本科毕业论文----多段电阻炉温度控制系统的设计.doc

第III页多段电阻炉温度控制系统的设计摘 要温度是生产实践中普遍存在的被控物理量，随着科学技术的发展，电阻炉的应用越来越广泛。因此在现代控制领域中,精密温度控制成为最重要的研究课题之一。本设计首先对电阻炉的研究现状、发展过程以及设计目的进行介绍，确定了以三段电阻炉作为控制对象；其次，根据系统的要求选择控制输出方式和控制算法，确定了采用单相交流固态继电器的控制输出方式和带有解耦控制输出的变积分PID控制算法；最后介绍了系统硬件设计思想、系统硬件的选择及硬件框图，在软件方面，采用了基于PLC程序设计，同时阐述了PLC与上位机通讯实现等问题，并在此基础上根据实验室条件对系统的控制算法进行了MATLAB仿真，对单相交流调功模块进行了PLC仿真实验，以此完成了多段电阻炉温度控制系统的设计。关键词：多段电阻炉；温度控制；变速积分PID；PLCTHE DESIGN OF MULTI-SEGMENT RESISTANCE FURNANCE SYSTEMAbstractTemperature is prevalent in the control of the physical parameters in the practice, Along with the development of science and technology, resistance furnace was applicated more and more extensive, therefore in the modern controlling field, This design first introduces the current situation of Electric resistance furnace research, the developing process as well as the design goal., determination of the three of the resistance furnace as the control object. Then according to requirements of the system to choose the output way and the algorithm, determines the single phase AC solid state relay control output way and speed change integral PID control algorithm. Finally, this article elaborated the system hardware design mentality, the system design component shaping and the hardware diagram, In the field of software Have adopted owing to PLC programming as well as introduced The software designs of the PLC communication to the higher position machines realization question and so on .Meanwhile, under laboratory conditions to simulate on MATLAB and simulation single-phase AC power control module on PLC in the library, to that, the multistage resistance furnace control system design has been completed.Key words ：multisegment resistance furnace; temperature control of furnace; variable integral PID control; PLC 第3页目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 毕业设计的选题背景11.2 多段电阻炉的研究状况及成果11.3 多段电阻炉控制的发展过程21.3.1 炉温的自动控制方式21.4 本设计研究的主要内容32 多段电阻炉温度控制的方案42.1 炉温控制方法的选择42.1.1 交流调功的介绍42.2 炉温控制算法的选择72.2.1 变速积分PID控制算法72.2.2 变速积分PID与普通PID仿真比较82.2.3 解耦控制输出算法103 多段电阻炉温度控制硬件部分设计113.1 硬件设计方法介绍113.2 硬件器件的选择123.2.1 