加热炉的温度调节控制系统设计-电气工程毕业论文

南 京 师 范 大 学 泰 州 学 院 毕 业 论 文（设 计） （ 2013 届）届） 题题目：目：加热炉的温度调节控制系统设计 院（系、部院（系、部） ：电力工程学院电力工程学院 专专业：业：电气工程及其自动化电气工程及其自动化 姓姓名：名： 学学号：号： 指导教师：指导教师： 南京师范大学泰州学院教务处南京师范大学泰州学院教务处 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 I 摘摘要要 温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、机械厂、火电厂等锅炉 的温度控制系统。传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采 用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且 易出故障，不能保证正常的工业产生，随着计算机控制技术的发展，传统继电器 控制技术必然被基于计算机技术而产生的 PLC 控制取代。加热炉温度是一个大 惯性系统， 一般采用 PID 调节进行控制， 随着 PLC 功能的扩充在许多 PLC 控制 器中都扩充了 PID 控制功能,而 PLC 本身优异的性能使基于 PLC 控制的温度控 制系统变的经济高效稳定且维护方便。 本设计是利用三菱 FX2N 可编程控制器构 成热处理加热炉温度的控制系统。 本课题基于 PLC 的温度控制系统介绍了三菱 FX2N 和系统硬件及软件的具 体设计过程，包括 A/D 转换、温度检测环节、积分分离 PID 算法以及过零数字 触发电路的设计。传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC 主控系统内的 A/D 将送进来的电压信号转化为 PLC 可识别的数字量，然后根据恒温给定值与 实际温度的偏差 e（k）按积分分离 PID 控制算法，得到输出控制量 u（k） ，输出 值在经过 D/A 转换得到模拟输出电压，调节加热炉电阻丝两端电压，使加热炉 温度温度达到目标值。 关键字关键字： PLC、温度控制系统、PID 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 II Abstract The temperature control system is widely used in the field of industrial control, such as boiler steel plant, machinery plant, the temperature control system in thermal power plant. Relay control technology is widely used in heating furnace of electric control system of the traditional, due to realize logic control with fixed wiring of hardware, the control system to increase in size, power consumption, efficiency is not high and is susceptible to failure, can not guarantee to produce normal industry, with the development of computer control technology, the traditional relay control technology must be based on computer the PLC control technology to replace. The temperature of the heating furnace is a large inertia system, using PID control, with the expanding of PLC function in many PLC controllers has been expanded PID control function, and the excellent performance of the PLC PLC control of the temperature control system of economic performance is stable and convenient maintenance based on. The design of programmable controller, the control system of heat treatment furnace temperature by use of Mitsubishi FX2N. The PLC temperature control system, introduces the design process of hardware and software and Mitsubishi FX2N system based on A/D, including the design of conversion, temperature detection, integral separation PID algorithm and zero digital trigger circuit. The heating furnace temperature sensor into voltage signal into voltage