【摘要】
本文研究的是可编程控制器在水箱恒温控制系统中的应用，水箱恒温控制装置主要用来完成对水箱中液体的液位和温度检测，并对温度参数进行调节。系统中温度控制是一个非常重要的部分。通过铂热电阻对温度进行测量，将测量到的温度传到PLC中。PLC 对采集到的温度值与给定值进行比较，经过PID运算后，调节双向晶闸管在设定周期内通断时间的比例，改变加热丝中电流大小及加热时间，以完成对温度的控制要求。
本系统硬件部分主要由CPU224、EM235、双向晶闸管等组成；软件部分主要由PID 控制来完成。
关键词：PLC CPU224 EM235 双向晶闸管 PID控制
Abstract: In this paper, is the programmable controller in the water tank temperature control system application, water tank temperature control system is mainly used to complete the tank liquid level and temperature detection, and adjust the temperature parameters. System, temperature control is a very important part. By platinum RTD temperature measurement will be measured in the temperature reached the PLC. PLC on the collected temperature values compared with a given value, after a PID operation, the regulator Triac off the set period of time the ratio of change in heating wire in the current size and heating time to complete the right temperature control requirements.
The system hardware mainly by the CPU224, EM235, bi-directional thyristor etc.; software, some of the major by the PID control to complete.
Key words:PLC CPU224 EM235 Triac PID Contro l
目录
1.前言 (1)
1.1恒温系统应用 (1)
1.2PLC的结构 (1)
1.2.1中央处理单元(CPU) (1)
1.2.2存储器 (1)
1.2.3电源 (2)
1.3PLC的工作原理 (2)
1.3.1 PLC的基本工作原理 (2)
1.3.2 PLC 编程方式 (3)
1.4PLC的控制系统发展趋势 (3)
1.5PLC控制系统的构成设计原则及步骤 (4)
1.5.1 PLC的设计原则 (4)
1.5.2 PLC的设计步骤 (5)
2硬件设计 (7)
2.1工作过程 (7)
2.2I/O地址分配 (7)
2.3选择硬件 (8)
2.3.1 CPU224 (8)
2.3.2双向晶闸管 (9)
2.3.3热电阻原理构造 (10)
3 PID的介绍 (11)
3.1PID的工作原理 (11)
3.2PID参数整定 (12)
3.3PID模块介绍 (13)
3.3.1 PID回路表的格式及初始化 (13)
3.3.2 PID程序 (14)
4程序 (18)
4.1顺序功能流程图 (18)
4.2程序设计 (20)
结束语 (25)
谢辞 (26)
参考文献 (27)
1.前言
1.1恒温系统应用
在日常生活、工业生产和实验室中电热恒温箱的应用随处可以见到。在生活中我们保存食物用到恒温箱，工业生产中一些生产原料的保存用到恒温箱，实验室里，特别是生物的培育实验室，恒温箱的应用更是普遍。
可编程控制器即PLC是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发出来的，现在已经广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量是输入/输出来控制设备或生产过程。在本设计中，我们针对实验水箱而设计的一个恒温系统，针对温度控制的特点以及实现准确温度控制的意义，设计了一种基于PID的恒温检测控制系统。1.2 PLC的结构
PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机相同。1.2.1中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算, 运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。
为了进一步提高PLC 的可靠性，近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统或采用三CPU 的表决式系统，这样即使某个CPU 出现故障整个系统仍能正常运行。
1.2.2存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
(1) PLC 常用的存储器类型
①RAM (Random Assess Memory)，这是一种读/写存储器(随机存储器) ，其存取速度最快，由锂电池支持。
②EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。
③ EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电
可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
(2) PLC 存储空间的分配
虽然各种PLC 的CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC 的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区；系统RAM 存储区(包括I/O 映象区和系统软设备等)；用户程序存储区。
①系统程序存储区
在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序、等由制造厂商将其固化在EPROM 中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该PLC 的性能。
②系统RAM 存储区
系统RAM 存储区包括I/O 映象区以及各类软设备如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器、等存储器。
a I/O 映象区
