加热炉温度控制系统设计毕业论文

毕业设计论文题目加热炉温度控制系统设计学院专业姓名学号指导老师完成时间2013年05月28日摘要可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术，计算机技术，通讯技术融为一体，具有控制力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点。本文通过对电加热炉温度控制系统国内外情况的分析，确定了设计目标。主要通过对系统的总体方案设计，硬件的选择、设计、使用，软件程序的编写等方面作了论述，并详细介绍了各个模块的原理、设计和使用，对程序中所使用的控制算法进行了详细的介绍。在此设计中以西门子S7200PLC作为控制核心，通过温度检测变送单元对加热炉温度进行实时检测，由模拟量扩展模块EM235将检测信号传输给PLC,经过PID运算输出控制信号，控制信号通过控制调功器改变加热器，以此达到对系统温度的控制作用。关键词电加热炉，S7200PLC，温度控制系统ABSTRACTTHEPROGRAMMABLECONTROLLERISAAUTOMATICCONTROLDEVICEWHICHISWIDELYUSED,ITWILLBETHETRADITIONALRELAYCONTROLTECHNOLOGY,COMPUTERTECHNOLOGY,COMMUNICATIONTECHNOLOGYCOM,HASSTRONGCONTROLABILITY,FLEXIBLEANDCONVENIENTOPERATION,HIGHRELIABILITY,SUITABLEFORLONGTERMCONTINUOUSWORKINGCHARACTERISTICSBASEDONTHEANALYSISOFTHEELECTRICHEATINGFURNACETEMPERATURECONTROLSYSTEMATHOMEANDABROADSITUATION,DETERMINETHEOBJECTIVESOFTHEDESIGNMAINLYTHROUGHTHEDESIGNOFTHEOVERALLSCHEMEOFTHESYSTEM,HARDWARESELECTION,DESIGN,USE,SOFTWAREPROGRAMMINGANDOTHERASPECTS,ANDINTRODUCESTHEPRINCIPLE,DESIGNANDUSEOFEACHMODULE,THECONTROLALGORITHMUSEDINTHEPROGRAMAREDESCRIBEDINDETAILINTHISDESIGNTHESIEMENSS7200PLCASCONTROLCORE,THROUGHTHETEMPERATUREDETECTIONTRANSMISSIONUNITFORREALTIMEDETECTIONOFTHETEMPERATUREOFTHEHEATINGFURNACE,BYANALOGEXPANSIONMODULEEM235WILLDETECTTHESIGNALTRANSMISSIONTOPLC,AFTERPIDOPERATIONANDTHEOUTPUTCONTROLSIGNAL,THECONTROLSIGNALBYCONTROLLINGTHEPOWERREGULATORCHANGINGHEATER,TOCONTROLTHEFUNCTIONOFTHESYSTEMTEMPERATUREKEYWORDSELECTRICHEATINGFURNACE，S7200PLC，TEMPERATURECONTROLSYSTEM目录摘要IABSTRACTII1绪论111系统设计背景112温度控制系统的发展状况113本文的研究内容32设计总体方案及控制算法描述421系统总体方案4211硬件方案设计4212软件方案设计522PID控制算法7221PID算法7222PID参数整定方法83系统硬件设计1031系统的硬件组成10311系统结构组成10312系统各个组成部分完成的任务1032可编程控制器10321PLC的特点11322PLC的选型11323西门子S7200主要功能模块介绍12324S7200PLC中PID回路指令1533系统其他硬件选型及配置18331显示模块18332集成式温度传感器19333调功器20334主电路接线说明224系统软件设计2441编程软件简介2442程序设计24421主程序部分26422标度变换子程序29422显示模块子程序31423PID初始化子程序及中断程序355系统软件仿真4151系统仿真软件4152对系统程序进行仿真42521仿真准备工作42522仿真过程42523仿真结果分析46总结47参考文献48致谢49附录主电路接线图501绪论11系统设计背景温度作为几种重要过程变量之一，对温度的控制在各种过程控制系统中占据重要位置，随着生产力的发展，人们对温度控制精确度要求也越来越来高，温度控制的技术也得到迅速发展。各种控制算法如PID控制算法，模糊控制算法，神经网络算法等都在温度控制系统中得到广泛应用。近年来，加热炉的温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产中重要的被控参数之一，冶金、机械、食品、化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。