基于PLC的蓄热式加热炉自动控制系统

第1章绪论1.1系统设计背景由于现代工业的逐步发展，在现代工业生产中，高温、压强、热流量以及自动控制等是四种最常用的过程变量。而在这里，高温又是一种十分关键的过程变量。比如：在冶金工业、化工、电力工业、机械加工和药品生产等诸多行业中，都要求对所有的基本要求、各式各样的蓄热式恒温炉、热处理炉、各种锅炉内外部的炉子温度进行检查和监控。而在这些方面的采取措施主要是采用由PLC实现的PID控制系统，所以PLC在这方面已经被认为是公认的最优选择。一般情况下，通过采用PLC对它们进行操作可以提高被测物体温度并使控制系统整定得到优化。蓄热式处理炉、化学反应炉等等，对原件的生产与加工需求都必须对温度控制做出严格要求，所以，在工业生产等化学反应过程以及家庭日常中都需要对温度的变化进行调节和检查，由于在实际控制中对于温度的控制方法是多种多样的，而一般的温度控制器都是由继电器构成的，但是由于继电器的触点数量和应用时间非常有限，失效率也偏大，所以安全性较差，并不能完全适应于现代的生产管理需求。同时伴随着计算机科学技术的迅猛发展，台式微型计算机也在工业上实现了越来越多的功能。将嵌入式技术应用到温度控制器上，使得温度控制器可以更小型化，更精准。因为中国“绿色发展”策略的制定，所以使用开放式的温度传感器可以减少能耗的浪费。如今，智能温度控制器已经应用在了家庭生活、工业生产等各个领域中，并也应用在了家电、车辆、建筑、电力电子等诸多领域，成为促进国民经济的主要热工装置之一。1.2温度控制系统的发展状况温度控制器也作为向自然界供电、采暖等的重要装置的驱动来源，它的产生至今已有200余年的历史了。在这个时间周期，从低级发展到高级，从简单到复杂，伴随着工业生产力的提高以及对高温控制精度需求的日益增长，高温系统的控制技术也得以快速开发。单片机的发展历程虽然并不长，但是它凭借着体积较小，价格较低等优秀特点在工业生产中占领了一席之地。它早已由开始的4位机逐渐扩展到了32位机，并且其稳定性也逐步获得了提高。PLC稳定性非常好、抗干扰能力强、编程简便，很容易被人们所熟知和应用，故目前已在工业生产应用中得到了广泛应用。相比于IPC，DCS，FSC等传统技术来说，PLC更加具备了技术方面的优越性。也因此，PLC技术一直占领着较大的市场占有率，其未来的发展也非常具有前景。组态电脑（IPC）即工业用电脑。由于IPC的稳定性较高、应用丰富、价格低廉，所以使用十分普遍。它可以应对各种工程的严酷条件，耐震动、抗高温、耐灰尘，以及抗电磁辐射。在十九世纪至二十世纪初期，工业上的炉温控制来源主要是人工控制和使用传统温度仪器进行操控，但是很难取得令人满意的成绩，主要问题在于工业锅炉的燃料燃烧是一个诸多变量改变的繁杂控制过程。控制燃烧的变量系统身份复杂，较好的数学模型也无法确定，以典型的PID为依据的传统仪器控制，也很难达达到最佳水平。而现代电子计算机已经创造出了诸如数字滤波，积分的PID。参数自动调节的一种灵活性方法，还有“模糊判断”作用，是一般仪表和人员难以实现或不能做到的。在工业锅炉的监测系统中应用组态计算机系统能提高对锅炉水温的监测性能，增加平均热效率。但若单独使用组态电子计算机进行控制，则存在容易干扰和准确性低的弊端。集散式温度控制器（DCS）是一个工作上离散，控制上集中的新型控制器。和传统仪器系统一样有着大量的控制、调整温度的能力和特性。而基本DCS的基础功能就是网络通信系统。他的基本目标就是在系统各单元间创造通讯系统。所以通过基本DCS的温度器可以提高系统的智能化程度和管理水平，也可以降低作业人员的劳动强度，还可以大大提高整个系统的工作效率。但是整个DCS系统生产成本也相对较高。实线总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机等许多不同方式的调控。其特征是信息化、分散式的。FCS控制器的数据即时化，能够直接完成传感、测量、报警等的操作。这些都是其他控制器无法实现的。这使得FSC在不同场所中的应用增添加了很大的难度。不同的技术也有自身的特点，客户可以按照具体需求进行系统配置，当然，在具体应用上，想要实现良好的控制系统，需要通过多种技术的融合，实现互补长短。1.3本文的研究内容本文把西门子PLCS7-200作为可编程化控制器来实现控制功能，系统的串接技术采用的是串级继电器连接技术，为主、副控制器都选用了PID控制算法，通过自整定或手动控制PID参数，实时显示当前温度值，调整加热装置，将所有装置的工作温度都控制在80℃上下，本次实验温度的阈值范围设定为75℃到85℃。同时能够完成手动启动和停止，通过观察指示灯的亮灭情况来观察系统运行状态，可实时显示当前内胆温度变化及夹套的温度值的变化情况。辅助系统中，水系统流量通过水泵变频控制，使水系统流量恒定在控制范围以内；加热炉内液位通过加水阀和出水阀控制，使液位保持在控制液位。液位处于加热炉总容积的20%~80%时设定为正常水平。本设计包括以下几个部分内容的介绍：第一篇导论，介绍了国内外温度研究的发展历史和趋势，阐述了目前温度控制系统的发展现状。第二篇，首先简要的从硬件系统部分和软件系统部分阐述了系统的基本设计思想，并且简要介绍了PID算法在本系统中的实际使用情况，并对有关技术参数进行了介绍。第三篇，系统硬件设计：介绍了硬件系统设计的基本结构和接线图，详细阐述了本设计中所使用的的几种传感器的特点以及它们的选型，介绍了霍尔效应的概念和应用。第四篇，系统软件程序的编程：对系统编程的基本思路以及各个程序方面的目标、结构、流程图和梯形图做了详尽说明，同时对程序设计环境的配置做出了解释。第五篇，总结。

