【正文】 603012027020130280101402900150300101603102017032030180330401903405020035060210360702203708023038090240390常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。本設(shè)計采用的就是三線制電橋接線。如圖21所示： 圖21 熱電阻三線制電橋接法由于鉑熱電阻測出的是溫度變化，需要在將信號輸入PLC前加一個溫度變送器，將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。本系統(tǒng)采用的是010V標(biāo)準(zhǔn)溫度變送器，使用過程中要加一個24V的電源，該電源可以從PLC上直接獲得。如圖22所示：圖22 PT100標(biāo)準(zhǔn)一體化溫度變送器接線圖 模擬量輸入模塊S7200系列PLC模擬量I/O模塊主要由EM231模擬量4路輸入、EM232模擬量2路輸出和EM235模擬量4輸入/1輸出混合模塊3種，另外還有EM231模擬量輸入熱電偶模塊和EM231模擬量輸入熱電阻模塊[7]。 EM231模擬量輸入模塊 傳感器檢測到溫度轉(zhuǎn)換成0～10V的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入PLC內(nèi)部的模擬量輸入寄存器AIW中。在這里，我們選用了西門子EM231模擬量輸入模。存儲在16位模擬量寄存器AIW中的數(shù)據(jù)有效位為12位，其格式如圖23所示。對單極性格式，最高位為符號位，最低3位是測量精度，即A/D轉(zhuǎn)換是以8為單位進(jìn)行的；對于雙極性格式，最低4位為轉(zhuǎn)換精度，A/D轉(zhuǎn)換是以16為單位進(jìn)行的。圖23 模擬量輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字量格式使用模擬量輸入模塊時，首先需要根據(jù)模擬量信號的類型及范圍通過模擬量模塊有右下側(cè)的DIP設(shè)定開關(guān)進(jìn)行輸入信號的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設(shè)計選用的電壓信號為0~10V作為模擬量模塊的輸入信號，則DIP選擇開關(guān)應(yīng)選為SW1開、SW2關(guān)、SW3開。使用模擬量輸入模塊時，首先需要根據(jù)模擬量信號的類型及范圍通過模擬量模塊有右下側(cè)的DIP設(shè)定開關(guān)進(jìn)行輸入信號的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設(shè)計選用的電壓信號為0~10V作為模擬量模塊的輸入信號，則DIP選擇開關(guān)應(yīng)選為SW1開、SW2關(guān)、SW3開。如圖24所示： 圖24 EM231選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表選好DIP開關(guān)的設(shè)置后，還需對輸入信號進(jìn)行整定，輸入信號的整定就是要確定模擬量輸入信號與數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系，通過設(shè)定DIP設(shè)定開關(guān)左側(cè)的增益旋鈕可調(diào)整該模塊的輸入輸出關(guān)系。為了使DIP開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給PLC的電源斷電再通電。如圖25所示：圖25 EM231模擬量輸入模塊端子及DIP開關(guān)示意圖經(jīng)上述調(diào)整后，若輸入電壓范圍為0~10V的模擬量信號，則對應(yīng)的數(shù)字量結(jié)果應(yīng)為0~32000或所需要數(shù)字 EM232模擬量輸出模塊 EM232模擬量輸出的過程是將PLC模擬量輸出寄存器AQW中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為可用于驅(qū)動元件的模擬量，其外部接線端子及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖26所示：圖26 EM232模擬量輸出模塊外部接線圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖可知，存儲于AQW中的數(shù)字量經(jīng)EM232模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器分為兩路信號輸出，一路經(jīng)電壓輸出緩沖器輸出標(biāo)準(zhǔn)的10~+10V 電壓信號，令一路經(jīng)電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出標(biāo)準(zhǔn)的0～20mA的電流信號。在16位的模擬量輸出寄存器AQW0中的數(shù)字量其有效位為12位，格式如圖27所示。