由于许多实践现场对温度的影响因素是多方面的，使得温度的控制比较复杂，而传统的温度控制器多由继电器组成的，但是继电器的触点使用寿命有限，故障率偏高，稳定性差，无法满足现代的控制要求。而随着计算机技术的发展，嵌入式微型计算机在工业中得到越来越多的应用，将嵌入式系统应用在温度控制系统中，使得温度控制系统变得更小型，更智能。随着国家的“节能减排”政策的提出，嵌入式温度控制系统能够降低能耗，节约成本这一优点使得其拥有更加广阔的市场前景，而PLC就是最具代表性的一员。目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极重要的实际意义。12温度控制系统的发展状况温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史，期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的4位机发展到32位机，其性能进一步得到改善。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高，但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用。相对于IPC，DCS，FSC等系统而言，PLC是具有成本上的优势。因此，PLC占领着很大的市场份额，应用前景广泛。工控机（IPC）即工业用个人计算机。IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电磁辐射。计算机提供了诸如数字滤波，积分分离PID，选择性PID，参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的。在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的监控品质，提高了平均热效率。但如果单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。DCS的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。基本DCS的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率。但DCS在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致DCS成本太高。现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基于总线控制系统（FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点，FCS系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而且它可以对现场装置含变送器、执行器等进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的。但是，FCS还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，目前现场总线的国际标准共有12种之多，这给FSC的广泛应用添加了很大的阻力。各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，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差距。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。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，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，并在各行业广泛应用。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。13本文的研究内容本设计以实验室用加热炉为原型，主要是利用西门子S7200PLC作为可编程控制器，系统采用串级控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手动整定或自整定PID参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为85左右，误差1，并能实现手动启动和停止，运行指示灯实时监控控制系统的运行，并实时显示当前内胆温度值与夹套温度值。具体有以下几方面的内容1绪论对课题研究背景及国内外发展状况进行了阐述，并分别从基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等介绍当前温度控制系统的发展状况。2设计总体方案简单的从硬件部分和软件部分介绍了系统的工作原理，并对PID控制算法及其参数整定方法做了基本介绍。