signal, PLC main control system within the A/D will be brought into the digital quantity can be identified by PLC, then under constant temperature deviations from the actual temperature of the E (k) according to the integral separation PID control algorithm, get the output control quantity of U (k), output value after D/A conversion from analog output voltage regulation at both ends of the resistance wire heating furnace, voltage, temperature of the temperature of the heating furnace to achieve the target value. Keywords: PLC, temperature control system, PID 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 III 目录 摘要错误！未定义书签。错误！未定义书签。 Abstract.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 目录错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第 1 章 绪论.1 1.1 本课题的目的及研究意义.4 1.2 加热炉的发展及现状.4 第二章加热炉温度控制系统的设计4 2.1 系统对电气控制的要求6 2.1.1 系统对电气控制的要求6 2.1.2 系统控制要求.6 2.2 PLC 的选型. 6 2.2.1 PLC 的类型和特点. 7 2.2.2 FX2N-48MR 简介.7 2.2.3 FX2N-4AD 特殊功能模块.8 2.3 硬件电路设计.9 2.31 温度检测电路11 2.3.2 过零检测电路.11 2.3.3 晶闸管电功率控制电路.12 2.3.4 脉冲输出通道13 2.3.5 复位电路.15 2.4 加热炉的模块组成与输入输出控制系统组成15 2.4.1 加热炉温度控制系统的温度组成.15 2.4.2 加热炉的输入和输出信号控制系统组成15 2.5PLC 的 I/O 点数的分配.16 2.5.1 PLC 输入接点的分配. 16 2.5.2 PLC 输出接点的分配. 17 2.5.3 PLC 输入输出接点分配. 18 第三章加热炉的 PID 控制19 3.1 加热炉的控制原理.19 3.2 温度控制系统基本构成.19 3.3 PID 控制原理20 3.3.1PID 控制器基本概念.20 3.3.2 恒温控制程序.21 3.4 PID 指令的使用及参数设定分析22 3.5 加热炉的控制流程图.23 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 IV 第四章 系统程序介绍说明.23 4.1.初始状态清零程序说明24 4.2 PID 各个控制参数的设定25 4.3 测量值的 A/D 转换25 4.4 控制系统启动加热.25 4.5 控制系统的 PID 程序启动28 4.6 系统输出值的 D/A 转换.28 4.7 温度达到设定值后维持一段时间.29 4.8 物料出炉.29 4.9 程序运行结束.29 第五章 总结.33 致 谢 参考文献.35 程序总清单 STL 图35 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 本课题的目的及研究意义 随着社会的发展， 电热炉温度控制系统冶金工业、化工生产、电力工程、 造纸行业、机械制造和食品加工等领域中都有着极为重要的作用。各个领域对温 度控制系统的精度、稳定性等的要求也越来越高。为了生产的安全，高效率与自 动化人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控 制等等。因此一个低成本且拥有较高的高精度，高稳定性的温度控制系统对工业 生产有着极其重要的意义。 可编程控制器(Programmable Controller)是集计算机技 术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广 泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工 业机器人、CAD/CAM）之一。 通过本设计可以熟悉并掌握三菱 FX2N 系列的原理与功能以及它的编程语 言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制的问题。 1.2 加热炉的发展及现状 随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种 最常见的过程变量。 其中， 温度是一个非常重要的过程变量。 例如： 在冶金工业、 化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、 热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。这方面的应用大多是基于单片机进行 的 PID 控制，然而单片机控制的 DDC 系统软硬件设计较为复杂，特别是设计到 逻辑方面更不是其长处，然而 PLC 在这方面却是公认的最佳选择。 