单相交流继电器介绍133.2.2 西门子S7-200系列PLC概述143.2.2 EM231TC / EM235模块参数及接线153.3 炉温控制系统的硬件框图164 多段电阻炉温度控制的程序设计184.1 PLC程序运行环境184.2 系统程序设计概述184.2.1 温度采集程序设计194.2.2 变速积分PID程序194.2.3 控制输出程序204.3 主程序流程图及地址分配214.4 PLC与上位机通讯设计224.5 单相交流固体继电器调试24结 论26致 谢28参考文献29附录A30附录 B47附录 C491 绪 论1.1 毕业设计的选题背景温度是生产实践中普遍存在的被控制的物理参量，随着冶金和材料等学科的发展，促使新的温度加热和检测控制技术不断完善与提高。可以说若电阻炉没有良好的温度控制，就不能对生产过程进行很好地控制，那么生产就不能正常地运行。目前，多段电阻炉温度的控制已成为实验室、工矿企业、科研等单位进行科学研究的一项重要的课题，炉温控制越来越引起了人们的重视。鉴于这种情况之下，本设计对多段电阻炉温度控制这一课题进行了研究。1.2 多段电阻炉的研究状况及成果早期型号的电阻炉电气系统多采用接触器加温控仪表的方式，即通过温控仪表对炉膛内热电偶采集的温度信号进行处理来控制接触器的通断，从而达到对电阻炉加热和保温的控制。由于接触器在切换时电流的变化率大，长时间运行会造成接触器的触点粘连，致使炉温冲过设定值，严重时会造成工件报废。同时由于温度控制精度较低，不能满足比较高的工艺方案的要求。随着功率半导体元件得到了广泛应用，特别是在一些老设备的电气升级改造中采用半导体元件的效果非常明显。交流固态继电器AC SSR（Solid State Relay)是一种四端有源功率半导体元器件。该元件的其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离，以实现输入和输出之间的电气隔离(浮空)。当输入端加上直流或脉冲信号时，输出端从关断变成导通态，从而控制较大的交流负载。经过改进后的系统主电路采用三个单相SSR并联使用。SSR 的信号输入端串联接到温控仪的信号输出端，达到对SSR工作的控制，改进后电阻炉电路示意图见图1.1。温控仪内的常开触点与外部报警系统相连1。 图1.1 改进后电阻炉电路示意图改进后的电阻炉系统，克服了污染电网的问题；避免了因局部线路瞬间电流过大而造成供电设备的老化；解决了因接触器闭合瞬间电流过大而使电流表打表针问题；提高了电源设备的利用率。该系统对电阻炉的温度能够进行比较精确的控制，减小了超调量，使加热功率更均匀，节电效果十分明显。1.3 多段电阻炉控制的发展过程伴随着计算机和微电子技术的发展，自动控制技术也得到了迅猛发展。工业电阻炉的控制系统经历了三个方面的发展过程2： 1. 继电器控制系统。2. 可编程控制器PLC与智能化控制仪表组成的综合控制系统。3. 计算机控制系统。80年代以来，继电器控制系统已经基本不用，而智能化控制仪表和可编程控制器PLC的综合控制方式已经普及。90年代以来，微控计算机系统得到广泛的应用，也成为自动化设备先进程度的标志。1.3.1 炉温的自动控制方式炉温自动控制系统是利用测温仪表与自动化装置组成的一个自动控制系统来实现的。通常工艺要求炉温控制在预先设定在某一给定值上。这样的系统叫做定值调节系统，它由被调节对象（炉温）、检测元件（热电偶）、调节器、执行机构等四大环节组成。炉温的自动控制方式根据自动控制器的不同形式可分为三大类2： 1. 炉温位式调节 炉温位式调节采取热电偶采样，将信号送入位式调节器进行比较，然后通过继电器的通断来完成对炉温的控制。它的特点是：结构简单、成本较低但是调节精度不高，被调参数的波动较大，调节器和执行器件因动作频繁而易损坏，且工作时噪声较大。2. 炉温的准连续调节 即调节器的调节作用仍然是依靠仪表中的开关来实现，但其调节性能和连续调节器相仿，准连续调节系统又称连续PID调节系统。它的工作原理是在给定温度附近，仪表的触点不停的周期性的断开和接通，且断开和接通的时间随实际温度和给定温度的偏差变化而变化，则控制触点的通断动作就起到了相当于连续调节电阻炉输入功率的作用，使炉温的控制质量有了一定的提高。3. 炉温的连续调节 随着电子技术的飞速发展，控制水平的不断提高，使获得精确的炉温调解质量成为可能。现阶段的炉温控制多采用比例积分微分调节器（PID调节器）组成的PID自控系统进行控制。PID调节器的输出信号是按与输入信号成比例（P）、积分（I）、微分（D）的运算规律而动作。这三种调节规律的作用是：比例调节产生稳定的作用；积分调节可以消除静差；微分调节可加速过渡过程，克服因积分作用而产生的滞后，减少超调。只要这三个规律调节适当，就可得到运用快速而又稳定的调节过程，并能保持很高的温度调节精度。1.4 本设计研究的主要内容毕业设计作为专业知识的一个应用平台，它能够检验学生的专业知识运用能力、独立思考能力、动手能力和自学能力，提高其专业知识水平。