(nèi)膽的真實(shí)溫度值，最后通過(guò)顯示模塊進(jìn)行顯示。（3）PID初始化子程序的主要作用如下：首先進(jìn)行參數(shù)初始化，然后調(diào)用PID中斷程序，設(shè)置主控制器的給定量為0.8即控制水溫80℃，進(jìn)行PID運(yùn)算后，得到所求輸出結(jié)果，最后完成PID運(yùn)算，輸出模擬量?？偨Y(jié)本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的了解與學(xué)習(xí)，以PLC為基礎(chǔ)，對(duì)設(shè)備I/O端子進(jìn)行新的分配，做出結(jié)構(gòu)圖