基于plc的工業(yè)爐溫度控制系統(tǒng)的設計【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p>　　論文題目基于PLC的工業(yè)爐溫度控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　(英文) The Design of the Industrial Furnace</p><p>　　Temperature Control System Based on PLC</p><p>　　所在學院

2、 電子信息學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月

3、 日</p><p>　　基于PLC的工業(yè)爐溫度控制系統(tǒng)的設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　溫度控制作為工業(yè)自動化控制的一部分在工業(yè)生產(chǎn)中有重要作用，使用PLC能夠實現(xiàn)自動化控制，來檢測溫度大小并驅動加熱裝置來控制溫度，提高了溫度控制的精確度。</p><p>　　該文介紹了電

4、阻爐溫度控制的原理及方法，針對電阻爐溫度控制的要求，此控制系統(tǒng)使用PT100溫度傳感器把電阻爐溫度模擬信號輸入A/D信號轉換器轉換成數(shù)字信號輸入三菱PLC中的PID模塊，設定PID參數(shù)為設定值并進行運算，外接固態(tài)繼電器作為開關控制電阻爐加熱。在硬件電路設計中，選擇PLC和A/D轉換器類型，設計硬件接線圖。軟件設計中，設計程序梯形圖和程序流程圖。最后將硬件和軟件結合，設計出了符合要求的控制系統(tǒng)，達到預期的目的：控制電阻爐溫度為設定值。&l

5、t;/p><p>　　關鍵詞：PID控制；PLC；溫度控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Temperature control as part of the industrial automation control in an important role in the industrial prod

6、uction, use PLC to realize automatic control, to detect temperature size and drive heating device to control temperature, raises the temperature control precision. </p><p>　　This paper introduces the resista

7、nce furnace temperature control principle and method, in view of resistance furnace temperature control requirements, the control system using the PT100 temperature sensor resistance furnace temperature simulation signal

8、 input A/D signal converters converted into digital signal input mitsubishi PLC of PID module, and set the PID parameters for setting and operations, external solid-state relay as switch control heat resistance furnace.

9、In the hardware circuit des</p><p>　　Key Words:PID control;PLC;temperature control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1　引言1</b></p><p>　　2.1 爐溫控制

10、過程和PID算法5</p><p>　　2.2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)組成結構8</p><p>　　3　溫度控制系統(tǒng)的硬件設計10</p><p>　　3.1 溫度控制系統(tǒng)的硬件配置10</p><p>　　3.2 外圍電路接線圖和I/O表分配12</p><p>　　3.3 硬件接線圖14</p>

11、;<p>　　4　溫度控制系統(tǒng)的軟件設計15</p><p>　　4.1 程序流程圖15</p><p>　　4.2 程序梯形圖16</p><p>　　4.3 系統(tǒng)調試17</p><p><b>　　總結和致謝18</b></p><p><b>　　參考文獻

12、19</b></p><p>　　附錄1 Pt100熱電阻分度表20</p><p><b>　　1　引言</b></p><p>　　在工農業(yè)生產(chǎn)或科學實驗中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。為了保證生產(chǎn)過程中正常安全的進行，提高產(chǎn)品質量和數(shù)量以及減輕工人的勞動強度，節(jié)約能源，對加熱用的各種電爐要求在一定條件下保持恒

13、溫，不能隨電壓波動或爐內物體變化而變化，也有的電爐的爐溫需要根據(jù)工藝要求按照某個指定的升溫或保溫規(guī)律而變化等。本文采用一個PLC作為控制器，外接A/D轉換器，將PT100溫度計的模擬信號進行轉換后進行和設定值對比，并使用PLC內部PID模塊運算后通過SSR來控制電阻爐溫度。</p><p>　　在自動控制技術產(chǎn)生之前，人們在生產(chǎn)過程中只能采用手動控制方式。其控制過程是通過觀測被控對象的輸出,根據(jù)觀測結果做出決策，

14、然后手動調節(jié)輸入，操作人員就是這樣不斷的觀測、決策、調整,實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的手動控制。隨著科學技術的進步,人們逐漸采用各種測量裝置代替人眼，完成對被控制量的觀測任務；利用各種控制器部分地取代人腦，實現(xiàn)比較、綜合被控制量與給定量之間的偏差。 控制器所給出的輸出信號相當于手動控制過程中人腦的決策，使用各種執(zhí)行機構對被控對象施加控制，它相當于手動控制中手的調整作用。上述控制過程實質上是從手動控制方式中抽象出來的一個較為理想化的模型，它是模擬手動