第2章实验操作方案及PID算法描述2.1系统总体方案加热炉的温度控制设备是由软件操纵系统和硬件实物系统这两部分构成的。2.1.1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REF_Ref20461\r\h[17]。其结构硬件部分组成及其关系如图2.1所示。图2.1加热炉硬件部分组成图实验的基本工作原理：加热炉作为加热对象（本设计采用自来水作为加热对象）的容器，首先温度变送器检测炉内水温和夹套的温度，通过产生一个0~10V的电压信号，传送给S7-200PLC的模拟量扩展模块EM235，由PLC主控系统部分进行运算和处理后再由模拟量扩展模块EM235产生一个0~5V的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对水温进行加热和控制REF_Ref29886\r\h[6]，由此水温升高或降低就会影响温度检测元件，从而产生了一个闭环回路控制，因此达到了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与停止，实现手动控制的功能。两个数显表分别用于显示夹套温度和内胆温度，其分辨率为1℃。2.1.2软件方案设计主控制器和副控制器通过PID算法调节，整个调节系统由测量对象的调功器、测量元件的变送器等部分构成。其主要工作原理为：首先计算出两个控制器中PID的相关参数，然后设定初始PID，把夹套温度变送器和内胆温度变送器传送回来0~10V的电压信号通过模拟量输入模块EM235的A/D转换变为0~32000的数字量，然后进行变换变为0~1的过程量形参，然后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EM235的A/D转换变为0~5V的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2-2所示，流程图如图2-3所示。图2.2加热炉软件控制部分组成图图2.3系统流程框图2.2PID控制算法模拟数闭环控制比较好的工具之一就是PID控制器，PID在工程方面的使用已达60余年，现在仍然普遍的使用。我们在研究的过程中已经累积了很多的知识，因此PID的实际应用也达到了相当高的水准。比例控制法(P)是一个比较基本的控制系统方法。其优秀特性是能够快速做出反应，检测也较准确，但却无法减少余差。在积分控制原理(I)中，传感器的输出功率和对系统误差信号的微分值呈正比例关系，并能够减少余差。但是它的缺点是无法较快地对偏差范围作出合理的限制。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REF_Ref1138\r\h[5]。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。微分控制的不足之处是不能够消除余差。2.2.1PID算法图2.4带PID控制器的闭控制系统框图如图2-4所示，PID控制器可以矫正回路的输出值，可以有效地调整系统的性能，使系统达到稳定状态。它不仅可以提高系统的响应速度，而且还可以提高系统的稳定性。当控制过程中参数发生变化时，偏差e与输入量r和输出量c之间存在着一定的相关性:(2-1)控制器的输出为：(2-2)上式中，——PID回路的输出数值；——比例增益，也是调试参数；P；——积分系数I；——微分系数D；而PID调节器的输出参数如下：(2-3)其离散化的原理如表2.1所示。表2.1模拟与离散形式模拟形式离散化形式所以PID输出数值经过离散化后，它的输出方程为；(2-4)式2-4中，称为比例项；称为积分项；称为微分项；2.2.2PID在PLC中的回路指令目前，许多可编程逻辑控制器已经实现了PID控制功能，其中STEP7Micro/WIN是其中之一，它可以作为专用模块或指令形式的一部分。用最小二乘法对每个采样周期进行拟合后，再按一定规则求出对应于该采样周期的每一个误差项和相应的累计值，然后将这些数据代入公式得到下一采样周期的误差估计。在西门子S7-200系列PLC中，PID回路的操作指令可在表2-2中找到。表2.2PID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：PID算法通过在一个由V变量作为起点的回路表（TBL）和回路号（LOOP）构成的数据库来实现对系统的监控。该算法可根据回路表的输入和结构特征，对系统的基本参数和状态加以调节，从而得到预想的监控结果。这条命令包含2个数据接口：TBL（VB），它代表了一个字符串的数据集；LOOP（0~7）（一个参数），它代表了一个循环的结束。一个程序至少能够使用8条PID命令。PID控制环路的地址分配关系在PLC中的地址分配情况如表2.3所示。表2.3PID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0.0~1.0之间4给定值（SPn）实数必须在0.0~1.0之间8输出值（Mn）实数必须在0.0~1.0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采样时间（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0.0~1.0之间32过程变量前值（PVn-1）实数必须在0.0~1.0之间（1）回路中输入数值和输出变量的演变方法在设计中切换电源的接口有二个的温度模拟量信号，夹套的内胆温度通过温度测量系统，被传输到EM235进行A/D变换后得出的结论为温度值是整数，而在工程设计中所要求的过程变量是实数，于是我们就必须把温度任意整数的变换成真实数值，这其中需要使用I_DI，DI_R指令，就像在温度标度变换中的转换过程那样，才获得了真实的温度数值。