【導(dǎo)讀】控制系統(tǒng)，電焊機的溫度控制系統(tǒng)等。加熱爐溫度控制在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。一般來說,單片機在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等方面占據(jù)優(yōu)勢,其通用性和適應(yīng)性較強。處,而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。隨著PLC功能的擴(kuò)充在許多PLC控制器中都擴(kuò)充了PID控制功能,因此。在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場所中采用PLC控制是較為合理的。箱來模擬加熱爐，利用西門子S7-200PLC控制電烤箱溫度的控制系統(tǒng)。件的具體設(shè)計過程。Keywords：SiemensS7-200PLC、EM235、PID、temperaturepickup、solidstaterelay

　　

【正文】 第一種是點到點 (Pointtopoint)接口即 PPI 方式。第二種是多點 (MultiPoint)接口即 MPI 方式。第 三種是過程現(xiàn)場總線 PROFIBUS 即 PROFIBUSDP方式。第 四種是用戶自定義協(xié)議即自由口方式。 固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器（ Solid State Relay,縮寫 SSR） ,是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關(guān)。用隔離器件實現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。固態(tài)繼電器的 輸入端用微小的控制信號，達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載。對于控制電壓固定的控制信號，采用阻性輸入電路?？刂齐娏鞅ＷC再大于 5mA。對于大的變化范圍的控制信號（如 332V）則采用恒流電路，保證在整個電壓變化范圍內(nèi)電流在大于 5mA 可靠工作。隔離驅(qū)動電路：隔離電路采用光 電耦合和高頻變壓器耦合（磁電耦合），光電耦合通常使用光電二極管 — 光電三極管，光電二極管 — 雙向光控可控硅，光伏電池，實現(xiàn)控制側(cè)與負(fù)載側(cè)隔離控制。高頻變壓器耦合是利用輸入的控制信號產(chǎn)生的自激高頻信號經(jīng)耦合到次級，經(jīng)檢波整流，邏輯電路處理形成驅(qū)動信號。 SSR 的 功率開關(guān)直接接入電源與負(fù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 23 載端，實現(xiàn)對負(fù)載電源的通斷切換。主要使用有大功率晶體三極管（開關(guān)管 Transistor） ,單向可控硅（ Thyristor 或 SCR）， 雙向可控硅 （ Triac） ,功率場效應(yīng)管（ MOSFET） ,絕緣柵型雙極晶體管（ IGBT） .固態(tài)繼電器可以方便的與 TTL,MOS 邏輯電路連接。專用的固態(tài)繼電器可以具有短路保護(hù)，過載保護(hù)和過熱保護(hù)功能，與組合邏輯固化封裝就可 以實現(xiàn)用戶需要的智能模塊，直接用于控制系統(tǒng)中。 固態(tài)繼電器是具有隔離功能的無觸點電子開關(guān)，在開關(guān)過程中無機械接觸部件，因此固態(tài)繼電器除具有與 電磁繼電器 一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機械沖擊，安裝位置無限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好，噪聲低和工作頻率高等特點。目前已廣泛應(yīng)用于計算 機外圍接口設(shè)備，調(diào)溫、調(diào)速、調(diào)光、電機控制、電爐加溫控制、電力石化、醫(yī)療器械、金融設(shè)備、煤碳、儀器儀表、交通信號等領(lǐng)域。 (1)固態(tài)繼電器的組成 固態(tài)繼電器有三部分組成 :輸入電路，隔離 (耦合 )和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與 TTL/CMOS 兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流 輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應(yīng)管。 (2)固態(tài)繼電器的工作 固態(tài)繼電器 是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關(guān)器件，單相 SSR 為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。 SSR 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示 ,通常為四端組件 : 2 個輸入端和 2個輸出端 ?；窘M成可分為 3部分 : PC、觸發(fā)電路和輸出開關(guān) (BCR) 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 24 圖 SSR 基本原理示意圖 SSR 的工作原理為 :當(dāng)輸入端③、④接收到控制信號 ,使二極管 (LED)發(fā)光 ,經(jīng)光敏管耦合啟動觸發(fā)電路工作 ,使可控硅 (BCR)導(dǎo)通。 SSR的輸入端和輸出端之間是相互絕緣的 ,內(nèi)部有吸收電路可防止過壓 ,輸入與輸出之間的干擾和絕緣問題均在器件內(nèi)部處理。 (3)固態(tài)繼電器分類 固態(tài)繼電器從受控負(fù)載不同分為交流固態(tài)繼電器和直流固態(tài)繼電器兩大類，其中交流固態(tài)繼電器應(yīng)用比較普遍。 