随着 PLC 功能的扩充，在许多 PLC 控制器中都扩充了 PID 控制功能，因此 在逻辑控制与 PID 控制混合的应用场所中采用 PLC 控制是较为合理的，通过采 用 PLC 来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优先，而且可 以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量1。 因此， PLC 对温度的控制是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。 这也是本次 毕业设计所重点研究的内容。 温度控制系统在国内各行业的应用虽然已经十分广泛，但从温度控制来讲， 总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大的差距。 目前我国在这方面总体技术水平处于 20 实际 50 年代中后期水平， 成熟产品主要 以点位控制及常规的 PID 控制为主。它只能适应一般的温度控制，难以控制 滞后、 复杂、 时变温度系统。 而适应于较高控制场合的智能化、 自适应控制仪表， 国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有 较多的成熟产品。 但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后还没有开发出性能 可靠的自整定软件，控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 2 国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得 成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先的国家，都生产出了一批商品化得， 性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的 特点：是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；是能够适应于 受控数学模型难以建立的温度控制系统的控制； 是能够适应于受控系统过程复 杂、参数时变的温度控制系统的控制；是温度控制系统普遍采用自适应控制、 自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应 的范围广泛； 是温度控制器普遍具有参数自整定功能。 有的还具有自学习功能， 能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关参数，以保证控制效果 的最优化；是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温 度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 3 第二章第二章加热炉温度控制系统的设计加热炉温度控制系统的设计 2.1 系统对电气控制的要求 2.1.1 系统对电气控制的要求 某物料热处理由由加热炉、传感器 SQ1SQ4、PLC 温度控制系统组成，其 中 SQ1 是加热炉门开启到位传感器; SQ2 是加热炉门关闭到位传感器; SQ3 是温 度检测传感器,温度达到时断开; SQ4 是检测加热炉内有无加热物料的传感器。它 们分别与 PLC 的 X000X003 连接。炉内的温度通过温度传感器输出模拟量电 压送到 A/D 转换模块（温度传感器输出电压+接 A/D 的 CH1 的 V+，温度传感器 输出电压- 接 A/D 的 CH1 的 VI-） ，转换为数字量经程序的 PID 调节，输出的数 字量再经D/A转换模块转换为模拟量电压调节炉内电热丝的电压 （电炉丝的+ 接 D/A 的 CH1 的 V+，电炉丝的- 接 D/A 的 CH1 的 VI-）控制炉内温度达到设定温 度。 2.1.2 系统控制要求 按下启动按钮后，温度检测传感器 SQ3 处于闭合状态,加热炉加温;当加热炉 门开启到位,传感器 SQ1 闭合,SQ2 断开；当被加热物料开始进入加热炉,传感器 SQ4 闭合; 加热炉门开始关闭，SQ1 断开,当 SQ2 闭合后，表示加热炉门关完毕; 加热炉开始对工件加热；当温度达到 610 摄氏度后，保持 30 秒，加热炉门自动 打开，SQ2 断开,当 SQ1 闭合后，被加热物料出炉，SQ3 断开；加热炉门开始关 闭，SQ1 断开；当 SQ2 闭合后，SQ4 断开，加热过程结束。 停止操作 按下停止按钮，系统停止工作。 2.2 PLC 的选型 2.2.1 PLC 的类型和特点 现在应用最广泛的 PLC 有三菱、西门子、欧姆龙、松下等。 三菱 PLC 结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、 适用面广，但是数据处理比西门子弱1。 西门子 PLC 性能强大、可操作性强、有相配套的伺服系统和组态软件但是 价钱太高。 欧姆龙 PLC 欧姆龙编程软件对符号地址的格式有要求，东欧的老机床器件 符号输进去好多都不认，按它的标准老图的标示都要变很不方便。 松下 PLC 超小型尺寸，轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不 需任何电缆。从 I/O 10 点到最大 I/O 128 点的选择空间。 三菱 PLC 主要特点2 结构灵活 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 4 不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使 资源保持较高的利用率，在移动性方面可与 WLAN 媲美。 