15、控制方式來實現(xiàn)自動控制的。</p><p>　　傳統(tǒng)的加熱爐的電氣控制系統(tǒng)普遍采用的繼電器控制技術，因為使用固定布線的硬件實現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積大、耗電高、效率低，容易發(fā)生錯誤，不能保證正常的工業(yè)化生產(chǎn)要求。隨著計算機控制技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的繼電器控制技術,必然被基于計算機技術產(chǎn)生的PLC控制技術取代。和PLC本身優(yōu)良的性能使得基于PLC控制的溫度控制系統(tǒng)經(jīng)濟、高效、穩(wěn)定、維修方便等優(yōu)點。該溫度控制系統(tǒng)對改

16、造傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)具有重要意義[1]。</p><p>　　可編程控制器(Programm able Controller)簡寫成PLC，經(jīng)過30多年的發(fā)展，現(xiàn)在可編程控制器已經(jīng)成為最重要、最可靠、應用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計算機?？删幊炭刂破骶哂兄T多優(yōu)點：(1)PLC有較高的可靠性和診斷能力，維修容易；(2)PLC還具有編程方便、易于使用、價格低廉的優(yōu)點；(3)PLC控制功能極強，除基本的邏輯控制、定時、計

17、數(shù)、算術運算等功能外，配合特殊功能模塊還可實現(xiàn)點位控制、PID運算、過程控制、數(shù)字控制等功能；(4)PLC的擴展以及與外部聯(lián)接極為方便，環(huán)境適應力強PLC本身優(yōu)異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟高效穩(wěn)定且維護方便【2】。</p><p>　　可編程邏輯控制器（PLC）是一種用于工業(yè)控制的計算機，它是由CPU，存儲器，輸入輸出接口電路，功能模塊，通信模塊和電源等組成。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部

18、存儲程序，并執(zhí)行邏輯運算、定時、順序控制、計數(shù)、算術操作等指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。它具有以下優(yōu)點：系統(tǒng)構成靈活、擴展容易、以開關量控制成為其特長；也能進行連續(xù)過程的PID控制；并能和上位機構成復雜的控制系統(tǒng)，如DDC和DCS，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化；編程簡單、使用方便，采用簡單明了的梯形圖、語句表或邏輯圖等編程語言，無需計算機知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而

19、不用拆動硬件；能適應各種惡劣運行環(huán)境，其抗干擾能力，可靠性強【3】。</p><p>　　由于常規(guī)的模擬儀表、可控硅原件的制造技術日趨完善，所以由它們構成的PID自動溫度控制系統(tǒng)基本上已能穩(wěn)定可靠地運行，控制精確度一般是可達到士5～士10℃。但是模擬控制系統(tǒng)卻難以滿足日益嚴格的生產(chǎn)工藝的要求，也不能滿足對生產(chǎn)過程集中控制的管理的迫切需要。而隨著計算機控制技術的快速發(fā)展，在工業(yè)爐的溫度控制技術方面，用智能儀表、計算

20、機測量控值系統(tǒng)乃至于集散控制系統(tǒng)取代老的模擬控制系統(tǒng)，用現(xiàn)代的控制方法取代經(jīng)典的調節(jié)算法已成為必然的發(fā)展趨勢【4】。</p><p>　　在科研和生產(chǎn)實踐等諸多領域，溫度控制具有十分重要的地位，特別是在食品、大棚溫室、冶金、化工、建材、機械、石油及其他工業(yè)和農業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的作用【5】。跟著電子器件和集成電路的發(fā)展，PLC也由本來簡單邏輯控制，發(fā)展到了可以具備數(shù)據(jù)存儲、運算、模擬量輸入輸出，網(wǎng)絡功能的控制系

21、統(tǒng)，并且具有抗干擾能力強、可靠性高、編程容易、修改簡單等特點【6】?？煽啃浴㈧`活性、計算速度大大提升，功能越來越強，在工業(yè)控制有越來越多的應用，在溫度控制方面也有非常多的運用。</p><p>　　此文就是采用三菱PLC進行一個工業(yè)爐溫度控制系統(tǒng)的設計。工業(yè)爐的自動化控制現(xiàn)在主要是由計算機來進行控制，70年代末期中國已經(jīng)開始工業(yè)爐溫度控制的開發(fā)工作，在“六五”期間中國把工業(yè)爐計算機控制列為用電子技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的

