【正文】 ............. 30 單回路 PID 控制器的參數(shù)整定 ................................................................................. 33 電加熱器溫度控制的實現(xiàn) ......................................................................................... 34 FB41 模塊 ........................................................................................................ 34 PID溫度控制的實現(xiàn) ......................................................................................... 35 調試的結果分析 ................................................................................................ 37 6 總結 ...................................................................................................................................... 43 寧波大學 科學技術 學院本科畢業(yè)設計（論文） V 參考文獻 ...................................................................................................................................... 44 致謝 ............................................................................................................................................. 45 附錄 ............................................................................................................................................. 46 1 緒論 選題背景及其意義 溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)控制領域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機的溫度控制系統(tǒng)等。鍋爐溫度是一個大慣性系統(tǒng)，一般采用 PID調節(jié)進行控制。 隨著我國經濟的迅速發(fā)展，能源短缺已成為制約我國工業(yè)發(fā)展的重要阻礙，社會各界都對此積極關注。目前面向節(jié)能降耗、提高軋制產品質量和產量設計的加熱爐工程控制計算機系統(tǒng)已廣泛的應用于現(xiàn)代冶金企業(yè)的加熱爐生產控制中。設計一套完善可行的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)有其巨大的經濟價值、環(huán)保意義。 加熱爐是利用電能來產生蒸汽或熱水的裝 置。因為其效率高、無污染、自動化程度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，冶金、機械、化上等各類上業(yè)生產過程中廣泛使用電加熱爐對溫度進行控制。而傳統(tǒng)的加熱爐普遍采用繼電器控制。由于繼電器控制系統(tǒng)中，線路龐雜，故障查找和排除都相對困難，而且花費大量時間，影響工業(yè)生產。隨著計算機技術的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)勢必被 PLC所取代。二十世紀七十年代后期，伴隨著微電子技術和計算機技術的快速發(fā)展，也使得 PLC具有了計算機的功能，成為了一種以電子計算機為核心的上業(yè)控制裝置，在溫度控制領域可以讓控制系統(tǒng)變得更高效，穩(wěn)定且維護方便。 在過去的 幾十年里至今， PID控制己在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。在工業(yè)自動化的三大支柱 (PLC、上業(yè)機器人、 CADICAM)中位居第一。由于其原理簡單、使用方便、適應能力強，在工業(yè)過程控制中 95%甚至以上的控制回路都采用了 PID結構。雖然后來也出現(xiàn)了很多不同新的算法，但 PID仍舊是最普遍的規(guī)律。 工業(yè)控制領域 PLC 的控制 可編程控制器 PLC具備了體積小，組裝靈活和 編程簡單 等的特點。 