传输质量高、速度快、带宽稳定 可以很平顺的在线观赏 DVD 影片，它所提供的 14Mbps 带宽可以为很多应 用平台提供保证。最新的电力线标准 HomePlug AV 传输速度已经达到了 200Mbps；为了确保 QoS，HomePlugAV 采用了时分多路访问（TDMA）与带有 冲突检测机能的载体侦听多路访问（CSMA）协议，两者结合，能够很好地传输 流媒体。 范围广 无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。虽然无线网络可以做到不破 墙，但对于高层建筑来说，其必需布设 N 多个 AP 才能满足需求，而且同样不能 避面信号盲区的存在。而电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网 络无法比拟的。由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一处有 电力线的地方。这一技术一旦全面进入商业化阶段，将给互联网普及带来极大的 发展空间。终端用户只需要插上电力猫，就可以实现因特网接入，电视频道接收 节目，打电话或者是可视电话。 低成本 充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了资源。无需 挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同时也节省了 人力。 相对传统的组网技术， PLC 成本更低， 工期短， 可扩展性和可管理性更强。 目前国内已开通电力宽带上网的地方，其包月使用费用一般为 50-80 元/月左右， 这样的价格和很多地方的 ADSL 包月相持平。 适用面广 PLC 作为利用电力线组网的一种接入技术，提供宽带网络“最后一公里”的 解决方案，广泛适用于居民小区，酒店，办公区，监控安防等领域。它是利用电 力线作为通信载体，使得 PLC 具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座 的地方，不用拨号，就立即可享受 4.545Mbps 的高速网络接入，来浏览网页、 拨打电话，和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的 “四网合一” 。 通过各种类型的 PLC 比较和对设计方案的分析，系统设计需要使用 13 个输 入端口和 17 个输出端口，另外还需要一个 A/D 转换器来完成温度采样。因此， 选择三菱 FX2N-48MR-001（基本 I/O 点数为 24）和 FX2N-4AD 特殊功能模块。 加热炉温度控制系统的运行是一个复杂的过程，为了实现快速稳定、安全、 方便、 舒适、 灵活、 可靠和自动化运行， 同时考虑价格等方面我们选择三菱 PLC。 由于本课题所使用的 I/O 口并不是太多，所以我们选择三菱 FX2N 型 PLC，单元 式 PLC 结构如图 2-1 所示。 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 5 图2-1FX2N-48MT 型 PLC 实物图 2.2.2 FX2N-48MR 简介 FX2N-48MR-00 是 FX2N 系列 PLC 是 FX 系列中功能最强、 速度最高的微型 可编程序控制器。它由基本单元、扩展单元、扩展模块等构成3，用户存储器容 量可扩展到 16K 步，I/O 点最大可扩展到 256 点，它有 27 条基本指令，其基本 指令的执行速度超过了很多大型 PLC。其输入、输出点数皆为是 24 点，可扩展 模块可用的点数为 4864,内附 8000 步 RAM。其内部资源如下3 （1）输入继电器 X（X0X27，24 点，八进制） （2）输出继电器 Y（Y0Y27，24 点，八进制） （3）辅助继电器 M（M0M8255）通用辅助继电器（M0M499） （4）状态继电器（S0S999） （5）定时器 T（T0T255） （T0T245 为常规定时器） （6）计数器 C（C0C255） （7）指针（P/I）见表 2-1 和表 2-2 （8）数据寄存器 D（D0D8255） （D0D199 为通用型） 表2-2定时器中断标号指针表 输入编号中断周期（ms）中断禁止特殊辅助继电器 I6XX在指针名称的 XX 部分中，输入 1099 的整数。I610 为每 10ms 执行一次定时 器中断 M8056 I7XXM8057 I8XXM8058 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 6 表2-3输入中断标号指针表 注：M8050M8058=“0”表允许；M8050M8058=“1”表禁止。 2.2.3 FX2N-4AD 特殊功能模块 FX2N-4AD 为模拟量输入模块,有四个模拟量输入通道（分别为 CH1、CH2、 CH3 和 CH4） ， 每个通道5都可进行 A/D 转换， 将模拟量信号转换成数字量信号， 其分辨率为 12 位。其模拟量输出性能如表 2-4 所示。 表2-4模拟量输出性能表 项目 电压输入电流输入 电压或电流输入的选择基于对输入端子的选择，一次可使用 4 个输入点 模拟量输入范围 DC ：-10+10V （输入电阻 200K） （注意：若输入电 压超过15V，单元会被损 坏） DC ：-20+20mA（输入电阻 250） （注意：若输入电流超过32mA，单元 会被损坏） 数字输出12 位的转换结果以 16 位二进制补码方式存储（-2048+2047） 分辨率5mV20A 总体精度1% （对于-10+10V范围）1%（对于-20+20mA 范围） 转换速度 15ms/通道（常速）6ms/通道（高速） 所有数据转换和参数设置的调整可通过 FROM/TO 指令完成。 