在DI_I指令时，也如在副控制器中断过程时那样，将得出的信息通过模拟量的端口输出。（2）实数的归一化处理它们的相对位置都在0.0~1.0之间。关于归一性的方程如下：（2-5）在这个公式里,——经过标准化的实数值；——还没有经过标准化的实数值；——最大补偿数值的偏差。例如，单极性设定在0.0，而双极性设定为0.5；——表示值的范围。本文中采用的都是单极性，故转换方法如下：（2-6）3）回路输出变量的数据转换通过对D/A的模拟量进行校正，我们可以将原始的0.0~1.0的输入信号调节为一个更加精确的0.0，以便将其转换为更加精确的1.0，从而使得D/A的模拟量能够更加精确地反映原始的0.0。实数值的标准化是一个重要的步骤。（2-7）本次实验PID中三个最基本的参数：Kp比例增益、Kd微分增益、Ki积分增益。（1）Kp比例增益：Kp尺度控制考虑了当前误差，误差值乘以一个正常数Kp，它代表了尺度。我们可以通过一个例子来进行说明，比如水温的控制，我们把当前值和设定值做一个对比。如果当前值与设定值差距不是很大，我们就让加热器慢慢的加热。如果有一些因素或外界环境的影响，使温度下降了，这时，我们通过给加热器施加一个“小推力”，来增加加热器的功率，对加热炉进行加热。如果当前温度远低于设定温度时，我们可以让加热器快速启动并且进行加热，增加加热器的功率，以尽快将水温提升至设定温度值。在编写PID的Kp比例增益程序时，我们让偏差(目标值与实际测量值的差额)与调节装置的偏差频率，建立一个函数关系，以此来实现最基本的“比例”控制。一般来说，Kp越高，调整频率就越激进，而Kp越低，调整频率就越平缓。（2）Kd积分增益：Kd微分控制首先要考虑未来误差，通过计算误差的一阶导数，并将其与正常数Kd相乘。有了P的效果，我们发现一个问题，若是单单只有P的控制效果，无法使加热炉正常工作，控制水温也不能稳定在一个我们设定的范围值，整个系统在控制过程中显得并不是特别稳定。所以在这种情况下，就需要一个控制作用，使被控制量的“变化率”接近于0，这就好比阻尼运动。这是因为P在接近目标时控制效果就会变得不那么明显了。越接近目标，p的作用越温和，许多内部或外部因素就会使控制量在小范围内摆动。Kd参数越大，温度的升温或降温趋势越明显。在加热炉控制中，加上P、D两种控制效果，如果参数调整得当，就可以达到使加热炉正常运行的目的。（3）Ki积分增益:Ki积分控制通过将误差值的和(即误差和)乘以一个正常数Ki来考虑过去的误差。还是以加热炉为例。我们把加热炉和加热装置放置在一个温度处于零下的冰屋内，然后开始烧水，我们的目标是把加热炉里面的水加热到80℃。在P的作用下，水温缓慢上升，直至75℃。这时我们发现一个很棘手的问题：由于室内温度太低了，向外扩散热量的速度几乎与P控制的加热速度持平了。这时候，P就会想:我离目标很近了，我只需缓缓的加热，就能够达到预期效果。但是此时D是这样想的:吸收热量和放出热量是相等的，温度不再波动了，我应该不需要调整任何东西，这已经达到平衡，符合预期标准。因此，水温永远保持在了75℃，永远不会达到80℃了。在这种情况下，需要设置一个产品组件，通过测量偏差值，不断地整合(累积)并反映在调整力中。这样，即使75℃和80℃的差别不是太大，随着时间的推移，只要没有达到目标温度，产品分量就会不断增加，系统就会逐渐意识到没有达到目标温度，需要继续增加功率。达到目标温度后，假设温度不波动，积分值不会改变，此时加热功率仍等于散热功率，但温度可以稳定在80℃左右。Ki值越大，积分时的乘法系数越大，积分效果越明显。因此，I的作用是减小静态情况下的误差，使控制的物理量尽可能接近目标值。使用I还有一个问题:需要设置一个积分限制，以防止产品组件在加热开始时变得太大而无法控制。2.2.3PID参数整定PID参数整定过程用到的方法叫做经验法，它是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数来达到整定效果，其规律如表2.4所示。表2.4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20~6020~400~3（1）整定比例控制比例控制的程度由弱变强，进行多次温度反应过程，直到获得反应较快、超调数量小的反应曲线为止。（2）整定积分环节通过观察其响应曲线。通过缩短分数持续时间，增强分数效应，并适当改变比例关系，多次试验从而获得最满意的结果，并确定比例系数和积分系数。3）整定微分环节环节先置微分时间TD=0，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。经过经验得出本设计的PID参数如下，主控制器的增益为0.15，采样时间为0.2S，积分时间为30min，微分时间为3.0min；副控制器的增益位2.0，采样时间为0.2S，积分时间位27min，微分之间为0min。PID参数调整也会对系统的控制产生一定影响，其影响的一般情况如表2.5所示：表2.5P、I、D调整系统数据调整方式上升时间超调量安定时间稳态误差稳定性↑Kp减小↓增加↑小幅增加↓减小↓变差↓↑Ki小幅减小↓增加↑增加↑大幅减小↓变差↓↑Kd小幅减小↓减小↓减小↓变动不大—变好↑通过上面表格，我们观察到：三种调整方式各自都有自己的特色，但观察其中的一个或者两个，控制效果并不能达到我们期望的效果，只有当把三个算法一起作用于控制系统的时候，三种算法取长补短，优势互补，以此达到了蓄热式加热炉的理想化控制。

