【正文】 硬件設計之外，控制程序的編寫是至關重要的，系統(tǒng)程序的好壞，直接關系到控制精度的高低、控制溫度的穩(wěn)定及系統(tǒng)的靈敏度等因素。3. Windows系統(tǒng)支持的鼠標。STEP 7－Micro/WIN 可以在Microsoft公司出品的如下操作系統(tǒng)環(huán)境下安裝：1. Windows 2000，SP3以上2. Windows XP Home3. Windows XP Professional對計算機的硬件有如下要求[6]：1. 任何能夠運行上述操作系統(tǒng)的PC 或PG（西門子編程器）。STEP 7－Micro/WIN －200 Explorer。 PLC程序運行環(huán)境S7－200的編程軟件是STEP 7－Micro/WIN。 ，對三段電阻爐的一段工作情況進行了說明，本小節(jié)將給出整個三段電阻爐溫度控制系統(tǒng)的硬件結構框圖，因每段硬件構成相同，故其工作原理類似于一段工作原理。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、EM23單相交流固體繼電器模塊、熱電偶、溫度顯示屏等設備構成。 因為EM235輸出的模擬量是控制全隔離單相交流調壓模塊，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，全隔離單相交流調壓模塊兩段分別接電壓發(fā)送器的兩端。為了使DIP開關設置起作用，用戶需要給PLC和/或用戶的電源斷電再通電。對于EM231 8TC模塊，SW1～SW3用于選擇熱電偶類型，SW4用于選擇斷線檢測方向，SW5用于選擇測量單位，SW6用于選擇是否進行冷端補償。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。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。80mV，℃/℉，測量原理為SigmaDelta，到傳感器的導線長度最大為100米，導線回路電阻最大為100歐姆，噪聲抑制為85dB， 50Hz/60Hz/400Hz，輸入濾波衰減為 3dB，21kHz，冷接點誤差為177。l 穩(wěn)定時間：電壓，電流。l 電流：。2. EM235，模擬量混合輸入/輸出（AI/AO）模板l 模擬量輸入4路，模擬量輸出1路。l 轉化時間：。其相關參數(shù)如下：1. EM231，4路12位模擬量輸入（AI）模板l 差分輸入，輸入范圍：電壓：。 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。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。 單相交流固體繼電器接線圖 西門子S7200系列PLC概述SIMATIC S7－200系列可編程控制器是德國西門子(Siemens)公司生產的具有很高性能價格比的微型可控制編程器，由于它具有結構小巧，運行速度快，價格低廉及功能多用途廣等，因此在工業(yè)企業(yè)中得到廣泛的應用。交流固體繼電器按開關方式分有電壓過零導通型（簡稱過零型）和隨機導通型（簡稱隨機型）；按輸出開關元件分有雙向可控硅輸出型（普通型）和單相可控硅反并聯(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。主要不足是存在通態(tài)壓降（需相應散熱措施），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、電流上升率等指標差。它是用半導體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具體繼電器特性的無觸點開關器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個控制輸出端，輸入輸出之間為光隔離，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)轉變成通態(tài)。本節(jié)將以表格列出器件的型號，并分別對主要器件的使用方法進行說明。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。