试验机温度控制系统的设计.doc

辽宁石油化工大学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目：试验机温度控制系统设计 英文题目：Design of Temperature Control System for the Test Machine 系 别：信息与控制工程学院 学生姓名：李杨 班 级：0703 指导老师：陶文华 专 业：自动化 二零壹壹年六月 试验机温度控制系统设计 摘 要 随着我国经济的快速发展，对能源的消耗与日俱增，怎样降低功耗提高经济效益，已 成为人们关注的问题。例如在冶金行业轧钢生产过程中，试验机能耗约占全厂总能耗的 60%左 右，是轧钢工序的能耗大户，尤其是近二十年来，试验机的硬件设备装备水平有了很大的 提高，因此提高试验机操作水平，实现计算机全自动烧钢，降低试验机能耗意义很大。传 统的试验机的温度控制具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。其升温、保温 是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。当其温度一旦超调就无法用控制手段使 其降温，应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制效果。 本课题是电试验机的温度控制系统为研究对象，其中一部分为硬件设计，主要由控制 电路（包括 8031 处理器） ，存储器 2716、键盘/显示器接口 8279 等） 、测温及报警电路 （包括声光报警、温度检测及 A/D 转化等。系统采用温度补偿和过零触发等技术，从硬件 上保证了测温精度，为提高控制精度打下了基础。第二部分建立了被控对象的数学模型， 控制采用比较成熟的变速积分分离 PID 算法，并通过仿真选择了控制规律的参数。测量温 度部分是靠热电偶来实现，热电偶的冷端补偿采用热电偶（铂铑 10-铂铑热电偶）温度传 感器，测量标准，克服了常规方法补偿误差大的缺点，该系统具有软启动、程序升温、键 盘输入、显示打印等功能，使温度控制为误差达到小于等于正负 5 摄氏度，调节温度的超 调量小于 30%，实时显示炉内温度，记录温度变化的过程。 为了在工业现场应用中具有较强的抗干扰能力，采取了一系列抗干扰措施。以 PID 算 法为核心实现对试验机温度的自动控制。该控制系统具有硬件成本低、控制精度较高、可 靠性好，抗干扰能力强等特点。有较高的适用价值和理论价值。 关键字：试验机；温度控制；热电偶。 Design of Temperature Control System for the Test Machine Abstract Along with our country economys fast development, the energy consumption grows day by day. How to reduce power consumption to improve economic efficiency, has become a concern. For example, the steel rolling process in a metallurgical industry, the heating energy consumption takes about 60% of the total energy consumption in the whole plant, which is a big custom in the energy consumption process. Particularly in the recent 20 years, testing machine hardware and equipment level has been very greatly improved, thereby increasing the level of testing machine operation, fully automatic firing steel by computer, reducing heating energy consumption means a lot. The traditional electric testing machine temperature control has some characteristics, which are one-way, large inertia, delay, time-varying. The heating and insulation rely on the resistance wire heating, and the cooling depends upon natural cooling. Once the temperature is over modulation, that will be unable to decrease the temperature with a control method, the traditional methods can not achieve the desired control effect. This paper studies on improving the temperature control system. The hardware has been described on the first part of this paper. It consists of the control-circuit (included831CPU,2746/2864A memory, key-board and display unit interface 8279 etc), temperature