【正文】 ions to simulate on MATLAB and simulation singlephase AC power control module on PLC in the library, to that, the multistage resistance furnace control system design has been pleted. Key words ： multi－ segment resistance furnace。 temperature control of furnace。同時由于溫度控制精度較低，不能滿足比較高的工藝方案的要求。 第 2 頁 圖 改進后電阻爐電路示意圖 改進后的電阻爐系統(tǒng)，克服了污染電網(wǎng)的問題；避免了因局部線路瞬間電流過大而造成供電設備的老化；解決了因接觸器閉合瞬間電流過大而使電流表打表針問題；提高了電源設備的利用率。 爐溫的自動控制方式 爐溫自動控制系統(tǒng)是利用測溫儀表與自動化裝置組成的一個自動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。現(xiàn)階段的爐溫控制多采用比例積分微分調(diào)節(jié)器（ PID 調(diào)節(jié)器）組成的 PID自控系統(tǒng)進行控制。 第 4 頁 2 多段電阻爐溫度控制的方案 電阻爐是一個具有較大純滯后時間常數(shù)的溫度對象，精確可靠地測量和控制電阻爐的溫度，是保證試驗順利進行的必要條件。 交流調(diào)功的介紹 在冶金、工礦、科研等單位中，利用 PLC 組成測控系統(tǒng)，存在一個 PLC 的電子電路和電器電路互相連接的問題，一方面要使 PLC 的控制信號能夠控制電器電路的執(zhí)行元件（如電動機、電磁鐵、繼電器、燈泡等），另一方面，又要為 PLC 的電路和電器電路提供良好的電隔離，以保護 PLC 電路和人身的安全，固態(tài)繼電器 （ Solid State Relay，簡稱 SSR)能很好地完成這一橋梁作用 。 當輸入信號撤銷后 ， T1 進入飽和狀態(tài) ， 它 短路了 SCR 的控制電流 ， 因此 ， 在SCR 電流過零的瞬間 ， SCR 將截止 ， 一 旦 SCR 截止后 ， TRAC 也在其電流減小到小于堅持電流的瞬間自動關斷 ， 切斷負載與電源間的電流通道。 爐溫控制算法的選擇 在多段電 阻爐溫度控制系統(tǒng)中，要使電阻爐的溫度控制在上升、下降和保持這些過程中能得到良好的性能，關鍵是控制算法的選擇。變速積分 PID 可很好的解決好這一問題。 變速積分 PID 與普通 PID 仿真比較 為比較變速積分 PID 算法與普通 PID 控制算法在具有滯后現(xiàn)象對象中的效果，現(xiàn)對兩種算法 的階躍響應 進行仿真比較。為解決這個問題，在系統(tǒng)中對中間段進行 了 前饋控制。以 S7200 PLC系列中的 CPU224作為下位機控制器，并帶有輸入擴展模塊 EM231TC作為模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。同時， B 段熱電偶接至 WP 系列變送器將當前溫度值顯示于顯示屏，形成溫度顯示模塊，并通過 EM235 形成溫度反饋電路。 交流固體繼電器目前已廣泛應用于計算機外圍接口裝置，電爐加熱恒溫系統(tǒng)，數(shù)控機械，遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動化裝置；信號燈、閃爍器、照明舞臺燈光控制系統(tǒng)；儀器儀表、醫(yī)療器械、復印機、自動洗衣機；自動消 防、保安系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率補償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關等等，另外在化工、煤礦等需防爆，防潮，防腐蝕場合中都有大量使用。 EM231TC / EM235 模塊參數(shù)及接線 系統(tǒng)中為完成對溫度信號的模擬量輸入功能的實現(xiàn)，采用 EM231TC 作為模擬量輸入模塊。 ? 電流： mA20~0 。 熱電偶模塊需要用戶通過 DIP 開關進行選擇熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷端補償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組態(tài) DIP 開關進行以上選擇。上位機為 PC 機，進行溫度控制系統(tǒng)的監(jiān)控和程序的加載；下位機以 S7200PLC 為控制器，配以 EM231TC、 第 17 頁 EM23單相交流固體繼電器模塊、熱電偶、溫度顯示屏等設備構(gòu)成。 STEP 7－ Micro/WIN 需要安裝、運行在使用 Microsoft（微軟）公司的 Windows操作系統(tǒng)的計算機上。 