在工業(yè)控制領域中， 也是正因為 PLC具有了這些 穩(wěn)定 并且可靠的特點，在社會上予以 得到 了 廣泛的應用。 也因為 PLC中數(shù)據(jù)的計算機處理能力相對較 弱 ，不能給用戶提供 很 好的界面 跟操作 等。而計算機 具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和分析管理能力，正好 能彌補 PLC的不足 跟缺陷 ， 并且 在 DELPHI中容易得到使用 ，這樣能給用戶提供更多的便捷之處 。 兩者的結合，更是編程技術上的進步。 當利用變頻器構成自動控制系統(tǒng)進行控制時，很多情況下是采用 PLC和變頻器相配合使用， PLC可提供控制信號和指令的通斷信號。一個 PLC系統(tǒng)由三部分組成，即中央處理單元、輸入輸出模塊和編程單元。 電加熱器的控制及其 PLC 的實現(xiàn) 過程控制過程控制是對針對模擬量的工作過程，是通過控制是 PLC元件穩(wěn)定性的保證，要始終將濕度范圍控制在 85％以下。 隨著 社會在數(shù)字電子技術以及 計算機技術 方面的 不斷 發(fā)展 ， 同時 PLC也 跟著突飛猛進的進步 ，在這 PLC 應用領域不斷增大，以及加強了 PLC 功能發(fā)展發(fā)面的東西的同時 ，不但使 得 PLC的功能變得更優(yōu)化 善，也使 得 PLC在 實際 情況 中 的應用中 存在的問題 ，予以得到更加深沉的思索和探索 。PLC 中 通信功能的 日漸完美化， 提供了更加可靠的數(shù)據(jù)傳輸 ，尤其是在 工業(yè) 生產方面的 遠程 數(shù)據(jù) 控制， 以便 適合 越來越繁瑣的 工業(yè)生產場合。 PLC在工業(yè)領域作用的日益重大，不但是今后工業(yè)自動化發(fā)展的有力支撐，也是工業(yè)化生產的主要依托。 國內外發(fā)展情況 一 些先進國家在二十世紀七十年代后期到八十年代初期就開始研發(fā)電熱鍋爐，中國到八十年代中期才開始起步，對電加熱爐的生產過程進行計算機控制的研究。直到九十年代中期，不少企業(yè)才開始應用計算機控制的連續(xù)加熱爐，可以說發(fā)展緩慢，而且對一于國內的溫度控制器，總體發(fā)展水平仍不高，不少企業(yè)還相當落后。與歐美、日本，德國等先進國家相比，其差距較大。目前我國的產品主要以 “ 點位 ” 控制和常規(guī) PID為主，只能處理一些簡單的溫度控制。對于一些過程復雜的，時變溫度系統(tǒng)的場合往往束手無策。而相對于一些技術領先的國家，他們生產出了一批能夠適應于大慣性、大滯后、過程復雜，參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)。并且普遍采用自適應控制、模糊控制及計算機技術。 近年來，伴隨著科學技術的不斷快速發(fā)展，計算機技術的進步和檢測設備及性能的不斷提升，人上智能理論的實用化。因此，高精度、智能化、人性化必然是國內外必然的發(fā)展趨勢。據(jù)統(tǒng)計，當今世界 PLC生產廠家約 150 家，生產 300 多個品種 ， 2021年銷售額約為 86億美元，占 到絕大部分的工業(yè)控制計算機 市場份額 ，這邊明 PLC在 工業(yè)控制計算機 市場 中 起到 主 頭作用。 本課題主要研究的內容 基本研究內容 以 PLC 控制為核心， PLC 將加熱爐溫 度設定值與溫度傳感器的測量值之間的偏差，經過 PID運算后得到的信號控制輸出電壓的大小，采用 PID 算法，運用 PLC編程語言編程，從而調節(jié)加熱器加熱，實現(xiàn)溫度的自動控制。 在監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的采集整理方面，本課題設計采用的是 WinCC 組態(tài)軟件，來進行數(shù)據(jù)的采集以及系統(tǒng)的實時監(jiān)控。 本設計 系統(tǒng)選用 S7300PLC為控制器，用熱電偶檢測爐溫，溫度變送器將熱電偶輸出的微弱信號轉換為標準信號。然后送給模擬量輸入模塊，經 A/D 轉換成數(shù)字量。 CPU 將它與溫度設定值作比較，并按 PID控制算法對誤差進行運算，將結果送給模擬量輸 出模塊，經 D/A轉換變?yōu)槟M信號。寧波大學 科學技術 學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 用來控制可控硅的一導通角大小，從而調節(jié)電熱絲的加熱，改變溫度大小。 需要解決的關鍵問題 （ 1） 西門子 S7300 PLC 硬件組態(tài)的設置 。 （ 2） 西門子 Win CC 組態(tài)的設置 。 （ 3） 本設計實驗對象數(shù)學模型的建立 。 （ 4） 實現(xiàn)溫度控制的 PID 控制策略 。 電加熱器的控制及其 PLC 的實現(xiàn) 2 電加熱過程控制試驗系統(tǒng)裝置簡介 AE2021A 型實驗裝置簡述 AE2021A 型過程控制實驗裝置吸取了國外同類實驗裝置的特點和長處，并與目前大型工業(yè)自動化現(xiàn)場緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)上廣泛使用并處于領先的 AI智能儀表加組態(tài)軟件控制系統(tǒng)、 DCS(分布式集散控制系統(tǒng) )，經過精心設計，多次實驗和反復論證，推出的一套基于本科，著重于研究生教學、學科基地建設的實驗設備。 