同时在编程过 程中重点用到了 BFM 数据缓冲存储器，具体分布情况如表 2-5 所示。 表2-5BFM 数据缓冲存储器分布表 BFM 编号 内容 #0通道初始化，缺省值=H0000 #1通道 1存放采样值（14096） ，用于得到平均结果。缺省值设为 8（正常速 度） ，高速操作可选择 1#2通道 2 输入编号指针编号中断禁止特殊辅助继电器 上升中断下降中断 X0I001I000M8050 X1I101I100M8051 X2I201I200M8052 X3I301I300M8053 X4I401I400M8054 X5I501I500M8055 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 7 #3通道 3 #4通道 4 #5通道 1 缓冲器#5#8 独立存储通道 CH1CH4 平均输入采样值 #6通道 2 #7通道 3 #8通道 4 #9通道 1 这些缓冲区用于存放每个输入通道读入的当前值 #10通道 2 #11通道 3 #12通道 4 #13# 14 保留 #15选择 A/D 转换速度设 0，则选择正常速度，15ms/通道（缺省） 设 1，则选择高度，6ms/通道 BFMB7B6B5B4B3B2B1B0 #16# 19 保留 #20复位到缺省值和预设，缺省值=0 #21禁止调整偏差、增益值，缺省值=（0，1）允许 #22偏移，增益调整G4O4G3O3G2O2G1O1 #23偏移值，缺省值=0 #24增益值，缺省值=5000 #25# 28 保留 #29错误状态 #30识别码 #31不能使用 通道选择： 在 BFM#0 中写入十六进制 4 位数字 HXXXX 进行 A/D 模块的初 始化，最低位数字控制 CH1，最高位数字控制 CH4，各位数字的含义如下： X=0 时设定输入范围为-10V+10V；X=1 时，设定输入范围为+4mA +20mA；X=2 时，设定输入范围为-20mA+20mA；X=3 时，关断通道。另外， BFM#29 的状态信息设置如表 2-6 所示。 表2-6BFM#29 的状态信息设置 #29 缓冲器位ONOFF 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 8 B0：错误 当 b1b4 为 ON 时，b0=ON 若b2b4任意一位为ON， A/D 转换器的所有通道停止 无错误 B1：偏移量与增益值错 误 偏移量与增益值修正错误偏移量与增益值正常 B2：电源不正常24VDC 错误电源正常 B3：硬件错误A/D 或其他硬件错误硬件正常 B10：数字范围错误 数字输出值小于-2048 或大于 +2047 数字输出正常 B11：平均值错误 数字平均采样值大于 4096 或 小于 0（使用 8 位缺省值） 平均值正常（14096） B12：偏移量与增益值修 正禁止 #21 缓冲器的禁止位（b1,b0） 设置为（1，0） #21 缓冲器的（b1,b0）设置为 （0，1） 2.3 硬件电路设计 2.3.1 温度检测电路 温度检测是温度控制系统的一个很重要的环节，直接关系到系统性能。在 PLC 温度控制系统中， 温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换还要将电 压转换为数字量送 PLC。其一般结构如图 2-8 所示。 图2-8温度检测基本结构 温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为 mA 级6，需要放 大为满足 A/D 转换要求的电压值。然后送 PLC 的 A/D 转换模块进行 A/D 转换， 得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿，得到测温点的 实际温度值。 本系统利用热电偶完成炉温检测（热端检测炉温，冷端置于 0温度中） 、 FX2N-4AD 模块一个通道实现 A/D 转换。炉温检测与放大电路由热电偶、低通 滤波、信号放大和零点迁移电路四部分组成。其电路6如图 2-9 所示。 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 9 图2-9炉温检测与放大电路 图中，R1、C1 完成低通滤波，R2、RP、2CW51 组成零点迁移电路，炉温 检测元件采用镍铬镍铝热电偶，分度号为 EU-2，查分度表可得，当温度为 0700时，输出电势 i u 为 029.13mV。检测信号经二级放大后送 FX2N-4AD 模 块，第一级放大倍数为 50，第二级放大倍数为 11.2，第二级放大还完成零点迁 移，其输出电压 0 u 为 )(2 .11)( 5 56 21210 uuuu K K u 式中， 2 u 为零点迁移值。根据设计要求，恒温值为 400600，本系统选取 测温范围为 280700，将 280作为测温起点（零点） 。调整多圈电位器 RP， 使 2 u =50*11.38=569mV， 当炉温为 280时， i u =11.38mV，1 u =569mV， 于是 0 u =0。 经零点迁移后，炉温为 280700时， i u =11.3829.13mV， 0 u =09.94V，A/D 转 换后的数字量为 02047。 2.3.2 过零检测电路 按设计要求，要求过零检测电路在每个电源周期开始时产生一个脉冲，作为 触发器的同步信号，其设计电路如图 2-10 所示。 图2-10过零检测电路 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 10 图中，GND 为+5V 电源地，LM339 为过零比较器.LM339 集成块内部装有 四个独立的电压比较器，共模范围很大；差动输入电压范围较大，大到可以等于 电源电压。二极管用作 LM339 输入保护。电路的工作波形如图 2-11 所示。 