本人通过收集各种多段电阻炉温度控制的资料，了解到多段电阻炉的工业用途、发展历程、现状及电阻炉的控制要求，确定了以单相交流固态继电器的控制输出方式和带有解耦控制输出的变积分PID控制算法。通过查找PLC、全隔离单相交流调压模块、上下位机通讯等方面的资料，阅读相关教材内容、论文和资料，确定了多段电阻炉温度控制的硬件的选型和软件程序的设计。给出了系统的硬件框图，并用Protel 99画出了实际电路连接的系统图；在软件方面，给出了编程思想及流程图和主程序中的地址分配等；最后根据实验室条件进行部分模块的调试工作，并在结论中对控制系统做出了评价和改进之处。 第50页2 多段电阻炉温度控制的方案电阻炉是一个具有较大纯滞后时间常数的温度对象，精确可靠地测量和控制电阻炉的温度，是保证试验顺利进行的必要条件。本设计以三段电阻炉温度控制系统为设计对象，将多段电阻炉分为三段自动控制温度，并要求每段稳态控制精度高，温度上升速度快，三段温度升温平衡。并有上位机进行监控，进行温度给定、显示、和管理。要达到上述的设计目标，在多段电阻炉设计中，各段控制方法的选择和控制算法的确定最为重要。而且，考虑到多段电阻炉的电阻丝位置不同等原因，会造成升温不平衡的影响，故三段之间的解耦输出控制也至关重要。2.1 炉温控制方法的选择多段电阻炉的加热过程是由交流电源A、B、C三相分别通过通断过程来控制电阻丝的通断电，以此达到加热和控制温度的目的。目前工业上普遍采用交流固体继电器的交流调功控制和全隔离三相交流调压模块的交流调压控制这两种控制输出方式。考虑到调压控制输出会对电网产生很大的谐波影响，而单相交流固体继电器减少了对负载的冲击和产生的射频干扰，故本设计采用3个单相交流固态继电器（SSR）模块组成三相交流调功控制输出方法。2.1.1 交流调功的介绍在冶金、工矿、科研等单位中，利用PLC组成测控系统，存在一个PLC的电子电路和电器电路互相连接的问题，一方面要使PLC的控制信号能够控制电器电路的执行元件（如电动机、电磁铁、继电器、灯泡等），另一方面，又要为PLC的电路和电器电路提供良好的电隔离，以保护PLC电路和人身的安全，固态继电器（Solid State Relay，简称SSR)能很好地完成这一桥梁作用。SSR是一种无触点功率半导体器件，其特点是3：1. 输入控制电压低（314V），直流或脉冲电压均能作输入控制信号, 驱动电流小，输入控制电压与TTL、HTL、CMOS、PMOS电平兼容；2. 输入、输出间一般采用光电隔离, 隔离绝缘大于2kV , 符合国际电气安全标准；3. 输出无触点、无噪声、无火花, 开关速度快；4. 有交流、直流输出方式, 输出电压有多种规格选择；5. 采用环氧树脂全灌封装, 防尘、耐湿、耐振、寿命长。由于以上优点, SSR 在测控系统中得到了广泛的应用。根据负载电流的不同, SSR 分交流（AC SSR）和直流（DC SSR）2种, 又根据触发控制形式的不同，ACSSR又分随机导通（P 型)和过零触发（Z 型）2 种, 由于ACSSR （Z 型）对外的干扰非常小, 应用更广，现对其工作原理进行说明。过零触发型交流固态继电器（ACSSR(Z)型）内部结构由信号输入电路、零电压检测和控制电路、双向可控硅输出及RC吸收电路构成3。其结构如图2.1所示。图2.1 过零触发型交流固态继电器结构图当无信号输入时，T1 管导通, SCR 处于关断状态，SSR是断开状。当有信号输入时, T1 管截止, R5、R6、T2组成过零电压检测，只要R4、R6的分压超过T2的基、射极压降，T2管饱和导通, 它使SCR的控制极箝位在低电压上，而不能导通，只有当输入信号加入的同时，负载电压又处在零电压附近（+ 10V+ 20V 范围），来不及使T2进入饱和导通，此时SCR才能通过R3注入控制电流而导通，双向可控硅TRAC通过R7整流桥SCR整流桥，得到了触发电流，故TRAC 导通，将负载与电源接通。当输入信号撤销后，T1进入饱和状态，它短路了SCR的控制电流，因此，在SCR电流过零的瞬间，SCR将截止，一旦SCR截止后，TRAC 也在其电流减小到小于坚持电流的瞬间自动关断，切断负载与电源间的电流通道。电路是在过零时开启(并非电压为0V 处导通,而是有一定电压)，电流过零时关断的特性, 其工作波形如图2.2所示。 图2.2 过零触发交流固态继电器工作波形图直流固态继电器（DCSSR）输出为2根线，其结构图如图2.3所示。图2.3 直流固态继电器（二线制）结构图当加入控制信号后，T1导电使T2饱和导通，负载与电源接通。它是以功率晶体管作开关元件，而不是以可控硅作开关元件，其工作波形见图2.4。图2.4 直流固态继电器工作波形图本设计中采用调功方式控制的周波控制法，调节负载功率从而达到调节温度的目的, 调功的原理为：设电网连接（设为500个）个完整的正弦波，作为一个控制周期 （设为10s）, 则： （2.1）式中为电网频率，。