多段电阻炉温度控制系统设计.doc

II 摘 要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积分分离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，并在此基础上对控制算法进行了MATLAB仿真。关键词：多段电阻炉 温度控制 积分分离PID PLCAbstractThis 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目 录摘 要iAbstractii目 录iii第1章 绪论11.1 课题的研究目的和意义11.2 电阻炉温度控制系统的发展及现状11.2.1 电气系统的发展及现状11.2.2 控制系统的发展及现状31.3 炉温的自动控制方式31.3 本设计的主要内容及技术指标4第2章 多段电阻炉温度控制系统的总体分析62.1 系统设计方案的选择62.2 系统控制方法的选择62.3 系统控制算法的选择72.4 多段电阻炉温度控制系统的理论模型92. 5 可编程控制器的特点及应用92.5.1 可编程控制器的特点92.5.2 PLC的硬件102.5.3 PLC的软件122.5.4 PLC的工作方式132.5.5 PLC的性能指标142.6 PID控制分析142.6.1 PID控制算法及特点152.6.2 PID参数整定的相关原则172.6.3 PID回路类型的选择182.6.4 正作用和反作用回路182. 7 固态继电器的特点及应用182.7.1 固态继电器的工作原理182.7.2 固态继电器的特点及分类192.7.3 固态继电器交流调功202.8 热电偶的特点及应用212.8.1 热电偶的特点212.8.2 热电偶的分类212.8.3 热电偶的测温原理21第3章 多段电阻炉温度控制系统的硬件设计233.1 系统硬件设计方法介绍233.2 硬件器件的选择243.2.1 SIMATIC S7-200系列可编程控制器253.2.2 EM231热电扩展模块273.2.3 EM235模拟量I/O组合模块293.2.4 PC/PPI电缆303.2.5 WP6220温度变速器303.3 系统硬件接线图31第4章 多段电阻炉温度控制系统的软件设计314.1 PLC程序运行环境324.1.1 STEP 7Micro/WIN324.1.2 PID整定控制面板324.2系统程序设计概述344.2.1 温度采集程序设计344.2.2 积分分离PID程序344.3 主程序流程图及地址分配354.4 PLC与上位机的通讯设计35结 论39参考文献40附录A 梯形图41附录B MATELAB 仿真程序58附录C 系统总接线图60外文资料61中文翻译65致 谢6869太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书第1章 绪论1.1 课题的研究目的和意义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电炉。电阻炉与火焰炉相比，具有结构简单、炉温均匀、便于控制、加热质量好、无烟尘、无噪声等优点，但费用较高。多段电阻炉由于其加热均匀，控制精度高，在机械加工中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金处理、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属融化、砂型和油漆膜层的干燥等。而其中温度是重要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，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 电阻炉温度控制系统的发展及现状1.2.1 电气系统的发展及现状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。并且PLC为晶体管输出型，输出单元允许所带负载工作电源为DC 1224 V，无法直接驱动交流接触器，只能先驱DC 1224 V的中问继电器，再用中间继电器来带AC 380 V的负载，这样就会使得外部接线变得繁琐，而且由于传统的交流接触器为电磁式开关，其机械触点的寿命及可靠性与PLC控制系统相差甚远，较大地阻碍了控制系统性能的发挥。因此像这类的负载，我们需要选择一种更为合适的继电器来充当其受控的开关器件。固态继电器SSR是近年来世界上新兴的控制继电器，这种继电器用几毫安的微小信号可以控制大功率负载的起动与关断，正符合了晶体管输出型PLC的特点。并且其输入信号（控制端）和输出信号（受控端）采用光电隔离电路，保证了输入与输出互不干扰，输出端采用无触点大功率输出电路，整个电路用环氧树脂浇铸为一体。因此，固态继电器运行时无火花、无噪音、无污染、不产生电磁干扰，比电磁继电器具有开关速度快、体积小、寿命长、耐震、耐腐蚀、防潮、防腐、输出端在接通瞬间无震颤现象等优点，可以在严重污染和震动的环境下使用，更具有很高的灵敏度和抗干扰能力，被广泛应用于石油化工仪器设备，灯光照明设备，纺织机械、数控车床、娱乐设施等各种自动化控制领域，特别适用在腐蚀、防尘、要求防爆等恶劣环境，及频繁开关场合。单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，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。而三相交流固态继电器则是集三只单相交流固态继电器为一体，并以单一输入端对三相负载进行直接开关切换，可方便地控制三相交流电机、加热器等三相负载，三相交流固态继电器的相与相间，输入输出间，以及与基板之间绝缘电压大于2 000 VAC，其他基本指标与相应的单相固态继电器相同。