PLC將控制量加到單相交流固態(tài)繼電器調功模塊，進行負載功率的調節(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。由上位機對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控。單相交流固體繼電器模塊構成執(zhí)行器控制加熱電壓，以熱電偶和模擬量輸入模塊EM231TC組成溫度信號的采集。在A、C兩段的設計中，因為不需要溫度顯示模塊。 硬件設計方法介紹 要對三段電阻爐進行溫度控制，就要對三段電阻絲分別進行供、停電，其控制回路從硬件觸發(fā)到軟件分別形成了三個單獨的子回路。設A、B、C三段溫度分別為a、b、c攝氏度，若b的溫度與a、c的平均值之差大于某一溫度值W攝氏度（本設計中為5℃），即時，即段停止加熱一個控制周期，以此來使三段加熱平衡，達到升溫同步的效果。 三段電阻爐爐體示意圖，因為考慮到B段受外界因素影響較小，其溫度在加熱過程中會明顯高于A、C兩段，若不進行抑制，會造成加熱不平衡，進而影響加熱效果。若采用統(tǒng)一算法進行控制量輸出，就會使得三段電阻絲的加熱速度不同，造成爐內溫度不均衡，對于同一個加熱材料，就會使得其結構異化，在生產和科研中造成很大負面影響。 變速積分PID控制單位階躍響應 普通PID控制單位階躍響應 解耦控制輸出算法 三段電阻爐在冶金、工礦和科研單位應用廣泛，故爐內溫度均衡性的重要性不言而喻。采用普通PID控制。設被控對象為一延遲對象 （） 采樣時間為20s，延遲時間為4個采樣時間，即80s，?。?，＝12，＝,=，=（寫成公式）。變速積分PID算法為： （） 這種算法對、兩參數(shù)的要求不精確，所以參數(shù)整定比較容易。變速積分的PID積分項表達式為： （）系數(shù)與偏差當前值的關系可以線性的或非線性的，可設為 （） 值在區(qū)間內變化，當差大于所給分離區(qū)間后，＝0，不再對當前值進行繼續(xù)累加；當偏差小于時，加入當前值，即積分項變?yōu)?，與一般PID積分項相同，積分動作達到最高速；而當偏差在與之間時，則累加計入的是部分當前值，其值在~之間隨的大小而變化。在變速積分PID算法中，設置系數(shù)，它是的函數(shù)。變速積分PID控制算法的基本思路是當溫度偏差大于某一設定值時，控制輸出為1，而小于此設定值時，采用變速積分PID控制算法[7]。因此如何根據(jù)系統(tǒng)偏差的大小改變積分的速度，對于提高系統(tǒng)的品質是很重要的。而系統(tǒng)對積分的要求是系統(tǒng)偏差大時積分作用應減弱甚至全無，而在偏差小時則應加強。本設計引入前饋補償解耦控制，以此使爐內溫度達到均勻分布。本設計中，由于電阻爐溫度控制系統(tǒng)具有非線性、大滯后、大慣性、升溫單相性等特點，若用傳統(tǒng)的PID控制算法，很難達到控制要求和控制精度，并且容易產生大的超調和不穩(wěn)定等現(xiàn)象，故本設計采用變速積分PID控制算法?？梢?，只要控制在設定周期內的周波數(shù)，就可調節(jié)負載的功率，控制加載到電阻絲上的定額周期的正弦波，達到調控溫度的目的。 直流固態(tài)繼電器工作波形圖本設計中采用調功方式控制的周波控制法，調節(jié)負載功率從而達到調節(jié)溫度的目的, 調功的原理為：設電網(wǎng)連接（設為500個）個完整的正弦波，作為一個控制周期 （設為10s）, 則： （）式中為電網(wǎng)頻率。 直流固態(tài)繼電器（二線制）結構圖當加入控制信號后，T1導電使T2飽和導通，負載與電源接通。電路是在過零時開啟(并非電壓為0V 處導通,而是有一定電壓)，電流過零時關斷的特性, 。當有信號輸入時, T1 管截止, RRT2組成過零電壓檢測，只要RR6的分壓超過T2的基、射極壓降，T2管飽和導通, 它使SCR的控制極箝位在低電壓上，而不能導通，只有當輸入信號加入的同時，負載電壓又處在零電壓附近（+ 10V～+ 20V 范圍），來不及使T2進入飽和導通，此時SCR才能通過R3注入控制電流而導通，雙向可控硅TRAC通過R7→整流橋→SCR→整流橋，得到了觸發(fā)電流，故TRAC 導通，將負載與電源接通。過零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器（ACSSR(Z)型）內部結構由信號輸入電路、零電壓檢測和控制電路、雙向可控硅輸出及RC吸收電路構成[3]。由于以上優(yōu)點, SSR 在測控系統(tǒng)中得到了廣泛的應