【導(dǎo)讀】溫度是工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一，本文通過(guò)設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)，體現(xiàn)PLC在模擬量信號(hào)檢測(cè)與控制中應(yīng)用的優(yōu)越性。壓信號(hào)，送往PLC控制器，再經(jīng)過(guò)模擬量輸入/輸出模塊（A/D）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而使?fàn)t溫達(dá)到并穩(wěn)定在給定的數(shù)值上。

　　

【正文】 顯示器相連太麻煩，但與 LED 連接比較簡(jiǎn)單。所以選取方案二。 該顯示中選通信號(hào)由 Y0， Y4 控制。前一單元顯示設(shè)定溫度，后一單元顯示當(dāng)前溫度。如當(dāng)前溫度顯示為 10則 Y0~Y3 為 0001000000010000. 按鍵接入 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 ,輸入按鍵有三個(gè)，用一個(gè)來(lái)控 制溫度的升高與下降，一個(gè)用來(lái)確認(rèn)，另一個(gè)來(lái)取消。 PLC 的輸入借口 X1 用來(lái)接溫度控制按鍵， X2 作為確認(rèn)按鍵輸入， X3 作為取消按鍵輸入。在需要降穩(wěn)時(shí)按下 X1 鍵再按確認(rèn)。如錯(cuò)按則用 X3取消。加熱時(shí)按兩下 X1，再確認(rèn)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 模塊方案的選擇與論證 18 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用的是一個(gè)聲光報(bào)警電路。當(dāng)電路檢測(cè)到溫度偏高或偏低時(shí)，電路會(huì)產(chǎn)生發(fā)光發(fā)聲報(bào)警。聲光報(bào)警電路采用高亮的 LED 燈以及蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其電路如下圖 。 圖 聲光報(bào)警電路 溫度調(diào)節(jié)模塊 本系統(tǒng)中風(fēng)扇的作用是，當(dāng)爐溫過(guò)高時(shí)控制風(fēng)扇對(duì)其進(jìn)行降溫。當(dāng)系統(tǒng)處于過(guò)溫度狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)風(fēng)扇，控制吹風(fēng)冷卻裝置，從而使?fàn)t溫下降，知道重新等于給定值為止。本系統(tǒng)中熱電阻的作用是，當(dāng)爐溫過(guò)低時(shí)，控制熱電阻對(duì)其進(jìn)行加熱。當(dāng)系統(tǒng)處于欠溫狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)熱電阻，控制加熱功率，從而使?fàn)t溫回升，直到重新等于給定值為止。 硬件總框圖 下圖是總的接線框圖，在接線配線時(shí)需要注意的是在避免干擾的需求較高時(shí)最好用屏障電纜。還有信號(hào)線與電纜線應(yīng)該分開(kāi)走。 圖 硬件總框圖本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 19 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主要的工作流程圖 本系統(tǒng)采用 PLC 作為核心處理器件，把經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)電路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集到的溫度數(shù)據(jù)，存入 PLC 的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，送 LED 顯示，并與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，然后由 PLC 輸出信號(hào)去控制加熱器。進(jìn)行溫度控制程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：實(shí)時(shí)采集溫度、溫度顯示、與上位 PLC 通信程序、警告和處理。軟件設(shè)計(jì)主要有：主程序、初值設(shè)定子程序、溫度讀取子程序、顯示子程序和輸出控制子程序等。初值設(shè)定子程序完成對(duì)溫度初值的設(shè)定及數(shù)據(jù)保存；溫 度讀子程序完成對(duì)溫度傳感器數(shù)據(jù)的讀取、并通過(guò)液晶顯示子程序顯示溫度值等等。 PLC 的具體軟件主程序流程圖如圖 51所示。 圖 主程序流程圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 20 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID 控制器參數(shù)整定的方法有很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還要通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工 程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，方法簡(jiǎn)單，易于掌握，在工程中被廣發(fā)應(yīng)用， PID 控制時(shí)和自動(dòng)調(diào)諧時(shí)的動(dòng)作情況如圖 。 圖 PID 控制動(dòng)作圖 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)、然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。本系統(tǒng)采用的是臨界比例法。李勇該方法進(jìn)行 PID控制器的參數(shù)整定步驟如下：（ 1）首先選擇一個(gè)足夠短的采 樣周期讓系統(tǒng)工作；（ 2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；（ 3）在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到 PID控制器的參數(shù)。在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。 根據(jù)被控對(duì)象以及基本設(shè)計(jì)要求，自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行大量的計(jì)算分析，要保證系統(tǒng)良好的性能又要保證給定的技術(shù)要求，在此過(guò)程中，可采用理論指導(dǎo)，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定控制算法。對(duì)于溫度系統(tǒng)的建模，可以近似地認(rèn)為“純滯后 +一階慣性”環(huán)節(jié)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)先測(cè)出開(kāi)環(huán)曲線，對(duì)于一階慣性環(huán) 節(jié)對(duì)象，往往采用 PID 控制算法，控制效果比較好。 PID 控制表示比例（ proportional） —— 積分（ integral） —— 微分differential）控制 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 21 圖 比例積分微分圖 調(diào)節(jié)器輸入輸出之間的比例 —— 積分 —— 微分關(guān)系如下： ( ) [ ( ) 1 / ( ) * ( ) / ]u t Kp e t T i e t dt T d de t dt? ? ? ? 