毕业论文-基于单片机的加热炉温度控制系统设计

摘要温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。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,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。本设计是利用西门子S7200PLC控制加热炉温度的控制系统。首先介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了西门子S7200PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。关键词温度控制；PID；温度传感器；可控硅电压调整器ABSTRACTTEMPERATURECONTROLSYSTEMHASBEENWIDELYUSEDINTHEINDUSTRYCONTROLLEDFIELD，ASTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMOFBOILERSANDWELDINGMACHINESINSTEELWORKS、CHEMICALPLANT、HEATENGINEPLANTETCHEATINGSTOVETEMPERATURECONTROLHASALSOBEENAPPLIEDWIDELYINALLKINDSOFFIELDSTHEAPPLICATIONOFTHISASPECTISBASEDONSCMWHICHISMAKINGTHEPIDCONTROL,YETTHEHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNOFDDCSYSTEMCONTROLLEDBYSCMISSOMEWHATCOMPLICATED,ITSNOTANADVANTAGEESPECIALLYRELATEDTOLOGICCONTROL,HOWEVERITISACCEPTEDASTHEBESTCHOICEWHENMENTIONEDTOPLCTHEFURNACETEMPERATUREOFHEATINGSTOVEISALARGEINERTIASYSTEM，SOGENERALLYUSINGPIDADJUSTINGTOCONTROLWITHTHEEXPANDINGOFPLCFUNCTION,THECONTROLFUNCTIONINMANYPLCCONTROLLERSHASBEENEXPANDEDTHEREFOREITISMOREREASONABLETOAPPLYPLCCONTROLLINGINTHEAPPLICABLEFIELDSWHERELOGICALCONTROLANDPIDCONTROLBLENDTOGETHERTHEDESIGNHASUTILIZEDTHECONTROLSYSTEMWITHWHICHSIEMENSS7200PLCCONTROLTHETEMPERATUREHEATINGSTOVEINTHEFIRSTPLACETHISPAPERPRESENTSTHEWORKINGPRINCIPLESOFTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMANDTHEELEMENTSOFTHISSYSTEMTHENITINTRODUCESSIEMENSS7200PLCANDTHESPECIFICDESIGNPROCEDURESOFTHEHARDWAREANDTHESOFTWAREKEYWORDSTEMPERATURECONTROLPIDTEMPERATUREPICKUPSCRVOLTAGECONVERTER目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景及意义112研究的主要内容113系统的设计目标及技术要求114控制系统的设计原理215技术综述2第2章硬件设计421西门子S7200PLC4211西门子S7200主要功能模块介绍4212开关量I/O模块介绍522温度传感器5221热电偶6222热电阻623模拟量输入模块8231EM231模拟量输入模块8232EM232模拟量输出模块1024可控硅电压调整器11241可控硅电压调整器简介11242可控硅电压调整器的主要性能指标12243双向可控硅交流调压原理12244可控硅电压调整器在加热炉中的应用1325本章小结14第3章炉温PID控制算法1531PID控制器基本概念1532PID控制算法数字化处理1633PID在PLC中的回路指令1934模拟量采集的数字滤波算法2135采样周期的选择2336PID参数整定2437本章小结27第4章软件设计2841STEP7编程软件简介2842方案设计思路2843程序流程图3044系统程序实现3045PLC炉温控制系统的调试3146本章小结31第5章组态画面设计3251组态王简介3252组态画面设计32521创建项目32522创建主画面34523建立实时趋势曲线35524创建报警窗口35525建立系统原理画面36526建立参数监控画面3753本章小结38第6章系统调试3961组态王与S7200的通信3962启动组态王3963参数设定和监控4064报警信息提示4165趋势曲线监控4266本章小结43结论44致谢45参考文献46附录47附录249附录352第1章绪论11课题背景及意义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1。