measurement and alarm circuit (included sound light alarm, temperature measurement and A/D conversion circuit) and power control circuit etc. The technique of temperature compensation and zero-point trigging has been used in the system, and the precision of temperature measurement guaranteed from hardware builds a foundation to upgrade the precision of control. The mathematical model of the control object has been founded in the second part of this paper. The mature algorithm of variable speed integral separation PID has been adopted in control rule, and the parameter of control rule is selected by the simulation analysis in computer. The real-time control is used to organize control unit by the 8031.single chip. In order to improve a strong anti-interference ability in the industrial, we had taken a series of anti-jamming measures. We use PID algorithm as the core to realize the automatic control of temperature testing machine. The control system has characteristic of the low cost of hardware, high control precision, good reliability, strong anti-interference. And it has high value and the theoretical value of the application. Key words: Test Machine; Temperature is controlled; Thermocouple. 目 录 摘 要.2 ABSTRACT.3 第一章 绪论.7 1.1 试验机应用的背景 .7 1.2 试验机的研究现状 .7 1.3 试验机的工作原理.8 1.4 试验机温度控制的发展趋势 .9 第二章 系统控制方案的设计.10 2.1 系统的控制方案.10 2.2 控制算法.11 2.2.1 数学模型建立 .11 2.2.2 控制系统的算法设计 .12 2.3 采样信号和控制量分析.14 第三章 试验机温度信号处理.16 3.1 试验机温度控制系统的构成.16 3.2 热电偶测量电路的设计.17 3.3 冷端温度测量电路的设计.20 第四章 PLC 系统的硬件实现 .22 4.1 PLC 的工作原理.22 4.1.1 PLC 的循环处理过程.22 4.1.2 用户程序的执行过程.24 4.2 S7-300 简介.25 4.2.1 数字量输入模块.25 4.2.2 数字量输出模块 .25 4.2.3 数字量输入/输出模块.26 4.2.4 模拟量输入模块.26 4.2.5 模拟量输出模块.26 4.3 温度传感器.27 4.4 固态继电器.29 第五章 软件设计.32 5.1 STEP7 项目的创建.32 5.1.1 使用向导创建项目.32 5.1.2 直接创建项目.34 5.1.3 硬件组态与参数设置.35 5.2 用变量表调试程序.43 5.2.1 系统调试的基本步骤.43 5.2.2 变量表的基本功能 .44 5.2.3 变量表的生成.45 5.2.4 变量表的使用 .46 5.3 S7-300 的编程语言.48 第六章 结论.52 参考文献.53 谢辞.54 第一章 绪论 1.1 试验机应用的背景 随着微电子技术和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、控制 灵活、使用方便及性能价格比高的优点得到了广泛的应用。它不仅在航空、航天、铁路交 通、冶金、电力、电讯、石油化工等领域得到了广泛应用，而且在日常生活中诸如电梯、 微波炉、电冰箱、电视等高科技产品中也有广阔的使用前景，为工业生产的自动化、智能 控制奠定了坚实的技术基础。 试验机作为一种应用广泛的热工试验机设备之一。尽管它使用的加热方法不同，或工 艺要求不同，温度有高低、精度也有差异，但作为被控参数之一的温度总是可用不同的测 温元件和方法来获得，并通过微型计算机加以处理和控制，并按一定温度曲线工作，以满 足成产需要。 试验机技术可以广泛应用于石油冶炼、轧钢等工业行业上，并且加热炉的能源消耗有 时可以占一个工厂能源消耗的 60%以上，所以说，怎样有效的降低加热炉的能源消耗，提 高经济效益，已经摆在人们的面前，试验机技术已经有几十年的发展历史了，各个时期有 不同的产品，它们都代表各个时期的发展水平。但是，纵观加热炉的发展史，它们都普遍 存在的问题是试验机的控制精度不高，能源损失比较大的缺点，随着计算机控制技术的发 展，用计算机来控制试验机已经成为当前的发展趋势，本次毕业设计就是在这个背景下提 出来的。 