需要指出的是对实际负载电流不大的场合，比如实验室教学，三相SSR使用起来比较方便，但电流大时发热亦大，这时使用三只单相SSR更为可靠。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。 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。1.2.2 控制系统的发展及现状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： 1. 继电器控制系统；2. 单片机控制系统； 3. 智能化控制仪表控制系统；4. PLC电控系统； 5. 工控机电控系统。80年代以来，继电器控制系统已经基本不用；在80年代主要采用单片机电控系统，其操作繁琐，温度调节误差大，炉温的均匀性不能保证；到了90年代，随着智能仪表技术的迅猛发展，温度分段编程控制可以通过表盘按键操作很方便地实现，且控制精度较高，控制系统造价相对较低，但其扩展性差，操作繁琐；90年代末，随着PLC（可编程控制器）的迅速发展，电阻炉中的PLC电控系统逐渐普及，这种控制方式是在继电器控制器和计算机的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动化控制装置，目前已被广泛地应用于各种生产机械以及自动化生产过程；现如今的控制系统一般以工业控制机作为主控单元，可编程控制器（PLC）作为现场控制中心进行控制，利用微机直接控制电阻炉用的很少，因为其各个仪表的接口部分相对来说比较麻烦，而且其稳定性、抗干扰能力不如PLC。1.3 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： 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。1.3 本设计的主要内容及技术指标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CAD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。主要技术指标：(1) 连续控制炉温，炉温控制精度在 1摄氏度以上；(2) 温度可根据工艺要求任意设置；(3) 能进行手动/自动无扰动切换；(4) 有数字温度显示屏；(5) 良好的人机界面。第2章 多段电阻炉温度控制系统的总体分析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是保证精确控温的必要条件，控制方法的选择和控制算法的确定最为重要。2.1 系统设计方案的选择电阻炉温度控制是一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，自动接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定有给定温度范围，以满足热处理工艺的需要。如图2-1所示：图2-1 电阻炉温控制原理从电阻炉温度控制原理可知，该系统主要由控制器、执行器、温度传感器、变送器等器件构成。系统的主要任务是由温度测量器测得温度值，经变送器换算成可用的反馈值，控制器比较给定值和反馈值，对偏差信号进行运算，得出控制量，控制执行器通断时间，从而控制电阻丝的加热时间。常用的控制器有单片机和PLC，单片机在恶劣环境下稳定性和抗干扰能力较差，所以本设计选用PLC做为控制器，并且与PC连接，由PC对系统进行监控。执行器选择前面介绍过的固态继电器(SSR)，温度测量器选择热电偶。2.2 系统控制方法的选择三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。2.3 系统控制算法的选择在电阻炉温度控制系统中，可将系统近似认为是一带有纯滞后的一阶惯性环节，一般采用的是PID控制，在使用中发现当系统开工、停工或大幅升降给定值时，短时间内产生很大偏差，PID控制方法在积分控制器的作用下会产生强烈的控制信号，受系统纯滞后的影响，使过渡过程出现大的超调和振荡。这对要求恒温烘焙的物件将产生不良影响。故本设计采用积分分离PID控制方法，实现无超调控制。积分分离控制算法的基本思路是：当控制量与系统设定较大时，取消积分作用，避免由于积分作用使系统稳定性下降，超调量增加；当被控量接近设定值时，引入积分控制，以消除系统静差，提高系统控制精度。具体实现步骤如下：根据实际情况，人为设定阈值0。(l) 当|e (k)|时，采用PD控制()，可避免产生过大的超调，且使系统有较快的响应；(2) 当|e (k)|时，采用PID()控制，以保证系统的控制精度。积分分离方法控制算法表示为：式中：u(k)：第k次采样时刻的计算机输出值；： 输出反馈值与目标值的误差： 放大系数；： 积分时间常数；： 微分时间常数。采用积分分离方法，控制效果有很大的改善。该算的优点是:当偏差值较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度;当差值较大时，采用PD控制，可使超调量大幅度降低。采用普通PID控制，其阶跃响应曲线如图2-2 所示。由仿真结果可以看出，变速积分具有更小的上升时间和超调量，控制效果更好。仿真程序见附录B。图2-2 (1) 积分分离PID阶跃跟踪(M=1)图2-1 (2) 普通PID阶跃跟踪(M=2)2.4 多段电阻炉温度控制系统的理论模型多段电阻炉温度控制系统以炉温为控制目标，在控制上实现炉内的实际温度值跟随设定的温度值。