3系统硬件设计介绍了硬件系统设计的组成和连线图，对系统所用到的器件进行了介绍和选型。4系统软件设计对编程的思路和各个编程部分的任务、组成、流程图和梯形图进行了详细介绍，并对编程用软件作了说明。5系统软件仿真。2设计总体方案及控制算法描述21系统总体方案加热炉温控制系统主要由硬件部分和软件部分组成。211硬件方案设计硬件基本构成有PLC主控系统部分、调功器、加热炉、加热器、启动/停止开关按钮、数显表与温度变送器五部分组成。其结构硬件部分组成及其关系如图21所示。模拟量扩展模块PLC调功器U温度变送器夹套温度数显表内胆温度数显表温度变送器内胆温度加热器夹套温度启动停止图21加热炉硬件组成图基本工作原理加热炉是加热对象（本设计采用自来水作为加热对象）的容器，通过集成温度传感器检测炉内水温和夹套温度，并经过温度变送器将信号传送给PLC的模拟量扩展模块，由PLC进行运算和处理后再由模拟量扩展模块产生控制信号传送给调功器，调功器根据不同的控制信号输出不同的电压来控制加热炉内的加热器来进行加热和控制，由于水温升高或降低会影响温度检测元件，从而形成了一个闭环控制回路，达到平衡控制水温的目的。通过启动和停止产生的开关量数字信号来控制系统运行和停止，实现手动控制的功能，两个数显表分别用于实时显示夹套温度和内胆温度。212软件方案设计软件基本结构由主/副控器PID，控制对象温度调功器、检测元件温度变送器等部分组成。其基本工作原理首先计算出两个控制器PID的有关参数，进行PID初始化，把夹套温度变送器和内胆温度变送器传送回来的信号通过模拟量输入模块的A/D转换变为032000的数字量，然后进行变换变为01的过程量形参，给定一个夹套温度给定量SV和夹套温度过程量PV1传送给主控制器PID运算，得到的结果OUT1作为副控制器的给定量SV与内胆温度过程量PV0传送给副控制器PID运算，得到的结果OUT0经过标度变换和模拟量输出模块的D/A转换变为控制信号传送给温度调功器，对炉内加热器进行控制，同时对内胆温度和夹套温度进行检测，形成双闭环回路控制。其组成图如图22所示，流程图如图23所示。图22加热炉软件控制部分组成开始按下启动按钮SB1，参数初始化设定外环主控制器给定值SV主被控制变量夹套温度过程值PV1反馈到给定端与SV比较主控制器按PID1算法运算并输出控制量OUT1较OUT1作为副控制器的给定，与内胆温度反馈值PV0比较较副控制器按PID2算法计算出OUT0，并经过扩展模块输出控制量较内胆温度检测夹套温度检测较U控制加热炉内加热器扩展模块输出控制信号传送给调功器，用来控制调功器的控制电压U较按下停止按钮模拟量入口AIW2模拟量入口AIW0停止YN图23系统流程框图22PID控制算法模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。比例控制P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。其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。在积分控制I中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。在微分控制D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,微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势,避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又互相制约，但只要合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量。221PID算法PID控制环节被控对象反馈环节RTUTCT_ET图24带PID控制器的闭环控制系统如图24所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差E和输入量R、输出量C的关系式21CTRET控制器的输出为式22TDIPTETTETTEKTU01上式中,PID回路的输出；比例系数；积分系数；TKPI微分系数PID调节器的传输函数为DT式23STSEUDDIP1数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算输出值。其离散化的规律如表21所示。表21模拟与离散形式模拟形式离散化形式TCRTENCRNEDTT1TE0NINIEE00所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为式24001UNUNUNETIEEKDIPNID式24中，称为比例项；称为积分EPPNIPIETKU0项；称为微分项。1NETKNUDPD上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的NI1累积值，计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。