图2-11过零检测电路的工作波形图 2.3.3 晶闸管电功率控制电路 晶闸管是晶体闸流管的简称，也叫可控硅。它是一种半控型器件，是一种可 以利用控制信号控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。 它的关断完全是 由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 也即说， 若要使已导通的晶闸管关断， 只能利用外加反向电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近零的某一 数值以下。 晶闸管控制电热元件消耗的电能有两种方法7，一是采用移相触发控制输入 电压的大小，二是采用过零触发控制输入电压加到电热元件上的周波数。由于移 相触发控制会产生较大的谐波干扰信号“污染”电网，因此采用过零触发控制。 又由于本电路所控制的电阻炉只有一根电阻丝，功率也不大，因此，本系统采用 单相电源供电，电源的通断由二个晶闸管反并控制，如图 2-12 所示。 图2-12电功率控制电路 这种控制方法的原理9是：各晶闸管的触发角恒为 0，使得一个周期内 电源均加在电热元件上，通过控制一个控制周期内晶闸管导通周波数，就可控制 电热元件消耗的电能。根据电热炉的数字模型可知，温度的增量与它消耗的电能 成正比，而电热炉消耗的电能与晶闸管导通周波数成正比，因此，晶闸管导通周 波数 n 与控制输出控制量 u（k）的关系为 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 11 n=K*u(k) 式中，K= max n / maxt u 为比例系数（约为 1） ， max n 为一个控制周期内的电源 周波数，温度偏差不同，则 u（k） 、n 不同，电热炉消耗的电能亦不同，达到了 根据温度偏差调节输入电能，保证炉温按要求变化的目的。 晶闸管由正向导通到关断时，由于空穴积蓄效应，晶闸管反向阻断能力的恢 复需要一段时间。 在这段时间里， 晶闸管元件流过反向电流， 接近终止时， ti dd 很大，它与线路电感共同作用产生的电压 L* ti dd 可能损坏晶闸管，必须采取保 护措施，在晶闸管两端并联阻容吸收装置。 设计电路中的元器件的选择如下： （1）R 和 C 的选择 阻容吸收装置的参数按晶闸管 ITN 根据经验值选取为： R=80C=0.15F 电容 C 的交流耐压为： VUU mCN 46722205 . 15 . 1 电阻 R 的功率应满足： W XR RU P C R 086. 0 )1015. 0314/1 (80 8022010 *10 262 2 22 2 实选电容 0.15F/630V 一只，电阻 80/0.5W 一只。 （2）快速熔断器 FU 的选择 快速熔断器是专门用来保护晶闸管的，其熔体电流 FU I 按下式选取： TNFU II57. 1 6 5 式中，5/6 为修正参数，为保证可靠与选用方便，一般取 TNFU II 。实选熔 体额定电流为 20A 的 RLS-50 螺旋式快速熔断器二只，分别与二只晶闸管串联， 其额定电压为 500V。 （3）晶闸管的选择 电阻炉的额定功率为 4KW8，电源电压为 220V，故负载电流 IL=18.2A。 由于每个晶闸管只导通半个电源周波且本系统采用过零触发（=0） ，流过每 个晶闸管的平均电流为 9.1A。关断时，承受正反向峰值电压为 V2220 ，考虑到 晶闸管的过载能力小及环境温度的变化等因素，晶闸管的额定电流 TN I 应为： AII LTN 2 .187 .132/)25 . 1 ( 额定电压 TN U 应为： VUTN9336222220)32( 根据以上计算，主回路的二只晶闸管选择为 KP20-10(参数为：20A，1KV， 0.1A，3V) 2.3.4 脉冲输出通道 由于 PLC 有很强的抗干扰性和可靠性， 且 FX2N-48MR-001 为继电器输出 2A/1 点（KP20-10 晶闸管的触发电流和电压分别为 0.1A 和 3V） ，因而 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 12 FX2N-48MR-001 的输出点能可靠地触发晶闸管导通，而无须设计光电隔离和功 率放大。脉冲输出通道电路如图 2-13 所示。 图2-13脉冲输出通道 图中，初始时，Y0 和 Y1 都为低电平，当系统检测到从 X0 输入的同步信号 为高（低）电平时，Y0（Y1）由低电平变高电平，输出电流值为 2A 的触发电 流，去触发晶闸管 VT1（VT2）导通；当 X0 从高电平变低电平（从低电平变高 电平）时，Y0（Y1）脉冲结束，电路恢复为初态。 2.3.5 复位电路 复位电路由一个开关 SB12 完成开/关功能，当按下开关 SB12 时系统启动， 正常运行，执行任务；当断开 SB12 时，系统停止运行，不执行任何任务。设计 电路如图 2-14 所示。 图2-14复位电路 2.4 加热炉的模块组成与输入输出控制系统组成 2.4.1 加热炉温度控制系统的温度组成 加热炉的组成模块构成：24V 直流电源，温度控制模块 plc 数字量输入输出 模块，A/D 转化模块，D/A 转化模块 2.4.2 加热炉的输入和输出信号控制系统组成 根据加热炉的温度输入控制系统要求 PLC 所要采集控制的信号包括9：启 动信号、开启到位传感信号、关闭到位传感信号、温度传感信号、有无加热物料 传感信号、模拟量信号、数字量信号等一系列与之相关联的信号。与之对应的是 加热炉的控制要求 PLC 所要驱动控制的信号包括：输出电压，指示信号等。他 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 13 们之间的关系如图 2-15 所示 图2-15加热炉的温度控制系统 PLC 控制系统原理 2.5PLC 的 I/O 点数的分配 2.5.1 PLC 输入接点的分配 根据系统的控制要求，系统共需要有八个输入接点。