溫度采集程序設計 從熱電偶采集到的溫度信號為 0～ 41mV 的模擬量電壓信號，而 PLC 程序中要用到的是數(shù)字量 信號，故在設計中在熱電偶和 PLC 之間使用具有熱電偶輸入的 EM231TC 模擬量輸入模塊 [11]，自動將 0～ 41mV 間的電壓信號轉(zhuǎn)換為 0～ 32021 間的數(shù)字量，供控制程序使用。具體實現(xiàn)方法見附件 A。 PPI（點對點接口）是西門子專門為 S7－ 200 系統(tǒng)開發(fā)的通訊協(xié)議。自由口模式的數(shù) 據(jù)字節(jié)格式總是有一個起始位和一個停止位，用戶可以選擇 7 位或者 8 位數(shù)據(jù)，也可以選擇是否有校驗以及是奇校驗還是偶校驗。 在程序中設置下 位機與上位機通訊方式為 PPI 和自由口通訊模式。 第 26 頁 結(jié) 論 在現(xiàn)代控制領域中 ,精密溫度控制是最重要的研究課題之一。從對變速積分 PID 控制算法和普通 PID 控制算法的 MATLAB 仿真可知，變速積分 PID 控制算法具有超調(diào)小，過渡時間短等優(yōu)點，又考慮三段電阻爐內(nèi)溫度不均， 需進行解耦，故算法中使用了帶有解耦控制輸出的變速積分 PID 控制算法。 close all。) u_1=0。 error_1=0。kd=12。 M=2。 end if u(k)=0 u(k)=0。y_1=yout(k)。r39。 figure(2)。Integration rate f39。)。rin,yout39。b39。 y_3=y_2。 end u(k)=kp*error(k)+kd*(error(k)error_1)/ts+ki*f(k)*ei。B=。% output transfer function error(k)=rin(k)yout(k)。y_2=0。) [num,den]=tfdata(dsys,39。在設計中，不僅學到了很多新的知識，更重要的是培養(yǎng)了我獨立動手設計以及在自學能力，這是畢業(yè)設計最大的收獲。本設計上位機基于 Windows XP 操作系統(tǒng)，使用 STEP7Micro/ 進行變 速積分 PID 控制算法的編寫，下位機以 PLC 作為控制器，進行電阻爐溫的控制。程序清單如下： 主程序為： 第 25 頁 然后連接單相交流固體繼電器模塊，用 輸出端口連接固態(tài)繼電器的輸入端，220V 交流電通過調(diào)壓模塊連接一個 1000W 的燈泡，其連接圖如圖 所示。 用 PC/PPI 電纜連接 PG/PC 和 CPU，將 CPU 前蓋內(nèi)的模式選擇開關設置為STOP，給 CPU 供電。 PPI 支持的通訊速率為 波特、 波特和 波特。本設計中要完成的功能是上位機（ PC 機）控制程序的下載和 PLC 每當10s 定時來臨，將接收到的三段溫度值發(fā)送至上位機，供上位機監(jiān)控系統(tǒng)顯示。 第 20 頁 入 口根 據(jù) 每 段 溫 度 值 ， 計算 溫 度 偏 差 e ( k )由 e ( k ) 計 算 每 段 K i的變 系 數(shù) f [ e ( k ) ]調(diào) 用 控 制 算 法 子 程 序計 算 各 段 控 制 量 U ( k )返 回 圖 控制算法流程圖 控制輸出程序 根據(jù)控制算法得到的控制量的輸出，必須由輸出子程序來完成。本設計中系統(tǒng)控制程序設計包括溫度信號采集、變速積分 PID 控制算法程序、上下位機通信程序、控制信號輸出等模塊設計。 STEP－ Micro/WIN 用于 S7－ 200系列 PLC 的程序編輯，支持三種編程模式： LAD（梯形圖）、 FBD（功能模塊）和STL（語句表），便于用戶選用； Micro/WIN 還提供程序在線編輯、調(diào)試、監(jiān)控，以及 CPU 內(nèi)部數(shù)據(jù)的監(jiān)視、修改功能； Micro/WIN 支持符號表編輯和符號尋址，用戶可以為數(shù)據(jù)指定易懂的文字符號名； Micro/WIN 還支持子程序、中斷程序的編輯，提供集成庫程序功能，以及用戶定義的庫程序； Micro/WIN 還集成了 TD200 向?qū)А? 因為 EM235 輸出的模擬量是控制全隔離單相交流調(diào)壓模塊 ， 所以在輸出端要連接電壓負載端子，而其輸入是從 WP 系列顯示屏接過來的，在本設計中采用單極性，量程為 0~5V 的電壓輸入類型，全隔離單相交流調(diào)壓模塊兩段分別接電壓發(fā)送器的兩端。 EM231 熱電偶模塊提供一個方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型： J， K，E， N， S， T， 和 R 型，它也允許連接微小的模擬量信號 （ 177。 2. EM235，模擬量混合輸入 /輸出（ AI/AO）模板 ? 模擬量輸入 4 路，模擬量輸出 1 路。 