【正文】 保安系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關(guān)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。 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(guān)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，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(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載。 表 硬件器件選用表 器件名稱 器件型號 器件功用簡述 可編程控制器 SIMATIC S7200 CPU224 系列 作為下位機(jī)的控制器 PC/PPI 電纜 作為 RS232 和 RS485 接口轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行微機(jī)與 PLC 間的通信 模擬量輸入 EM231 TC 接受熱電偶溫度信號并轉(zhuǎn)化為數(shù)字量 單相交流固體繼 、電器 (SSR) SSR－ 220D40 控制單相交流電 (220V)的導(dǎo)通率，達(dá)到調(diào)功目的 熱電偶 鎳鉻－鎳硅熱電偶 將爐內(nèi) 0～ 1000 攝氏度的溫度轉(zhuǎn)化為 0～41mv 的電 壓信號 溫度顯示屏 WP 系列變送器 將 0～ 41mV溫度信號轉(zhuǎn)化為 0～ 5V信號，并顯示當(dāng)前爐內(nèi)溫度值 模擬量輸入 / 輸出 EM235 進(jìn)行模擬量輸入 /輸出 單相交流繼電器介紹 固體繼電器英文名為 Solid State Relay，簡稱 SSR。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(jìn)行說明。同時， B 段熱電偶接至 WP 系列變送器將當(dāng)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(diào)功模塊，進(jìn)行負(fù)載功率的調(diào)節(jié)，達(dá)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(jìn)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(jìn)行溫度信 號的采集。 微 機(jī)P L CE M 231 TC單相交流固態(tài)繼電器（ SSR )0 或 24 Vc o mc o nLN220 V熱電偶電阻絲控制量輸出 圖 A 段與 C 段溫度控制系統(tǒng)硬件概圖 在 B 段的設(shè)計中，因為要求有溫度顯示模塊，故在系統(tǒng)設(shè)計中可使用模擬量輸入 /輸出模塊 EM235（無信號放大功能）進(jìn)行模擬量輸入，并可以接受溫度變送 器傳來的溫度信號，進(jìn)行模 /數(shù)轉(zhuǎn)化，顯示電路使用 WP 系列變送器（可以進(jìn)行信號放大）。上位機(jī)（微機(jī)）通過上位機(jī) 串口（ RS232）經(jīng) RS232/RS485 接口轉(zhuǎn)換器（ PC/PPI 電纜）與下位機(jī) PLC 串口（ RS485）通信。以 S7200 PLC系列中的 CPU224作為下位機(jī)控制器，并帶有輸入擴(kuò)展模塊 EM231TC作為模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。 在設(shè)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(jìn)行介紹。 第 11 頁 3 多段電阻爐溫度控制硬件部分設(shè)計 在多段電阻爐溫度控制設(shè)計中硬件設(shè)計是至關(guān)重要的 ，本章將從硬件的設(shè)計方法、元件選擇、硬件連接框圖等方面對系統(tǒng)的硬件設(shè)計進(jìn)行介紹。為解決這一影響，在本設(shè)計中采用一種簡單的方法，達(dá)到解耦控制的效果。為解決這個問題，在系統(tǒng)中對中間段進(jìn)行 了 前饋控制。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(guān)。由仿真結(jié)果可以看出，變速積分具有更小的上升時間，控制效果更好。采用變速積分 PID 控制 算法，其 階躍響應(yīng) 第 9 頁 曲線 如圖 所示 。 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(yīng) 進(jìn)行仿真比較。 因此，其積分速度在 ???10 )(kii Tiek和 ??KIi Tiek 0 )(之間 。當(dāng) )(ke 增大時， 第 8 頁 f 減小，反之增大。 變速積分 PID 是設(shè)法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應(yīng)，偏差越大，積分越慢，反之則越快。變速積分 PID 可很好的解決好這一問題。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。 變速積分 PID 控 制算法 在普通的 PID 控制算法中，由于積分系數(shù) Ki 是常數(shù)，所以在整個控制過程中，積分增量不變。 多段電阻爐內(nèi)部溫度是非均勻分布的，且隨時間連續(xù)變化 ， 即爐溫不僅與時間有關(guān)，而且與空間有關(guān)，故需要考慮解耦問題 。 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(guān)鍵是控制算法的選擇。 設(shè)在設(shè)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(fù)載功率： RsNnUP /2? （ ） 式中 U 為電網(wǎng)電壓有效值 ,Rs 為負(fù)載有效電阻。它是以功率晶體管作開關(guān)元件，而不是以可控硅作開關(guān)元件，其工作波形見圖 。 第 6 頁 圖 過零觸發(fā)交流固態(tài)繼電器工作波形圖 直流固態(tài)繼電器（ DCSSR） 輸出為 2根線 ， 其結(jié)構(gòu)圖如圖 。 當(dāng)輸入信號撤銷后 ， T1 進(jìn)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(guān)斷 ， 切斷負(fù)載與電源間的電流通道。 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(dāng)無信號輸入時 ， T1 管導(dǎo)通 , SCR 處于關(guān)斷狀態(tài) ， SSR 是斷開狀 。 過零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器（ ACSSR(Z)型）內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(gòu)成 [3]。 