第3章系统硬件设计3.1系统的硬件组成3.1.1系统结构组成温度传感器的主要功能包括一个可编程传感器、一个调功器、两个温度控制器回路、一个加热器、一个模拟量输入输出模块:是一个多功能EM235拓展模块、两个开启/终止指明灯，还有一组工作的实物指示灯，分别代表进水阀门，排水阀门，温度。3.1.2系统各个组成部分完成的任务（1）首先点击ON按钮/OFF按钮，温度加运行指示灯亮起，表明加热炉已经启动；而按下OFF按钮，系统就会停止运行，指示灯也会熄灭。这样，就可以实现系统的控制，从而实现开始和结束操作。（2）温度变送器：通过测量加热炉夹套和内胆的温度，把温度数值转化成为在PLC中能够直接读取的电压模拟量数值，并且传递到PLC模拟量输入输出模块中的EM235模块。（3）电源稳压器和加热器:两者都通过PLC仿真向输出模块传递0~5V的电压信号进行识别，以改变电源稳压器的输出电压，得到火电机组的输入信号，来加热炉的温度。（4）可编程控制器和模拟量输入/输出扩展模块是一种高效的温度调节系统，它能够根据实时的温度变化，经过标准化的转换处理，将温度变化的结果传输到二维数字表中，从而实现对内胆和夹套温度的精确控制。此外，它还能够通过数学运算，实现对温度变化的快速响应。3.2可编程控制器PLC是一种具有微处理机的高级数字化电气装置，它是为了满足工业自动化和信息化的需求而开发出来的，它的作用是取代传统的继电器，实现精确的逻辑操作，从而提高系统的效率和稳定性。由于现代科学技术的提高，这些设备的实际作用已远远超出了传统逻辑控制器的范畴，所以，今天把这些设备都叫做可编程控制器，又称作PLC。3.2.1PLC的特性（1）稳定性好，屏蔽信号能力突出稳定性强是PLC各种型号设备的主要优点。PLC的发明用到的是当今极为发达的集成电路的思想和工艺设计出来的，它内部的布局线路采用的是极好的防外界干扰技术路线，对信号的传递和通讯具有极其强大的保护作用。（2）配套齐全，功能完善，适用性强随着PLC的不断发展，现已能够生产出各种不同尺寸的系列化商品。它可适用于不同的环境和工厂以及各种需要自动化工艺的场合，现如今的PLC控制器绝大部分都已经具备了比较突出的逻辑数学计算功能，能适应于不同的工作行业和工作环境。（3）简单易学，结构条理清晰易懂PLC的控制设备一般采用的都是模块化设计。包括充电电源、主芯中央处理器以及I/O接口等都是采用的此方法思想进行设计制作的，这就使PLC具有较强的逻辑性，通过学习各个模块的功能，最后综合起来，就让PLC的使用更加简洁，达到易操作，高效率的优质特性。3.2.2PLC的选型西门子PLC相比于其他的PLC价格比较贵，而且功能也比较强，实用性好，有相配套的伺服系统和组态程序。而在本科阶段，我所了解的也大多是西门子公司的PLC。目前西门子PLC的产品类型主要包括S7-200PLC，S7-300PLC，S7-400PLC系列，但是因为该系列所需要能力与工艺要求S7-200也基本可以满足，所以从经济角度考虑选择了西门子PLC的S7-200系列产品。3.2.3西门子S7-200主要功能模块介绍（1）CPU模块：S7-200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。CUP224型号的PLC具有10输入/8输出的数字量及两个模拟量输入和一个模拟量输出，可完成设计所需的技术要求，所以本设计选用CUP224DC/DC/DC。CUP用24VDC电源，24VDC输入，24VDC输出，其功率为5W。（2）模拟量扩展模块：通过设备测出的温度，将其转变到0～5V的电压范围后，通过主控器将电量数据转换为数字信号后再送入PLC控制系统中进行处理，目前S7-200PLC的仿真量控制系统包含有EM231，EM232和EM235等三种不同的仿真量控制系统。其输入/输出特性如表3.1所示。表3.1EM235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

