【正文】 （3）移相觸發(fā)型最大導(dǎo)通角，不小于150度；（4）工作環(huán)境：溫度050℃相對(duì)濕度不超過85%的無腐蝕性氣體場(chǎng)合；（5）電源：交流220V177。（4）晶閘管運(yùn)行時(shí)無噪音，壽命長(zhǎng)，功率因數(shù)高。（3）手動(dòng)、自動(dòng)控制可任意按鍵切換，操作直觀方便，功率指示燈為光條指示百分比，清晰直觀無視差。本系列儀表采用了先進(jìn)的脈沖信號(hào)處理技術(shù)及抗干擾處理，控制輸出采用小型晶閘管強(qiáng)觸發(fā)方式，并引進(jìn)先進(jìn)的光點(diǎn)耦合技術(shù)進(jìn)行光電隔離，相位采集和脈沖信號(hào)傳輸，并采用光條代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動(dòng)圈表頭指示輸出功率，從而使本系列控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）優(yōu)異的抗干擾性能。能以自動(dòng)方式（外給定信號(hào)）或手動(dòng)發(fā)式（內(nèi)給定）對(duì)單向或雙向可控硅進(jìn)行移相或過零觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)可控硅調(diào)功或調(diào)壓控制。數(shù)據(jù)的最高有效位是符號(hào)位，最低4位在轉(zhuǎn)換為模擬量輸出值時(shí)，將自動(dòng)屏蔽。如圖25所示：圖25 EM231模擬量輸入模塊端子及DIP開關(guān)示意圖經(jīng)上述調(diào)整后，若輸入電壓范圍為0~10V的模擬量信號(hào)，則對(duì)應(yīng)的數(shù)字量結(jié)果應(yīng)為0~32000或所需要數(shù)字 EM232模擬量輸出模塊 EM232模擬量輸出的過程是將PLC模擬量輸出寄存器AQW中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為可用于驅(qū)動(dòng)元件的模擬量，其外部接線端子及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖26所示：圖26 EM232模擬量輸出模塊外部接線圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖可知，存儲(chǔ)于AQW中的數(shù)字量經(jīng)EM232模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器分為兩路信號(hào)輸出，一路經(jīng)電壓輸出緩沖器輸出標(biāo)準(zhǔn)的10~+10V 電壓信號(hào)，令一路經(jīng)電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出標(biāo)準(zhǔn)的0～20mA的電流信號(hào)。如圖24所示： 圖24 EM231選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表選好DIP開關(guān)的設(shè)置后，還需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整定，輸入信號(hào)的整定就是要確定模擬量輸入信號(hào)與數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過設(shè)定DIP設(shè)定開關(guān)左側(cè)的增益旋鈕可調(diào)整該模塊的輸入輸出關(guān)系。圖23 模擬量輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字量格式使用模擬量輸入模塊時(shí)，首先需要根據(jù)模擬量信號(hào)的類型及范圍通過模擬量模塊有右下側(cè)的DIP設(shè)定開關(guān)進(jìn)行輸入信號(hào)的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設(shè)計(jì)選用的電壓信號(hào)為0~10V作為模擬量模塊的輸入信號(hào)，則DIP選擇開關(guān)應(yīng)選為SW1開、SW2關(guān)、SW3開。存儲(chǔ)在16位模擬量寄存器AIW中的數(shù)據(jù)有效位為12位，其格式如圖23所示。 EM231模擬量輸入模塊 傳感器檢測(cè)到溫度轉(zhuǎn)換成0～10V的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入PLC內(nèi)部的模擬量輸入寄存器AIW中。本系統(tǒng)采用的是010V標(biāo)準(zhǔn)溫度變送器，使用過程中要加一個(gè)24V的電源，該電源可以從PLC上直接獲得。本設(shè)計(jì)采用的就是三線制電橋接線。如表22所示：表22 鉑熱電阻分度表工作端溫度/℃Pt100工作端溫度/℃Pt100工作端溫度/℃Pt10050100250401102603012027020130280101402900150300101603102017032030180330401903405020035060210360702203708023038090240390常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的AD值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值[5]。若做成一體化溫度變送器，可輸出420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或010V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，使用起來更為方便。鉑熱電阻根據(jù)使用場(chǎng)合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。通常用PT100來表示,其中PT后的100即表示它在0℃時(shí)阻值為100歐姆，在100℃。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(cè)量的。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。根據(jù)使用場(chǎng)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。