12 试验机的研究现状 最近几年来，随着工业的快速发展，需要消耗大量的能源，并且环境污染问题越来越 突出，节省能源、保护环境已被人们所接受，成为今后科学技术发展的方向。因此，通过 国内加热技术在工业行业的应用情况的总结及对比分析，可以预见出国内加热炉的发展方 向及趋势。对于现在讲品种、讲效益的时代，一个试验机的自动化水平的高低和加热形式 的多样 性，决定了该试验机适应的生产行业。但是随着计算机控制技术和电子技术的发展，用计 算机来控制试验机的智能控制系统进行加热已成为一个新的发展方向。目前，国外已研究 出多种试验机控制模式，实际应用各有所长。我国试验机微机自动控制起步较晚，但也取 得了很大的进展，但迄今为止，国内试验机的控制（常规仪表控制或计算机控制）大多还 处于人工经验、单值设定值控制阶段。为此，鞍山市戴维冶金科技开发有限公司经过长期 的现场实践，通过对试验机加热过程分析，组成了一支由热工、计算机、自动控制工程师 和专家为主体的攻关队伍，并与清华大学、哈尔滨工业大学计算机与自动控制方面的教授、 专家合作，开发出了“轧钢加热炉加热过程优化与智能控制系统” ，该系统在鞍钢新轧线材 厂、天钢高速线 材厂和唐钢棒线材厂的生产实践中得到了应用，经过长期现场生产实践的检验与考核，通 过企业的验收与鉴定，给企业带来了巨大的经济效益，受到有关企业领导，冶金炉热工、 冶金自动化、计算机、轧钢专业专家及加热工人的好评。 国内各种形式的试验机发展到现在，还不能讲那一种形式是最先进、最成熟的，都多 多少少存在一些问题，还有待我们去探索，如各热工参数之间和设计结构之间的定量关系， 控制系统和调节系统的最优化，但计算机控制试验机系统是一种发展方向。 1.3 试验机的工作原理 本课题是试验机的温度控制系统为研究对象，其中一部分为硬件设计，主要由测温及 报警电路、温度检测及 A/D 转化等。系统采用温度补偿和过零触发等技术，从硬件上保证 了测温精度，为提高控制精度打下了基础。第二部分建立了被控对象的数学模型，控制采 用比较成熟的变速积分分离 PID 算法，并通过仿真选择了控制规律的参数。测量温度部分 是靠热电偶来实现，热电偶的冷端补偿采用热电偶（铂铑 10-铂铑热电偶）温度传感器， 测量标准，克服了常规方法补偿误差大的缺点，该系统具有软启动、程序升温、键盘输入、 显示打印等功能，使温度控制为误差达到小于等于正负 5 摄氏度，调节温度的超调量小于 30%，实时显示炉内温度，记录温度变化的过程。 试验机温主控系统基本构成如图 1.1 所示，它由 PLC 主控系统、固态继电器、试验机、 温度传感器等 4 个部分组成。 图 1.1 试验机温度控系统制基本组成 试验机温度控制实现过程是：首先温度传感器将试验机的温度化为电压信号，PLC 主 控系统内部的 A/D 将送进来的电压信号转化为西门子 S7-300PLC 可识别的数字量，然后 PLC 将系统给定的温度值反馈回来的温度值进行比较并经过 PID 运算处理后，给固态继电 器输入一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使试验机开始加热或停止加热。 即试验机温度控制得到实现。其中 PLC 系统为试验机温度控制系统的核心部分起着重要作 用。 14 试验机温度控制的发展趋势 由于计算机技术、控制技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，高校的专业合并与渗 使工业控制计算机系统、自动化、信息技术改造了传统产业。机电一体化、数控、先进制 造技术、CIMS 之间的技术、专业、学科之间的界限越来越模糊，这是实际发展的需要，也 是技术发展的必然趋势。在今后相当长的一段时间内，FCS、IPC、NC/CNC 与 DCS、PLC 将 会相互补充、相互促进、彼此共存。虽然它们设计的初衷不一，各有特色，各有适宜的应 用领域，但技术上都知道学人之长，补己之短，PLC、DCS 学习到已失去传统意义上的自己 的地步，可以看出各种控制系统之间相互融合是大势所趋。 第二章 系统控制方案的设计 2.1 系统的控制方案 本系统的结构框图如图 2.1 所示。 图 2.1 系统结构框图 由图 2.1 可知，温度传感器采集到数据后送给 S7-300PLC，S7-300PLC 通过运算后给固 态继电器一个控制信号从而控制加热炉的导通与否。上位机是编写 PLC 程序以及监控温度 的变化。 其中电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工 业炉。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、 玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等。 电阻炉以电为热源，通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。电阻 炉和火焰比，热效率高，可达 5080，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长， 适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。 电阻炉的功率是根据电阻炉的热平衡原则确定的，通过热平衡计算，可以比较精确地 算出电阻炉的功率。电炉所需的功率应包括炉子蓄热，工件加热需要热量、工件保温需要 的热量、气氛裂解所需的热量，热损失等。其中炉子蓄热由电炉的规格、构造和主要尺寸、 炉衬厚度，材料导热系数决定。一般地说，炉子越大，炉子蓄热越大，反之亦然。工件加 热需要热量、工件保温需要的热量由炉子的产量、工件的性质和规格尺寸、工作温度、时 间决定。炉子的产量越大，功率越大，反之亦然。气氛裂解所需的热量，由气氛的性质决 定。热损失的热量，包括进料口部位、落料口部位的散热和其它部位的辐射损失等。炉子 功率计算有利用热平衡原则确下的理论计算法、经验计算法。