这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,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点，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。因此，PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。这也正是本设计所重点研究的内容。12研究的主要内容本课题的研究内容主要有1温度的检测；2采用PLC进行恒温控制；3PID算法在PLC中如何实现；4PID参数对系统控制性能的影响；5温控系统人机界面的实现；13系统的设计目标及技术要求本PLC温度控制系统的具体指标要求是对加热器加热温度调整范围为8001000，温度控制精度小于3，系统的超调量须小于15，并具有温度上下限报警功能和故障报警功能。软件设计须能进行人机对话，考虑到本系统控制对象为电炉，是一个大延迟环节，且温度调节范围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。14控制系统的设计原理加热炉温度控制系统基本构成如图11所示，它由PLC主控系统、可控硅电压调整器、加热炉、温度传感器、温度变送器等几个部分组成2。D/A加热设备控制器温度变送器温度传感器A/D设定值温度信号图11加热炉温度控制系统基本构成框图通过调节双向可控硅的通断来调节电阻丝的输出功率，由温度检测元件热电阻将采集到的炉膛温度信号，经过温度变送器转换为电压信号，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S7200PLC可识别的数字量。用编制好的程序对其进行计算，得到实际温度值，在与给定的温度值比较，得到的偏差经过PID运算后，输出的数字量经过D/A转换，在由模拟量输出模块送给可控硅电压调整器，产生可控硅脉冲触发信号，该信号触发可控硅电路，最终由该电路驱动电炉的加热丝，通过调整可控硅触发信号（即调节供电电压每个周期的导通角），即可控制电炉电压的通断及大小，进而达到控制炉温的目的。15技术综述自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，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。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。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。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且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，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。温度控制系统大致可分别用3种方式实现，一种是用仪器仪表来控制温度，这种方法控制的精度不高。另一种是基于单片机进行PID控制，然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,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。因此本设计选用西门子S7200PLC来控制加热炉的温度。第2章硬件设计随着微处理器、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做出迅速反应，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（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER）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S7200系列PLC以及其它硬件的组成与选型。21西门子S7200PLCS7200系列PLC是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用3。S7200系列可以根据对象的不同,可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。211西门子S7200主要功能模块介绍S7200的CPU模块包括一个中央处理单元,电源以及数字I/O点,这些都被集成在一个紧凑,独立的设备中。