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(cè)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(shí)，就會(huì)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(huì)指示所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)隨動(dòng)勢(shì)的對(duì)應(yīng)溫度值，電溫度升高而增長(zhǎng)。若配接輸出420mA、010V等標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓信號(hào)的溫度變送器，使用更加方便、可靠。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。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。真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是1821年由德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。根據(jù)美國(guó)儀器學(xué)會(huì)的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場(chǎng)份額大大超過了其他的傳感器。 　溫度傳感器溫度是一個(gè)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)。10V/模擬量輸出0~10V0~20mACPU224XP自帶的模擬量輸入通道有2個(gè)，模擬量輸出通道1個(gè)。在實(shí)際使用時(shí)，亦應(yīng)仔細(xì)查看開關(guān)量 I/O 模塊的技術(shù)特性，按照實(shí)際情況進(jìn)行選擇。按照輸出開關(guān)器件種類不同又分為 3 種：繼電 器輸出型,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。如光電隔離,輸入保護(hù)(浪 涌吸收器,旁路二極管,限流電阻),高頻濾波,輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。通常開關(guān)量 I/O 模塊產(chǎn)品 分 3 種類型:輸入模塊,輸出模塊以及輸入/輸出模塊。⑤CPU226它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計(jì) 40 點(diǎn),它在用戶程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量上進(jìn)行了擴(kuò)展,其他指標(biāo)和 CPU224XP相同。④CPU224XP 它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計(jì) 40 點(diǎn),和 CPU224 相比,增加了 通信口的數(shù)量,通信能力大大增強(qiáng)。②CPU222 它有8 輸入/6 輸出，I/0 共計(jì) 14 點(diǎn)，和 CPU 221 相比,它可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個(gè)模塊的擴(kuò)展,因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。 西門子S7200主要功能模塊介紹S7200的CPU 模塊包括一個(gè)中央處理單元,電源以及數(shù)字I/O 點(diǎn),這些都被集成在一個(gè)緊湊,獨(dú)立的設(shè)備中。S7200系列可以根據(jù)對(duì)象的不同, 可以選用不同的型號(hào)和不同數(shù)量的模塊。 　西門子S7200 PLCS7200 系列 PLC 是由德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能夠滿足多種自動(dòng)化控制的需求，其設(shè)計(jì)緊湊，價(jià)格低廉，并且具有良好的可擴(kuò)展性以及強(qiáng)大的指令功能，可代替繼電器在簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合，也可以用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求做出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、高質(zhì)量的產(chǎn)品。因此本設(shè)計(jì)選用西門子S7200PLC來控制加熱爐的溫度。另一種是基于單片機(jī)進(jìn)行PID控制，然而單片機(jī)控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長(zhǎng)處, 而PLC 在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇?，F(xiàn)在，我國(guó)在溫度等控制儀表業(yè)與國(guó)外還有著一定的差距。目前，我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平。目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 　技術(shù)綜述自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應(yīng)參數(shù)自整定等方面取得成果。 圖11 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖通過調(diào)節(jié)雙向可控硅的通斷來調(diào)節(jié)電阻絲的輸出功率，由溫度檢測(cè)元件熱電阻將采集到的爐膛溫度信號(hào)，經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進(jìn)來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為西門子S7200PLC可識(shí)別的數(shù)字量。軟件設(shè)計(jì)須能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，考慮到本系統(tǒng)控制對(duì)象為電爐，是一個(gè)大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍較寬，所以本系統(tǒng)對(duì)過渡過程時(shí)間不予要求。這也正是本設(shè)計(jì)所重點(diǎn)研究的內(nèi)容。