设在设定的周期内控制加到输入端的 () 个完整的正弦波周期数，则负载功率： （2.2）式中为电网电压有效值,为负载有效电阻。可见，只要控制在设定周期内的周波数，就可调节负载的功率，控制加载到电阻丝上的定额周期的正弦波，达到调控温度的目的。2.2 炉温控制算法的选择在多段电阻炉温度控制系统中，要使电阻炉的温度控制在上升、下降和保持这些过程中能得到良好的性能，关键是控制算法的选择。本设计中，由于电阻炉温度控制系统具有非线性、大滞后、大惯性、升温单相性等特点，若用传统的PID控制算法，很难达到控制要求和控制精度，并且容易产生大的超调和不稳定等现象，故本设计采用变速积分PID控制算法。 多段电阻炉内部温度是非均匀分布的，且随时间连续变化，即炉温不仅与时间有关，而且与空间有关，故需要考虑解耦问题。本设计引入前馈补偿解耦控制，以此使炉内温度达到均匀分布。2.2.1 变速积分PID控制算法在普通的PID控制算法中，由于积分系数是常数，所以在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积分的要求是系统偏差大时积分作用应减弱甚至全无，而在偏差小时则应加强。积分系数取大了会产生超调，甚至饱和，取小了又迟迟不能消除静差。因此如何根据系统偏差的大小改变积分的速度，对于提高系统的品质是很重要的。变速积分PID可很好的解决好这一问题。变速积分PID控制算法的基本思路是当温度偏差大于某一设定值时，控制输出为1，而小于此设定值时，采用变速积分PID控制算法7。变速积分PID是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，偏差越大，积分越慢，反之则越快。在变速积分PID算法中，设置系数，它是的函数。当增大时，减小，反之增大。变速积分的PID积分项表达式为： （2.3）系数与偏差当前值的关系可以线性的或非线性的，可设为 （2.4） 值在区间内变化，当差大于所给分离区间后，0，不再对当前值进行继续累加；当偏差小于时，加入当前值，即积分项变为，与一般PID积分项相同，积分动作达到最高速；而当偏差在与之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在之间随的大小而变化。因此，其积分速度在和之间。变速积分PID算法为： （2.5） 这种算法对、两参数的要求不精确，所以参数整定比较容易。2.2.2 变速积分PID与普通PID仿真比较为比较变速积分PID算法与普通PID控制算法在具有滞后现象对象中的效果，现对两种算法的阶跃响应进行仿真比较。设被控对象为一延迟对象 （2.6） 采样时间为20s，延迟时间为4个采样时间，即80s，取0.45，12，0.0048,=0.4，=0.6（写成公式）。采用变速积分PID控制算法，其阶跃响应曲线如图2.5所示。采用普通PID控制，其阶跃响应曲线如图2.6所示。由仿真结果可以看出，变速积分具有更小的上升时间，控制效果更好。 图2.5 变速积分PID控制单位阶跃响应 图2.6 普通PID控制单位阶跃响应2.2.3 解耦控制输出算法 三段电阻炉在冶金、工矿和科研单位应用广泛，故炉内温度均衡性的重要性不言而喻。三段电阻炉内三段电阻丝所处的位置不同，因此三个位置温度受外界因素影响的大小也不同，故其温度控制还与空间分布有关。若采用统一算法进行控制量输出，就会使得三段电阻丝的加热速度不同，造成炉内温度不均衡，对于同一个加热材料，就会使得其结构异化，在生产和科研中造成很大负面影响。为解决这个问题，在系统中对中间段进行了前馈控制。 图2.7 三段电阻炉炉体示意图如图2.7所示，因为考虑到B段受外界因素影响较小，其温度在加热过程中会明显高于A、C两段，若不进行抑制，会造成加热不平衡，进而影响加热效果。为解决这一影响，在本设计中采用一种简单的方法，达到解耦控制的效果。设A、B、C三段温度分别为a、b、c摄氏度，若b的温度与a、c的平均值之差大于某一温度值W摄氏度（本设计中为5），即时，置段控制量为0.2，即段停止加热一个控制周期，以此来使三段加热平衡，达到升温同步的效果。3 多段电阻炉温度控制硬件部分设计在多段电阻炉温度控制设计中硬件设计是至关重要的，本章将从硬件的设计方法、元件选择、硬件连接框图等方面对系统的硬件设计进行介绍。3.1 硬件设计方法介绍要对三段电阻炉进行温度控制，就要对三段电阻丝分别进行供、停电，其控制回路从硬件触发到软件分别形成了三个单独的子回路。 在设计中，要求B段有温度显示电路，而A、C两段不需要，故本节将对B段和A段硬件组成进行介绍。在A、C两段的设计中，因为不需要温度显示模块，故设计思路如图3.1所示。以S7-200 PLC系列中的CPU224作为下位机控制器，并带有输入扩展模块EM231TC作为模/数转换。单相交流固体继电器模块构成执行器控制加热电压，以热电偶和模拟量输入模块EM231TC组成温度信号的采集。