222PID参数整定方法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、临界比例度法和反应曲线法。经验法又叫现场凑试法，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22所示。表22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2060204003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。3系统硬件设计31系统的硬件组成311系统结构组成温度控制系统的结构包括一台可编程控制器、一台调功器、两个温度检测回路、一个加热器、一个模拟量输入输出扩展模块、两个数显表、两个启动/停止按钮，一个系统运行指示灯。312系统各个组成部分完成的任务1）运行指示灯和启动按钮/停止按钮实现运行监控和启动和停止系统的控制按下启动按钮，系统开始运行，运行指示灯点亮；按下停止按钮，系统停止运行系统指示灯熄灭。2）数显表根据PLC的输出实时显示内胆温度和夹套温度的实际温度值，便于控制和观察。3）温度变送器用来检测夹套和内胆温度，将温度值转换为PLC可以读取的电压模拟量信号，同时传送给PLC模拟量输入模块。4）调功器和加热器是PLC的控制对象，根据PLC模拟量输出模块输出的控制信号，来控制调功器的输出功率电压，对加热器进行控制，来加热炉内温度。5）可编程控制器和模拟量输入/输出扩展模块可编程控制器对采集来的温度信号进行标度变换处理后得到实际的温度值，将数据传送给两个数显表对内胆温度和夹套温度分别显示；另一方面，根据采集到得温度值，和给定的温度值进行计算处理，采用PID控制算法处理后通过模拟量输入输出扩展模块对调功器进行控制来实现对加热器的控制。32可编程控制器可编程控制器PROGRAMMABLECONTROLLER是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PLC。321PLC的特点1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。2配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中，加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100MM，重量小于150G，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。322PLC的选型全球PLC有二百多种，国内常用PLC也就二三十种，常用的有德国西门子，法国施耐德，美国AB，ABB，日本欧母龙，三菱，松下，韩国三星，国产和利时，科创思等。西门子PLC相对于其他的PLC价钱比较高，但是性能相对强大，可操作性强，有相配套的伺服系统和组态软件。西门子PLC的种类分为S7200PLC，S7300PLC，S7400PLC等，S7300PLC，S7400PLC与S7200PLC相比功能更为强大，为S7200的升级产品，但由于本系统所需功能和技术要求S7200完全能够解决，所以从经济方面考虑选用西门子S7200PLC系列产品。S7200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。S7200系列可以根据对象不同，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。323西门子S7200主要功能模块介绍1）CPU模块S7200的CPU模块包括一个中央处理单元，电源及数字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模块功能来看，CUP模块为CUP22，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/O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。CUP222它有8输入/6输出，I/O共计14点，和221相比，它可以进行一定的模拟量控制和2个模拟量扩展，因此是应用更广泛的全功能控制器。CUP224它有14输入/10输出，I/O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。CUP226它有24输入/16输出，I/O共计40点，和CUP224相比，增加了通信口数量，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。CUP226XM它在用户程序存储量和数据存储量上进行了扩展，其他指标和CUP226相同。在本设计中由数字量2输入/4输出，需要一个模拟量扩展，而CUP226有24输入/16输出，和7个模拟量扩展模块，可满足设计所需故本设计选用CPU226DC/DC/DC。CPU用DC24V,输入DC24V,输出DC24V，其功率为11W。