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(chǎng)所中采用PLC控制是較為合理的，通過采用PLC來對(duì)它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測(cè)溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制[1]。加熱爐溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)論文目　　錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景及意義 1 研究的主要內(nèi)容 1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)要求 1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 2 技術(shù)綜述 2第2章 硬件設(shè)計(jì) 4 西門子S7200 PLC 4 西門子S7200主要功能模塊介紹 4 開關(guān)量I/O模塊介紹 5 溫度傳感器 5 熱電偶 6 熱電阻 6 模擬量輸入模塊 8 EM231模擬量輸入模塊 8 EM232模擬量輸出模塊 10 可控硅電壓調(diào)整器 11 可控硅電壓調(diào)整器簡(jiǎn)介 11 可控硅電壓調(diào)整器的主要性能指標(biāo) 12 雙向可控硅交流調(diào)壓原理 12 可控硅電壓調(diào)整器在加熱爐中的應(yīng)用 13 本章小結(jié) 14第3章 爐溫PID控制算法 15 PID控制器基本概念 15 PID控制算法數(shù)字化處理 16 PID在PLC中的回路指令 19 模擬量采集的數(shù)字濾波算法 21 采樣周期的選擇 23 PID參數(shù)整定 24 本章小結(jié) 27第4章 軟件設(shè)計(jì) 28 STEP7編程軟件簡(jiǎn)介 28 方案設(shè)計(jì)思路 28 程序流程圖 30 系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn) 30 PLC爐溫控制系統(tǒng)的調(diào)試 31 本章小結(jié) 31第5章 組態(tài)畫面設(shè)計(jì) 32 組態(tài)王簡(jiǎn)介 32 組態(tài)畫面設(shè)計(jì) 32 創(chuàng)建項(xiàng)目 32 創(chuàng)建主畫面 34 建立實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線 35 創(chuàng)建報(bào)警窗口 35 建立系統(tǒng)原理畫面 36 建立參數(shù)監(jiān)控畫面 37 本章小結(jié) 38第6章 系統(tǒng)調(diào)試 39 組態(tài)王與S7200的通信 39 啟動(dòng)組態(tài)王 39 參數(shù)設(shè)定和監(jiān)控 40 報(bào)警信息提示 41 趨勢(shì)曲線監(jiān)控 42 本章小結(jié) 43結(jié)論 44致謝 45參考文獻(xiàn) 46附錄１ 47附錄2 49附錄3 52II第1章 　緒論 　課題背景及意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個(gè)非常重要的過程變量。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行PID控制,然而單片機(jī)控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長(zhǎng)處,然而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。因此，PLC對(duì)溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問題。 　研究的主要內(nèi)容本課題的研究?jī)?nèi)容主要有：1) 溫度的檢測(cè)；2) 采用PLC進(jìn)行恒溫控制；3) PID算法在PLC中如何實(shí)現(xiàn)；4) PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響；5) 溫控系統(tǒng)人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)； 　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)要求本PLC溫度控制系統(tǒng)的具體指標(biāo)要求是：對(duì)加熱器加熱溫度調(diào)整范圍為800℃—1000℃，溫度控制精度小于3℃，系統(tǒng)的超調(diào)量須小于15%，并具有溫度上下限報(bào)警功能和故障報(bào)警功能。 　控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖11所示，它由PLC主控系統(tǒng)、可控硅電壓調(diào)整器、加熱爐、溫度傳感器、溫度變送器等幾個(gè)部分組成[2]。用編制好的程序?qū)ζ溥M(jìn)行計(jì)算，得到實(shí)際溫度值，在與給定的溫度值比較，得到的偏差經(jīng)過PID運(yùn)算后，輸出的數(shù)字量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，在由模擬量輸出模塊送給可控硅電壓調(diào)整器，產(chǎn)生可控硅脈沖觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)觸發(fā)可控硅電路，最終由該電路驅(qū)動(dòng)電爐的加熱絲，通過調(diào)整可控硅觸發(fā)信號(hào)（即調(diào)節(jié)供電電壓每個(gè)周期的導(dǎo)通角），即可控制電爐電壓的通斷及大小，進(jìn)而達(dá)到控制爐溫的目的。在這方面以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距。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，而且適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。溫度控制系統(tǒng)大致可分別用3種方式實(shí)現(xiàn)，一種是用儀器儀表來控制溫度，這種方法控制的精度不高。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。第2章 　硬件設(shè)計(jì)隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性。本章主要介紹西門子S7200系列PLC以及其它硬件的組成與選型。由于它具有極強(qiáng)的通信功能，在大型