數(shù)據(jù)的最高有效位是符號位，最低4位在轉(zhuǎn)換為模擬量輸出值時，將自動屏蔽。圖27 模擬量輸出數(shù)據(jù)之間的數(shù)字量格式 　可控硅電壓調(diào)整器 可控硅電壓調(diào)整器簡介 ZK系列可控硅電壓調(diào)整器與可控硅配合使用，能作為單相或三相的電壓功率調(diào)整，其調(diào)節(jié)精度較高，抗干擾能力強(qiáng)。能以自動方式（外給定信號）或手動發(fā)式（內(nèi)給定）對單向或雙向可控硅進(jìn)行移相或過零觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)可控硅調(diào)功或調(diào)壓控制。其中移相觸發(fā)方式是通過改變可控硅導(dǎo)通角大小，調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓，從而調(diào)節(jié)負(fù)載加熱功率，而過零觸發(fā)方式則是通過改變可控硅在一定周期內(nèi)的通斷時間，調(diào)節(jié)負(fù)載電源通斷的占空比，從而調(diào)節(jié)負(fù)載加熱功率，通過與相應(yīng)的控制儀表配合使用實(shí)現(xiàn)負(fù)載對象輸入功率的自動調(diào)節(jié)，達(dá)到精確控制溫度的目的[9]。本系列儀表采用了先進(jìn)的脈沖信號處理技術(shù)及抗干擾處理，控制輸出采用小型晶閘管強(qiáng)觸發(fā)方式，并引進(jìn)先進(jìn)的光點(diǎn)耦合技術(shù)進(jìn)行光電隔離，相位采集和脈沖信號傳輸，并采用光條代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動圈表頭指示輸出功率，從而使本系列控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）優(yōu)異的抗干擾性能。（2）采用新穎的小型晶閘管強(qiáng)觸發(fā)電路，觸發(fā)電路與電網(wǎng)實(shí)行光電隔離，從而保證各種可控硅快速可靠開通，安全可靠。（3）手動、自動控制可任意按鍵切換，操作直觀方便，功率指示燈為光條指示百分比，清晰直觀無視差。有0~10mA , 4~20m A,0~5V,1~5V等多種控制觸發(fā)信號輸入方式供選擇。（4）晶閘管運(yùn)行時無噪音，壽命長，功率因數(shù)高。（5）體積小，重量輕，操作簡單，使用方便，接線容易，無需調(diào)試（6）可用于各種單相電路以及三相負(fù)載星型接法及三角形接法。 可控硅電壓調(diào)整器的主要性能指標(biāo)本設(shè)計采用ZK1可控硅電壓調(diào)整器，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）輸入信號：0~10mA（輸入阻抗800Ω）或4～20mA（輸入阻抗250Ω）；（2）輸入脈沖：幅值不小于3V、寬度不小于50 us(20Ω負(fù)載時)；（3）移相觸發(fā)型最大導(dǎo)通角，不小于150度；（4）工作環(huán)境：溫度050℃相對濕度不超過85%的無腐蝕性氣體場合；（5）電源：交流220V177。15%,50Hz約3VA；（6）重量：； 雙向可控硅交流調(diào)壓原理雙向可控硅交流調(diào)壓原理：一只雙向可控硅的工作原理，可等效兩只同型號的單向可控硅互相反向并聯(lián)，然后串聯(lián)在調(diào)壓電路中實(shí)現(xiàn)其可控硅交流調(diào)壓的。為50Hz交流電的電壓波形。在0～α?xí)r間內(nèi)，SCR1因控制極Ｇ無正脈沖信號而正向阻斷，而SCR2則反向不導(dǎo)通。在α～π時間內(nèi),SCR1控制極Ｇ受觸發(fā)脈沖觸發(fā)而導(dǎo)通.。如圖28所示：圖28 雙向可控硅導(dǎo)通原理圖將可控硅在正向陽極電壓作用下不導(dǎo)通的范圍稱為控制角，用字母ａ表示，而導(dǎo)通范圍稱為導(dǎo)通角，用字母θ表示。顯然控制角ａ的大小，可改變正負(fù)半周波形切割面積的大小。當(dāng)ａ越小被切割的波形面積越小，輸出交流電壓的平均值越大。相反，當(dāng)ａ角越大，被切割的波形面積越大，輸出交流電壓的平均值越小。例如在30度加一脈沖，可控硅只能通過余下的150度的電壓。加熱器倆端的電壓受可控硅觸發(fā)角ａ的控制，通過控制加在可控硅控制極觸發(fā)脈沖的時刻（ａ的大?。┘纯蓪?shí)現(xiàn)加熱器的功率或溫度的調(diào)節(jié)。當(dāng)ａ增大時，電阻絲兩端電壓U降低，加熱器功率下降，溫度降低，反之，則溫度升高。 可控硅電壓調(diào)整器在加熱爐中的應(yīng)用1. ZK1可控硅電壓調(diào)整器在220V加熱爐中的應(yīng)用ZK1可控硅電壓調(diào)整器作為單相電壓調(diào)整器，其工作電壓為220V,當(dāng)工作處于手動或自動狀態(tài)時，隨著輸入信號的變化，輸出的門控信號的移相范圍也跟著變化，從而改變可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到不同的輸出電壓比例，導(dǎo)通角的范圍是0~100%,調(diào)整電壓范圍是0~220V這樣可以通過控制加熱元件的發(fā)熱功率來控制溫度。