在系统运行过程中，如果实际温度低于设定温度，控制系统将得到正的温度差，这个差值经过计算和转换，计算出SSR(固态继电器)的导通时间增加值，该值就是为了减小实际温度与设定温度的差值，将这个增量与当前 SSR导通值相加，得出的值即为SSR当前应该导通时间值。在运行过程中将不断重复该过程，直到实际温度值与设定值相等为止。如果运行过程中实际温度值高于设定值，情况则刚好相反，SSR的导通时间将减少，同样最后的调节的结构是实际温度值与设定值相等。多段电阻炉温控制系统模型如图2-2所示。图2-3 多段电阻炉温控制系统模型2. 5 可编程控制器的特点及应用2.5.1 可编程控制器的特点可编程序控制器(Program Logical Controller)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置， 是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。它具有以下特点：(1) 可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。(2) 具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O 模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人 机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。(3) 采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC 以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根 据用户的需要自行组合。(4) 编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形 式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术 人员所理解和掌握。(5) 安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找 故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块 的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。2.5.2 PLC的硬件从广义上讲，PLC是一种特殊的工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。所以PLC与微机控制系统十分相似。都由中央处理器（CPU）、存贮器和输入/输出接口等构成。因此，从硬件结构来说，可编程控制器实际上就是计算机，其内部主要部件有:(1) CPU（Central Process Unit）CPU是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“大脑”。其功能是：a. 按PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；b. 用扫描方式接收现场输入装置的状态式数据，并存入映象寄存器或数据寄存器；c. 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误；d. 在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令规定的任务，产生相应的信号，去启闭有关控制门电路。分时分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑式算术运算等任务。根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输出映象寄存器的位状态式数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表、打印式数据通讯等。(2) 系统程序存储器系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。(3) 用户存储器用以存放用户程序即存放通过编程器输入的用户程序，分为用户程序存储区和工作数据存储区，由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的，内容可更改，断电内容消失，常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为35年。(4) 输入输出组件（I/0模块）I/0模块是CPU与现场I/0装置或其它外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/0模块和各种用途的I/0组件供用户选用。如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换数据、误码较验、A/D或D/A转换以及其它功能模块等。I/0模块将外界输入信号变成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变成需要的控制信号去驱动控制对象（包括开关量和模拟量），以确保整个系统正常工作。输入的开关量信号接在IN端和0V端之间，PLC内部提供24V电源，输入信号通过光电隔离，通过R/C滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。PLC输出有三种型式：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。