0～10V，0～5V，

±10V，±5V，±2.5V，

0～20mA数据字格式

单极性，全量程范围-32000～+32000

双极性，全量程范围0～32000

-32000～+320000

0～32000模拟量输出特性：模拟量输出点数1信号范围

电压输出

电注输出±10V

0到20mA数据字格式

电压

电流

-32000～+32000

0～+320003.3系统其他硬件选型及配置3.3.1温度传感器温度传感器是一种利用物体的特定物理特性来检测和测量温度的设备，它可以将高温分子转换成动能来提供热量。其工作原理如图3.1所示。图3.1温度传感器原理图当两个温度不同的导体A和B相互连接时，其中一个温度为T，另一个温度为TO，这时，电路中就会产生电流密度的差异，如图3-1所示，这种感应电动势被称为热电动势。这些因为温度差异而出现感应电动势的过程，就叫做塞贝克反应。和塞贝克力相关的放热反应主要有两种。AD590是一种单片式集成的二端感温电源。它的主要功能包括：1、AD590是一款非常适合远程监控的设备，它具有极高的阻抗。2、AD590的电流输出具有极高的灵活性，它能够抵抗长距离的电压变化，无论是什么样的双绞线，它都能够有效地将其与接收电路隔离开来。3、AD590具有强大的功能，能够轻松地进行多路复用：无论是在CMOS中切换输入，还是在控制电源电压时，都能够轻松地切换。图3.2AD590温度传感器3.3.2温度变送器图3.3NHR-213温度变送器温度变送器是将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，主要用于工业过程温度参数的测量和控制。根据不同用途温度变送器可以分为三大类：（1）轻巧型温度变送器：体型小巧精致，安装快捷方便，一般用于狭小空间，可以节约安装空间。（2）分体式温度变送器：主要特点是可以搭配不同的温度传感器探头，它能够实现实时显示数据和传递信号的功能，信号稳定，波动小。（3）导轨式温度变送器：可以安装在控制柜内，各式各样形状的传感器探头都能与其搭配，具有普遍性。同时，能够输出电压电流等信号。（4）热力管道专用温度变送器：可以安装在管道中预留好的套管中，通过螺纹与管道固定，具有稳固，保护性好的特点，维修时也方便更换。本次设计中，我选用的是NHR-213智能温度变送器，它属于轻巧型温度变送器的一种。输出电压为：12~40V-DC；输出电流为：4~20mA-DC。它的特点是：①能够实现能量补偿，低功耗。②应用成本低，方便快捷。③环境适应强，适用范围广。④可以实现无线通讯，安装，调试效率都很高。它的选择符合本次温控实验设计的标准，所以选用的是这种型号的温度变送器。3.3.3液位传感器液位传感器是作为监测、测量和传感液体（有时是固体）实时水平的装置。当检测到液位变化时，传感器就会将感知到的数据转换为电信号。其工作原理如图3.4所示。图3.4液位传感器原理图当液位传感器投入到被测液体中的某一深度时，接触液面部分的传感器受到的压强公式为：Ρ=ρ.g.H+Po，在此式中P表示变送器接触液面所受压强大小；ρ表示被测液体密度大小；g表示被测物体当地的重力加速度；Po表示液面上的标准大气压强；H表示变送器投入液体的深度。MIK-P260压力式液位传感器采用的是一种被称作半导体膜盒结构的设计，在其工作时，通过让金属片承受加热炉中被测物体（本实验选用的被测物体是水）的压力，再通过传感器中的硅油将压力传递给半导体应变片进行液位测量，将压力信号通过拓展模块EM235输入输出给主控系统，主控系统通过计算和处理，将计算结果转换为电压信号传递给调功器，调功器输出电压控制进水阀门和出水阀门，以此来实现控制液位的目的。本次实验所选用的MIK-P260压力式液位传感器具有体积小、温度范围宽、可靠性好、精度高的优点，同时，其应用范围也在不断地拓宽。图3.5MIK-P260压力式液位传感器3.3.4流量传感器水流量传感器通过对水流量的感应，可以通过输出脉冲信号或电流、电压等信号传递给控制器，控制器通过这些脉冲信号来对加热炉中的水做出感应，并且通过水泵来对水流的大小进行变频控制。其工作原理如图3.6所示。图3.6流量传感器原理图当水流过阀门时，传感器会控制转子旋转，我们通过观察电动机速度的变化来确定水流量传感器工作的频率和对水的控制功率。与此同时，霍尔效应传感器将该变化计算为脉冲信号输出，由此就可以测量水的流速。该传感器工作背后的主要工作原理是霍尔效应。根据该原理，在该传感器中，由于转子的旋转而在导体中感应出电压差，该感应的电压差垂直于电流。当动风扇由于水流而旋转时，它使转子旋转，从而感应出电压，该感应电压由霍尔效应传感器测量，并显示在LCD显示屏上。YF-S201水流量传感器主要由铜阀体、水流量转子组件、稳流组件和霍尔元件组成。当水流经转子组件时，磁性转子旋转，转速随流量线性变化。霍尔元件输出相应的脉冲信号并将其反馈给控制器。控制器确定水量，调节比例阀的电流，通过比例阀控制煤气或煤的体积，从而维持加热炉内的水量。图3.7YF-S201流量传感器3.3.5霍尔效应霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一种电磁效应。当电流垂直于外加磁场穿过半导体时，载流子就会偏转，垂直于电流和磁场的方向就会产生额外的电场，从而在半导体的两端产生一个电位差，这种现象称为霍尔效应，这种电位差也称为霍尔电位差。霍尔效应在现代工业中的应用非常广泛。利用霍尔效应原理研制的各种霍尔元件已广泛应用于精密磁测量、自动控制、通信、计算机、航空航天等工业部门和国防领域。通过这种霍尔效应，可以将许多非电、非磁物理量，如力、扭矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速、工作状态变化时间等转换成电能，以供检测和控制。基于霍尔效应的霍尔装置以磁场为工作介质，将物体的运动参数转换成数字电压的形式，从而具有传感和开关的功能。在本设计中，主要利用了霍尔效应在力方面的应用，通过感应加热炉中的液位压力和水流量的水压，来对加热炉液位和水流量进行控制。3.4系统硬件连接数显表连接：由于同时使用了二个数显表，二表的全部时钟数据均采用了同一个时钟数据，由Q0.4输出。其输入与输出接口分别有Q0.2和Q0.3输出。温度传差电压变送器连接：根据温度变送器所输出的信号为0~10V的电流变化，连接EM235的模拟量接口模块AIW零和AIW2，接线采取双电流的输入连接形式。调功器的连接：调功器输出接线：由于调功器的输入控制信号位0~5VDC，所以接入EM235的模拟量输出端口AQW0，接线采用电压输出方式。接线如下图3.8所示图3.8硬件接线图

