【正文】 感器，是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻值變化的一種測溫元件 [10]。由于內(nèi)膽與夾套的進(jìn)水口、出水口相互獨(dú)立，所以進(jìn)入鍋爐的水流大小由不同的水閥控制。 鍋爐內(nèi)膽有進(jìn)水口、出水口和溢水口，可以將冷水從進(jìn)水口注入，加熱冷水以提升水溫。其中加熱電阻絲在鍋爐內(nèi)膽中，兩端電壓由調(diào)壓裝置控制，進(jìn)而控制內(nèi)膽中水的溫度。 模擬量擴(kuò)展模塊可以在輸入口對從溫度變送器送來的電壓模擬信號進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，得到與溫度對應(yīng)的數(shù)字量，并且 PLC 可以讀取儲存數(shù)字量的地址；PLC 計(jì)算之后可以在輸出口地址中儲存數(shù)據(jù)，模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)化并輸出給調(diào)壓裝置，進(jìn)而控制調(diào)壓裝置，以實(shí)現(xiàn)對加熱電阻絲的控制。 調(diào)壓裝置受到 PLC 模擬量擴(kuò)展模塊輸出的 4－ 20mA 電流信號控制，來調(diào)節(jié)調(diào)壓裝置的輸出電壓，對電阻絲進(jìn)行控制，來升高或者維持內(nèi)膽溫度。 溫度變送器 用來檢測夾套和內(nèi)膽溫度，將溫度值轉(zhuǎn)換為電壓模擬量信號，同時(shí)傳送給PLC 模擬量擴(kuò)展模塊。 啟動按鈕 /停止按鈕實(shí)現(xiàn)控制系 統(tǒng)的啟動和停止。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第三章 加熱爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 第一節(jié) 系統(tǒng)硬件組成 一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括一臺可編程邏輯控制器 PLC、一個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊、一個(gè)調(diào)壓裝置、兩個(gè)溫度變送器、一個(gè)電加熱鍋爐（內(nèi)含加熱電阻絲）、兩個(gè)啟動 /停止按鈕，一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行指示燈。本章概略地描述了硬件 、軟件和上位機(jī)如何設(shè)計(jì)；針對不確定系統(tǒng)參數(shù)或模型時(shí)，使用 PID 控制算法最簡單有效，并說明了在 PLC 中 PID 計(jì)算的思想。計(jì)算中，沒有必要保留所有采樣周期的積分項(xiàng)，只需要保留前一個(gè)積分項(xiàng)，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種簡化思想來計(jì)算的。偏差 e 和輸入量 r 、輸出量 c 的關(guān)系： )()()( tctrte ?? （ 2－ 1） 控制器的輸出為： ? ??? tdip dt tdeTdtteTteKtu 0 ])()(1)([)( （ 2－ 2） 式中， )(tu —— PID 回路輸出 pK —— 比例系數(shù) P iT—— 積分系數(shù) I dT —— 微分系數(shù) D PID 調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)為： ]11[)( )()( STSTKsE sUsD dip ???? （ 2－ 3） 數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對偏差周 期采樣后，計(jì)算機(jī)計(jì)算之后再輸出結(jié)果。所以對有較大慣性或 滯后的被控對象，比例啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 +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。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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。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)。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。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。對一個(gè)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(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 二、 PID 算法介紹 比例（ P）控制：比例控制是一種最簡單，最常用的控制方式。PID 控制，實(shí)際中也有 PI和 PD控制。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(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，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(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第二節(jié) 控制算法 一、控制算法選擇 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 [8]，又稱 PID 調(diào)節(jié)。其基本工作原理 [7]：首先預(yù)計(jì)出兩個(gè) PID 控制器的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行 PID 初始化；把夾套溫度變送器傳送回來的 1－ 5V電壓信號經(jīng)過模擬量擴(kuò)展模塊 EM235的輸入口 A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)?6400－ 32020 的數(shù)字量（稱為主回路的 夾套溫度過程值 PV1），同時(shí)給定一個(gè)夾套溫度給定值 SP，將 SP 和 PV1 傳送給主控制器 PID1 運(yùn)算，得到的結(jié)果 OUT1 作為副控制器的給定值 SP，將它和內(nèi)膽溫度變送器傳送回來的內(nèi)膽溫度過程值 PV0傳送給副控制器 PID0 運(yùn)算，得到的結(jié)果 OUT0 經(jīng)過模擬量擴(kuò)展模塊 EM235 的輸出口 D/A 轉(zhuǎn)換變?yōu)?4－ 20mA 的控制信號傳送給調(diào)壓裝置，對爐內(nèi)加熱電阻絲進(jìn)行控制，同時(shí)對內(nèi)膽溫度和夾套溫度進(jìn)行檢測，形成雙閉環(huán)回路的串級控制。指示燈顯示系統(tǒng)的運(yùn)行情況。 其硬件部分組成及其關(guān)系如圖 所示： 圖 硬件連接圖 基本工作原理：加熱爐是控制對象（本設(shè)計(jì)采用自來水作為控制對象）的容器，通過溫度變送器檢測內(nèi)膽水溫和夾套溫度，各自產(chǎn)生 1－ 5V 電壓信號，傳送給 S7－ 200 PLC 的模擬量擴(kuò)展模塊 EM235，由 PLC 主控系統(tǒng)部分進(jìn)行運(yùn)算和處理，之后再將由模擬量擴(kuò)展模塊 EM235 產(chǎn)生 4－ 20mA 的控制信號傳送給調(diào)壓啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 裝置，調(diào)壓裝置根據(jù)不同的控制信號輸出不同的電壓 來控制加熱爐內(nèi)的電阻絲來對水進(jìn)行加熱，由此水溫升高或降低會影響溫度變送器，從而產(chǎn)生了一個(gè)閉環(huán)回路控制，因此達(dá)到平衡控制水溫的目的。利用上位機(jī)中的組態(tài)軟件的功能，構(gòu)建一套最適合本系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)，允許操作人員通過上位機(jī)直接向設(shè)備發(fā)出控制指令。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 設(shè)計(jì)方案及控制算法 第一節(jié) 設(shè)計(jì)方案 一、系統(tǒng)總體方案 加熱爐溫度控制系統(tǒng)主要由硬件 、軟件和上位機(jī) [4][5]三部分組成。 這些溫度控制系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)：基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行 穩(wěn)定，但是它受單片機(jī)的影響較大，因?yàn)閱纹瑱C(jī)響應(yīng)慢，中斷源少，所以此溫度控制系統(tǒng)不適用于復(fù)雜，高要求的工作環(huán)境；考慮到工控機(jī)性能穩(wěn)定，可用軟件多，價(jià)格低的因素，它被廣泛應(yīng)用，但是單獨(dú)使用時(shí)，容易被干擾，可靠性差；集散型溫度控制系統(tǒng)是款集聚監(jiān)控及協(xié)調(diào)管理的不錯(cuò)的控制系統(tǒng)，但是它的成本過高，難以大范圍的應(yīng)用；現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是個(gè)優(yōu)點(diǎn)較多的控制系統(tǒng)，但是它才剛開始進(jìn)入實(shí)用化，并且各國標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，在國際上互換使用比較麻煩；相對于上述溫度控制系統(tǒng)來說， PLC 的可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，易于學(xué)習(xí)掌握，所以它在工業(yè)上的使用更 加廣泛，從經(jīng)濟(jì)效益上來講，其成本低，市場占有率高，前景廣闊。