【正文】 加熱爐溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)論文目　　錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景及意義 1 研究的主要內(nèi)容 1 系統(tǒng)的設計目標及技術要求 1 控制系統(tǒng)的設計原理 2 技術綜述 2第2章 硬件設計 4 西門子S7200 PLC 4 西門子S7200主要功能模塊介紹 4 開關量I/O模塊介紹 5 溫度傳感器 5 熱電偶 6 熱電阻 6 模擬量輸入模塊 8 EM231模擬量輸入模塊 8 EM232模擬量輸出模塊 10 可控硅電壓調(diào)整器 11 可控硅電壓調(diào)整器簡介 11 可控硅電壓調(diào)整器的主要性能指標 12 雙向可控硅交流調(diào)壓原理 12 可控硅電壓調(diào)整器在加熱爐中的應用 13 本章小結 14第3章 爐溫PID控制算法 15 PID控制器基本概念 15 PID控制算法數(shù)字化處理 16 PID在PLC中的回路指令 19 模擬量采集的數(shù)字濾波算法 21 采樣周期的選擇 23 PID參數(shù)整定 24 本章小結 27第4章 軟件設計 28 STEP7編程軟件簡介 28 方案設計思路 28 程序流程圖 30 系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn) 30 PLC爐溫控制系統(tǒng)的調(diào)試 31 本章小結 31第5章 組態(tài)畫面設計 32 組態(tài)王簡介 32 組態(tài)畫面設計 32 創(chuàng)建項目 32 創(chuàng)建主畫面 34 建立實時趨勢曲線 35 創(chuàng)建報警窗口 35 建立系統(tǒng)原理畫面 36 建立參數(shù)監(jiān)控畫面 37 本章小結 38第6章 系統(tǒng)調(diào)試 39 組態(tài)王與S7200的通信 39 啟動組態(tài)王 39 參數(shù)設定和監(jiān)控 40 報警信息提示 41 趨勢曲線監(jiān)控 42 本章小結 43結論 44致謝 45參考文獻 46附錄１ 47附錄2 49附錄3 52II第1章 　緒論 　課題背景及意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機械加工和食品加工等許多領域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐的溫度進行控制[1]。這方面的應用大多是基于單片機進行PID控制,然而單片機控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設計較為復雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處,然而PLC在這方面卻是公認的最佳選擇。隨著PLC功能的擴充在許多PLC控制器中都擴充了PID控制功能,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)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(zhì)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。這也正是本設計所重點研究的內(nèi)容。 　研究的主要內(nèi)容本課題的研究內(nèi)容主要有：1) 溫度的檢測；2) 采用PLC進行恒溫控制；3) PID算法在PLC中如何實現(xiàn)；4) PID參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響；5) 溫控系統(tǒng)人機界面的實現(xiàn)； 　系統(tǒng)的設計目標及技術要求本PLC溫度控制系統(tǒng)的具體指標要求是：對加熱器加熱溫度調(diào)整范圍為800℃—1000℃，溫度控制精度小于3℃，系統(tǒng)的超調(diào)量須小于15%，并具有溫度上下限報警功能和故障報警功能。軟件設計須能進行人機對話，考慮到本系統(tǒng)控制對象為電爐，是一個大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍較寬，所以本系統(tǒng)對過渡過程時間不予要求。 　控制系統(tǒng)的設計原理加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構成如圖11所示，它由PLC主控系統(tǒng)、可控硅電壓調(diào)整器、加熱爐、溫度傳感器、溫度變送器等幾個部分組成[2]。 圖11 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構成框圖通過調(diào)節(jié)雙向可控硅的通斷來調(diào)節(jié)電阻絲的輸出功率，由溫度檢測元件熱電阻將采集到的爐膛溫度信號，經(jīng)過溫度變送器轉換為電壓信號，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進來的電壓信號轉化為西門子S7200PLC可識別的數(shù)字量。用編制好的程序?qū)ζ溥M行計算，得到實際溫度值，在與給定的溫度值比較，得到的偏差經(jīng)過PID運算后，輸出的數(shù)字量經(jīng)過D/A轉換，在由模擬量輸出模塊送給可控硅電壓調(diào)整器，產(chǎn)生可控硅脈沖觸發(fā)信號，該信號觸發(fā)可控硅電路，最終由該電路驅(qū)動電爐的加熱絲，通過調(diào)整可控硅觸發(fā)信號（即調(diào)節(jié)供電電壓每個周期的導通角），即可控制電爐電壓的通斷及大小，進而達到控制爐溫的目的。 　技術綜述自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在電子技術的迅猛發(fā)展，以及自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應用。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術水平處于20世紀80年代中后期水平。成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復雜時變溫度系統(tǒng)控制，而且適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表國內(nèi)技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少?，F(xiàn)在，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外還有著一定的差距。溫度控制系統(tǒng)大致可分別用3種方式實現(xiàn)，一種是用儀器儀表來控制溫度，這種方法控制的精度不高。另一種是基于單片機進行PID控制，然而單片機控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設計較為復雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處, 而PLC 在這方面卻是公認的最佳選擇。隨著PLC功能的擴充在許多PLC 控制器中都擴充了PID控制功能。因此本設計選用西門子S7200PLC來控制加熱爐的溫度。第2章 　硬件設計隨著微處理器、計算機和數(shù)字通信技術的飛速發(fā)展，計算機控制已經(jīng)廣泛地應用在所有的工業(yè)領域?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做出迅速反應，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammable Logic Controller）正是順應這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎的通用控制裝置。本章主要介紹西門子S7200系列PLC以及其它硬件的組成與選型。 　