22、三大突破口之一，在此期間得到很大發(fā)展，控制的爐窯數(shù)達到了100臺。近年來由于微型計算機技術發(fā)展很快，性能更加穩(wěn)定，耐用，壽命變長，而且價格在下降，因此微機控制工業(yè)爐的勢頭很猛【7】。</p><p>　　由于溫度在工業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的作用，直接影響產(chǎn)品質量和數(shù)量。用計算機控制系統(tǒng)代替人工控制，將大大提高控制精度，并降低工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率。溫度控制系統(tǒng)一般具有大慣性、大延時的特點。在工業(yè)控制中，難以建立

23、溫度系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，而應用模擬或數(shù)字式PID閉環(huán)控制往往能獲得較好的控制精度。</p><p>　　20世紀30年代以來，PID控制因其控制結構和算法簡單，適用對象廣，控制效果好，以及近年來其控制硬件的商品化，已成為工業(yè)控制應用中最廣泛的一種控制策略，因為它的結構簡單，參數(shù)容易調整，并在長期應用中積累了廣泛的經(jīng)驗【8】。</p><p>　　特別是在工業(yè)控制過程，對被控量的數(shù)學模型難以

24、建立，系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運用控制理論分析不僅要需要花費很大代價，并且難以得到預期效果。在用PLC組成的控制系統(tǒng)中，PID很容易通過擴展模塊實現(xiàn)。對于軟件的靈活性，PID算法可以得到修正，參數(shù)能夠得到完善，從而使數(shù)字PID控制系統(tǒng)從PLC內部實現(xiàn)。</p><p>　　目前在張力、速度、液位特別是溫度等過程控制中，經(jīng)常使用溫控器等專用控制器或用戶自制設備。這些控制器雖然使用和設置比較簡單且控制針對性強，但是用途

25、比較單一，控制范圍有限，同時用戶自身的經(jīng)驗技巧不易應用到其中。近年來，隨著技術的發(fā)展，PLC的處理速度越來越快，功能也越來越豐富。因此，采用PLC進行PID控制可以逐漸取代一些傳統(tǒng)的控制手段。</p><p>　　隨著PLC功能的擴展，在許多PLC控制器中都擴充了PID控制模塊，因此在邏輯控制與PID控制混合的應用場所中采用PLC控制是較為合理的，通過采用PLC來對它們進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)

26、點，而且可以大幅度提高被測溫度的技術指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質量和數(shù)量。因此，PLC對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。</p><p>　　溫度控制，可以比較出采用PLC的特點。通常所使用的溫度控制器用于單純的單回路溫度控制，PLC可以作為多回路的整體控制，它有以下的特點：在多點加熱時，錯開加熱器導通時序，避免同時導通的大電流；可以使用相位控制，降低沖擊電流、峰值電流，減少熱壓力；可以實現(xiàn)

27、多種警報功能等等。</p><p>　　最初的PLC主要是用于取代繼電器進行順序控制,其后又逐步擴充了數(shù)值運算、模擬量、網(wǎng)絡通信。從發(fā)展趨勢看PLC溫度控制將是今后PLC 應有的功能。</p><p>　　PID是一個閉環(huán)控制算法。因此要實現(xiàn)PID算法，必須在硬件上具有閉環(huán)控制，就是得有反饋。本文就是控制一個工業(yè)爐溫，就得有一個測量溫度的傳感器，并將結果反饋到PLC上。</p>

28、<p>　　PLC的PID控制所具有的上下限幅輸出功能，極為適合以石墨材料作發(fā)熱體的高溫電爐的控溫。因為石材質的批次差異較大，加工后的發(fā)熱體難以符合設計規(guī)定的功率值，往往造成自動調溫時輸 出功率超過設計值，這對可控硅、電爐變壓器很不利。利用PLC的上下限幅功能，則可很容易地將電爐最大負荷控制在安全值之內。</p><p>　　自動化溫度控制在不加人工處理的情況下，自動進行溫度調節(jié)，隨著環(huán)境的變化能夠