S7200PLC 硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式加積木式，即主機中包含一定數(shù)量的輸入 /輸出（ I/O）點，同時還可以擴展 I/O 模塊和各種功能模塊。 固體繼電器工作可靠，壽命 長，無噪聲，無火花，無電磁干擾，開關速度快，抗干擾能力強，且體積笑，耐沖擊，耐振蕩，防爆，防潮，耐腐蝕，能與 TTL、 DTL、HTL 等邏輯電路兼容，以微小的控制信號達到直接驅(qū)動大電流負載。 PLC 將控制量加到單相交流 固態(tài) 繼電器調(diào)功模塊，進行負載功率的調(diào)節(jié)，達到控溫目的；同時從熱電偶得到的溫度信號傳送至 WP 系列變送器，進行溫度顯示，并且通過顯示屏的模擬量輸出口接至 EM235 的模擬量輸入口，進行溫度信 號的采集。 在設計中，要求 B 段有溫度顯示電路，而 A、 C 兩段不需要，故本節(jié)將對 B 段和 A 段硬件組成進行介紹。三段電阻爐內(nèi)三段電阻絲所處的位置不同， 因此 三個位置溫度受外界因素影響的大小也不同，故其溫度 控制還與空間分布有關。 因此，其積分速度在 ???10 )(kii Tiek和 ??KIi Tiek 0 )(之間 。積分系數(shù)取大了會產(chǎn)生超調(diào)，甚至飽和，取小了又遲遲不能消除靜差。 設在設定的周期 T 內(nèi)控制加到 SSR 輸入端的 n ( Nn? ) 個完整的正弦波周期數(shù) ， 則負載功率： RsNnUP /2? （ ） 式中 U 為電網(wǎng)電壓有效值 ,Rs 為負載有效電阻。 R 1R5R3R2R4R9R6R 8R 7G DT 1T 2S C RT R A CC+ 圖 過零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)圖 當無信號輸入時 ， T1 管導通 , SCR 處于關斷狀態(tài) ， SSR 是斷開狀 。目前工業(yè)上普遍采用交流固體繼電器的交流調(diào)功控制和全隔離三相交流調(diào)壓模塊的交流調(diào)壓控制這兩種控制輸出方式。 通過 查找 PLC、全隔離單相交流調(diào)壓模塊、上下位機通訊等方面的資料，閱讀相關教材內(nèi)容、論文和資料，確定 了 多段電阻爐溫度控制的硬件 的選型 和軟件 程序的 設計 。它的工作原理是在給定溫度附近，儀表的觸點不停的周期性的斷開和接通，且斷開和接通的時間隨實際溫度和給定溫度的偏差變化而變化，則控制觸點的通斷動作就起到了相當于連續(xù)調(diào)節(jié)電阻爐輸入功率的作用，使爐溫的控制質(zhì)量有了一定的提高。 80 年代以來，繼電器控制系統(tǒng)已經(jīng)基本不用，而智能化控制儀表和可編程控制器 PLC 的綜合控制方式已經(jīng)普及。 SSR 的信號輸入端串聯(lián)接到溫控儀的信號輸出端，達到對 SSR 工作的控制，改進后電阻爐電路示意圖見圖 。 多段電阻爐的研究狀況及成果 早期型號的電阻爐電氣系統(tǒng)多采用接觸器加溫控儀表的方式，即通過溫控儀表對爐膛內(nèi)熱電偶采集的溫度信號進行處理來控制接觸器的通斷，從而達到對電阻爐加熱和保溫的控制。 本設計首先對電阻爐的研究現(xiàn)狀、發(fā)展過程以及設計目的進行介紹，確定了以三段電阻爐作為控制對象；其次，根據(jù)系統(tǒng)的要求選擇控制輸出方式和控制算法，確定了采用單相交流固態(tài)繼電器的控制輸出方式和帶有解耦控制輸出的變積分 PID控制算法；最后介紹了系統(tǒng)硬件設計思想、系統(tǒng)硬件的選擇及硬件框圖，在軟件方面，采用了基于 PLC 程序設計，同時闡述了 PLC 與上位機通訊實現(xiàn)等問題，并在此基礎上根據(jù)實驗室條件對系統(tǒng)的控制算法進行了 MATLAB仿真，對單相交流調(diào)功模塊進行了 PLC仿真實驗，以此完成了多段電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設計。 variable integral PID control。 隨著功率半導體元件得到了廣泛應用，特別是在一些老設備的電氣升級改造中采用半導體元件的效果非常明顯。該系統(tǒng) 對電阻爐的溫度能夠進行比較精確的控制，減小了超調(diào)量，使加熱功率更均勻，節(jié)電效果十分明顯。通常工藝要求爐溫控制在預先設定在某一給定值上。 PID 調(diào)節(jié)器的輸出信號是按與輸入信號成比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）的運算規(guī)律而動作。 本設計 以三段電阻爐溫度控制系統(tǒng)為設計對象，將多段電阻爐分為三段自動控制溫度，并要求每段穩(wěn)態(tài)控制精度高，溫度上升速度快，三段溫度升溫平衡。 SSR 是一種無觸點功率半導體器件， 其特點是 [3]： 1. 輸入控制電壓低 （