它们分别是：启动输入 信号 SB1、停止输入信号 SB2、开启到位信号 SQ1、关闭到位到位信号 SQ2、温 度检测信号 SQ3、有无物料检测信号 SQ4，还有模拟量输入信号 V+，V-。结合 图 4-2 加热炉的温度控制系统 FX2N-48MT 接线实物图， 我们能清楚的了解加热 炉的外部开关名称与加热炉的 PLC 输入接点的分配关系。 PLC 需要的输入接点 分配如表 2-16 所示。 表2-16加热炉的 PLC 输入接点分配 外部开关名称输入接点外部开关名称输入接点 开启到位传感器 SQ1X000启动按钮 SB1X020 关闭到位传感器 SQ2X001停止按钮 SB2X021 温度传感器工作开关 SQ3X002模拟量输入A/D 的 V+ ，V- 有无加热物料传感器 SQ4X003 启动 开启到位 关闭到位 温度传感 停止 输入接 输出接 P L C 信号控制系统 指示信号 输出电压量 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 14 图2-17PLC 数字量输入接口实物图 2.5.2 PLC 输出接点的分配 根据系统的控制要求，系统需要有模拟量电压的输出，程序启动指示灯的输 出，加热时间 30s 到的指示灯。加热炉温度控制系统的 PLC 输出接点分配如表 2-18 所示。 表2-18加热炉温度控制系统的 PLC 输出接点分配 输出输 出 接 点 D/A 的 VIN1电热丝 V+ D/A 的 LIN1公共端 COM COM电热丝 V- Y015加热指标灯 L1 Y017目标值指标灯 L2 Y016报警灯 加热炉温度控制系统 FX-2N 型号的 PLC 数字量输入接口实物图 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 15 图2-19PLC 数字量输出接口实物图 2.5.3 PLC 输入输出接点分配 加热炉的温度控制系统的 PLC 输入输出接点如图 2-20 所示。 图2-20PLC 输入输出接点图 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 16 第三章第三章加热炉的加热炉的 PID 控制控制 3.1 加热炉的控制原理 首先传感器将加热炉的温度转化为电压信号10，PLC 主控系统内的 A/D 将 送进来的电压信号转化为 PLC 可识别的数字量，然后 PLC 将系统给定的温度值 与反馈回来的温度值进行处理，得到一个输出值，输出值在经过 D/A 转换得到 输出电压，输出电压控制加热炉电阻丝的两端电压，调节加热炉温度达到目标温 度值。其中 PID 算法为加热炉温度控制系统的核心部分起重要作用。 3.2 温度控制系统基本构成 如图3-1所示系统是用于电加热炉温11度控制系统的闭环控制系统的PID闭 环控制系统，系统目标设定值为期望的加热炉温度，闭环控制器的反馈值通过温 度传感器测得，并经 A/D 变换转换为数字量；目标设定值与温度传感器的反馈 信号相减，其差送入 PID 控制器，经比例、积分、微分运算，得到叠加的一个数 字量；该数字量经过上限、下限限位处理后进行 D/A 变换，输出一个电压信号 去控制固态继电器，以控制加热炉的温度。加热炉温度控制系统基本构成如图 3-1 所示，它由 PLC 主控系统，移相触发模块，加热炉，传感器等，固态继电器 5 个部分组成。 该系统的 PID 控制器一般采用 PLC 提供的专用模块（本系统采用 FB58 模 块） ，也可以采用编程的方法（如 PLC 编程、高级语言编程或组态软件编程等） 生成一个数字 PID 控制器。同时，其它功能如 A/D、D/A 都由 PLC 实现，加热 炉的反馈信号直接送 PLC 采集，控制固态继电器的电压信号也由 PLC 送出，从 而控制加热炉的温度。 图3-1加热炉温度控制系统基本组成 3.3 PID 控制原理 3.3.1PID 控制器基本概念 PID12控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 17 行控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时、 控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场 调试来确定， 这时应用 PID 控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和 被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合采用 PID 控制 技术。 根据给定的工艺要求，温度控制分为三段：自由升温段、恒温段和自然降温 段。自然降温无需控制和检测温度，自由升温只需监视炉温是否到达恒温值，只 有恒温段需要控制与检测炉温。 用于恒温控制的调节器有多种形式， 如大林算法、 PD 调节、PID 调节、开关调节等，本系统选用实际中切实可行的积分分离 PID 调节，它能有效地减小系统的超调和稳态误差。 PID 调节器的位置式控制方程为： )( 1)( )()( dtte Tdt tde TteKtu i dp 式中，e（t）为 t 时刻给定的恒温值 Q0 与实际炉温 Q 之差。将其离散化， 得 )2() 1(2)()()1()() 1()(kekeke T T ke T T kekeKkuku d i p 式中，T、 d T 、 i T 、 P K 分别为采样周期、微分时间常数、积分时间常数和 比例时间常数；e（k）为本次采样时 Q0 与 Q 之差。 