理论计算法，主要参数是产 量、温度、升温时间。经验计算法常用三种：根据炉膛容积和工作温度计算功率或根据炉 膛内表面积和工作温度计算功率或根据相同品种的炉子产量的类比推算功率。一般计算功 率，经一种方法为主，以另一种或二种方法验算并进行修正。功率确定之后，根据电阻炉 的分区情况，进行功率分配，选定加热元件的形式，选用材料，计算其参数，包括冷态电 阻、电源电压、线径、长度。具体选材料要考虑材料的抗氧化性、抗高温性、抗渗碳性、 加工艺性，表面负荷等。带状加热元件承受的表面负荷比丝状加热元件大一点，最高可增 加 50。 2.2 控制算法 2.2.1 数学模型建立 为了使系统获得较好性能指标（如静态误差 e、超调量 p、过渡过程时间 ta、上升 时间和稳定裕量） ，首先要了解被控对象的特性，并用以作为设计自动控制系统的依据。电 热油炉温度控制采用数字 PID 调节规律，为了确定 PID 的参数，采用飞升曲线法来确定电 热炉温度控制的传递函数。 图 2.2 试验机温度飞升曲线 电热炉出口温度的飞升曲线如上图所示。由图可知，系统是带纯滞后的一阶对象，其 传递函数是： （2-1） 式中，K 为放大系数；T 为对象时间常数； 为对象滞后时间。一阶对象参数的求取； 对于一阶跃信号幅值的比值求恩德。输出从起始值达到 0.632 倍稳态值的时间为对象时间 常数 T。而对象滞后时间 可直接从图中测出。 通过测量飞升曲线来求得的参数：T=72min, =8min，K=330。 2.2.2 控制系统的算法设计 计算机闭环控制系统结构框图如： 图 2.3 系统结构框图 图中，被控对象包括从施加的交流电压值到输出温度之间的全部环节。控制规律的选 择， 据被测对象的特征，必须选择一种控制规律，使炉温有变化趋势时而被限制，本系统 采用自整定 PID 调节。当 WDY-1 温控仪刚进入工作状态时，有一个飞升机会，仪器将输 出 100%，使炉子温度按较陡斜率上升到给定值的 80%左右(满足快速性要系统软件与模型求)， 然后根据炉子的温度变化率、温度偏差以及纯滞后的特点，直接按事先放置在内存中的经 验表格，查出对应的 PID 参数，从而实现控制参数的自动整定过程，按 PID 运算并输出， 实现炉子温度的自动控制(满足无静差要求)。同时，该整定过程还省去了仪器初始整定的 麻烦，使用方便。 1. 时间最优设计 当 （2-2） 式中 eA 为偏差临界值，可根据书记工艺情况和精度要求选取， L（L）为第 L 次采样时刻的设定值； Y（L）为第 L 次采样时刻的反馈值； E（L）为第 L 次采样时刻发偏差值； 时间最优控制模式 （2-3） 其中 U（L）为第 L 次采样时刻发计算机输出值；Umax 为计算机输出的最大值。在偏 差较大时，采用 PID 控制算法，输出最大控制电压，以快速消除大偏差，实现时间最优控 制。 2.分离式 PID 控制 在偏差较小时，采用 PID 算控制，可以抑制积分饱和，防止产生超调和振荡，确保稳 态精度。 |e(k)eB| PD 控制 （2-4） |e(k)eB| PID 控制 （2-5） 式中 eB 为积分分离门限值，并且有 eBT0.其值随热电极材料和接点温度而定。 当 T0 维持一定时，eAB(T0)等于常数 C，则对于确定的热电偶，其热电热只与温度 T 成单值函数关系，即： （3- 2） 热电偶测量电路主要是由放大器 OPA2335 电路组成，当采集到的信号经过的两级放大 后，经过隔离电路消除干扰后，输入 CD4051 进行多路选择。热电耦测量电路的原理图如图 2.2 所示。OPA2335 是由德州仪器公司生产的，它们具有业界最低的功耗，非常适合应用在 手持式测试设备、医疗仪器、温度测量、传感器信号放大、电子刻度计、车用系统和电池 供电仪表等对功率敏感的精密应用场合的一款零漂移运算放大器，OPA335 运算放大器采用 微 型 SOT23 封装，具有低静态电流(300uA)、单工作电源、轨对轨输出摆幅在输入电压范围的 10mV 之内。这些器件采用自动调零技术，具备超低补偿电压(一般为 1uV)，时间和温度变 化导致的漂移几乎为零(0.02uV/C)。OPA2335 工作时采用单电源和双电源，电压范围介于 +2.7V(+/-1.35V)和+5.5V(+/-2.75V)之间。所有型号规定温度范围皆为-40C 至+125C。 图 3.1 热电偶测量电路原理图 OPA2335 部分技术指标图如下： 图 3.2 补偿电压分配 图 3.3 补偿电压漂流分配 经过放大的信号还要进行隔离以消除干扰，这里采用的是光耦合器，光耦合器亦称光 电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的 隔离作用，以消除对信号的干扰，所以它在各种电路中得到广泛的应用。 目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光 的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED） ，使之发出一定波长 的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电 的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号 传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输 入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信 息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔 离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。 1.