29、使溫度維持在一個范圍內，用PID控制算法，可以在滯后的情況下調節(jié)溫度不至于過高或過低。</p><p>　　2　溫度控制系統(tǒng)的結構和工作過程</p><p>　　2.1 爐溫控制過程和PID算法</p><p>　　在工農業(yè)生產(chǎn)或科學實驗中常常要求不斷地測量溫度，同時還進行控制。電阻爐爐溫的控制，根據(jù)工藝要求不同而有所變化，但大體上可歸納為以下幾個過程：</p

30、><p>　　自由升溫階段，即根據(jù)電阻爐自身條件對升溫速度沒有控制的升溫過程。</p><p>　　恒溫升溫過程，即要求爐溫上升的速度按某一斜率進行。</p><p>　　保溫階段，即要求爐溫上升的速度按某一斜率保持不變。</p><p>　　慢速降溫段，要求爐溫下降的速度按某一斜率進行。</p><p><b>

31、;　　自由降溫段。</b></p><p>　　圖2-1 爐溫控制要求</p><p>　　根據(jù)爐溫變化曲線如圖2-1的要求，可以將它分為三部分來控制：由T0到a點為自由升溫段，溫度進入a點，就進入系統(tǒng)調節(jié)。從b點到c點為保溫段，要始終在系統(tǒng)的控制下，要保證爐內溫度的精度，保溫的時間為50~100min。加工結束，由c點到d點為自然降溫段。爐溫變化曲線對各項品質指標要求如下：&

32、lt;/p><p>　　過度過程時間：從升溫到保溫段時間t1≤100min。</p><p>　　超調量(式2-1)：即升溫過程出現(xiàn)的溫度最大值（TM）與保溫值（TK）之差與保溫值之比：</p><p>　　。 (2-1)</p><p>　　靜態(tài)誤差(式2-2)：即當溫度進入保溫段后的實

33、際溫度（T）與保溫值（TK）之差與保溫值之比：</p><p>　　。 (2-2)</p><p>　　溫度保溫值的變化范圍：50℃-100℃。設保溫值為100℃。</p><p>　　真正需要電氣控制的是前兩個階段，即自由升溫段和保溫段。為避免過沖，從室溫到80%額定溫度為自由升溫段，在（100±

34、10）%額定溫度時為保溫段。在自由升溫段中希望升溫越快越好，總是將加熱功率全開，因此得到自由升溫段控制規(guī)律為：當Tf≤0.8T0時，選Kp=1；在Tf≥0.8Tg后，以較接近需要保溫的值Tk，為此采用保溫段控制方程。</p><p>　　保溫控制方法有很多種，如比例控制，因為爐絲的功率和溫度變化之間存在一定的時間延遲，使用溫度差值來控制輸出時，即是比例控制?？刂葡到y(tǒng)在爐溫與給定值相同才會停止輸出，而由于爐溫變化所

35、具有延遲性質，爐溫卻并不因輸入停止而馬上停止上升，從而超過了給定溫度。滯后的時間越大，超過給定值也會越大。爐溫會上升到了一定的高度后才會開始下降并繼續(xù)下降到小于給定的溫度的時候，系統(tǒng)才會重新輸出控制信號。同樣是由于爐溫變化滯后于輸出，它將繼續(xù)下降，從而造成溫度的上下波動，即所謂振蕩?？紤]到滯后影響，調節(jié)規(guī)律必須加入微分因數(shù)，即PD調節(jié)。</p><p>　　比例微分控制規(guī)律(PD)：微分具有超前作用，對于具有容量

36、滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項設置得當?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，有著顯著效果。因此，對于控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大的場合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。如：加熱型溫度控制、成分控制。</p><p>　　有了PD調節(jié)，系統(tǒng)輸出不僅取決于溫差大小，還取決于溫差的變化。所以當爐溫從自由升溫段進入到保溫段時，爐溫還小于給定值，但溫差變化較大，由于溫差及溫度變化

37、對系統(tǒng)輸出都有影響，而在升溫過程中，這兩項對輸出的作用是相反的，因而系統(tǒng)可提前減少或停止輸出控制信號。使爐溫不至于出現(xiàn)過大的超調，同樣在降溫過程中也是如此，從而改善了爐溫調節(jié)的動態(tài)品質。積分作用可以提高溫度控制的靜態(tài)精度，適當選擇積分的作用，則可以在不影響動態(tài)性能下提高溫度控制的精度。所以保溫控制也可以采用PID控制方法。</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)過程中，對于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求