西門子S7200 PLCS7200 系列 PLC 是由德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能夠滿足多種自動化控制的需求，其設計緊湊，價格低廉，并且具有良好的可擴展性以及強大的指令功能，可代替繼電器在簡單的控制場合，也可以用于復雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強的通信功能，在大型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用[3]。S7200系列可以根據(jù)對象的不同, 可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機架上。 西門子S7200主要功能模塊介紹S7200的CPU 模塊包括一個中央處理單元,電源以及數(shù)字I/O 點,這些都被集成在一個緊湊,獨立的設備中。CPU 負責執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)場設備中采集信號,輸出部分則輸出控制信號, CPU 模塊的功能來看, CPU 模塊為CPU22*,它具有如下五種不同的結構配置CPU 單元：①CPU221 它有 6 輸入/4 輸出,I/0 共計 10 ,程序和數(shù)據(jù)存 儲容量較小,有一定的高速計數(shù)處理能力,非常適合于少點數(shù)的控制系統(tǒng)。②CPU222 它有8 輸入/6 輸出，I/0 共計 14 點，和 CPU 221 相比,它可以進行一定的模擬量控制和2個模塊的擴展,因此是應用更廣泛的全功能控制器。③CPU224 它有 14 輸入/10 輸出，I/0 共計 24 點，和前兩者相比,存儲容量 擴大了一倍,它可以有 7個擴展模塊,有內(nèi)置時鐘,它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力,是使用得最多 S7200 產(chǎn)品。④CPU224XP 它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計 40 點,和 CPU224 相比,增加了 通信口的數(shù)量,通信能力大大增強。它可用于點數(shù)較多,要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。⑤CPU226它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計 40 點,它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進行了擴展,其他指標和 CPU224XP相同。 開關量I/O模塊介紹當 CPU 的 I/0 點數(shù)不夠用或需要進行特殊功能的控制時,就要進行 I/O 擴 展,I/O 擴展包括 I/O 點數(shù)的擴展和功能模塊的擴展。通常開關量 I/O 模塊產(chǎn)品 分 3 種類型:輸入模塊,輸出模塊以及輸入/輸出模塊。為了保證 PLC 的工作可 靠性,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術措施。如光電隔離,輸入保護(浪 涌吸收器,旁路二極管,限流電阻),高頻濾波,輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。由于 PLC 要控制的對象有多種,因此輸出模塊也應根據(jù)負載進行選擇,有直流輸出模塊, 交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開關器件種類不同又分為 3 種：繼電 器輸出型,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中,從輸出響應速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中；若從 與外部電路安全隔離角度看,繼電器輸出型最好。在實際使用時，亦應仔細查看開關量 I/O 模塊的技術特性，按照實際情況進行選擇。 由于本系統(tǒng)是單回路的反饋系統(tǒng)，CPU224XP相比與其他型號具有更好的硬件指標，其上自帶有模擬量的輸入和輸出通道，因此節(jié)省了元器件的成本，CPU224XP自帶的模擬量I/O規(guī)格如表21所示： 表21 模擬量I/O配置表I/O信號 信號類型電壓信號電流信號模擬量輸入*2177。10V/模擬量輸出0~10V0~20mACPU224XP自帶的模擬量輸入通道有2個，模擬量輸出通道1個。在S7200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號的數(shù)值范圍是0~32000，雙極性模擬信號的數(shù)值范圍是32000~+32000[4]。 　溫度傳感器溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發(fā)，應用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學會的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。在半導體技術的支持下，本世紀相繼開發(fā)了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。 熱電偶 工業(yè)熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中不同范圍的溫度。若配接輸出420mA、010V等標準電流、電壓信號的溫度變送器，使用更加方便、可靠。對于實驗室等短距離的應用場合，可以直接把熱電偶信號引入PLC進行測量。熱電偶的工作原理是,兩種不同成份的導體,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當熱端和冷端存在溫差時，就會在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應；接上顯示儀表，儀表上就會指示所產(chǎn)生的熱電動勢隨動勢的對應溫度值，電溫度升高而增長。熱電動勢的大小只和熱電偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關，而和熱電偶的長短粗細無關。根據(jù)使用場合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。 熱電阻 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度測量元件。熱電阻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。當電阻值變化時，二次儀表便顯示出電阻值所對應的溫度值。通常用PT100來表示,其中PT后的100即表示它在0℃時阻值為100歐姆，在100℃。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定，典型的有銅熱電阻、鉑熱電阻等,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，它的阻值會隨著溫度的變化而改變，在200～+850℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢。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。作為測溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們提供精確的輸入值。若做成一體化溫度變送器，可輸出420mA標準電流信號或010V標準電壓信號，使用起來更為方便。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關系，所以需要進行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對應起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實測的AD值以查表方式計算相應溫度值[5]。工業(yè)上將鉑電阻R0分別在50Ω和100Ω（稱Pt100）的條件下，制成相應Rtt關系制成分度表，供查用。如表22所示：表22 鉑熱電阻分度表工作端溫度/℃Pt100工作端溫度/℃Pt100工作端溫度/℃Pt10050100250401102