2）模拟量扩展模块温度传感器检测到温度转换成0100MV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中进行处理，得到的控制信号也要通过模拟量输出模块把数字信号转成15V的电压信号对调功器进行控制。S7200PLC的模拟量模块有EM231，EM232和EM235三种类型的模拟量扩展模块。EM231有4路模拟量输入，EM232有2路模拟量输出，EM235有4路模拟量输入和1路模拟量输出。本设计中需要检测两个温度信号，和输出一个电压控制信号，所以需要2路模拟量输入/1路模拟量输出，所以我们选择EM235模拟量输入/输出模块，其功耗为2W。其输入/输出特性如表31所示。表31EM235输入/输出特性模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压单极性电压双极性电流010V，05V，10V，5V，25V，020MA数据字格式双极性，全量程范围3200032000单极性，全量程范围03200032000320000032000模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出电流输出10V020MA数据字格式电压电流3200032000032000EM235输入数据字格式如图31所示。模拟量到数字量转换器ADC的12位读数，其数据格式是左端对齐的，最高有效位是符号位，0表示是正值数字量，对单极性格式，3个连续的0使得ADC计数数值每变化1个单位则数据字的变化是以8为单位变化的；对双极性格式，4个连续的0使得ADC计数数值每变化1个单位，则数据字的变化是以16为单位变化的。图31CPU中模拟量输入字中12位数据值的存放位置格式EM235输出数据字格式如图32所示。图32CPU中模拟量输出字中12位数据值的存放位置格式数字量到模拟量转换器（DAC）的分辨率为12位，其输出数据格式是左端对齐的，最高有效位是符号位，0表示是正值数字量，数据在装载到DAC寄存器之前，4个连续的0是被截断的，这些位不影响输出信号值。EM235配置表32所示为如何用DIP开关设置EM235模块，开关1到6可选择模拟量输入范围和分辨率，所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。本设计中温度检测模块输入信号为0100MV的电压信号，为单极性，所以DIP开关设置为SW1OFF；SW2ON；SW3OFF；SW4ON；SW5OFF；SW6ON。得到其满量程输入为0100MV。表32DIP开关设置单极性SW1SW2SW3SW4SW5SW6满量程输入分辨率ONOFFOFFONOFFON0到50MV125VOFFONOFFONOFFON0到100MV25VONOFFOFFOFFONON0到500MV125UAOFFONOFFOFFONON0到1V250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V125MVONOFFOFFOFFOFFON0到20MA5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V25MVDIP开关实物如图33所示。图33DIP设定实物图输出设置本设计中输出为15V的电压信号，而EM235可以输出10V10V的电压信号和020MA的电流信号，所以我们选择电压信号的输出接线方法，其电压满量程输出数据为3200032000，满量程输出电压为10V10V，而本设计所需要的输出为15V的控制电压信号，所以将其数据输出范围定在320016000。324S7200PLC中PID回路指令现在很多PLC已经具备了PID功能，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33。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VB100，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD100到VD132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34所示。表33PID回路指令名称PID运算指令格式PID指令表格式PIDTBL，LOOP梯形图表34PID指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程变量（PVN）实数必须在0010之间4给定值（SPN）实数必须在0010之间8输出值（MN）实数必须在0010之间12增益（KC）实数比例常数，可正可负16采样时间（TS）实数单位为S，必须是正数20积分时间（TI）实数单位为MIN，必须是正数24微分时间（TD）实数单位为MIN，必须是正数28积分项前值（MX）实数必须在0010之间32过程变量前值（PVN1）实数必须在0010之间1）回路输入输出变量的数值转换方法本设计中回路的输入为两个温度模拟量输入，夹套和内胆温度经过温度检测模块，传送给EM235经过A/D转换后得到的是16位整数，而设计中所需要的过程变量为实数，所以我们需要将整数转换为实数，这里就要用到I_DI，DI_R指令，就如在标度变换中的转换一样，得到实际的温度值。