CPU负责执行程序,输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载从CPU模块的功能来看,CPU模块为CPU22,它具有如下五种不同的结构配置CPU单元CPU221它有6输入/4输出,I/0共计10点无扩展能力,程序和数据存储容量较小,有一定的高速计数处理能力,非常适合于少点数的控制系统。CPU222它有8输入/6输出，I/0共计14点，和CPU221相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。CPU224它有14输入/10输出，I/0共计24点，和前两者相比,存储容量扩大了一倍,它可以有7个扩展模块,有内置时钟,它有更强的模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多S7200产品。CPU224XP它有24输入/16输出,I/0共计40点,和CPU224相比,增加了通信口的数量,通信能力大大增强。它可用于点数较多,要求较高的小型或中型控制系统。CPU226它有24输入/16输出,I/0共计40点,它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和CPU224XP相同。212开关量I/O模块介绍当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行I/O扩展,I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。通常开关量I/O模块产品分3种类型输入模块,输出模块以及输入/输出模块。为了保证PLC的工作可靠性,在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。如光电隔离,输入保护浪涌吸收器,旁路二极管,限流电阻,高频滤波,输入数据缓冲器等。由于PLC要控制的对象有多种,因此输出模块也应根据负载进行选择,有直流输出模块,交流输出模块和交直流输出模块。按照输出开关器件种类不同又分为3种继电器输出型,晶体管输出型和双向晶闸管输出型。这三种输出方式中,从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中；若从与外部电路安全隔离角度看,继电器输出型最好。在实际使用时，亦应仔细查看开关量I/O模块的技术特性，按照实际情况进行选择。由于本系统是单回路的反馈系统，CPU224XP相比与其他型号具有更好的硬件指标，其上自带有模拟量的输入和输出通道，因此节省了元器件的成本，CPU224XP自带的模拟量I/O规格如表21所示表21模拟量I/O配置表I/O信号信号类型电压信号电流信号模拟量输入210V/模拟量输出010V020MACPU224XP自带的模拟量输入通道有2个，模拟量输出通道1个。在S7200中，单极性模拟量的输入/输出信号的数值范围是032000，双极性模拟信号的数值范围是32000320004。22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。221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420MA、010V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随动势的对应温度值，电温度升高而增长。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。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。222热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件。热电阻是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。当电阻值变化时，二次仪表便显示出电阻值所对应的温度值。通常用PT100来表示,其中PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为1385欧姆。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，典型的有铜热电阻、铂热电阻等,其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，它的阻值会随着温度的变化而改变，在200850范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势。铂热电阻根据使用场合的不同与使用温度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作为测温元件，它具有良好的传感输出特性，通常和显示仪、记录仪、调节仪以及其它智能模块或仪表配套使用，为它们提供精确的输入值。若做成一体化温度变送器，可输出420MA标准电流信号或010V标准电压信号，使用起来更为方便。