(5) 编程器编程器是用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视等。还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过通讯端口与CPU联系，完成人机对话连接。编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯以及编程、监控转换开关。编程器的键盘采用梯形图语言键符式命令语言助记符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。编程器分为简易型和智能型两类。前者只能连机编程，而后者既可连机编程又可脱机编程。同时前者输入梯形图的语言键符，后者可以直接输入梯形图。根据不同档次的PLC产品选配相应的编程器。(6) 外部设备一般PLC都配有盒式录音机、打印机、EPR0M写入器、高分辨率屏幕彩色图形监控系统等外部设备。(7) 电源PLC配有开关式稳压电源，供PLC内部使用。与普通电源相比，这种电源输入电压范围宽、稳定性好、抗干扰能力强、体积小、重量轻。有些机型还可向外提供24VDC的稳压电源，用于对外部传感器供电。这就避免了由于电源污染或使用不合格电源产品引起的故障，使系统的可靠性提高2.5.3 PLC的软件PLC的软件可分为系统软件和用户程序两大部分：1. 系统软件：也称之为常驻的操作系统软件。它又包括基本控制单元软件 和编程软件两部分。另外，一些特殊功能模块也带有自己的操作系统软件。通常， 一个PLC机架只能容纳一定数量的模块插件，这种包含主机模块和部分I/O模块 的机架称为基本控制单元。基本控制单元软件固化在主机模块的EPROM中，其 主要功能为：进行PLC自身的管理和监督（如开机自检，运行中监督CPU、电池 电压是否正常）；循环解释运行用户程序；集中进行输入信号的扫描和输出控制的更新编程器软件用来支持用户程序的输入，也可以用来监控用户程序的执行过 程。当用户程序己装入PLC的存储器，编程器就可以被分离，基本控制单元将自 动进入执行用户程序状态。考虑到PLC内部结构的复杂性，系统软件应有专业技 术人员进行设计，一般用户不允许直接设计系统的内部操作。2用户程序：这是用户应用PLC进行控制所需要编制的程序。目前，在PLC 中普遍使用梯形图编程方法。这种编程方法是在传统继电器梯形图基础上进行一 定演变而形成的，突出了各编程原件之间的逻辑关系。与硬接线的梯形图不同， PLC梯形图逻辑是由软件实现的，因此既形象直观便于编写，又易于扩展和修改功能。2.5.4 PLC的工作方式1. 公共处理阶段每次扫描开始之前，CPU都要进行复位监视定时器，硬件检查，用户内存检查等操作。看是否有异常情况。2. 执行用户程序阶段在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按先左后右，先上后下的顺序逐条地进行解释和执行。这个过程不会体现给外部设备。CPU从输入映象寄存器和元件映象寄存器中读取各继电器当前的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入元件映象寄存器中。3. 扫描周期计算处理阶段 扫描周期计算处理所用所用的时间很短，对一般PLC都可视为零。4. I/O刷新阶段在I/O刷新阶段，CPU要做两件事。其一，从输入电路中读取各输入点的状态，并将此状态写入输入映象寄存器中，自此知道下一个三秒周期的I/O刷新阶段才会写进新的内容。其二，将所有输出继电器的元件映象寄存器的状态传送到相应的输出所存电路中，再经输出电路的隔离和功率放大部分传送到PLC的输出端，驱动外部执行单元动作。I/O刷新阶段的时间长短取决于I/O点数的多少。5. 外部设备端口服务阶段这个阶段CPU完成与外部设备端口连接的外围设备的通信处理。完成上述各阶段的处理后，返回公共处理阶段，周而复始地进行扫描。下图2-4为PLC信号从输入端子到输出端子的传递过程示意图： 图2-4 PLC信号的传递过程2.5.5 PLC的性能指标(1) 存储容量这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB2MB。(2) I/O点数 I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。它是衡量PLC性能的重要指标之一。(3) 扫描速度 扫描速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的吻合程度。从自动控制的观点来看，决定了系统的实时性和稳定性。(4) 指令的多少它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。(5) 内部寄存器的配置和容量它直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。(6) 扩展能力 扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。(7) 特殊功能单元特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。2.6 PID控制分析PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制力式之一。它的原理通过控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。原理图如图3-5所示：在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种：图3-5 PID控制原理图1. 