上位机（微机）通过上位机串口（RS232）经RS232/RS485接口转换器（PC/PPI电缆）与下位机PLC串口（RS485）通信。由上位机对整个系统进行监控。图3.1 A段与C段温度控制系统硬件概图 在B段的设计中，因为要求有温度显示模块，故在系统设计中可使用模拟量输入/输出模块EM235（无信号放大功能）进行模拟量输入，并可以接受温度变送器传来的温度信号，进行模/数转化，显示电路使用WP系列变送器（可以进行信号放大）。具体设计思路如图3.2所示。PLC将控制量加到单相交流固态继电器调功模块，进行负载功率的调节，达到控温目的；同时从热电偶得到的温度信号传送至WP系列变送器，进行温度显示，并且通过显示屏的模拟量输出口接至EM235的模拟量输入口，进行温度信号的采集。 图3.2 B段温度控制系统硬件概图系统任意一路的控温过程如下：首先由热电偶检测炉温，通过EM231TC的热电偶输入端口，进行模数转换，将转换得到的温度采样值与温度给定值比较，按PLC实现的控制算法计算出控制量（导通时间：010s），在此导通时间内PLC输出高电平，并接至单相交流固态继电器输入端，在负载端得到一定数量的导通波形的单相电压，控制电阻丝的加热，来达到控温效果。同时，B段热电偶接至WP系列变送器将当前温度值显示于显示屏，形成温度显示模块，并通过EM235形成温度反馈电路。本设计中WP系列变送器用作温度显示与变送功能，其输出端接至EM235模拟量输入端，并将01000摄氏度转化为05V，故相关参数设置如下：diL0 diH=1000 Addr0 bAud500003.2 硬件器件的选择本设计中硬件方面用到的器件为PC机、RS232/RS485接口转换器（PC/PPI电缆）、S7-200PLC系列PLC224、EM231TC、EM235、单相交流固体继电器、热电偶、显示屏等。本节将以表格列出器件的型号，并分别对主要器件的使用方法进行说明。系统中各个硬件如表3.1所示。表3.1 硬件器件选用表器件名称器件型号器件功用简述可编程控制器SIMATIC S7-200CPU224系列作为下位机的控制器PC/PPI电缆作为RS232和RS485接口转换器，进行微机与PLC间的通信模拟量输入EM231 TC接受热电偶温度信号并转化为数字量 单相交流固体继、电器(SSR)SSR220D40控制单相交流电(220V)的导通率，达到调功目的热电偶镍铬镍硅热电偶将炉内01000摄氏度的温度转化为041mv的电压信号温度显示屏WP系列变送器将041mV温度信号转化为05V信号，并显示当前炉内温度值模拟量输入/ 输出EM235进行模拟量输入/输出3.2.1 单相交流继电器介绍固体继电器英文名为Solid State Relay，简称SSR。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具体继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个控制输出端，输入输出之间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。固体继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积笑，耐冲击，耐振荡，防爆，防潮，耐腐蚀，能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。主要不足是存在通态压降（需相应散热措施），有断态漏电流，交直流不能通用，触点组数少，另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。交流固体继电器目前已广泛应用于计算机外围接口装置，电炉加热恒温系统，数控机械，遥控系统、工业自动化装置；信号灯、闪烁器、照明舞台灯光控制系统；仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机；自动消防、保安系统，以及作为电网功率补偿的电力电容的切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆，防潮，防腐蚀场合中都有大量使用。交流固体继电器按开关方式分有电压过零导通型（简称过零型）和随机导通型（简称随机型）；按输出开关元件分有双向可控硅输出型（普通型）和单相可控硅反并联型（增强型）；按安装方式分有印刷线路板上用的针插式（自然冷却，不必带散热器）和固定在金属底板上的装置式（靠散热器冷却）；另外输入端又有宽范围输入（DC332V）的恒流源型和串电阻限流型等。本设计中采用单相交流固体继电器，为普通装置式过零型继电器，其型号为SSR220D40型，因为采用恒流源型，故在输入端不需要接电阻，只需332V电压即可触发继电器导通。具体接线图如图3.3所示。 