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将PT电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值5。工业上将铂电阻R0分别在50和100（称PT100）的条件下，制成相应RTT关系制成分度表，供查用。如表22所示表22铂热电阻分度表工作端温度/PT100工作端温度/PT100工作端温度/PT100508031100138512501941040842711014229260197713088221201460727020131209216130149832802049010960914015358290208480100001501573330021205101039016016105310215612010779170164773202191530111671801684833022268401155419017217340226215011940200175863502297260123242101795336023321701270822018319370236708013990230186843802401890134712401904739024364常用的PT电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。本设计采用的就是三线制电桥接线。如图21所示图21热电阻三线制电桥接法由于铂热电阻测出的是温度变化，需要在将信号输入PLC前加一个温度变送器，将温度信号转换成电压信号。本系统采用的是010V标准温度变送器，使用过程中要加一个24V的电源，该电源可以从PLC上直接获得。如图22所示变送器PLCPT100010V图22PT100标准一体化温度变送器接线图23模拟量输入模块S7200系列PLC模拟量I/O模块主要由EM231模拟量4路输入、EM232模拟量2路输出和EM235模拟量4输入/1输出混合模块3种，另外还有EM231模拟量输入热电偶模块和EM231模拟量输入热电阻模块7。231EM231模拟量输入模块传感器检测到温度转换成010V的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC内部的模拟量输入寄存器AIW中。在这里，我们选用了西门子EM231模拟量输入模。存储在16位模拟量寄存器AIW中的数据有效位为12位，其格式如图23所示。对单极性格式，最高位为符号位，最低3位是测量精度，即A/D转换是以8为单位进行的；对于双极性格式，最低4位为转换精度，A/D转换是以16为单位进行的。图23模拟量输入数据的数字量格式使用模拟量输入模块时，首先需要根据模拟量信号的类型及范围通过模拟量模块有右下侧的DIP设定开关进行输入信号的选择，其选择的具体操作如下表所示，本设计选用的电压信号为010V作为模拟量模块的输入信号，则DIP选择开关应选为SW1开、SW2关、SW3开。使用模拟量输入模块时，首先需要根据模拟量信号的类型及范围通过模拟量模块有右下侧的DIP设定开关进行输入信号的选择，其选择的具体操作如下表所示，本设计选用的电压信号为010V作为模拟量模块的输入信号，则DIP选择开关应选为SW1开、SW2关、SW3开。如图24所示图24EM231选择模拟量输入范围的开关表选好DIP开关的设置后，还需对输入信号进行整定，输入信号的整定就是要确定模拟量输入信号与数字量转换结果的对应关系，通过设定DIP设定开关左侧的增益旋钮可调整该模块的输入输出关系。为了使DIP开关设置起作用，用户需要给PLC的电源断电再通电。如图25所示图25EM231模拟量输入模块端子及DIP开关示意图经上述调整后，若输入电压范围为010V的模拟量信号，则对应的数字量结果应为032000或所需要数字232EM232模拟量输出模块EM232模拟量输出的过程是将PLC模拟量输出寄存器AQW中的数字量转换为可用于驱动元件的模拟量，其外部接线端子及内部结构如下图26所示图26EM232模拟量输出模块外部接线图及内部结构图由图可知，存储于AQW中的数字量经EM232模块中的数模转换器分为两路信号输出，一路经电压输出缓冲器输出标准的1010V电压信号，令一路经电压电流转换器输出标准的020MA的电流信号。在16位的模拟量输出寄存器AQW0中的数字量其有效位为12位，格式如图27所示。数据的最高有效位是符号位，最低4位在转换为模拟量输出值时，将自动屏蔽。图27模拟量输出数据之间的数字量格式24可控硅电压调整器241可控硅电压调整器简介ZK系列可控硅电压调整器与可控硅配合使用，能作为单相或三相的电压功率调整，其调节精度较高，抗干扰能力强。能以自动方式（外给定信号）或手动发式（内给定）对单向或双向可控硅进行移相或过零触发，实现可控硅调功或调压控制。其中移相触发方式是通过改变可控硅导通角大小，调节负载两端的电压，从而调节负载加热功率，而过零触发方式则是通过改变可控硅在一定周期内的通断时间，调节负载电源通断的占空比，从而调节负载加热功率，通过与相应的控制仪表配合使用实现负载对象输入功率的自动调节，达到精确控制温度的目的9。