则有 式 )2() 1(2)()()1()() 1()(kekekeKKeKkekeKkuku dip （3-2） 式中， p K 、 i K 、 d K 分别为调节器的比例、积分、微分系数(待定参数)。 为了减少在线整定参数的数目， 常常假定约束条件， 以减少独立变量的个数， 本次设计选取 T0.1 s T i T 0.5 s T d T 0.125 s T 其中， s T 为纯比例控制时的临界振荡周期。将它们代入式（3-2） 。即有 Pi KK 5 1 pd KK 4 5 因此，对四个参数的整定便简化成了对一个参数 p K 的整定。因而使调试较 为简单方便。 3.3.2 恒温控制程序 为了减少超调和消除振荡现象，当自由升温小于给定的恒温值 10，系统 就开始进行恒温控制，恒温控制采用积分分离 PID 调节。系统的控制算法如下： 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 18 当炉温 Q 大于给定恒温值 10时，系统全速升温，令 u（k）=240，240 为一个 控 制 周 期 （ 4.8s ） 的 工 频 电 源 周 波 数 。 当 e （ k ） 10 Y u(k)=240 N 计算 PD 项 u=u(k-1)+kpe(k)-e(k-1) +kde(k)-2e(k-1)+e(k-2) e(k)u(k-1) e(k-1)-e(k-2) e(k)-e(k-1) 保存 u(k) 结束 图 3-2数字控制器程序流程图 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 20 （1）比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例 关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error） 。 （2）积分（I）控制 在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自 动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError） 。为了消除稳态误差,在控 制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差的运算取决于时间的积分，随着时间 的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加 大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，采 用比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （3）微分（D）控制 在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成 正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大的惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误 差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变 化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控 制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而 目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分 的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控 量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改 善系统在调节过程中的动态特性。 3.4 PID 指令的使用及参数设定分析 PID 调节器参数是根据控制对象的惯量来确定14的。 大惯量如大烘房的温度 控制，一般 P 可在 10 以上，I=3-10，D=1 左右。小惯量如一个小电机带一个水 泵进行压力闭环控制，一般只用 PI 控制，P=1-10，I=0.1-1，D=0，这些要在现场 调试时进行修正，主要是靠经验及对生产工艺的熟悉，参考对测量值的跟踪与设 定值的曲线，从而调整 P、I、D 的大小。 下面具体说明经验法的整定步骤： （1）让调节器参数的积分系数 I=0，微分系数 D=0，控制系统投入闭环运 行，由小到大改变比例系数 P，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获 得满意的控制过程为止。 （2）取比例系数 P 为当前的值乘以 0.83，由小到大增加积分系数 I，同样 让扰动信号作阶跃变化，直至得到满意的控制过程。 （3）积分系数 I 保持不变，改变比例系数 P，观察控制过程有无改善，如 有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数 P 增大一些，再调整积 分系数 I，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数 P 和积 南京师范大学泰州学院电力工程学院加热炉的温度调节控制系统设计 21 分系数 I 为止。 （4）引入适当的微分系数 D，此时可适当增大比例系数 P 和积分系数 I。和 前述步骤相同，微分系数的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。 需要注意的是：仿真系统所采用的 PID 调节器与传统的工业 PID 调节器有 所不同，其各个参数之间是相互隔离的，因而互不影