交流固態(tài)繼電器按開關(guān)方式分有電壓過零導(dǎo)通型（簡稱過零型）和隨機導(dǎo)通型（簡稱隨機型）； 按輸出開關(guān)元件分有雙向可控硅輸出型（普通 型）和單向可控硅反并聯(lián)型（增強型）； 按安裝方式分有印刷線路板上用的針插式（自然冷卻，不必帶散熱器）和固定在金屬底板上的裝置式（靠散熱器冷卻）； 另外輸入端又有寬范圍輸入（ DC3－ 32V）的恒流源型和串電阻限流型等。 SSR 固態(tài)繼電器以觸發(fā)形式 ,可分為零壓型 (Z)和 調(diào)相 型 (P)兩種。 在輸入端施加合適的控制信號 IN 時 ,P 型 SSR 立即導(dǎo)通。當(dāng) IN 撤銷后 ,負(fù)載電流低于雙向可控硅維持電流時 (交流換向 ),SSR 關(guān)斷。 Z型 SSR 內(nèi)部包括過零檢測電路 ,在施加輸入信號 IN時 ,只有當(dāng)負(fù)載電源電壓達(dá)到過零區(qū)時 ,SSR才能導(dǎo) 通 ,并有可能造成電源半個周期的最大延時。 Z 型 SSR 關(guān)斷條件同 P型 ,但由于負(fù)載工作電流近似正弦波 ,高次諧波干擾小 ,所以應(yīng)用廣泛。 過零型（ Z 型）和隨機型（ P 型）交流固態(tài)繼電器的區(qū)別 當(dāng)輸入端施加有效的控制信號時，隨機型 SSR 輸出端立即導(dǎo)通，而過零型 SSR 則要等到負(fù)載電壓過零區(qū)域 (約177。 15V)時才開啟導(dǎo)通；關(guān)斷的時間是一樣的，都是在小于維持電流時關(guān)斷。如圖 所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 25 圖 過零型、隨機型 SSR的負(fù)載電壓波形圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 26 雖然過零型 SSR 有可能造成最大半個周期的延時，但不論外加控制信號的相位如何 ,總是在交流電源 為零電壓附近時導(dǎo)通 ,導(dǎo)通時產(chǎn)生的干擾很小 ,僅在控制信號的第 1 個周期內(nèi)產(chǎn)生很小的干擾。同時減少了對負(fù)載的沖擊和產(chǎn)生的射頻干 擾，成為理想的開關(guān)器件，因此在控制通斷的場合中應(yīng)用最為廣泛。 (4)固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點 ，高可靠 :SSR 沒有機械零部件，有固體器件完成觸點功能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高。 ，控制功率小，電磁兼容性好 :固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動功率低，可 與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動器。 :固態(tài)繼電器因為采用固體器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。 :固態(tài)繼電器沒有輸入 “ 線圈 ” ，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。 ，可控硅或雙相控硅的正向降壓可達(dá) 1~2V，大功率晶體管的飽和壓降也在 1~2V 之間，一般功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻也較機械觸點的接觸電阻大。 ，因此不能實現(xiàn)理想的電隔離。 ，導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量也大，大功率固態(tài)繼電器的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同容量的電磁繼電器，成本也較高。 的溫度特性和電子線路的抗干擾能力較差，耐輻射能力也較差，如不采取有效措施，則工作可靠性低。 ，必須用快速熔斷器或 RC 阻尼電路對其進(jìn)行過載保護(hù)。固 態(tài)繼電器的負(fù)載與環(huán)境溫度明顯有關(guān)，溫度升高，負(fù)載能力將迅速下降。 （需相應(yīng)散熱措施），有斷態(tài)漏電流，交直流不能通用，觸點組數(shù)少，另外過電流、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標(biāo)差。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 27 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(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學(xué)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(jì)初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進(jìn)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(xué)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(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、 PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用場合，可以直接把熱電偶信號引入 PLC 進(jìn)行測量。 熱電偶的工作原理是 ,兩種不同成份的導(dǎo)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(dāng)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(yīng)；接上顯示儀表，儀表上就會指示所產(chǎn)生的熱電動勢的對應(yīng)溫度值，電動勢隨溫度升高而增長。