本系列仪表采用了先进的脉冲信号处理技术及抗干扰处理，控制输出采用小型晶闸管强触发方式，并引进先进的光点耦合技术进行光电隔离，相位采集和脉冲信号传输，并采用光条代替传统的动圈表头指示输出功率，从而使本系列控制器具有以下优点（1）优异的抗干扰性能。（2）采用新颖的小型晶闸管强触发电路，触发电路与电网实行光电隔离，从而保证各种可控硅快速可靠开通，安全可靠。（3）手动、自动控制可任意按键切换，操作直观方便，功率指示灯为光条指示百分比，清晰直观无视差。有010MA,420MA,05V,15V等多种控制触发信号输入方式供选择。（4）晶闸管运行时无噪音，寿命长，功率因数高。（5）体积小，重量轻，操作简单，使用方便，接线容易，无需调试（6）可用于各种单相电路以及三相负载星型接法及三角形接法。242可控硅电压调整器的主要性能指标本设计采用ZK1可控硅电压调整器，其主要技术指标如下（1）输入信号010MA（输入阻抗800）或420MA（输入阻抗250）；（2）输入脉冲幅值不小于3V、宽度不小于50US20负载时；（3）移相触发型最大导通角，不小于150度；（4）工作环境温度050相对湿度不超过85的无腐蚀性气体场合；（5）电源交流220V15,50HZ约3VA；（6）重量约08KG；243双向可控硅交流调压原理双向可控硅交流调压原理一只双向可控硅的工作原理，可等效两只同型号的单向可控硅互相反向并联，然后串联在调压电路中实现其可控硅交流调压的。为50HZ交流电的电压波形。在0时间内，SCR1因控制极无正脉冲信号而正向阻断，而SCR2则反向不导通。在时间内,SCR1控制极受触发脉冲触发而导通。如图28所示UT图28双向可控硅导通原理图将可控硅在正向阳极电压作用下不导通的范围称为控制角，用字母表示，而导通范围称为导通角，用字母表示。显然控制角的大小，可改变正负半周波形切割面积的大小。当越小被切割的波形面积越小，输出交流电压的平均值越大。相反，当角越大，被切割的波形面积越大，输出交流电压的平均值越小。例如在30度加一脉冲，可控硅只能通过余下的150度的电压。加热器俩端的电压受可控硅触发角的控制，通过控制加在可控硅控制极触发脉冲的时刻（的大小）即可实现加热器的功率或温度的调节。当增大时，电阻丝两端电压U降低，加热器功率下降，温度降低，反之，则温度升高。244可控硅电压调整器在加热炉中的应用1ZK1可控硅电压调整器在220V加热炉中的应用ZK1可控硅电压调整器作为单相电压调整器，其工作电压为220V,当工作处于手动或自动状态时，随着输入信号的变化，输出的门控信号的移相范围也跟着变化，从而改变可控硅的导通角，达到不同的输出电压比例，导通角的范围是0100,调整电压范围是0220V这样可以通过控制加热元件的发热功率来控制温度。使用时，需在可控硅的输出端加上反馈，以达到稳定输出的目的。ZK1可控硅电压调整器在电加热炉系统中的硬件框图如下图29所示PLC模拟量输出ZK1电压调整器双向可控硅加热元件控制电源系统电源电压反馈温度反馈图29电加热炉温度控制系统硬件框图2ZK1可控硅电压调整器在380V加热炉中的应用在交流380V电加热炉设备中，电源电压为380V，在设备的调试和使用中发现，即使ZK1可控硅电压调整器的导通角达到100，输出电压始终上不去，限制在220V左右，这与要求输出的380V电压相差甚远。因为ZK1可控硅电压调整器的工作电压为交流220V，电路系统当中，其工作电压和反馈电压都是以220V为标准，输出电压比例为0100。这样，在主回路为交流380V电路系统中，要想达到220V的输出，通过从输出端直接加反馈至ZK1可控硅电压调整器的反馈输入端，显然达不到目的。所以，我们在输出端至反馈输入端之间加一个控制变压器（380V/220V），这样输出电压就可以达到0380V。反馈回路加变压器控制原理图如下图210所示。可控硅电压调整器双向可控硅变压器智能控制器输出信号可控硅触发信号加热元件电压反馈交流380V交流220V图210反馈回路加变压器控制原理图3ZK1可控硅电压调整器接口匹配情况在电加热炉系统中，本系统选用的模拟量输出信号为010V的电压信号，与ZK1可控硅电压调整器的输入信号（要求010MA电流信号）不匹配，解决方法如下（1）使用变流器，将010V的电压信号转换为010MA电流信号。（2）对ZK1可控硅电压调整器的信号输入电路作部分改动，即增大输入电阻值。25本章小结本章主要介绍了本系统的主要硬件的设计，包括S7200的选型、温度传感器的选择、还有可控硅电压调整器的选型，详细介绍了各个器件的硬件特性以及在整个控制系统中的应用。第3章炉温PID控制算法在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。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，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的11。31PID控制器基本概念比例（P）控制比例控制是一种最简单,最常用的控制方式。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（STEADYSTATEERROR）。