由于以上優(yōu)點 , SSR 在測控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 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(jī)、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(hù) 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 。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。而且，考慮到多段電阻爐的電阻絲位置不同等原因，會造成升溫不平衡的影響，故三段之間的解耦輸出控制也至關(guān)重要。并有上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行溫度給定、顯示、和管理。 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(jìn)行的必要條件。 通過 查找 PLC、全隔離單相交流調(diào)壓模塊、上下位機(jī)通訊等方面的資料，閱讀相關(guān)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(shè)計 。 本設(shè)計 研究的主要內(nèi)容 畢業(yè)設(shè)計作為專業(yè)知識的一個應(yīng)用平臺，它能夠檢驗學(xué)生的專 業(yè)知識運用能力、獨立思考能力、動手能力 和 自學(xué)能力 ， 提高其專業(yè)知識水平。這三種調(diào)節(jié)規(guī)律的作用是 ： 比例調(diào)節(jié)產(chǎn)生穩(wěn)定的作用；積分調(diào)節(jié)可以消除靜差；微分調(diào)節(jié)可加速過渡過程，克服因積分作用而產(chǎn)生的滯后，減少超調(diào)?，F(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(jìn)行控制。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(dāng)于連續(xù)調(diào)節(jié)電阻爐輸入功率的作用，使?fàn)t溫的控制質(zhì)量有了一定的提高。它的特點是：結(jié)構(gòu)簡單、成本較低但是調(diào)節(jié)精度不高 ，被調(diào)參數(shù)的波動較大，調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器件因動作頻繁而易損壞，且工作時噪聲較大。這樣的系統(tǒng)叫做定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它由被調(diào)節(jié)對象（爐溫）、檢測元件（熱電偶）、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等四大環(huán)節(jié)組成。 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。 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。 2. 可編程控制器 PLC 與智能化控制儀表組成的綜合控制系統(tǒng)。 多段電阻爐控制的發(fā)展過程 伴隨著計算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。 第 2 頁 圖 改進(jìn)后電阻爐電路示意圖 改進(jìn)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(shè)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(shè)備的利用率。 SSR 的信號輸入端串聯(lián)接到溫控儀的信號輸出端，達(dá)到對 SSR 工作的控制，改進(jìn)后電阻爐電路示意圖見圖 。當(dāng)輸入端加上直流或脈沖信號時，輸出端從關(guān)斷變成導(dǎo)通態(tài)，從而控制較大的交流 負(fù)載。交流固態(tài)繼電器 AC SSR（ Solid State Relay)是一種四端有源功率半導(dǎo)體元器件。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。 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(jìn)行處理來控制接觸器的通斷，從而達(dá)到對電阻爐加熱和保溫的控制。目前，多段電阻爐溫度的控制已成為實驗室、工礦企業(yè)、科研等單位進(jìn)行科學(xué)研究的一項重要的課題，爐溫控制越來越引起了人們的重視。 PLC 第 III 頁 目 錄 摘 要 .................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................. II 1 緒 論 ............................................................................................................. 1 畢業(yè)設(shè)計的選題背景 .................................................................................................. 1 多段電阻爐的研究狀況及成果 .................................................................................. 1 多段電阻爐控制的發(fā)展過程 ...................................................................................... 2 爐溫的自動控制方式 ........................................................................................ 2 本設(shè)計研究的主要內(nèi)容 .............................................................................................. 3 2 多段電阻爐溫度控制的方案 ........................................................................ 4 爐 溫控制方法的選擇 .................................................................................................. 4 交流調(diào)功的介紹 ................................................................................................ 4 爐溫控制算法的選擇 .............................................