光电耦合器的主要优点 信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗 干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是 70 年代发展起来 的新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波 器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉 冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用 线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目 的。 2.光耦合器的性能及类型 用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当有电 流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管 产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。 由于 光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离， 没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容 小（2pf 左右） 、耐压高(2.5KV 左右)，故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决 于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小（约 10 欧姆） ，对高内阻源的噪 声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。 事实上，光耦合器是一种由光电流控制的电流转移器件，其输出特性与普通双极型晶 体管的输出特性相似，因而可以将其作为普通放大器直接构成模拟放大电路，并且输入与 输出间可实现电隔离。然而，这类放大电路的工作稳定性较差，无实用价值。究其原因主 要有两点：一是光耦合器的线性工作范围较窄，且随温度变化而变化；二是光耦合器共发 射极电流传输系数 和集电极反向饱和电流 ICBO(即暗电流)受温度变化的影响明显。因 此，在实际应用中，除应选用线性范围宽、线性度高的光耦合器来实现模拟信号隔离外， 还必须在电路上采取有效措施，尽量消除温度变化对放大电路工作状态的影响。 3.3 冷端温度测量电路的设计 冷端温度测量电路主要考虑的是当对炉温进行检测的时候，外界的环境温度对其造成 一些干扰，如果不减去环境温度，就会造成检测到的信号不准确，即检测到温度大于实际 的温度。因此用集成温度传感器设计了冷端温度测量电路，原理图如图 3.4 所示： 图 3.4 冷端温度测量电路原理图 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到 广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏 度一般为 10mV/K，温度 0时输出为 0，温度 25时输出 2.982V。电流输出型的灵敏度一 般为 1A/K。 冷端温度测量电路主要是由 AD590 组成的，AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集 成两端感温电流源，由于 AD590 精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和 热电偶的冷端补偿。AD590 是用来测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温 度、多点平均温度的具体电路，可广泛应用于不同的温度控制场合。它的主要特性如下： 1.通过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数即 （3-3） 式中 Ir 为流过器件 AD590 的电流 T热力学温度，单位为 K。 2.AD590 的测温范围为-55+150。 3.AD590 的电源电压范围为 4V30V。电源电压可在 4V6V 范围变化，电流变化 1A，相 当于温度变化 1K。AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会 被损坏。 4.输出电阻为 710M。 5.精度高。AD590 共有 I、J、K、L、M 五档，其中 M 档精度最高，在-55+150范围内， 非线性误差为0.3。 通过以上特性可以看出 AD590 完全可以满足需要。 第四章 PLC 系统的硬件实现 随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在所 有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、 多规格、高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具 有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器（Programmable Logic Controller）正是顺应 这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置。本章主要介绍西门子 S7-300 系 列 PLC 以及其它硬件的组成与选型。 4.1 PLC 的工作原理 4.1.1 PLC 的循环处理过程 CPU 中的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理 PLC 的起动、刷新输入/输 出过程映像区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和通信等任务。