输出为15V的电压信号，所以我们输入到EM235的数值也为16位整数类型，而经过PID回路运算后得到的数据为32位实数，这里就要用到ROUND,DI_I指令，就如在副控制器中断程序一样，得到的数据从模拟量输出端口输出。2实数的标准化处理因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值0010之间，所以，在执行PID指令之前，必须把PV和SP的值作标准化处理，使它们的值都在0010之间。标准化的公式为式SETPANRAWNOUMOFSRR/（31）式中,标准化的实数值；未标准化的实数值；NOUMRRAWR补偿值或偏置，单极性为00，双极性为05；值域大小，SETOFPANS为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000，双极性为64000。本文中采用的是单极性，故转换公式为式320/RAWNOUMR（32）因为温度经过检测和标度变换后，得到的值是实际温度值，所以为了SP值和PV值在同一个数量值0010对应0100，输入SP值的时候应该是填写一个是实际温度1/100的数，即想要设定目标控制温度为85时，需要输入一个085。3）回路输出变量的数据转换本设计中，利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。回路的输出值是在0010之间，是一个标准化了的实数，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逆过程。其公式如下式SPANOFMRSETNSCAL（33）式中,回路输出的刻度实数值；回路输出的标准化实SCALRNM数值；补偿值或偏置，单极性为00，双极性为05；值域SETOFPANS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。S7200不提供直接将实数一步转化成整数的指令，必须先将实数转化成双整数，再将双整数转化成整数,程序如下ROUNDAC1,AC1DTIAC1,VW3433系统其他硬件选型及配置331显示模块HLP2型两线PLC专用数显表可以通过两个PLC输出端口接收所有PLC发出的数据。PLC程序中任意指定的数据,如数量、时间、温度、压力等通过计数器、计时器、数据寄存器等数据送入指定的显示缓冲区内，经子程序通过两个输出端口送出编码至PLC外部的数显表上。由于显示模块只需显示2位数字，所以选用HLP2系列型号为HLP2B39的数显表，外形为8043小外壳，显示精度为1。HLP2B39型号数显表有两个输入端口，一个时钟输入端口SCK，一个数据输入端口SDA，可以显示4位LED数码。工作电源为24VDC，所以可以并联PLC的工作电源。HLP2型PLC数显表的显示数据与PLC数据的对应关系如下表33。设计中要用到两个数显表，一个主表一个从表，主表SDA连接PLC数字量输出端口Q03，用于实时显示夹套实际温度值，从表SDA连接PLC数字量输出端口Q02，用于实时显示内胆实际温度值，主表和从表的SCK端口接PLC输出端口Q04，用于接收时钟信号。表35HLP2数据对应表HLP239型数显表送入PLC显示寄存器内容备注00112233445566778899显示相应数字EA可根据需要做相应设计BRC全黑DEFF332集成式温度传感器集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的BE结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测式IQKIBELN（34）式中K波尔兹常数；Q电子电荷绝对值。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0V，温度25时输出2982V。电流输出型的灵敏度一般为1MA/K。在本设计中采用集成式温度传感器AD590。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，它的主要特性如下1）流过器件的电流（MA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即IR/T1MA/K式中IR流过器件（AD590）的电流，单位为MA；T热力学温度，单位为K。2）AD590的测温范围为55150。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1MA，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）输出电阻大于10M。5）精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在55150范围内，非线性误差为03。摄氏温度测量电路如图34所示。如图34所示，AD581为10V基准电压源，电位器RW1用于调整零点，RW2用于调整运放LF355的增益。