【正文】 中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 3 加熱主電路 設(shè)計(jì) 加熱主電路 32 米電加熱隧道窯是生產(chǎn)陶瓷砂輪的專用設(shè)備，裝機(jī)容量 160KW，主電路采用星形接法，發(fā)熱原件采用硅鉬棒，三組加熱為獨(dú)立控制方式，工作溫度為 1250℃，要求溫度的誤差為177。電路圖如下：斷路器 QA1 控制加熱系統(tǒng)的啟停。阻容保護(hù)的作用是限制 加在晶閘管上的正向電壓上升率 dv/dt。 硅鉬棒的參數(shù)為： 15 .2 0. 10 1aU V R? ? ?額 定 電 壓 ： 電 阻 ： 中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 150 A P K W??工 作 電 流 ： 功 率 ： 裝機(jī)容量： 60= 故裝機(jī)容量設(shè)為 160KW。當(dāng)元件溫度大于 1700℃時(shí)，石英保護(hù)層熔融，元件在氧化氣氛下，繼續(xù)使用，石英保護(hù)層重新生成。 b: 硅鉬棒元件的安裝 硅鉬棒元件在常溫下脆性較大，高溫時(shí)又有可塑性，所以 U型棒最好是垂直懸掛安裝，若需水平安裝，請(qǐng)選用高溫耐火材料支撐，把硅鉬棒水平放置。夾頭導(dǎo)線與元件接觸電壓應(yīng)低于 ，為避免幅射熱傳到夾頭，夾頭下端和塞磚上面的距離不應(yīng)小于 50mm。由加熱主電路圖可知： 調(diào)功方式： 由于單個(gè)硅鉬棒的工作電壓為 ，故可將 20 個(gè)硅鉬棒串聯(lián)。 可控硅 中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 簡介 可控硅又叫晶閘管。今天大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說的普通晶閘管，它是由四層半導(dǎo)體材料組成的，有三個(gè) PN 結(jié)，對(duì)外有三個(gè)電極〔圖 2(a)〕：第一層 P型 半導(dǎo)體 引出的電極叫陽極 A，第三層 P 型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極 G，第四層 N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極 K。 圖 32 晶閘管基本結(jié)構(gòu) 選型 加熱系統(tǒng)主回路采用兩只晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中 ,控制晶閘管就可控制交流電力 ,以達(dá)到控制溫度的目的。由于輸出的是完整的正弦波 ,其輻射小 ,傳導(dǎo)干擾及負(fù)載的瞬態(tài)浪涌電流也最小。所以必須選擇足夠正向重復(fù)阻斷峰值電壓 (VDRM)。當(dāng)加大反向電壓達(dá)到一定值 VRB 時(shí)可控硅的反向從阻斷突然轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)是反向擊穿，器件會(huì)被損壞。在感性負(fù)載的情況下，如磁選設(shè)備的整流裝置。因此，器件也必須有足夠的反向耐壓 VRRM。 峰值電壓： Uf=√ 2 U==311V 則晶閘管額定電壓為：（ 2～ 3） Uf=622～ 933V 考慮到安全余量，選擇晶閘管的額定電壓為 1000V。三臺(tái)電機(jī)分別用 MA1， MA2， MA3 代表。 QA8， QA9， QA10 分別為三臺(tái)電機(jī)的主電路的隔離開關(guān)， QA0 為主電源電路總開關(guān)。當(dāng)窯內(nèi)溫度過高時(shí)，需閉合隔離開關(guān) QA8， QA9，送風(fēng)排風(fēng)電機(jī)工作，排出熱風(fēng)。 Y 系列電動(dòng)機(jī)是一般用途的全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)。適用于驅(qū)動(dòng)無特殊要求的機(jī)械設(shè)備，如機(jī)床、泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、攪拌機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、食品機(jī)械 等。 Y80~315電動(dòng)機(jī)符合 Y系列（ IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件 JB/T96161999。 Y80~315 電動(dòng)機(jī)采用 B 級(jí)絕 中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 緣。額定電壓為 380V，額定頻率為 50Hz。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行地點(diǎn)的海拔不超過 1000m；環(huán)境空氣溫度隨季節(jié)變化，但不超過 40℃ ；最低環(huán)境空氣溫度為 15℃ ；最濕月月平均最 高相對(duì)濕度為 90%；同時(shí)該月月平均最低溫度不高于 25℃ 。但 AB、松下、日立、光洋品牌的 PLC 在國內(nèi)的普及率遠(yuǎn) 不如西門子、三菱、歐姆龍。三菱 的 PLC 編程 比較容易上手，但是在大型的宏程序 上 ，和西門子還是有差別的，大型的設(shè)備 控制還是用 西門子 的會(huì)好些。 