图3.3 单相交流固体继电器接线图3.2.2 西门子S7-200系列PLC概述SIMATIC S7200系列可编程控制器是德国西门子(Siemens)公司生产的具有很高性能价格比的微型可控制编程器，由于它具有结构小巧，运行速度快，价格低廉及功能多用途广等，因此在工业企业中得到广泛的应用。在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备，鉴于以上特点，本设计采用此系列PLC。S7-200PLC硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量的输入/输出（I/O）点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。本设计中采用CPU224系列的PLC，它有14输入/10输出，I/O共计24点，可以有7个扩展模块（本设计中使用3个扩展模块），有内置时钟，它有很强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用的最多的S7-200产品4。3.2.2 EM231TC / EM235模块参数及接线系统中为完成对温度信号的模拟量输入功能的实现，采用EM231TC作为模拟量输入模块。EM231TC作为模拟量输入模块，实现将温度的模拟量信号(电压、电流信号)转换为数字量，然后送到CPU模块进行数据处理和控制。其相关参数如下：1. EM231，4路12位模拟量输入（AI）模板l 差分输入，输入范围：电压：，。l 电流：。l 转化时间：。l 最大输入电压，最大输入电流。2. EM235，模拟量混合输入/输出（AI/AO）模板l 模拟量输入4路，模拟量输出1路。l 差分输入，电压：。l 电流：。l 转换时间：。l 稳定时间：电压，电流。 EM231TC为悬浮型热电偶，其类型有S、T、R、J、K、E、N，电压范围为80mV，输入分辨率为0.1/0.1，测量原理为Sigma-Delta，到传感器的导线长度最大为100米，导线回路电阻最大为100欧姆，噪声抑制为85dB， 50Hz/60Hz/400Hz，输入滤波衰减为 -3dB，21kHz，冷接点误差为1.5。EM231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J，K，E，N，S，T，和R型，它也允许连接微小的模拟量信号（80mV范围），所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器5。热电偶模块需要用户通过DIP开关进行选择热电偶的类型、断线检查、测量单位、冷端补偿和开路故障方向，用户可以很方便地通过位于模块下部的组态DIP开关进行以上选择。对于EM231 4TC模块，SW1SW3用于选择热电偶类型，SW4没有使用（要求设置到OFF的位置），SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿。对于EM231 8TC模块，SW1SW3用于选择热电偶类型，SW4用于选择断线检测方向，SW5用于选择测量单位，SW6用于选择是否进行冷端补偿。而是否进行断线检测则固定设置为是，无需用户设置8。为了使DIP开关设置起作用，用户需要给PLC和/或用户的电源断电再通电。在本设计中采用EM231 4TC，而热电偶使用的是镍铬镍硅热电偶（K型），测量的单位为摄氏度，故DIP开关具体设置如下：SW10 SW20 SW31 SW40、SW50 SW60 SW70 SW80模拟量输入/输出模块EM235在本设计中完成B段PLC与温度变送器模块模拟量输入，并完成A/D转换功能，完成温度信号采集过程。 因为EM235输出的模拟量是控制全隔离单相交流调压模块，所以在输出端要连接电压负载端子，而其输入是从WP系列显示屏接过来的，在本设计中采用单极性，量程为05V的电压输入类型，全隔离单相交流调压模块两段分别接电压发送器的两端。EM235DIP开关设置如下： SW1ON，SW2OFF，SW3OFF，SW4ON，SW5OFF，SW6ON3.3 炉温控制系统的硬件框图多段电阻炉设计中，硬件部分划分为上位机和下位机。上位机为PC机，进行温度控制系统的监控和程序的加载；下位机以S7-200PLC为控制器，配以EM231TC、EM235、单相交流固体继电器模块、热电偶、温度显示屏等设备构成。本节将对整个系统硬件结构框图和工作流程进行说明。 在3.1节中，对三段电阻炉的一段工作情况进行了说明，本小节将给出整个三段电阻炉温度控制系统的硬件结构框图，因每段硬件构成相同，故其工作原理类似于一段工作原理。系统硬件结构框图如图3.4所示。 图3.4 系统硬件结构示意图4 多段电阻炉温度控制的程序设计通过第三章的介绍，本设计硬件方案选取，器件型号等已基本确定，本章将针对系统软件部分进行设计程序，分别从程序运行环境、控制算法程序设计、监控系统程序的设计和上下位机通信等方面进行介绍。