调整方法如下在0时调整R2，使输出VO0，然后在100时调整R4使VO100MV。如此反复调整多次，直至0时，VO0MV，100时VO100MV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25，那么VO应为25MV。冰水混合物是0环境，沸水为100环境。由于我们测量的温度在0100之间，所以输出电压在0MV100MV之间。图34用于测量摄氏温度的电路其实物如图35所示。图35AD590集成温度传感器333调功器调功器又称电力控制器，本设计采用SCR电力控制器。SCR电力控制器，目前在工业中已被广泛应用于各种电力设备中，诸如窑炉、热处理炉、电气高温炉、高周波机械、电镀设备、印染设备、涂装设备等等，然而因为负载的不同，使用环境的限制，而又有各种不同的控制模式及各种追加配备，如相位控制，分配式零位控制,时间比例零位控制。原理介绍SCR电力控制器的基本原理是通过控制信号输入，去控制串在主回路中的SCR（晶闸管）模块，改变主回路中电压的导通与关断，由此达到调节电压或功率的目的。控制器一般是由控制板加上主机（主回路）组成。SCR电力控制器又可分为调压器和调功器。采用相位控制模式的SCR电力控制器可叫做调压器，它可以方便地调节电压有效值，可用于电炉温度控制，灯光调节，异步电动机降压软启动和调压调速等，也可用做调节变压器一次侧电压，代替效率低下的调压变压器。采用零位控制模式的SCR电力调节器可叫做调功器，也叫周波控制器。它对交流电压的周波进行控制，通过控制负载电压的周波通断比来控制负载的功率，多用于大惯性的加热器负载。采用这种控制，即实现了温度控制，又消除了相位控制时带来的高次谐波污染电网，不过控制精度有所降低。控制模式优劣比较如表36所示。P系列SCR电力控制器功能简介目前P系列SCR电力控制器分为三相和单相两类。产品完全采用SCRPOWERMODULE密封的IC化电路板，抗干扰能力强，可用于变压器负载和高频装置前级调压器，具有电流回馈适用于负阻性负载如硅钼棒，白金加热器。过流保护采用高速电子开关，过流时自动切断触发装置达到保护SCR模块的作用。本设计采用P系列单相电力控制器，其控制输入信号为15V电压信号。表36控制模式优劣比较控制模式优点缺点相位控制1控制精度高2任何负载皆可控制3可做各种控制变化1控制不当易造成电磁干扰须加装各种防制措施2费用较高时间比例零位控制1无电磁干扰2构造较简单3费用较低1只能控制纯阻性负载2负载较易受冲击3控制精度低分配式零位控制1无电磁干扰2构造较简单3费用较低4控制效果比时间比例零为控制优异3只能控制纯阻性负载4负载较易受冲击5控制精度较低型号识别如图36。PABEFCD图36型号识别A电源种类1单相13三相3B控制模式P相位控制D分配式零位控制C电源电压110V220V380V440VD电流种类40A1200A按客户具体电流要求定制E保护方式0无1快速熔断保险管（选配）2高速电子开关保护F回馈控制0无1定电流2定电压根据设计要求，我们对型号进行选择首先拟采用发热丝为镍铬合金（恒阻性负载），功率为21KVA，额定电压为220V单相电源。控制器的电流计算公式为单相电流负载KVA1000/线电压，计算出单相电流为95A左右，则取100A。电源种类选择单相；控制模式选择相位控制；电源电压选择220V；电流种类选择100A；保护方式选择高速电子开关保护；回馈控制选择无。那么选用的控制器型号为P1P220V100A20。控制接线图如图37所示。123456798DC15V101112图37DC15V输入自动控制接线图PLC通过模拟量输出模块输出15V的电压信号作为SCR的控制信号。从PLC模拟量模块出来的15V的控制信号输入到SCR后，SCR电力控制器就根据此信号改变炉内发热丝的电压，从而改变发热丝的输出功率，维持炉内温度。此种接法属于自动控制接法，还有手动控制，手动调节等接法，在本设计中就不做详述。各端子接线说明端子1、2、3为手动控制输入，电位器两端接在2、3端，抽头接在端子1，端3、4为420MA自动控制输入端，4端接信号负端，同时也接到端子1，不然就不能触发，3端接信号正极。本产品现在不需要用户外接互感器，在控制器内部主电路中各相已经装有互感器，故此2端子不用接线。端子11、12为控制板电源输入端。334主电路接线说明数显表接线由于系统用到两个数显表，所以采用多表接线的方法。两表型号相同，并且采用为24VDC的电源，所以两表的电源和S7200PLC的电源并联。两表的时钟信号可以采用同一个时钟信号，用Q04产生。数据输入端口分别有Q02和Q03输出。温度传变送器接线由于温度变送器产生的信号位0100MV的电压信号，接入EM235的模拟量输入模块AIW0和AIW2，接线采用电压输入接线方式。调功器输出接线由于调功器的输入控制信号位15VDC，所以接入EM235的模拟量输出端口AQW0，接线采用电压输出方式。PLC的数字量输出I/0端口Q00接运行指示灯，Q02和Q03分别接内胆和夹套温度数显表数据输入端口，Q04接两个数显表的时钟输入端口。PLC的数字量输入端口I00为系统启动按钮，I01为系统停止按钮。