第4章系统软件设计4.1系统设计软件STEP7-MWIN32编程套件是西门子专门为SIMTICS7-200系列PLC系统开发的编程软件。该软件接口设置良好，同时也具备了简易的在线功能。一般开发人员也可以通过该软件设计程序，而且还实时监控用户的程序状态，这种延迟也是SIMATICS7-200所支持的不可或缺的开发工具。刚开始设置的时候主要是文字选择的界面，但是相对于版本4.0来说，在这时候不能选中文的，但是已经事先选定了的语言。在软件设置完以后,才能完成语言的转换。如果要更改程序界面方式，可以先点击程序主界面下方工具栏中的tools目录下的选项，再点击页面中的general（常规）选项，再点击下面的OK选项就能够转换为使用中文模式。见图4.1所示。图4.1语言重设界面系统块用于设定S7-200CPU的系统设置和参数等。系统模块修改后必须加载在CPU上，新的设计方可实施。系统模块的配置如下，必须注意的是，PLC的位置默认为2，但在设计时我们使用的位置为1，通信接口的位置，类似的，我们用到的地址是1。4.2方案设计思路PLC系统使用的是的S7-200系列，CPU选用的是224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，两个数显表还可以指示夹套水温和内胆的实际水温。水质感应器可以用来测量不同类型的加热炉夹套和内胆中的水的温度数值，通过将温度的信息转化成0~10V的电压信号，与PLC模数转换后的一般化数据的变换进行对比并输出，就显示出了真实的水温数值，这个操作过程就实现了PID双闭环串级的控制，通过PID输出功率来操作调功器的输出灯泡亮度和调节炉内加热器的温度，从而达到了实现对炉温控制调节的目的。软件设计过程为以下四个部分：一、主程序部分，操作过程就是对系统的启动和停止进行手动操作和指示系统的运行状态，以及完成对其他子程序中库函数的调用。二、温度标量转换模块，将PLC识别出来的电压信号进行计算，转换成真实的温度数值显示出来。三、水温温度模拟测量部分，PLC利用电压信号来模拟温度变化，展示了夹套和内胆水温的实际变化情况。四、PID运算控制部分，PID作为温度控制系统的执行控制单元，依照自身调节以达到实时控制温度的目的。分配地址如表4.1所示。表4-1地址分配表序号名称地址注释1温度AIW0TT12液位AIW2LT13流量AIW4FT14加热控制输出AQW0TV15启动I0.0SB16停止I0.1SB27急停I0.2SB38加热器过载I0.3FR19启动HMIM0.010停止HMIM0.111急停HMIM0.212加热电源Q0.0KM113自动运行指示Q0.1HL114故障指示Q0.2HL215温度高指示灯Q0.3HL316温度正常指示灯Q0.4HL417温度低指示灯Q0.5HL518进水阀门Q0.6VALIN19排水阀门Q0.7VALOUT20PID0_TableVB100PID0的回路表起始地址21温度读取VD022温度设定VD4预设80度23温度测量范围下限设定VD8预设0度24温度测量范围上限设定VD12预设100度25温度低报警设定VD16预设75度26温度高报警设定VD20预设85度27PID0_PVVD100标准化的过程变量28PID0_SPVD104标准化的过程给定值29PID0_OutputVD108标准化的回路输出计算值30PID0_GainVD112回路增益31PID0_SampleTimeVD116采样时间(要修改请重新运行PID向导)32PID0_I_TimeVD120积分时间33PID0_D_TimeVD124微分时间34PID1_D_CounterVW28035液位读取VD2436流量读取VD28根据表上信息，我们可以清楚的看到PID所控制的数据信息，名称，地址，数据一一对应。