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（SYSTEMWITHSTEADYSTATEERROR）。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，比例积分PI控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。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，从而避免了被控量的严重超调。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。模拟PID控制系统原理框图如图31所示图31PID模拟控制系统原理框图PID控制器的微分方程和传递函数形式为ERRORNOBOOKMARKNAMEGIVEN/1TU0DTTDTITKPT）（31（32）/1/UTDSIKPS32PID控制算法数字化处理为了能让数字计算机处理这个控制式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值，数字计算机处理的算式如下MNKCENKIEXMINTIALKDENEN1（33）输出比例项积分项微分项其中MN在采样时刻N，PID回路输出的计算值KCPID回路增益EN采样时刻N回路的偏差值EN1回路的偏差值的前一个值EX采样时刻X的回路偏差值KI积分项的比例常数MINTIAL回路输出的初始值KD微分项的比例常数从这个公式可以看出，积分项是从第一个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数，微分项是当前采样和前一次采样的函数，比例项是当前采样的函数，在数字计算机中，不保存所有的误差项，实际上也不必要。由于计算机从第一次采样开始，每有一个偏差采样值必须计算一次输出值，只要保存偏差前值和积分项前值。作为数字计算机解决的重复性的结果，可以得到在任何采样时刻必须计算的方程的一个简化算式。简化算式是MNKCENKIENMXKDENEN1（34）输出比例项积分项微分项其中MN在第N采样时刻，PID回路输出的计算值KCPID回路增益EN采样时刻N回路的偏差值EN1回路的偏差值的前一个值KI积分项的比例常数MX积分项前值KD微分项的比例常数CPU实际上使用以上简化算式的改进形式计算PID输出，这个改进型算式是MNMPNMINMDN35输出比例项积分项微分项其中MN第N采样时刻的计算值MPN第N采样时刻的比例项值MIN第N采样时刻的积分项值MDN第N采样时刻的微分项值比例项MP是增益（KC）和偏差（E）的乘积。其中KC决定输出对偏差的灵敏度，偏差（E）是给定值（SP）与过程变量值（PV）之差，S7200解决的求比例项的算式是MPNKC（SPNPVN）36其中MPN第N采样时刻比例项的值KC增益SPN第N采样时刻的给定值PVN第N采样时刻的过程变量的值积分项值MI与偏差和成正比。S7200解决的求积分的算式是MINKCTS/TISPNPVNMX37其中MIN第N采样时刻积分项的值KC增益TS采样时间间隔TI积分时间SPN第N采样时刻的给定值PVN第N采样时刻的过程变量的值MX第N1采样时刻积分项（积分项前值）积分和（MX）是所有积分项前值之和，在每次计算出MIN后，都要用MIN去更新MX。其中MIN可以被调整或限制，MX的处置通常在第一次计算输出以前被设为MINITIAL（初值）。积分项还包括其他几个常数增益（KC），采样时间（TS）和积分时间（TI）。其中采样时间是重新计算输出的时间间隔，而积分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小。微分项值MD与偏差的变化成正比，S7200使用下列算式来求解微分项MDNKCTD/TSSPNPVNSPN1PVN138为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变，假定给定值不变SPNSPN1，这样可以用过程变量的变化替代偏差的变化，计算算式可改进为MDNKCTD/TSSPNPVNSPNPVN139或MDNKCTD/TSPVN1PVN310其中MDN第N采样时刻的微分项值KC回路增益TS回路采样时间TD微分时间SPN第N采样时刻的给定值SPN1第N1采样时刻的给定值PVN第N采样时刻的过程变量的值PVN1第N1采样时刻的过程变量的值为了下一次计算微分项值，必须保存过程变量，而不是偏差，在第一采样时刻，初始化为PVN1PVN。在许多控制系统中，只需要一两种回路控制类型。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，可以选择需要的回路控制类型。如果不想要积分动作（PID计算中没有“I”），可以吧积分时间（复位）置为无穷大“INF”。即使没有积分作用，积分项还是不为零，因为有初值MX。如果不想要微分回路，可以把微分时间置为零。