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(guān)，而和熱電偶的長短粗細(xì)無關(guān)。 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。裝配式熱電偶由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護(hù)管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強等特點，適宜安裝在裝配式熱電偶無法安裝的場合，它的外保護(hù)管采用不同材料的不銹鋼管，可適合不同使用溫度的需要，內(nèi)部充滿高密度氧化絕緣體物質(zhì)，非常適合于環(huán)境惡劣的場合。隔爆式熱電偶通常應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體的場合，如果使用普通熱電偶極易引起氣體爆炸，則在這種場合必須使用隔爆熱電偶。 熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán) 境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 28 也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程，如燃燒和爆炸過程等。對一般的工業(yè)應(yīng)用來說，為了保護(hù)感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護(hù)套里面，外觀就顯得笨大，對于溫度場的反應(yīng)也就遲緩得多。使用熱電偶的時候，必須消除環(huán)境溫度的波動對測量帶來的影響。有的把它的自由端放在不變的溫度場中， 有的使用冷端補償器抵消這種影響。當(dāng)測量點遠(yuǎn)離儀表時，還需要使用熱點勢率和熱電偶相近的導(dǎo)線來傳輸信號，這種導(dǎo)線稱為補償導(dǎo)線。 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(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。當(dāng)電阻值變化時，二次儀表便顯示出電阻值所對應(yīng)的溫度值。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度是最高的。 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(biāo)準(zhǔn)電流信號或 010V 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，使用起來更為方便。 熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅。此外，現(xiàn)在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。根據(jù)使用場合的不同，熱電阻也有鎧裝式熱電阻、裝配式熱電阻、隔爆式熱電阻等種類，與熱電偶類似。 鉑電阻的工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關(guān)系即分度特性符合 IEC 標(biāo)準(zhǔn)。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 Pt Pt200、 Pt500 和Pt1000 等鉑熱電阻， Cu50、 Cu100 的銅熱電阻等。 本設(shè)計選用鎳鉻 鎳硅 N 型熱電偶。 本章小結(jié)：本章主要介紹了西門子 S7200 PLC 以及系統(tǒng)其它硬件的工作原理與選型。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 29 第四章 軟件設(shè)計 S7200 CPU 的 PID 控制 S7200 能夠進(jìn)行 PID 控制。 S7200 CPU 最多可以支持 8 個 PID 控制回路（ 8 個PID 指令功能塊）。 PID 是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例－積分－微分 控制算法。 PID 控制器根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對象的實際值（反饋）的差值，按照 PID 算法計算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機構(gòu)去影響被控對象的變化。 PID 控制是負(fù)反饋閉環(huán)控制，能夠抑制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的各種因素所引起的擾動，使反饋跟隨給定變化。 根據(jù)具體項目的控制要求，在實際應(yīng)用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是PI（比例－積分）控制，這時沒有微分控制部分。 PID 算法在 S7200 中的實現(xiàn) PID 控制最初在模擬量控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，隨著離散控制理論的發(fā)展， PID 也在計算機化控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。 計算機化的 PID 控制算法有幾個關(guān)鍵的參數(shù) Kc（ Gain，增益）， Ti（積分時間常數(shù)）， Td（微分時間常數(shù)）， Ts（采樣時間）。 在 S7200 中 PID 功能是通過 PID 指令功能塊實現(xiàn)。通過定時（按照采樣時間）執(zhí)行 PID 功能塊，按照 PID 運算規(guī)律，根據(jù)當(dāng)時的給定、反饋、比例－積分－微分?jǐn)?shù)據(jù)，計算出控制量。 PID 功