4.3主程序部分主程序流程图如图4-2所示。图4.2主程序流程图开机初始化，设定控制温度，设定值80度；初始化温度测量，范围是1℃至100℃；预设低温报价阈值，设置为75℃；预设低温报价阈值，设置为85℃；PID0参数设定；自动运行指示及故障指示；显示温度；将模拟量0到32000转换为VD8到VD12的温度，保存在VD0中；显示液位；将模拟量0到32000转换为0到100的液位值，保存在VD24中；显示流量；将模拟量0到32000转换为0到20的流量值，保存在VD28中； 温度高指示灯逻辑条件；温度低指示灯逻辑条件；温度正常指示灯逻辑条件；加热电源的控制；PID0输入归一化；转成0到1.0的标准化值；PID0设定归一化；假设最高温度VD12；温度正常使用PID控制，模拟量输出；温度高输出，模拟量输出为0；系统停止，输出为0；温度高指示灯逻辑条件；温度低指示灯逻辑条件；温度正常指示灯逻辑条件；4.4组态画面部分组态王是一款功能强大的工业控制软件，适用于控制自动化过程，并提供高效的组态性能。它无论是面对简单还是复杂的任务，都能游刃有余，展现出惊人的可伸缩性。组态王的全面开放，为用户提供了方便快捷的人机交互界面，以满足生产实际需求为目标。组态王以其成熟可靠的操作和高效的组态性能，为整个工厂的应用系统提供整体解决方案.多亏了西门子公司的全方位服务与支援，“构态王”才能在世界各地灵活运用，并得到广泛支援，从而实现了高度的集成化。作为系统扩展的基础，可应用组态王作为系统集成商，利用开放接口开发自身的应用软件，以满足用户的多样化需求。监控界面的主要作用是实时监测和控制工艺流程中的各个参数，并提供实时数据采集和数据分析功能。它可以帮助操作人员及时发现和处理异常情况，保证生产过程的安全和稳定性。具体功能包括：显示工艺流程：监控画面可以以图形化的方式生动地显示工艺流程和各设备的位置，让操作人员一目了然。显示实时数据：监控画面可以实时显示各种参数信号，包括温度、压力、流量等，让操作人员可以随时掌握工艺过程的状态。报警处理：监控画面可以根据设定的报警条件，实时监测工艺过程中的异常情况，并及时发出警报，提醒操作人员处理。数据采集与分析：监控画面可以对各种参数信号进行实时采集，并将采集的数据保存到数据库中，供后续的数据分析和处理使用。用户权限管理：监控画面可以对操作人员进行权限管理，限制其操作权限，保证系统的安全性和稳定性。总之，监控画面是工业自动化控制系统中至关重要的一环，它通过实时显示、数据采集和分析等功能，提高了生产过程的可控性和安全性，为工艺过程的优化和提升生产效率提供了强有力的支持。目前组态王的版本主要有KingView6.55、KingView6.60、KingView7.5三个版本，我们本次选用的是KingView6.55这个版本以此来满足本次温控实验的需求。它具有以下特点：（1）能够读取不同型号的PLC设备，通过监控工作场地收集各种信号，以此来控制工作场地。（2）能够实时进行监控，模拟工作场景和监控各种工厂数据。（3）具有系统的工作习惯和良好操作，通过监控运行状态把异常情况发布给工作人员。（4）将收集的各种数据进行运算，然后把运算成果发到控制系统，让其进行处理。（5）具有记录和存储数据的功能。（6）能够即时提交信息，历史数据，警报，外部系统中的信息及其整个统计阶段的结果。（7）可以连接外部硬件通过PC端对其进行控制和监控它内部的运行状态。图4.3人机界面主监控画面图4.4数据记录趋势界面图4.5系统参数设定界面