38、維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對整個控制系統(tǒng)進行偏差調節(jié)，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預定值一致。不同的控制規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過程，必須合理選擇相應的控制規(guī)律，否則PID控制器將達不到預期的控制效果。</p><p>　　由于溫度控制本身有一定的滯后性和慣性，這使得系統(tǒng)控制出現(xiàn)誤差。而為了減少誤差來提高系統(tǒng)的精度，考慮到系統(tǒng)的控制對象，本系統(tǒng)

39、采用增量型PID算法。</p><p>　　按偏差的比例、積分和微分進行控制的調節(jié)器簡稱為PID（Proportional - Integral - Differential）調節(jié)器。</p><p>　　PID調節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟、應用最廣泛的一種調節(jié)方式，其調節(jié)的實質是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關系進行運算，其運算結果用于輸出控制。</p><

40、p>　　在實際應用中，根據(jù)具體情況，可以靈活地改變PID的結構，取其一部分來進行控制。</p><p>　　PID控制實現(xiàn)的控制方式</p><p>　　模擬控制方式：用電子電路調節(jié)器，在調節(jié)器中，將被測信號與給定值比較，然后把比較出的差值經(jīng)PID電路運算后送到執(zhí)行機構，改變給進量，達到調節(jié)之目的。</p><p>　　數(shù)字控制方式：用計算機進行PID運算，將

41、計算結果轉換成模擬量，輸出去控制執(zhí)行機構。</p><p>　　增量式PID運算公式：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　式（2-3）中e(n)、e(n-1)、e(n-2)為PID連續(xù)三次的偏差輸入。Δe(n)、Δe(n-1)中為系統(tǒng)連續(xù)兩次執(zhí)行的誤差。Kp為比例放大系數(shù)，T、T1、TD分別為采樣周期、積分時間

42、、微分時間。</p><p>　　該電阻爐穩(wěn)定工作在100℃（可以對其設置）。當加熱爐啟動時，測到爐溫是常溫，e=Tg-Tf為正值且比較大，e是PID控制器的輸入，此時PID控制器中的P（比例）起主要作用，使SSR打開時間最大并使電阻爐加熱。當溫度 達到100℃以上時，e=Tg-Tf為負值，經(jīng)PID計算，使SSR打開時間變少，電阻爐溫度降低。當溫度正好達到100℃時，e=Tg-Tf為零PID不調節(jié)，此時SSR打開

43、時間正好平衡加熱爐消耗的了熱量，系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)。</p><p>　　PID控制器參數(shù)選擇的方法很多，例如試湊法、臨界比例度法、擴充臨界比例度法等。但是，對于PID控制而言，參數(shù)的選擇始終是一件非常煩雜的工作，需要經(jīng)過不斷的調整才能得到較為滿意的控制效果。依據(jù)經(jīng)驗，一般PID參數(shù)確定的步驟如下：</p><p>　　1) 確定比例系數(shù)Kp</p><p>　　確定

44、比例系數(shù)Kp時，首先去掉PID的積分項和微分項，可以令Ti=0、Td=0，使之成為純比例調節(jié)。輸入設定為系統(tǒng)允許輸出最大值的60％～70％，比例系數(shù)Kp由0開始逐漸增大，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例系數(shù)Kp逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的比例系數(shù)Kp，設定PID的比例系數(shù)Kp為當前值的60％～70％。</p><p>　　2) 確定積分時間常數(shù)Ti</p><p>　　比

45、例系數(shù)Kp確定之后，設定一個較大的積分時間常數(shù)Ti，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，然后再反過來，逐漸增大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數(shù)Ti為當前值的150％～180％。</p><p>　　3) 確定微分時間常數(shù)Td</p><p>　　微分時間常數(shù)Td一般不用設定，為0即可，此時PID調節(jié)轉換為PI調節(jié)。如果需要設定，則與確定Kp的方法相同，取不振

46、蕩時其值的30％。</p><p>　　2.2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)組成結構</p><p>　　本電阻爐溫度自動控制系統(tǒng)方塊圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)</p><p>　　它由PLC控制系統(tǒng)，固態(tài)繼電器，電阻爐，傳感器等4個部分組成。</p><p>　　根據(jù)傳感器檢測到的溫度