硬件型，即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P，I，D 参数及目标值的设定。2. 软件型，使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器上做 PID控制器。在该系统中我们用硬件型设计这样可以减少编程。2.6.1 PID控制算法及特点PID控制器根据目标值(设定值)r(t)与反馈值(测量值)c(t)构成的控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) ，将偏差的比例(P)、积(I)分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为：式中：调节器的比例系数。： 调节器的积分时间。 ： 调节器的微分时间。： 调节器的偏差信号。u： 输出。简单来说 ，PID控制器各校正环节的作用是这样的：1. 比例环节： 即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。2. 积分环节 ：主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti， Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。3. 微分环节 ：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。PID调节器的传递函数为:PID调节器的传递函数为:式中，为比例增益，为积分时间，为微分时间。当=0 , 时, 则有,称为比例(P)调节器; 当时, , 称为比例微分(PD)调节器 ,当=0时, , 称为比例积分(PI)调节器; 当 , 时,则有，称为PID调节器。当上述控制算法公式只包含第一项时，称为比例(P)作用，只包含第二项时，称为积分(I)作用;但只包含第三项的单纯微分(D)作用是不采用的，因为它不能起到使被控变量接近设定值的效果，只包含第一、二项的是PI作用;只包含第一、三项的是PD作用;同时包含这三项的是PID作用。仅用P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。对于PID控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统(即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节)效果比较好。2.6.2 PID参数整定的相关原则针对一个具体的系统，设置和调整PID参数，使调节过程达到满意的品质，称为参数整定，不管是用常规调节器还是数字PID调节器，统称为调节器参数整定。下面简单列举一些的准则：1. 如果广义对象的传递函数是，调节器的比例增益是整个系统总的开环增益是。在其他因素相同的情况下，当大的时候，应该小一些，小的时候，应该大一些。2. 在动态参数方面，可取 作为特征值越大，系统越不易稳定，因此应该小一些。同时，和也应取适当的数值。经验上常取为2左右，为0.5左右。因此，如有T的估计值，和值就不难定出了。3. 在 P，I，D 三个作用中，P作用往往是最基本的控制作用。由这一点出发，可从两条途径之一进行现场凑试：(1) 先用单纯的P作用，选出合适的值，作为基础，然后适当引入和， Ti和Td值进行挑选。(2) 依据验前知识（如对T的了解），把和置于合适的数值，然后主要对值进行凑试，得出最合宜的数值。以上两条途径表面上看来截然相反，但它们都是以承认P作用为主体作为前提的。4. 积分(I)作用的引入既有利又有弊。必须尽量发挥它能消除余差的利，尽量缩小它不利于稳定的弊。一般取=(0.51)，（是振荡周期）。在以上情况下，由I作用引起的相位滞后不超过400，幅值比增加不超过20%。即使如此，在引入I作用后，应比单纯P作用时减小10%左右。5. 对于含有噪音的过程，不宜引入微分作用，否则高频分量放大得很厉害。6. 在控制品质方面，稳定性的要求是前提。如果只有一个调节器参数可以调整，则只能满足一个品质指示，通常就取衰减比作为指标。如果有两个参数可以调整，在可在衰减比之外，再添加一个指标。2.6.3 PID回路类型的选择在许多控制系统中，只需要一种或两种回路控制类型。例如只需要比例回路或者比例积分回路。通过设置常量参数可先选用想要的回路控制类型。如果不想要积分回路，可以把积分时间设为无穷大。即使没有积分作用，积分项还是不为0因为有初值MX，但积分作用可以忽略。如果不想要微分回路，可以把微分时间设为0，如果不想要比例回路，但需要积分或微分回路，分项和微分项时，把增益当作1看待。2.6.4 正作用和反作用回路如果增益为正，那么该回路为正作用回路。如果增益为负，那么是反作用回路。对于增益为正的积分或微分控制来说，如果指定积分时间、微分时间为正，就是正作用回路；指定为负，则为反作用回路。2. 7 固态继电器的特点及应用2.7.1 固态继电器的工作原理固态继电器由三部分组成：输入电路、隔离（耦合）和输出电路组成，在输入电路控制端加入信号后，IC1光电耦合器内光敏三极管呈导通状态，R1串接电阻对输入信号进行限流，以保证光耦合器不致损坏。LED发光二极管指示输入端控制信号，VD1可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦IC1。图2-5 固态继电器的结构图V1 在线路中起到交流电压检测作用，使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。