用户程序由 用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。STEP7 将用户程序和程序所需的数据放置在 块中，功能块 FB 和功能 FC 相当于用户编写的子程序，系统功能 SFC 和系统功能块 SFB 是 操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块统称为逻辑块。 PLC 采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。OB1 是用于循 环处理的组织块，相当于用户程序中的主程序，它可以调用别的逻辑块，或被中断程序 （组织块）中断。PLC 得电或由 STOP 模式切换到 RUN 模式时，CPU 执行启动操作，清除没 有保持功能的位存储器、定时器和计数器，清除中断堆栈和块堆栈的内容，复位保存的硬 件中断等。此外还要执行一次用户编写的“系统启动组织块”OB100，完成用户指定的初始 化操作。以后进入周期性的循环运行。图 4.2 是扫描过程。 结合图简要介绍下扫描过程： （1） 操作系统启动循环时间监控。 （2） CPU 将输出过程映像区的数据写到输出模块。 （3） CPU 读输入模块的输入状态，并存入输入过程映像区。 （4） CPU 处理用户程序，执行用户程序中的指令。 （5） 在循环结束时，操作系统执行所有挂起的任务，例如下载和删除块，接收和发 送全局数据等。 （6） CPU 返回第一阶段，重新启动循环时间监控。 在启动完成后，不断地循环调用 OB1，在 OB1 中可以调用其他逻辑块 （FB、SFB、FC、SFC） 。循环程序处理过程可以被某些事件中断。如果有中断事件出现，当 前正在执行的块被暂停执行，并调用分配给该事件的组织块。该组织块被执行完后，被暂 停执行的块将从被中断的地方开始继续执行。 图 4.1 扫描过程 在 PLC 的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别 称为输入过程映像区和输出过程映像区。PLC 梯形图中的其他编程元件也有对应的映像存 储区。 在循环程序处理过程中，CPU 并不直接访问 I/O 模块中的输入地址区和输出地址区，而是 访问 CPU 内部的过程映像区。 在写输出模块阶段，CPU 将输出过程映像区的状态传送到输出模块。梯形图中某一输 出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像位为 1 状态。信号经输出模块隔离和功率放 大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载 通电工作。若梯形图中的线圈“断电” ，对应的输出过程映像位为 0 状态，在写输出模块阶 段之后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载 断电，停止工作。 在读输入模块阶段，PLC 把所有外部输入电路的接通/断开状态读入输入过程映像区。 外部输入电路接通时，对应的输入过程映像位为 1 状态，梯形图中对应的输入位的常开触 点接通，常闭触点断开。外部输入触点电路断开时，对应的输入过程映像位为 0 状态，梯 形图中对应的输入位的常开触点断开，常闭触点通。 在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了改变，输入过程映像位的状态也不 会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个循环扫描周期的读输入模块阶段被读入。 4.1.2 用户程序的执行过程 PLC 的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。在没有跳转指令和块 调用指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。 在执行指令时，从输入过程映像区或别的存储区中将有关编程元件的 0、1 状态读出来，并 根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的存储区中，因此，各编程 元件的存储区（输入过程映像区除外）的内容随着程序的执行而变化。 循环时间是指操作系统执行一次如图 3.3 所示的循环操作所需的时间，包括执行 OB1 中的程序段和中断该循环的系统操作的时间，也称扫描循环时间或扫描周期。循环时间与 用户 程序的长短、指令的种类和 CPU 执行指令的速度有很大的关系。 4.2 S7-300 简介 S7-300 是模块化的中小型 PLC，适用于中等性能的控制要求。品种繁多的 CPU 模块、 信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择 合适的模块，维修时更换模块也很方便。S7-300 有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力， 有 350 多条指令，其编程软件 STEP7 功能强大，可以使用多种编程语言。S7-300 采用紧凑 的、无槽位限制的模块结构，各个模块都安装在导轨上，用螺栓锁紧即可。 4.2.1 数字量输入模块 数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关 和接近开关等。数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为 PLC 内部的信 号电平。输入电路中一般设有 RC 滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起 的错误输入信号，输入电流一般为数毫安。 