47、與給定溫度的偏差,通過傳統(tǒng)PID控制規(guī)律,控制或調節(jié)電阻爐,從而控制溫度的輸出,是典型的反饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個非線性控制系統(tǒng),控制變量多、各種參數(shù)都存在不同程度的時變性、被控制量的延遲性,并且存在諸如空氣成分、電壓波動等諸多不確定因素的干擾。</p><p>　　控制過程是：PLC定時（即采樣周期）對爐溫進行測量和控制，爐內溫度由四個鉑電阻溫度計進行測量，其信號經(jīng)轉換電路放大送到數(shù)模轉換芯片換算成相應的數(shù)字量

48、后，再送入PLC進行判別和運算，得到應有的通電時間，供給固態(tài)繼電器進行調節(jié)，使其達到爐溫變化曲線的要求。</p><p>　　當電爐再某一設定溫度正常運行時，如果由于某種原因（例如電源電壓的波動），周圍環(huán)境溫度變化等）使爐溫發(fā)生變化（如下降），鉑電阻溫度計所檢測出來的溫度信號Tf將下降Tf送入計算機內與設定值Tg比較，得到偏差信號e=Tg-Tf增加，于是經(jīng)放大后，使固態(tài)繼電器工作，使電熱絲通電，溫度隨之增加，因而

49、補償了溫度的下降，電阻爐又重新在一個新的平衡溫度下運行。另外，如果供給電熱絲的電源電壓升高，則會使固態(tài)繼電器閉合時間D150下降，補償由于電源電壓升高對爐溫的影響。</p><p>　　3　溫度控制系統(tǒng)的硬件設計</p><p>　　3.1 溫度控制系統(tǒng)的硬件配置</p><p>　　電阻爐是將電作為能源，使其通過由金屬或非金屬，由電熱效應轉化為熱能的一種加熱裝置，

50、依靠輻射傳導到要進行加熱的物體上進行加熱。電阻爐結構比較簡單，操作方便，應用廣泛。易于實現(xiàn)控制的自動化和機械化。在化工、食品、建材、金屬加工和各種實驗中都有應用。為了提高產(chǎn)品質量，對溫度進行監(jiān)控和自動控制。</p><p>　　本系統(tǒng)將對低溫電阻爐進行控制，其溫度在650攝氏度以下，換熱方式以對流換熱為主，多用于干燥以及有色金屬及合金加熱，鋼鐵以及有色金屬的回火處理。</p><p>　　

51、可編程邏輯控制器采用三菱FX2N型號PLC，三菱公司FX系列PLC吸收了整體式和模塊式可編程控制器的優(yōu)點，它的基本單元,擴展單元和擴展模塊的高度和寬度相同。它們的相互連接不同基板，僅用于扁平電纜連接，緊密拼裝后組成一個整齊的長方體。其體積小，很適于在機電一體化產(chǎn)品中使用【9】。</p><p>　　PLC模擬量輸入模塊選用采用FX2N-4AD-PT模擬量輸入模塊，將來自四個鉑電阻溫度傳感器(PT100，3線，10

52、0Ω)的輸入信號放大，將數(shù)據(jù)轉換成可讀數(shù)據(jù)，存儲在主單元（MPU）中。攝氏度和華氏度數(shù)據(jù)都可以讀取。讀取分辨率是0.2℃到0.3℃/0.36℉到0.54℉。所有的數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)設置都可以通過FX2N-4AD-PT的軟件控制來調整；由FX2NPLC的TO/FORM應用指令來完成。FX2N-4AD-PT占用FX2n擴展總線的8個點。這8點可以分配成輸入或輸出。FX2N-4AD-PT消耗FX2n主單元或有源擴展單元5V電源槽的30mA電流。&

53、lt;/p><p>　　溫度傳感器的分類和選擇</p><p>　　溫度傳感器將溫度的模擬量即電壓信號傳送到A/D模塊，A/D轉換器將模擬量轉換成數(shù)字量，送入PLC。由PLC進行計算，將采集到的數(shù)據(jù)和溫度設定值進行比較再控制固態(tài)繼電器使加熱器進行加熱或停止。</p><p>　　溫度采集和流量采集、壓力采集等一起是在工業(yè)控制里最為普遍的應用，它可以直接測量各種在生產(chǎn)過程