软硬件调试5.1硬件实物图及介绍PLC的数据流量管理I/0端口Q0.0接一个指明灯，Q0.2与Q0.3分别接内胆的数显表的输入输出端口，Q0.4接二个数显表的时钟电路输入和输出端口。PLC的数字量输入和输出接口为I零点零位系统启动按键。图5.1硬件实物图图5.2编程电缆如图5.1和图5.2所示，是本次设计的硬件实物连接图和编程电缆。PLC-200作为主控制器，型号为CPU224-24V-DC/DC/DC连接的两台调压器都是通过调节电压的大小来模拟温度变化，液位变化，流量变化。三只小灯分别模拟温度控制运行，进水阀门和出水阀门控制。编程电缆是实验设备和电脑进行通讯的工具。5.2系统软硬件控制实验调试图5.3系统控制实验图如图5.3，把设备通电并与电脑连接以后，即可进行本次加热炉控制实验。温度的阈值范围是75~85，温度维持在80左右。低于75或高于80，系统会进行报警。温度的调节由变压器1进行调节。水流量和液位设置阈值为20~80，处于之间的范围为正常值。低于20或高于80，系统报警，由变压器2进行调节。三只小灯的亮灭来模拟系统工作时，三个被测量（温度、液位、水流量）的运行状态。通过电脑WINCC界面来对PLC内部运行以及系统进行监控。在此页面我们可以实时观察到系统的运行及各项参数的实时变化情况，此外我们还可以通过开启自动控制启动按钮来实现温控系统的自动运行，我们只需观察监控页面就可以判断系统运行的状态是否正常，通过实时变化曲线图可以清楚的观察到三个被测量的变化趋势。该系统完成的主要功能和具体调试过程如下：1.用STEP7编程软件将编写的程序导入PLC控制器（西门子S7-200）中。2.将PLC控制器与电脑相连接，在PC端对系统运行状态进行监控。3.人通过电脑端WINCC软件监控PLC的运行状态。4.PLC控制器通过控制加热电阻、水泵、阀门，达到加热炉温度控制、流量控制、液位控制的目的，从而实现PLC对加热炉的自动控制。5.加热炉温度控制主系统中，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，控制加热炉温度维持在恒定范围内REF_Ref25082\r\h[8]。6.流量控制辅助系统，水系统流量通过水泵变频控制，使水系统流量恒定在控制范围以内。7.液位控制辅助系统，加热炉液位通过加水阀和出水阀控制，使液位保持在控制液位。第6章总结加热炉温度控制器通过不断发展，把成熟的PLC技术与现代电力电子技术相结合，二者相辅相成，并通过软硬件结合，解决了传统的加热炉温度控制器所存在的难点问题。针对我国大部分加热炉控制系统来说也能作为一种比较出色的控制设备。在本实验中，依据提出的设计方案和要求，用软件对温度信号进行串级控制处理，让误差范围控制在1℃上下，该系统的模拟量扩展模块是采用的EM235，用的是两个模拟量输入和一个输出来进行工作。页面的温度显示和PLC的工作都满足了实时控制调节温度和实时显示的需求，综上所诉，可以说本设计基本上是成功的。这一系列的设计经验的演示，增强了我的主观能动性，把自己过去大学四年