4.2.2 数字量输出模块 SM 322 数字量输出模块将 S7-300 的内部电平信号转化为控制过程所需的外部信号电 平，同时具有隔离和功率放大的作用。 输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交流 负载的双向晶闸管或固态继电器，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继 电器。输出电流典型值为 0.52A，负载电源由外部现场提供。 4.2.3 数字量输入/输出模块 SM323 是 S7-300 的数字量输入/输出模块，它由两种型号可供选择。一种是 8 点的输 入和 8 点输出的模块，输入点和输出点均只有一个公共端。另外一种有 16 点输入（8 点一 组） 和 16 点输出（8 点一组） 。输入、输出的额定电压均为 DC24V，输入电流为 7mA,最大输出 电流为 0.5A，每组总输出电流为 4A。输入电路和输出电路通过光耦合器与背板总线相连， 输出电路为晶体管型，有电子保护功能。 4.2.4 模拟量输入模块 模拟量变送器：生产过程中有大量的连续变化的模拟量需要用 PLC 来测量或控制。有 的是非电量，例如温度、压力、流量、液位、物体的成分（例如气体中的含氧量）和频率 等。有的是强电电量，例如发电机组的电流、电压、有功功率和无功功率、功率因素等。 变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如 DC010V 和 420mA。 SM331 模拟量输入模块的基本结构：模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为 CPU 内 部处理用的数字信号，其主要组成部分是 A/D（Analog/Digit）转换器。SM331 也可以直接 连接不带附加放大器的温度传感器（热电偶或热电阻） ，这样可以省去温度变送器，不但节 约了硬件成本，控制系统的结构也更加紧凑。 4.2.5 模拟量输出模块 模拟量输出模块的基本结构：S7-300 的模拟量输出模块 SM332 用于将 CPU 送给的数字 信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分 是 D/A 转换器。 模拟量输出模块的技术参数：SM332 的 4 种模拟量输出参数均有诊断功能，用红色 LED 指示故障，可以读取诊断信息。额定负载电压均为 DC24V。模块与背板总线有光隔离，使 用屏蔽电缆时最大距离为 200m。都有短路保护，短路电流最大 25mA,最大开路电压 18V。 4.3 温度传感器 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是 最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990 年，温度传感器的市 场份额大大超过了其他的传感器。从 17 世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度 进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是 1821 年由德国物理学家赛贝发明的，这就是 后来的热电偶传感器。50 年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技 术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN 结温度传感器和集成温度传感器。 与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微 波传感器。这里我们主要介绍热电阻和热电偶。 1.热电偶 工业热电偶作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使 用，它可以直接测量各种生产过程中不同范围的温度。若配接输出 4-20mA、0-10V 等标准 电流、电压信号的温度变送器，使用更加方便、可靠。对于实验室等短距离的应用场合， 可以直接把热电偶信号引入 PLC 进行测量。 热电偶的工作原理是,两种不同成份的导体,两端经焊接，形成回路，直接测量端叫工 作端（热端） ，接线端子端叫冷端，当热端和冷端存在温差时，就会在回路里产生热电流， 这种现象称为热电效应；接上显示仪表，仪表上就会指示所产生的热电动势的对应温度值， 电动势随温度升高而增长。热电动势的大小只和热电偶的材质以及两端的温度有关，而和 热电偶的长短粗细无关。 根据使用场合的不同，热电偶有铠装式热电偶、装配式热电偶、隔爆式热电偶等种类。 装配式热电偶由感温元件（热电偶芯） 、不锈钢保护管、接线盒以及各种用途的固定装置组 成。铠装式热电偶比装配式热电偶具有外径小、可任意弯曲、抗震性强等特点，适宜安装 在 装配式热电偶无法安装的场合，它的外保护管采用不同材料的不锈钢管，可适合不同使用 温度的需要，内部充满高密度氧化绝缘体物质，非常适合于环境恶劣的场合。隔爆式热电 偶通常应用于生产现场伴有各种易燃、易爆等化学气体的场合，如果使用普通热电偶极易 引起气体爆炸，则在这种场合必须使用隔爆热电偶。 热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响， 也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温 度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制 作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测 量快速变化的