式（ ） 其中 K p為比列系數(shù)， Ti 為積分時(shí)間常數(shù)， T d 為微分時(shí)間常數(shù)。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中使用的是數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)，就是對(duì)式（ 1）進(jìn)行離散化，離散化 時(shí)， 令 ( ) ( )u t u kt? ， ( ) ( )e t e kT? ( ) ( )e t T e jT? ?? ， ( ) / [ ( ) ( ) ] /d e t d t e k t e k T T T? ? ? 式中 T是采樣周期，顯然，上述周期 T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。因此數(shù)字 PID調(diào)節(jié)器，表達(dá)式如下： ? ? ??( ) ( ) / ( ) / ( ) ( )u k T K p e k T T T i e jT T d T e K d e K t T? ? ? ? ?? 式（ ） 由控制理論可知：離散化采樣頻率越高，采樣后失去的信息越少，相應(yīng)的控制性能也越好。但由于水溫是一個(gè)慢變信號(hào)，進(jìn)行 PID算法控制時(shí)，若采樣頻率過(guò)高，相鄰兩次采樣信號(hào)差距很小，將會(huì)失去 PID控制的優(yōu)勢(shì)，因此確定采樣頻率為 1/15HZ，即 15S 進(jìn)行一次 PID 算法。 在反饋控制部分的然間程序設(shè)計(jì)上主要采用 PID 控制算法，但由于過(guò)早地引入積 分作用容易產(chǎn)生飽和，產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)量，預(yù)期的調(diào)節(jié)規(guī)律將遭到破壞。為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用積分分離的 PID 控制算法，這樣既保持了積分的作用，又減少了超調(diào)量，使控制性能有較大的改善。 在本系統(tǒng)的實(shí)際控制中，微分作用的改善不是很明顯，因此，在軟件編制時(shí)可不加微分調(diào)節(jié)。 程序設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 22 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 23 圖 程序設(shè)計(jì)圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 結(jié)論 24 結(jié)論 從本次電爐溫度控制系統(tǒng)的 PLC 設(shè)計(jì)中體會(huì)到，要對(duì)論文控制并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制問(wèn)題，它涉及到機(jī)械學(xué)、力學(xué)等方面的知識(shí)，并與 PLC 相互配合。系 統(tǒng)的工作中，其他電路構(gòu)成。系統(tǒng)由 PLC 通過(guò)對(duì)溫度檢測(cè)電路檢測(cè)到的溫度加以分析，與給定的對(duì)應(yīng)所要控制的多組溫度值進(jìn)行比較，找出溫度值所在范圍，根據(jù) PLC 中設(shè)置的 PID參數(shù)，輸出相應(yīng)溫度初值對(duì)應(yīng)的受控對(duì)象電機(jī)的轉(zhuǎn)速初值，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換為模擬電壓，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)為變頻器的頻率，控制變頻調(diào)速裝置，帶動(dòng)被控對(duì)象，并且把被控對(duì)象的轉(zhuǎn)速經(jīng)變換電路和 D/A 轉(zhuǎn)換器反饋到 PLC 中，與輸出的轉(zhuǎn)速初值進(jìn)行比較，其偏差被 PID 程序計(jì)算后重新輸出，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。采用 PLC 進(jìn)行控制，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度高、控制效 果好等特點(diǎn)，對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要現(xiàn)實(shí)意義。 隨著電氣設(shè)備性能的日趨完善和微型處理機(jī)技術(shù)的普及與廣泛應(yīng)用，爐溫控制設(shè)備的智能化程度越來(lái)越高，同時(shí)也使煉鋼、電氣專業(yè)和相關(guān)專業(yè)的聯(lián)系更加密切。今后的發(fā)展模式的多能化，面對(duì)不斷更新的產(chǎn)品，電氣設(shè)計(jì)與其他相關(guān)專業(yè)技術(shù)一樣都需要不斷地協(xié)調(diào)創(chuàng)新和完善。 最后，特別感謝劉興華老師，因?yàn)樵诒敬萎厴I(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，劉興華老師對(duì)該論文從選題、構(gòu)思、資料收集到最后定稿的各個(gè)環(huán)節(jié)給予細(xì)心指引與教導(dǎo)，使我對(duì)爐溫控制系統(tǒng)有了深刻的認(rèn)識(shí)，使我得以最終完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，在此表示 衷心感謝。劉老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識(shí)、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益求精的工作態(tài)度、積極進(jìn)取的科研精神以及誨人不倦的師者風(fēng)范是我終生學(xué)習(xí)的楷模。同時(shí)也要感謝我的朋友和同學(xué)，他們?cè)诒疚膶?xiě)作的各個(gè)階段給出了許多寶貴意見(jiàn)。在四年的大學(xué)生涯里，還得到眾多老師的關(guān)心支持和幫助，在此，謹(jǐn)向老師們致以衷心的感謝和崇高的敬意 !論文中不足之處還忘各位老師多多指正。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn) 25 參考文獻(xiàn) [1] 吳中俊，黃永紅 .可編程序控制器原理及應(yīng)用（第 2版） .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2021. 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International Journal of Electrical Engineering Education, 2021 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 致謝 26 致 謝 通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，自己的整個(gè)大學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、動(dòng)手編輯、搜索信息等得到了充分的考驗(yàn)。在此，能順利完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，首先要誠(chéng)心感謝我的指導(dǎo)老師 —— 劉老師，正是在他的嚴(yán)格督促下和耐心的指導(dǎo)下，才能順利的、比較完整的完成此次設(shè)計(jì)；其次要感謝那些為整個(gè)畢業(yè)工作組織的老師和領(lǐng)導(dǎo)，在您們的有效組織、安排下，我才能有效、有步驟的完成此次設(shè)計(jì)；最后，也是不可少的，要感謝大學(xué)四年里誠(chéng)心誠(chéng)意傳授給我知識(shí)和教導(dǎo)我做人做事的老師們，您們辛苦了！ 此致敬禮！