54、中液體、蒸汽、氣體和固體介質表面的溫度。常用的采集方法有熱電偶、熱電阻這兩種方式，此外還有非接觸型的紅外測溫等產(chǎn)品，一個典型的應用例子是鋼鐵廠中的紅外測溫設備。</p><p>　　本文采用鉑熱電阻溫度傳感器，鉑熱電阻根據(jù)使用場合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件構成。鉑熱電阻作為測溫元件，它具有良好的輸出特性，經(jīng)常和記錄器、顯示器、調節(jié)器和其它的智能運算模塊或者儀表進行配套來進行使用，為它們提供了

55、精確的輸入值。如果將它做成一個一體化的溫度變送器，可以進行輸出4到20mA標準的電流信號或0到10V標準的電壓信號，使用更加方便自如。</p><p>　　鉑電阻是用很細的鉑絲(Ф0.03～0.07mm)繞在云母支架上組成，因為鉑電阻在氧化介質和高溫環(huán)境下化學物理性質非常穩(wěn)定，所以其它精度高、穩(wěn)定性好、性能非?？煽?。</p><p>　　鉑電阻的工作原理是：在溫度的作用下，鉑熱電阻絲的電阻

56、值隨溫度變化而變化，他們的關系成線性關系。且電阻與溫度的關系即分度特性符合IEC標準。分度號PT100的含義為在0℃時的名義電阻值為100Ω，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。此外還有PT10、PT200、PT500和PT1000等鉑熱電阻，CU50、CU100的銅熱電阻等。</p><p>　　該設計采用PT100鉑電阻溫度計，其穩(wěn)定性好，精度高，Pt100的數(shù)值就是說它的阻值在0度時為100歐姆，其阻值隨著溫度

57、成線性變化。</p><p>　　FX2N-4AD-PT接入四通道三線型PT100，PT100溫度傳感器的參數(shù)如下：測量范圍：-100℃～+600℃；解析度0.2℃～0.3℃；變換速度15ms×4點；并且PT100溫度傳感器還具有防振、穩(wěn)定性能好、精度高、耐高壓等特點。</p><p>　　FX2N-4AD-PT將溫度轉換為16位帶正負號的-1000~6000的數(shù)字量其轉換特性如

58、圖（3-1）所示：</p><p><b>　　圖3-1 轉換特性</b></p><p>　　采集到PLC模塊是時，使用的時候需要一塊PT100的集成電路，要注意的是這個集成電路采集的不是電流信號是電阻值，PT100的集成電路（需要一個＋－12VDC電源提供工作電壓）直接把采集到的電阻變?yōu)?-5VDC輸入到PLC，經(jīng)過簡單的+-*/計算就可以得到相應的溫度值。<

59、;/p><p>　　本設計采用PT100作為溫度傳感器，F(xiàn)X2N-4AD模擬量輸入模塊，三菱FX-2N型PLC進行設計溫度控制系統(tǒng)，使用FXGPWIN進行編程和仿真，使用固態(tài)繼電器作為開關控制加熱。</p><p>　　固態(tài)繼電器是一種無可動接點的繼電器即無接點繼電器，它在用途上與有接點繼電器相同，但在結構上由晶閘管，二極管，晶體管等半導體電子元器件組成。它具有速度快，無損耗，干擾小，其用途廣

60、泛。</p><p>　　3.2 外圍電路接線圖和I/O表分配</p><p>　　FX2N-4AD-PT接線圖如圖3-2所示，</p><p>　　圖3-2 FX2N-4AD-PT接線圖</p><p>　　傳感器模擬量通過雙絞屏蔽線纜輸入至FX2N-4AD-PT各個通道中。</p><p>　　可以采用壓降補償?shù)姆?/p>

61、式來提高傳感器的精度。如果存在電氣干擾，將電纜屏蔽層與外殼地線端子（FG）連接到FX2N-4AD-PT的接地端和主單元的接地端。如可行的話，可在主單元使用3級接地。</p><p>　　將PLC與FX2N-4AD-PT通過擴展電纜相連。</p><p>　　PLC的特殊功能模塊具有模擬量輸入輸出，高速計數(shù)模塊，PID過程控制模塊，通信模塊。這些模塊與PLC連在一起構成一個控制系統(tǒng)單元，使得

62、PLC的功能越來越強，應用范圍越來越廣。此文將FX2N-4AD-PT連接到0號位置，PLC最多可以連接8個特殊模塊。FX2N-4AD-PT模塊占用FX2N的8個點，這8個點可以是輸入點或輸出點。FX2N消耗FX2N主單元或有源擴展單元5V電源槽30mA的電流。</p><p>　　本系統(tǒng)采用4個PT100輸入模擬量用轉換器轉換成符合要求的電壓然后輸入FX2N-4AD-PT的輸入通道，SB1控制啟動，SB2控制停止