当IC1光敏三极管截止时(控制端无信号输入时)，V1通过R2获得基极电流使之饱和导通,从而使 SCR可控硅门极触发电压UGT被箝在低电位而处于关断状态，最终导致BTA双向可控硅在门极控制端R6上无触发脉冲而处于关断状态。 当IC1光敏三极管导通时( 控制端有信号输入时) ，SCR可控硅的工作状态由交流电压零点检测三极管V1来确定其工作状态 。如电源电压经R2与R3分压，A处电压大于过零电压时(VAVBE1)，V1处饱和导通状态，SCR、BTA可控硅都处于关断状态；如电源电压经R2与R3分压，A处电压小于过零电压时（VAVBE1）V1处截止状态，SCR可控硅通过R4获得触发信号而导通 ,从而使 BTA在R6上也获得触发信号也呈导通状态,对负载电源进行关断控制。如此时控制端信号关断后,负载电流也随之减小至BTA双向可控硅的维持电流IH时可自行关断,切断负载电源。2.7.2 固态继电器的特点及分类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。交流过零型固态继电器，因有其电压过零时开启，负载电流过零时关断的特性。它的最大接通、关断时间是半个电源周期，在负载上可得到一个完整的正弦波形。也相应的减少了对负载的冲击。而在相应的控制回路中产生的射频干扰也大大减少。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）；SSR固态继电器以触发形式,可分为零压型( Z )和调相型( P )两种；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。2.7.3 固态继电器交流调功“交流调功”是一种Z型SSR普遍采用的方法,也能实现PID调节。即在固定周期内,控制交流正弦电流半波个数达到调功目的。在计算机上采用计时算法,产生占空比可调的方波脉冲击来实现。工业电加热系统中最广泛应用的SSR周波控制器,它能接收PWM或4-20mA输入信号,产生周期过零式(PWM占空比控制)和周波过零式(CYC变周期)两种输出,直接驱动SSR或SSR功率扩展板.具有硬手操和辅助功率调整功能.先进的周波过零输出方式,使负载电流的通段按正弦波均匀分布,提高了调节精度, 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： 式中为电网频率，单位：。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：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。2.8 热电偶的特点及应用2.8.1 热电偶的特点热电偶是工业中常用的温度测温元件，具有如下特点： (1) 测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。 (2) 热响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏。(3) 测量范围大：热电偶从 -401600 均可连续测温。 (4) 性能可靠， 机械强度好。(5) 使用寿命长，安装方便。2.8.2 热电偶的分类热电偶的种类热电偶有 K型（镍铬 - 镍硅）WRN系列，N型（镍铬硅 - 镍硅镁）WRM 系列，E型（镍铬 - 铜镍）WRE系列，J 型（铁 - 铜镍）WRF 系列，T 型（铜 - 铜镍）WRC 系列，S型（铂铑 10- 铂）WRP 系列，R型（铂铑 13- 铂）WRQ 系列，B型（铂铑30- 铂铑6）WRR系列等。使用温度在13001800，要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于1800一般选用钨铼热电偶；使用温度在10001300要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶；在1000以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400一般用E型热电偶；250下以及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。2.8.3 热电偶的测温原理热电偶是一种感温元件 , 它把温度信号转换成热电动势信号 , 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 , 当两端存在温度梯度时 , 回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在塞贝克电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 , 制成热电偶分度表 ; 分度表是自由端温度在 0 时 的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时 , 只要该材料两个接点的温度相同 , 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此 , 在热电偶测温时 , 可接入测量仪表 , 测得热电动势后 , 即可知道被测介质的温度。 第3章 多段电阻炉温度控制系统的硬件设计在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 系统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CPU222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