使用時，需在可控硅的輸出端加上反饋，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。ZK1可控硅電壓調(diào)整器在電加熱爐系統(tǒng)中的硬件框圖如下圖29所示：圖29 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件框圖2. ZK1可控硅電壓調(diào)整器在380V加熱爐中的應(yīng)用在交流380V電加熱爐設(shè)備中，電源電壓為380V，在設(shè)備的調(diào)試和使用中發(fā)現(xiàn)，即使ZK1可控硅電壓調(diào)整器的導(dǎo)通角達(dá)到100%，輸出電壓始終上不去，限制在220V左右，這與要求輸出的380V電壓相差甚遠(yuǎn)。因?yàn)閆K1可控硅電壓調(diào)整器的工作電壓為交流220V，電路系統(tǒng)當(dāng)中，其工作電壓和反饋電壓都是以220V為標(biāo)準(zhǔn)，輸出電壓比例為0~100%。這樣，在主回路為交流380V電路系統(tǒng)中，要想達(dá)到220V的輸出，通過從輸出端直接加反饋至ZK1可控硅電壓調(diào)整器的反饋輸入端，顯然達(dá)不到目的。所以，我們在輸出端至反饋輸入端之間加一個控制變壓器（380V/220V），這樣輸出電壓就可以達(dá)到0~380V。反饋回路加變壓器控制原理圖如下圖210所示。圖210 反饋回路加變壓器控制原理圖3. ZK1可控硅電壓調(diào)整器接口匹配情況在電加熱爐系統(tǒng)中，本系統(tǒng)選用的模擬量輸出信號為0~10V的電壓信號，與ZK1可控硅電壓調(diào)整器的輸入信號（要求0~10mA電流信號）不匹配，解決方法如下：（1）使用變流器，將0~10V的電壓信號轉(zhuǎn)換為0~10mA電流信號。（2）對ZK1可控硅電壓調(diào)整器的信號輸入電路作部分改動，即增大輸入電阻值。 　本章小結(jié)本章主要介紹了本系統(tǒng)的主要硬件的設(shè)計，包括S7200的選型、溫度傳感器的選擇、還有可控硅電壓調(diào)整器的選型，詳細(xì)介紹了各個器件的硬件特性以及在整個控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。第3章 爐溫PID控制算法在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的[11]。 　PID控制器基本概念比例（P）控制：比例控制是一種最簡單,最常用的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error）。 積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖31所示： 圖31 PID模擬控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器的微分方程和傳遞函數(shù)形式為: Error! No bookmark name given. ( ) （） 　PID控制算法數(shù)字化處理為了能讓數(shù)字計算機(jī)處理這個控制式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值，數(shù)字計算機(jī)處理的算式如下：Mn =Kc*en +Ki*∑ex+Mintial+Kd*(enen1) （） 輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中：Mn 在采樣時刻n，PID回路輸出的計算值 Kc PID回路增益 en 采樣時刻n回路的偏差值 en1 回路的偏差值的前一個值 ex 采樣時刻x的回路偏差值 Ki 積分項(xiàng)的比例常數(shù) Mintial 回路輸出的初始值 Kd 微分項(xiàng)的比例常數(shù)從這個公式可以看出，積分項(xiàng)是從第一個采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差項(xiàng)的函數(shù)，微分項(xiàng)是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項(xiàng)是當(dāng)前采樣的函數(shù)，在數(shù)字計算機(jī)中，不保存所有的誤差項(xiàng)，實(shí)際上也不必要。由于計算機(jī)從第一次采樣開始，每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，只要保存偏差前值和積分項(xiàng)前值。作為數(shù)字計算機(jī)解決的重復(fù)性的結(jié)果，可以得到在任何采樣時刻必須計算的方程的一個簡化算式。簡化算式是：Mn =Kc*en +Ki*en +MX+Kd*(enen1) （）輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中：Mn 在第n采樣時刻，PID回路輸出的計算值 Kc PID回路增益 en 采樣時刻n回路的偏差值 en1 回路的偏差值的前一個值