實驗裝置 如圖 21所示： 圖 21 系統(tǒng)結構圖 電加熱器過程結構及數(shù)學模型 電加熱器的系統(tǒng)結構 1） AE2021A實驗對象檢測及執(zhí)行裝置包括： （ 1） 檢測裝置： Pt100 熱電阻溫度傳感器分別用來檢測鍋爐內膽、鍋爐夾套和對流換熱器冷水出口、熱水出口、純滯后盤管出口水溫。 寧波大學 科學技術 學院本科畢業(yè)設計（論文） 5 溫度傳感器熱電阻是中低溫區(qū)最常用 的一種 溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱 電 阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。 溫度傳感器熱電阻 測 溫是 基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的 ， 從它引出的導線電阻發(fā)生變化，就會給測量溫度裝置帶來不必要的誤差，所以 溫度傳感器熱電阻大都 是 由純金屬材料制 做而 成 。 溫度傳感器熱電阻的測量溫度裝置，是由一些溫度傳感器熱電阻、接連之間的線以及儀器儀表之類相互構成的。 （ 2） 執(zhí)行裝置：三相可控硅移相調壓裝置用來調節(jié)三相電加。 三相調壓器又稱晶 閘管電力調整器、可控硅電力調整器 或 簡稱電力調整器。 其調壓裝置 是一種四層三端半導體器件，主要工作原理是將四層三端半導體器件，接在電源和負載中間，配上相應的觸發(fā)控制電路板，就可以調整加到負載上的電壓、電流和功率 ， 從而實現(xiàn)精密控溫。 主要用于各種電加熱裝置的加熱功率調整，既可以 “ 手動 ” 調整，又可以和電動調節(jié)儀表、智能調節(jié)儀表、 PLC以及計算機控制系統(tǒng) 相 配合，實現(xiàn)對加熱溫度的恒值或程序控制。 2） 鍋爐：鍋爐內膽中有電加熱器，可以控制進行加熱。鍋爐由內膽和夾套兩部分組成，夾套的溫度是由鍋爐來熱傳導進行的。 如圖 22 圖 22 AE2021A實驗控制對象 實物圖 電加熱器的控制及其 PLC 的實現(xiàn) 西門子可編程控制器 隨著現(xiàn)代電子技術的不斷更新和發(fā)展， PLC 可編程控制器的優(yōu)越性就體現(xiàn)的淋漓精致，其凸顯的快速性，穩(wěn)定性，安全方便性越加符合現(xiàn)代社會一些有關于制造的公司和企業(yè)要求。 PLC 控制器生產出來的產品具有成本低并且質量要求都可靠的，故 PLC可編程控制器占到的很多的優(yōu)勢和主動權，在社會市場中具有良好的口碑， 現(xiàn)在 已經 變 成為當 今 工業(yè) 控制自動化的重 要支柱之一。 PLC 的特點 1) 編程方法簡單易學 PLC編程語言 中， 梯形圖 易學易懂，圖形比較簡單， 是 應用 最多 的編程方式 ， 其電路符號和表達式與繼電器電路原理圖 很 相似 。 2) 功能 使用方便以及全面 ，性 價 比 也 高 功能強大，能同時供應上萬個編程的元件，很快速的實現(xiàn)復雜的控制系統(tǒng)。跟同類別的相比具有很明顯的優(yōu)越性和價格低的優(yōu)點。 3) PLC的 硬件 強大 ，適應性強 PLC控制系統(tǒng)裝置中的各種硬件都能提供給大家使用和選擇。大家能隨心所遇的構成根據(jù)不同功能的，自己需要的控制系統(tǒng)，從而使用起來也非常方便可靠。 并且， PLC的負載能力極其強大，所以其適應性也廣泛全面。 4) 可靠，抗 干擾性能 強 以往的一些繼電器可能很容易出現(xiàn)問題故障，不能可靠的供用戶使用，但是 PLC還有其軟件功能，給用戶解決的不穩(wěn)定的因數(shù)，也排除了很多之前的故障問題。 PLC控制系統(tǒng)在長時間的使用中，都明顯的比以前的穩(wěn)定，產生的故障次數(shù)也減少很多，故其在惡劣的環(huán)境中也能正常工作。這給用戶正常使用控制器提供了保障，其抗干擾的能力是用戶公認的突出優(yōu)點。 5) 在其系統(tǒng)的設計、安裝、調試方面都比較方便 PLC之前為了解決不穩(wěn)定和故障的環(huán)節(jié)上，采用的軟件功能很明顯的使得控制柜在其中的安裝、調試和設計方面都面面俱到，大大的減少了很多工作量，比以前更加的優(yōu)越。 而 PLC軟件功能中的梯形圖設計程序，也是一個很容易掌握 和學習的知識，其易學易懂，設計方法也很明白簡單，能更好的被用戶習得，編程的時間也大大的減少了。 6) 維修工作量小， 并且很 方便 PLC具有其穩(wěn)定性和可靠性，所以產生的故障也很少，所以維修工作量也相當?shù)男?。再其具有自己軟件的調試診斷故障的能力，使得能讓用戶更加快速和方便的發(fā)現(xiàn)故障的所在，從而迅速解決和排除一些小故障。 寧波大學 科學技術 學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 7) PL