我國與他們相比，雖然在各行各業(yè)都有廣泛使用溫度控制系統(tǒng)，但是在生產(chǎn)制造、科學(xué)研究等方面，我國與日本，美國等國有很大差距。 第三節(jié) 本章小結(jié) 隨著歷史的發(fā)展，溫度控制系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，而且精度要求啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 越來越高，在此期間溫控系統(tǒng)技術(shù)得到迅猛的發(fā)展。 以加熱爐為控制對象水的容器；以加熱爐夾套水溫為主被控參數(shù)，以內(nèi)膽水溫為副 被控參數(shù)；以三相調(diào)壓裝置為系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；以西門子 S7－ 200系列 PLC[3]為控制器，構(gòu)成加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)， 主、副控制器采用 PID 控制算法 ，運(yùn)用 PLC 梯形圖編程語言進(jìn)行編程， 手動整定 PID 參數(shù)，實(shí)時(shí)反饋內(nèi)膽、夾套水溫，控制加熱裝置，使加熱爐溫度達(dá)到設(shè)定溫度值左右，并能實(shí)現(xiàn)手動啟動和停止；運(yùn)行指示燈顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；上述物品及功能 實(shí)現(xiàn)加熱爐夾套溫度地自動控制。在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。一次擾動作用在主被控過程上，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。 PLC技術(shù)在溫度控制系統(tǒng)上的應(yīng)用從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)，控制對象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定、人機(jī)界面地設(shè) 計(jì)等。 可編程邏輯控制器（ PLC）是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動控制裝置。水的溫度是通 過熱傳遞的方式，將熱能由溫度高的內(nèi)膽水傳到溫度低的夾套水中去。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對溫度控制系統(tǒng)的要求越來越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國內(nèi)外必然的發(fā)展趨勢。各種溫度系統(tǒng)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，用戶需要根據(jù)實(shí)際需要選擇系統(tǒng)配置。形成商品化并在儀表控制系統(tǒng)參數(shù)的自整定方面，由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件，控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)試來確定。目前，我國在這方面總體水平處于 20 世紀(jì) 80 年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。在這一方面，日本、美國、德國、瑞典等國的技術(shù)領(lǐng)先，已經(jīng)產(chǎn)生了一批商品化的、性能高的溫度控制器及儀器儀表，并且被各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。隨著生產(chǎn)力 的發(fā)展和對溫度控制精度的要求不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第一章 工業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)概述 第一節(jié) 溫度控制系統(tǒng)背景及發(fā)展趨勢 一、溫度控制系統(tǒng)背景 溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)活動中被廣泛地使用，同時(shí)又是人們供熱取暖設(shè)備的主要驅(qū)動來源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年。因此設(shè)計(jì)一個(gè)基于PLC 的工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)具有重要意義。由于 PLC 對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控具有很高的可靠性，且編程簡單、靈活，因此越來越受到人們重視， PLC 也被廣泛地應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)。PLC master－ slave control construction， constitutes an economic and reliable industrial heating furnace temperature control system． The furnace temperature control system is a large inertia system， generally uses the PID algorithm to control， and uses ladder diagram programming language of PLC to programme， in order to carry out the automatic control of the heating furnace work process． Using the configuration software KingView to design the upper puter interface to monitor the control system and realtime sample and process． It is able to get a friendly user interface， is a realtime temperature control system which has moderate application value． After the design， the system has a good stability， a high precision and a strong robustness． 【 Key words】 The heating furnace PLC PID Temperature control The upper puter 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 目 錄 前 言 .................................................................................................................................................. 1 第一章 工業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)概述 .................................................................................................... 2 第一節(jié) 溫度控制系統(tǒng)背景及發(fā)展趨勢 ..................................................................................... 2 一、溫度控制系統(tǒng)背景 ........................................................................................................ 2 二、溫度控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢 ................................................................................................ 2 第二節(jié) 研究內(nèi)容與任務(wù) ...........