當(dāng)然，其成功的關(guān)鍵也來自于產(chǎn)品的合格性與良好的服務(wù)態(tài)度。 西門子 S7200 S7200 系列可編程控制器有 CPU21X 系列， CPU22X 系列，其 中 CPU22X 型可編程控制器提供了 4 個(gè)不同的基本型號(hào)，常見的有 CPU221， CPU222， CPU224 和 CPU226 四種基本型號(hào)。 CPU 222 是 S7200家族中低成本的單元，通過可連接的擴(kuò)展模塊即可處理模擬量。 CPU 226 和 226XM 是功能最強(qiáng)的單元，可完全滿足一些中小型復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元 、編程器、存儲(chǔ)卡、寫入器、文本顯示器等。它具有 14 個(gè)輸入點(diǎn)和 10 個(gè)輸出點(diǎn)。 表 51 S7200系列 PLC中 CPU22X的基本單元 型 號(hào) 輸入點(diǎn) 輸出點(diǎn) 可帶擴(kuò)展模塊數(shù) CPU221 6 4 0 CPU222 8 6 2個(gè)擴(kuò)展模塊 CPU224 14 10 7個(gè)擴(kuò)展模塊 CPU224XP 24 16 7個(gè)擴(kuò)展模塊 CPU226 24 16 7個(gè)擴(kuò)展模塊 CPU224 具體參數(shù) 表 52 CPU 224 AC/DC/繼電器 I/O特性 數(shù)字量輸入 14 輸入 數(shù)字量輸出 10 輸出 中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 模擬量輸入 無 模擬量輸出 無 允許最大的擴(kuò)展 I/O模塊 7個(gè)模塊 允許最大的智能模塊 7個(gè)模塊 脈沖捕捉輸入 14 單相計(jì)數(shù)器 6，每個(gè) 30KHz 兩相計(jì)數(shù)器 4，每個(gè) 20KHz 脈沖輸出 2個(gè) 20KHz(僅限于 DC輸出 ) 測(cè)溫模塊的選擇 熱電偶模塊 熱電偶是一種感溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào) ，通過電氣儀表 ， 轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測(cè)量。 由于電加熱隧道窯溫度為 1250℃177。 表 53 七種熱電偶溫度范圍 J型熱電偶 0～ 760℃ K型熱電偶 0～ 1370℃ T型熱電偶 100～ 400℃ E型熱電偶 0～ 1000℃ R型熱電偶 500～ 1750℃ S型熱電偶 500～ 1750℃ 中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 B型熱電偶 500～ 1800℃ 因而采 用的是 K 型熱電阻 。 方案一：選擇西門子的熱電偶和 EM231 AI 4X 測(cè)溫模塊 K 型熱電偶將從隧道窯內(nèi)采集的溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào) ，將數(shù)據(jù)傳送給 EM231 AI 4X 測(cè)溫模塊， EM231 測(cè)溫模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，再將處理完的數(shù)據(jù)送到 PLC 中。 ℃ 中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 b) 熱電偶連接 圖 51 熱電偶接線圖 c)EM 231 熱電偶模塊 傳感器檢測(cè)到溫度轉(zhuǎn)換成 0～ 41mv 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 中進(jìn)行處理。 EM231 熱電偶模塊提供一個(gè)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(hào) (177。 EM231 模塊需要用戶通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測(cè)量單位、冷端補(bǔ)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(guān)進(jìn)行以上選擇，如圖所示。 對(duì)于 EM231 4TC 模塊， SW1～ SW3 用于選擇熱電偶類型，見表 53 。 為了使 DIP 開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給 PLC 的電源斷電再通電。 EM231A/D 模塊再將處理后的數(shù)字量數(shù)據(jù)傳送到 PLC 中，使 PLC產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。熱電偶將 采集的硅鉬棒加熱對(duì)象的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，再將相應(yīng)的電信號(hào)傳輸給 EM231 熱電偶模塊。熱電偶將 采集的硅鉬棒加熱對(duì)象的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，電信號(hào)通過溫度變送器轉(zhuǎn)換成 0～ 10V 的標(biāo)準(zhǔn)電壓，再將標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)傳輸給 EM231 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。 