如果不想要比例回路，但需要积分或积分微分回路，可以把增益设为00，系统会在计算积分项和微分项时，把增益当做10看待。33PID在PLC中的回路指令现在很多PLC已经具备了PID功能，STEP7MICRO/WIN就是其中之一有的是专用模块，有些是指令形式。西门子S7200系列PLC中使用的是PID回路指令。见表31。表31PID回路指令名称PID运算指令格式PID指令表格式PIDTBL，LOOP梯形图使用方法当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB200，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD200到VD232都被占用了。LOOP是回路号，可以是07，不可以重复使用。PID回路在PLC中的地址分配情况如表32所示。表32PID指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程变量（PVN）双字实数必须在0010之间4给定值（SPN）双字实数必须在0010之间8输出值（YN）双字实数必须在0010之间12增益（KC）双字实数比例常数，可正可负16采样时间（TS）双字实数单位为S，必须是正数20积分时间（TI）双字实数单位为MIN，必须是正数24微分时间（TD）双字实数单位为MIN，必须是正数28积分项前值（YX）双字实数必须在0010之间32过程变量前值（PVN1）双字实数最后一次执行PID指令的过程变量值1回路输出数值转换方法本文中，设定的温度是给定值SP，需要控制的变量是炉子的温度。但它不完全是过程变量PV，过程变量PV和PID回路输出有关。在本文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。从EM231模拟量输入模块采集到的过程量都是实际的工程量，其幅度、范围和测量单位都会不同。在PLC内部进行数据运算之前，必须将这些值转换为无量纲的标准化格式0010。其转换程序如下XORDAC0,AC0MOVWAIW0,AC0DTRAC0,AC0/R640000,AC0R05,AC0MOVRAC0,VD200在这段程序中，将实数格式的工程实际值转换为0010间的无量纲相对值，用到下面的公式（311）ESTPANRAWNOUMOFSRR/式中,RNOUM标准化的实数值；RRAW未标准化的实数值SPAN值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000双极性为64000。OFFEST补偿值或偏置，单极性为00，双极性为05本文中采用的是单极性，故转换公式为（312）320/RAWNOUMR2回路输出变量的数值转换方法本设计中，回路的输出值是在0010之间，是一个标准化了的实数格式的数据，在输出变量传送给D/A模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。这一过程是实数值标准化的逆过程。（313）SPANOFMRESTNSCAL假定PID运算的标准化实数格式结果存储在AC0中，则经过下面程序段的转换，存储在模拟量寄存器AQW0中的数据为一个按工程量标定后的16为数字值。程序如下MOVRVD208,AC0R05,AC0R640000,AC0TRUNCAC0,AC0MOVWAC0,AQW034模拟量采集的数字滤波算法PLC除了可以对开关量控制外，还可以进行模拟量的处理。典型的PLC模拟量处理是将工业现场的各种被控对象（如温度、压力、流量、液位等）通过相应的传感器将其变换为一标准的模拟电量（常见的是电压、电流），电压电流等模拟量常常会因为现场的瞬时干扰而产生较大的波动，这种波动经A/D转换后亦反映在PLC的数字量输入端。为了消除工业现场瞬时干扰对模拟量信号的影响，提高模/数转换的准确，就必须在硬件和软件上采取相应的抗干扰措施。在硬件上，抗干扰措施一般是在布线时将信号传输线和动力线分开布线，信号传输线采取屏蔽处理。而在软件中采取的抗干扰措施一般是数字滤波算法，即将模拟量/数字量转换结果进行过滤处理，力争将干扰信号产生的影响降低最低。PLC常用的数字滤波方法是平均值滤，即对采样和模拟量/数字量转换得到的几个数据求平均值，以此平均值最为模拟量/数字量转换的最终结果进行处理。基本的求平均值算法分为三种，分别为算术平均值法，滑动平均值法，去极值平均值法。算术平均值滤波的效果与采样次数有关，采样次数越多效果越好。但这种滤波方法对于强干扰的抑制作用不大。算术平均值法的算法公式为（314）其中N采样次数；XI第I次采样值；X为平均值。算术平均值算法可以通过图32所示的程序流程图来实现。算术平均值法适合对一般的具有随机干扰信号的滤波，特别适用于信号本身的某一数字范围附近作上下波动的情况，如流量液位等信号的测量。数据寄存器清零采样次数清零采样次数足够采样数据送入数据寄存器采样数据求和求平均值否是32算术平均值法滤波去极值平均滤波可有效地消除明显的干扰信号，消除的方法是对多次采样值进行累加后，找出最大值和最小值，然后从累加和中减去最大值和最小值，再对N2个数据进行平均计算。去极值平均滤波算法可以通过图33所示的程序流程图来实现。