4.1 PLC程序运行环境S7200的编程软件是STEP 7Micro/WIN。STEPMicro/WIN用于S7200系列PLC的程序编辑，支持三种编程模式：LAD（梯形图）、FBD（功能模块）和STL（语句表），便于用户选用；Micro/WIN还提供程序在线编辑、调试、监控，以及CPU内部数据的监视、修改功能；Micro/WIN支持符号表编辑和符号寻址，用户可以为数据指定易懂的文字符号名；Micro/WIN还支持子程序、中断程序的编辑，提供集成库程序功能，以及用户定义的库程序；Micro/WIN还集成了TD200向导。STEP 7Micro/WIN V3.1以上版本还集成了S7200 Explorer。STEP 7Micro/WIN需要安装、运行在使用Microsoft（微软）公司的Windows操作系统的计算机上。STEP 7Micro/WIN V4.0 可以在Microsoft公司出品的如下操作系统环境下安装：1. Windows 2000，SP3以上2. Windows XP Home3. Windows XP Professional对计算机的硬件有如下要求6：1. 任何能够运行上述操作系统的PC 或PG（西门子编程器）。2. 只要350M硬盘空间。3. Windows系统支持的鼠标。4. 推荐使用的最小屏幕显示分辨率为1024768，小字体。4.2 系统程序设计概述要完成对温度的实时控制，除了有配套的硬件设计之外，控制程序的编写是至关重要的，系统程序的好坏，直接关系到控制精度的高低、控制温度的稳定及系统的灵敏度等因素。本设计中系统控制程序设计包括温度信号采集、变速积分PID控制算法程序、上下位机通信程序、控制信号输出等模块设计。本节将对本设计中主要模块的程序设计进行介绍。4.2.1 温度采集程序设计从热电偶采集到的温度信号为041mV的模拟量电压信号，而PLC程序中要用到的是数字量信号，故在设计中在热电偶和PLC之间使用具有热电偶输入的EM231TC模拟量输入模块11，自动将041mV间的电压信号转换为032000间的数字量，供控制程序使用。温度信号采集子程序要完成将采集到的数据进行数据变换：若先转化为整型数，然后除以32000.0则得到01之间的控制量；若直接除以32，则得到实际温度值10。其程序流程图如图4.1所示。图4.1 三段温度采集程序流程图4.2.2 变速积分PID程序 本系统采用变速积分PID控制算法，弥补了普通PID控制中积分系数不变的不足，使得积分系数可变，在控制中可以得到较好的控制效果。在控制过程中，可以根据每一段的温度偏差的大小，自动调整的变系数，以此达到自动变换积分系数的目的，并得到较理想的控制量。变速积分PID控制算法子程序流程图如图4.2所示。图4.2 控制算法流程图4.2.3 控制输出程序根据控制算法得到的控制量的输出，必须由输出子程序来完成。因考虑到计算得到的控制量为01之间数值，而单相交流固体继电器模块输入需要0或24V的TTL电平来完成负载端波数的控制，继而进行调功，故在控制输出程序中将控制量500得到需要控制的波数，而实现方法只要将u10 s即可得到单相交流固体继电器加高电平的时间。具体实现方法见附件A。同时在程序中加入了简单的解耦控制算法，来调节炉内温度的平衡。控制量输出子程序流程图如图4.3所示。 图4.3 解耦判断程序流程图4.3 主程序流程图及地址分配要完成对温度的控制，则需要一个系统的主程序，本节将以图和表格形式重点介绍系统主程序流程和程序中用到的地址及分配情况。系统程序流程图如图4.4所示，程序中主要变量地址分配情况如表4.1所示。 图4.4 系统程序流程图表4.1 程序中主要变量地址分配表地址地址中的内容地址地址中的内容VD101第一段温度缓冲区VD354第一段上次采样温度误差VD109第三段温度缓冲区VD362第三段上次采样温度误差VD200 第一段温度保存地址VD366第一段两次误差之差VD204 第二段温度保存地址VD370第二段两次误差之差VD208 第三段温度保存地址VD374第三段两次误差之差VD310存放比例系数VD378第一段前多次误差和VD314存放积分系数VD382第二段前多次误差和VD318存放微分系数VD386第三段前多次误差和VD322存放采样时间VD390第一段的变积分系数VD330存放系数VD394第二段的变积分系数VD334存放系数VD398第三段的变积分系数VD338存放温度标准值VD438第一段控制输出量VD342第一段此次采样温度差VD468第二段控制输出量VD346第二段此次采样温度差VD498第三段控制输出量VD350第三段此次采样温度差4.4 PLC与上位机通讯设计PLC与上位机通讯主要完成上位机程序的下载和PLC与上位机之间数据的接收与发送。本设计中要完成的功能是上位机（PC机）控制程序的下载和PLC每当10s定时来临，将接收到的三段温度值发送至上位机，供上位机监控系统显示。