PLC模拟量扩展模块EM235的模拟量输入端口AIW2接内胆温度变送器信号，AIW0接夹套温度变送器信号，AQW0接调功器信号输入端口。主电路接线图如附录所示。4系统软件设计41编程软件简介STEP7MWIN32编程软件是基于WINDOWS的应用软件，是西门子公司专门为SIMTICS7200系列PLC设计开发的。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机功能。用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状态，该软件是SIMATICS7200拥护不可缺少的开发工具。在此次设计中采用SETP7MWIN32V40编程软件，在安装完成后，对软件进行汉化处理，汉化后软件编程界面如图41所示。图41编程界面42程序设计PLC采用的是的S7200，CPU是226系列，采用了2个按钮和1个系统运行灯来控制和显示系统运行的状态，两个数显表来显示夹套温度和内胆的实时温度。温度传感器负责检测加热炉中夹套和内胆的温度，把温度信号转化成0100MV的电压信号，经过PLC模数转换后进行标度变换，变成实际的温度值，然进行PID双闭环串级控制运算，根据PID输出值来控制调功器的输出电功率来控制炉内加热器，实现对炉温控制调节的目的。软件设计大致分为四个部分1）主程序部分，用来实现系统的启动与停止的手动控制和系统运行的指示，并实现对其他子程序的有效调用。2）标度变换部分，用来实现将模数转换后的数字量转换成实际的温度值。3）显示部分，用来实时显示夹套和内胆温度的实际值。4）PID运算调节部分，这一部分为系统的运行调节部分，实现实时控制温度的目的。分配地址如表41所示。表41地址分配表主程序地址分配I00启动按钮SB1I01停止按钮SB2Q00系统运行指示灯M00系统运行控制寄存器M01显示子程序定时器辅助寄存器AIW0夹套温度模拟量输入值16位字（W）AIW2内胆温度模拟量输入值16位字（W）VD300夹套温度实际参数32位实数（R）VD304内胆温度实际参数32位实数（R）VD104主控制器给定量SPN32位实数（RVD112主控制器增益KC32位实数（RVD116主控制器采样时间TS（S）32位实数（RVD120主控制器积分时间（MIN32位实数（RVD124主控制器微分时间S32位实数（RSMB34主控制器中断定时器（MS）16位字（W）VD204副控制器给定量SPN32位实数（RVD212副控制器增益KC32位实数（RVD216副控制器采样时间TS（S）32位实数（RVD220副控制器积分时间（MIN32位实数（RVD224副控制器微分时间（S）32位实数（RSMB35副控制器中断定时器（MS）16位字（W）VD300夹套温度实际参数32位实数（R）VD100主控制器的过程变量PV32位实数（R）VB100主控制器PID的起始地址16位字（W）VD108主控制器的输入值32位实数（R）VD306输出值寄存地址33位实数（R）VD304内胆温度实际参数32位实数（R）VD200副控制器的过程变量PV32位实数（R）VB200副控制器PID的起始地址16位字（W）VD208副控制器PID的输出值32位实数（R）AQW0EM235模拟量输出值16位字（W）VW2034将BL3（夹套温度）转为BCD码16位字（W）VW2014将BL4（内胆温度）转为BCD码16位字（W）VW2042夹套温度待显数寄存地址16位字（W）VW2022内胆温度待显数寄存地址16位字（W）VD2044控制字32位双字（DW）V20410夹套温度显示输入数据位位（B）V20210内胆温度显示输入数据位位（B）V20450控制位位（B）Q03夹套温度输出SDAQ02内胆温度输出SDAQ04两个数显表输出时钟SCK421主程序部分主程序主要完成系统的启动与停止的手动控制和系统运行的指示，并实现对其他子程序的有效调用的任务。在主程序中没有用到局部变量。主程序流程图如图42所示。主程序梯形图如图43所示。开始按下启动按钮I00夹套和内胆温度检测及标度变换夹套和内胆温度的显示控制器进行PID运算，输出控制信号运行指示灯点亮Q00按下停止按钮I01停止NY图42主程序流程图图43主程序梯形图422标度变换子程序标度变换子程序的主要任务由于温度传感器将温度信号转换为0100MV的电压信号，并传送给模拟量输入扩展模块，而输入扩展模块将模拟量0100MV的电压信号转换为032000的数字量信号传送给CPU，所以标度变换子程序的主要任务是将032000的参数转换为0100的实际温度参数，以便于后面计算和显示。模拟量扩展模块传送给CPU的数字量032000所代表的是实际温度的0100，如果用P表示传送的数字量信号，N表示实际的温度值那么其关系如图44所示。图44检测值与实际值的线性关系用公式表示，可以表示为N/P1000/320000，即NP/320，得知这个公式则可进行程序编辑。局部变量在程序中的定义如下图45所示。图45标度变换子程序中局部变量定义标度变换子程序流程图如图46所示。开始输入模拟量检测值到BL1将BL1的值转换为双整数类型存入BL2将BL2转换为实数类型存入BL3将BL3的