数据寄存器清零采样次数清零采样数据送入数据寄存器采样次数足够采样数据求和求平均值数据比较减去最大值和最小值否是图33去极值平均值滤波法滑动平均值滤波能够克服算术平均值法的低速率，它采用数据队列作为数据计算平均值的原始数据。数据队列的长度固定为N，每进行一次新的采样，就把最新采样结果放在队列的尾部，将原来队列首位的采样结果扔掉，这样在数据队列中始终保留着最新采样结果。计算平均值时，只要将队列中的N个数据进行算术平均计算，就可以得到最新的算术平均值。这样每进行一次采样，就可以经过计算得到一个新的算术平均值。滑动平均值算法可以通过图34所示的程序流程图实现。初始化变量表采样次数足够移出最早一次采样值移入最新一次采样值求采样和求平均值结束是否图34滑动平均值法滤波需要注意的是，在初始化数据块时一定要将第一次的采样数据填充进所有的采样数据寄存器中，然后进行数据块移位，将最早的采样数据移除，将最近的采样数据填补进来，然后进行求平均值。本设计采用的就是滑动平均值法进行数字滤波。35采样周期的选择采样周期在周期性测量过程变量信号的系统中，相邻两次实测之间的时间间隔。离散控制系统都采用周期性测量方式，采样间隔之间的变量值是不测量的。如采样周期过长，将引起有用信号的严重丢失，使系统品质变差。反之，如采样周期过短，则，两次实测值的变化量太小，亦不相宜。所以采样周期的选择甚为重要。采样周期TS是设计者要精心选择的重要参数，系统的性能与采样周期的选择有密切关系。需要考虑的主要因素分析如下（1）香农采样定理设连续信号X（T）的最高频率分量为FM，以等间隔TS（TS称采样间隔，FS1/TS称为采样频率）对X（T）进行采样，得到XS（T）。如果FS2FM，则XS（T）保留了X（T）的全部信息（从XS（T）可以不失真地恢复出X（T）。（2）闭环系统对给定信号的跟踪，要求采样周期要小。（3）从抑制扰动的要求来说，采样周期应该选择得小些。（4）从执行元件的要求来看，有时要求输入信号要保持一定的宽度。（5）从计算机精度考虑，采样周期不宜过短。（6）从系统成本上考虑，希望采样周期越长越好。综合以上各种因素，选择采样周期，应在满足系统控制的性能要求条件下，尽可能地选择低的采样速率。工业控制中，大量的受控对象都具有低通的性质，下面表33给出了常用被控量的经验采样周期。表33常见被调量的经验采样周期被控量采样周期TS/S流量1压力5液位10温度2036PID参数整定PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间TI和和微分时间TD，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法等。经验法又叫做现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表34所示。表34温度控制器参数经验数据被控变量规律的选择比例度积分时间（分钟）微分时间（分钟）温度滞后较大2060310053实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分“。（1）整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。（2）整定积分环节先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。（3）整定微分环节环节先置微分时间TD0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。西门子S7200的V40版的编程软件STEP7MICRO/WIN提供了PID参数自整定功能。V40版的编程软件STEP7MICRO/WIN增加了PID整定控制面板。这两项功能相结合,使用户能轻松地实现PID的参数自整定,同时可以对最多8个回路进行自整定。自整定能提供一组近似最优的整定参数。西门子S7200的PID参数自整定属于基于规则的自整定,此方法对模型要求较少,借助于控制器输出和过程输出变量的观测值来表征动态特性,具有易执行且鲁棒性较强的特点,这种自整定法能综合采用专家经验进行整定。但这类方法的理论基础较弱,需要丰富的控制知识,其性能的优劣取决于开发者对控制回路参数整定的经验以及对反馈控制理论的理解程度。S7200使用的自整定算法为ASTROM和HAGGLUN提出的继电型PID自整定控制法,它用继电特性的非线性环节代替ZN法ZIEGLERNICHOLS中的纯比例控制器,使系统出现极限环,从而获取所需要的临界值。基于继电反馈的自动整定法避免了ZN法整定时间长、临界稳定等问题,且保留其简单性,目前已成为PID自动整定方法中应用最多的一种。其基本思想是在控制系统中设置两种模态测试模态和调节模态。在测试模态下,由一个继电非线性环节来测试系统的振荡频率和增益,而在调节模态下,由系统的特征参数首先得到PID控制器,然后由此控制器对系统的动态性能进行调节。如果系统的参数发生变化,则需要重新进入测试模态进行测试,测试完毕之后再回到调节模态进行控制。要确定系统的振荡频率C与KC增益,比较常用的是描述函数方法,根