本设计中用到的通讯协议有PPI和自由口两种7。PPI（点对点接口）是西门子专门为S7200系统开发的通讯协议。PPI是一种主从协议：主站设备发送数据读/写请求到从站设备，从站设备响应。从站不主动发信息，只是等待主站的要求，并且根据地址信息对要求作出响应。PPI网络中可以有多个主站，PPI并不限制与任意一个从站通讯的主站数量，但是在一个网段中，通讯站的个数不能超过328。S7200CPU上集成的通讯口支持PPI通讯。不隔离的CPU通讯口支持的标准PPI通讯距离为50m，如果使用一对RS485中继器，可以使其达到RS485的标准通讯距离1200m。PPI支持的通讯速率为9.6K波特、19.2K波特和187.5K波特。自由口模式使S7200可以与许多通讯协议公开的设备和控制器进行通讯，波特率范围为1200115200b/s。自由口模式的数据字节格式总是有一个起始位和一个停止位，用户可以选择7位或者8位数据，也可以选择是否有校验以及是奇校验还是偶校验。在自由口模式下，使用XMT（发送）和RCV（接受）指令，为所有的通讯活动编程。通讯协议应该符合通讯对象的要求或者由用户决定。若CPU的通讯口工作在自由口模式下时，此通讯口不能同时工作在其他通讯模式下，如PPI编程状态。将CPU至于STOP（停止）模式可以恢复PPI模式。本设计中使用RS232/PPI电缆，故具体通讯设置如下：电缆小盒中的5号DIP开关设置为“1”，而其他保持“0”。用PC/PPI电缆连接PG/PC和CPU，将CPU前盖内的模式选择开关设置为STOP，给CPU供电。编程软件STEP7 Micro/WIN3.1中的通讯（Communications）菜单中的PC/PPI选项卡中的参数设置为：Address：0； Transmission Rate：9.6kbps；Timeout：1s； Highest Node Address：15在Local Connection（本地连接）选项卡中，设置Connection to：Com1。在程序中设置下位机与上位机通讯方式为PPI和自由口通讯模式。自由口模式用于下位机向上位机发送数据，而PPI模式用于上位机下载PLC控制程序到PLC中。其程序设计如下NETWORK1：LD SM0.7 /自由口通讯模式EUMOVB 16#09, SMB30XMT VB100, 0NETWORK2：LD SM0.7 /PPI从站模式EDMOVB 16#08, SMB30 由程序可以看出，当SM0.7上升沿时，进行自由口通讯模式，PLC将VB101开始的3个温度值发送至上位机，而当SM0.7下降沿时，则恢复PPI从站模式，此时下位机不能向上位机发送数据，但是上位机可以下载程序到PLC中。4.5 单相交流固体继电器调试在交流调功模块的试验中，为了检测模块是否可以起到调功功用，故在试验中在单相交流固态继电器模块的输出端接一1000W的灯泡，用其亮暗来证明是否单相交流固体继电器模块在系统中有调功功用。而单相交流固体继电器模块的输入端则接PLC的Q0.0输出端，进行控制量输出。而PLC与上位机之间用一RS232/PPI电缆进行连接，具体调试步骤如下： 首先在STEP 7Micro/WIN 3.1中编写简单的控制灯泡亮暗的程序，让PLC每2S钟发送一次控制量（高电平为24V，低电平为0V），如灯泡每2S亮暗一次，依次循环，则调试成功。程序清单如下：主程序为：然后连接单相交流固体继电器模块，用Q0.0输出端口连接固态继电器的输入端，220V交流电通过调压模块连接一个1000W的灯泡，其连接图如图4.5所示。图4.5 交流调压模块连接图最后，将PLC程序下载至PLC中，然后运行程序，若灯泡的亮度变换与预期变换一样，则说明调功模块可以正常工作，并且各个模块间的通讯没有问题，若不能正确变换，则可用万用表进行各个端口电压信号的检测，以此来判断错误所在。结 论在现代控制领域中,精密温度控制是最重要的研究课题之一。随着科学技术的飞速发展，各种行业对温度精度的要求越来越高，对温控系统稳定性要求越来越严格。而温度控制系统是变参数、有时滞和具有随机干扰的动态系统，往往很难得到满意的控制效果，理想的精密温度控制系统具有调节精度高、响应速度快、参数易于调整、操作灵活方便、温度稳定性好等特点,传统的控制方法很难一次全部实现。随着电子技术和单片机技术的发展，一些学者在这方面进行了有益的尝试，提出了许多有建设性的想法和做法。一般而言，精密温控系统的好坏主要取决于系统的3个方面，即温度探测仪器(如金属电阻温度计、热电偶等) 的特性、系统的组成和结构以及系统采取的控温方式方法。随着计算机技术突飞猛进的发展，计算机技术在各个领域的应用也日新月异，很多过程控制已实现了计算机控制。本设计上位机基于Windows XP操作系统，使用STEP7-Micro/Win3.1进行变速积分PID控制算法的编写，下位机以PLC作为控制器，进行电阻炉温的控制。控制输出方式有改变导通角的交流调压控制方式和