63、，HL燈指示加溫，固態(tài)繼電器SSR輸出加溫信號。此程序通過to，from語句進行對外部模塊中的數(shù)字量進行寫入和讀取，采樣時間為10ms。</p><p>　　本設計I/O地址如表3-1所示采用兩個輸入接口和兩個輸出接口。</p><p>　　表3-1 I/O地址</p><p><b>　　3.3 硬件接線圖</b></p>&l

64、t;p>　　圖3-3 PLC硬件接線圖</p><p>　　PLC硬件接線圖如圖3-3所示，將FX2N-4AD-PT與FX-2N用擴展線纜相連，F(xiàn)X2N-4AD-PT在0號位,四個PT100將溫度信號接入FX2N-4AD-PT。SB1開始開關連接X1，SB2關閉開關連接X2，加熱指示燈連接Y1，固態(tài)繼電器連接Y2，另一邊控制電熱器工作。</p><p>　　4　溫度控制系統(tǒng)的軟件設計

65、</p><p><b>　　4.1 程序流程圖</b></p><p>　　程序流程圖如圖4-1所示</p><p><b>　　4.2 程序梯形圖</b></p><p>　　圖4-2 程序梯形圖</p><p>　　程序梯形圖如圖4-2所示本程序首先使用一個自鎖裝置將使

66、用sb1和sb2開啟或關閉m100來控制系統(tǒng)開始。然后使用FROM指令將BMF中的識別碼#30讀入D0，并將K2010與D0比較，如K2010與D0相同則m1閉合。然后使用TO指令來初始化FX2N-4AD-PT將采樣速度設為4，即每周期采樣四次。讀取錯誤碼，并把錯誤碼輸入到M10~M25這16個點上，當沒有錯誤時使用FORM讀取CH1~CH4的當前值，并用MEAN函數(shù)計算其平均值存入D20。用初始脈沖來定義PID的基本參數(shù)，D300~D

67、306儲存基本參數(shù)，D322是輸出上限，D323是輸出下限。由于此設計使用2000ms為一個周期，用T246定時器定時在T246定時的數(shù)字小于PID輸出D150時就打開固態(tài)繼電器開關。</p><p>　　圖4-3 PID輸出狀態(tài)</p><p>　　PID輸出狀態(tài)如圖4-3所示在PID輸出時在每兩秒的周期內有D150×1ms是導通的，即PID運算的結果，兩秒的時間即一個周期內輸

68、出PID調節(jié)的結果。</p><p><b>　　4.3 系統(tǒng)調試</b></p><p><b>　　(1)系統(tǒng)軟件調試</b></p><p>　　系統(tǒng)軟件調試是在PC機上進行，將PLC控制程序錄入編程軟件后，根據(jù)運行要求，設定若干數(shù)字開關量，模擬量，對系統(tǒng)的每一個功能進行檢測測試并在此基礎上不斷完善程序以到系統(tǒng)要求。

69、</p><p><b>　　(2)系統(tǒng)硬件調試</b></p><p>　　相應的系統(tǒng)硬件調試在實驗室里進行，將硬件電路搭建好，將編好的程序輸入到PLC中，將PLC切換到“運行”模式下，通電后觀察各指示燈狀態(tài)，判斷程序好壞。調試過程如下：將SB1按下，執(zhí)行程序，通過觀察爐溫加熱指示燈，觀察程序運行情況。</p><p><b>　　

70、總結和致謝</b></p><p>　　本論文簡要說明了基于PLC的電阻爐溫度控制技術，并使用PLC進行了一個溫度控制系統(tǒng)的組建.在寫論文的過程中我對PLC有了初步了解，對其特殊模塊作用也能進行初步應用。對溫度傳感器也有一定了解，對PID模塊的應用也有初步掌握。在此感謝指導老師姚導師的指導，同學的幫助，才能順利完成論文。</p><p><b>　　參考文獻</

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75、 of Boiler Operation using PLC – SCADA .Proceedings of the International MuultiConference of Engineers and Computer Scenstists 2008 Vol Ⅱ IMECS 2008,19-21 March,2008,Hong Kong </p><p>　　附錄1 Pt100熱電阻分度表</