EM232 模擬量輸出模塊 表 57 EM232 具體參數(shù) EM232 參數(shù)表 規(guī)格參數(shù) 2路輸入 12位精度 功耗 2W 電源損耗 +5V DC消耗電流 20mA 從 L+ 70mA(帶 2 路輸出 20mA) L+電壓范圍第 2 級(jí)或 DC 傳感器供電 ～ LED燈指示 24V電源狀態(tài) 亮正常 滅故障 量程范圍 電壓輸出 177。 PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠工作、調(diào)整方便而成為工業(yè)過程控制中不可替代的主要技術(shù)之一。 比例調(diào)節(jié)：按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。 微分調(diào)節(jié)：反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分環(huán)節(jié)作用消除。即 ： 0() /tt C C ini tia l CM K e K e dt M K de t? ? ? ? ? ? ?? 以上各量都是連續(xù)量 ,第一項(xiàng)為比例項(xiàng) ,最后一項(xiàng)為微分項(xiàng) ,中間兩項(xiàng)為積分項(xiàng)。 Kc 為回路的增益。 公式如下 : ()1( ) ( / ) ( ) ( / ) ( )n C n n C s i n nC D S n nM K S P P V K T T S P P VM X K T T P V P V?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? 公式中包含 9個(gè)用來控制 PID 運(yùn)算的參數(shù)，其中： CK ： PID 回路增益 SPn : 第 n次采樣的設(shè)定值 PVn ： 第 n次采樣時(shí)刻的設(shè)定值 1PVn? ： 第 n1次采樣時(shí)刻的設(shè)定值 ST ：采樣周期 iT ：積分時(shí)間的比例常數(shù) MX ：積分項(xiàng)前值 DT ：微分項(xiàng)的比例常數(shù) PID 控制算法 中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 61 帶 PID控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 6． 3 PID 在 PLC 中的使用 使用 PID 回路指令的關(guān)鍵有三步：（ 1）建立 PID 回路表；（ 2）對(duì)收入采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；（ 3）對(duì) PID 輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行工程量化處理。 對(duì)收入采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理 用 PLC 控制 PID 回路時(shí)，要把實(shí)際測(cè)量收入量、設(shè)定值和回路表中的其他輸入?yún)?shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即用程序把它們轉(zhuǎn)化為 PLC 能夠識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)，也即把它們轉(zhuǎn)化為無量綱的歸一化純量和浮點(diǎn)數(shù)的格式。 ? ?estpanra wnoum O ffSRR ?? / noumR 為工程實(shí)際值的歸一化值； rawR 為工程實(shí)際值在未進(jìn)行歸一化處理的實(shí)數(shù)形式值。 panS為補(bǔ)償值或偏置，單極性為 ，雙極性為 。 由于本設(shè)計(jì)采用的是單極性數(shù)據(jù)，故轉(zhuǎn)換公式為： )3 2 0 0 0/( ra wn o u m RR ? 對(duì) PID 輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行工程量化處理 程序執(zhí)行時(shí)把各個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)化為實(shí)數(shù)量用離散化 PID 算式進(jìn)行處理，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)運(yùn)算結(jié)果。 TURNC AC0,AC0 //取整數(shù) DTI AC0,AC0 //雙整數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù) MOVW AC0,AQW0 //把整數(shù)值送到模擬量輸出通道 PID 參數(shù)整定 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) PID 參數(shù)設(shè)定如下 ： CK =； sT =35s； iT =30min； DT =0min 中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 7 電氣控制原理圖 PLC 的 I/O分配 表 71 I/O地址分配 名稱 代號(hào) 地址 PLC啟動(dòng)按鈕 SF1 PLC停止按鈕 SF2 窯車啟動(dòng) SF3 窯車停止 S