由于PLC 投入运行后只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O 的状态和数据，这些单元称作I/O 映象区，一个开关量I/O 占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O 占用存储单元中的一个字(16 个bit)，因此整个I/O 映象区可看作两个部分组成：开关量I/O 映象区，模拟量I/O 映象区。
b 系统软设备存储区
除了I/O 映象区区以外，系统RAM 存储区还包括PLC 内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区，该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC 断电时由内部的锂电池供电，数据不会遗失，后者当PLC 断电时数据被清零。
c 用户程序存储区
用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的PLC 其存储容量各不相同。
1.2.3电源
PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将PLC 直接连接到交流电网上去。
1.3 PLC的工作原理
1.3.1 PLC的基本工作原理
（1）PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
1）每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。
2）输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新
状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
5）扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数。
6）由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
（2）PLC与继电器控制系统、微机区别
1）PLC与继电器控制系统区别
前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。
前者用“软件”，后者用“硬件”。
2）PLC与微机区别
前者工作方式是“循环扫描”。后者工作方式是“待命或中断”。
1.3.2 PLC 编程方式
PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。
PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。
梯形图语言特点：
（1）每个梯形图由多个梯级组成。
（2）梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果是“1”，有假想的电流流过。
（3）继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。
（4）每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。
（5）输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。
1.4 PLC的控制系统发展趋势
（1）PLC发展的潮流
目前，国外PLC制造商不断推出新产品。西门子最初推出S5系列，然后推出 S7系列；三菱开始是F系列，FX系列，现在是Q系列（A1、A2、A2X）。大趋势是功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强。特别是网络，因为联网是一个大潮流。
现在各种PLC都在发展自己的网络，一般从结构上有两种，一种在PLC模块上做了一个通信输出口，可以直接与计算机联接实现点对点通信（RS232联接）；另一种是通过多点联接（RS485联接），这适用于多层PLC。这方面，西门子的产品具有代表性，它具
有自己的PROFIBUS协议的网络标准，现在已经被世界上绝大多数国家接受，几乎已经成为国际标准，获得广泛的应用。目前网络是一个发展趋势。网络的控制中心一般有两台计算机，通过电缆与现场的PLC站相连，每个站就放在被控设备的附近，从设备到PLC 站之间的电缆很短，从PLC站到控制中心只需一根电缆线，这样成本就大大降低了。
（2）PLC的最新发展动态
一是PLC网络化技术的发展，其中有两个趋势，一方面，PLC 网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质（比如双绞线，同轴电缆，光缆）连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC 远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。
二是PLC向高性能小型化发展。PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如三菱的FX-1S系列PLC，最小的机种，体积仅为60×90× 75mm，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算，PID调节，温度控制，精确定位，步进驱动，报表统计等。从这种意义上说，PLC系统与DCS（集散控制系统）的差别已经越来越小了。用PLC同样可以构成一个过程控制系统。
1.5 PLC控制系统的构成设计原则及步骤
1.5.1 PLC的设计原则
1）硬件设计：
硬件设计内容：PLC机型的选择；
输入/输出设备的选择；
图样（如接线图等）绘制；
硬件设计应遵循的原则：
（1）经济性
（2）可靠性
（3）先进性及可扩展性
2）软件设计：
软件就是编写满足生产控制要求的PLC用户程序，即绘制梯形图，或编写语句表。
软件设计原则：
（1）逻辑关系要简单明了，易于编程；
如继电器的触点可以使用无数次，只要在实现某个逻辑功能所需要的地方，可以随时使用，使得编制程序具有可读性，但要避免使用不必要的触点。
（2）保证程序功能的前提下尽量减少指令和程序的运行时间。
1.5.2 PLC的设计步骤
PLC系统设计的一般方法和步骤如图1－1所示：
图1－1 PLC的设计流程
（1）确定方案：
被空对象环境较差，系统工艺复杂，考虑用PLC控制系统。控制很简单，可以考虑用继电器控制系统。用PLC控制，首先要了解系统的工作过程及所有功能要求，从而分析被控对象的控制过程，输入/输出量是开关量还是模拟量，明确控制要求，绘制系统流程图。
（2）选择PLC的机型：
PLC的可靠性上是没有问题的，机型的选择主要是考虑功能上满足系统要求。机型的选择依据：控制对象的输入量，输出量工作电压输出功率现场对系统的响应速度要求控制室与现场的距离等。
（3）选择I/O设备，列出I/O地址分配表：
输入设备：控制按钮、行程开关、接近开关等。
输出设备：接触器、电磁阀、信号灯等。确定输入/输出设备的型号和数量。
列写输入/输出设备与PLC的I/O端口地址对照表，绘制接线图及编写程序。
分配I/O地址时应注意以下几点：把所有按钮、行程开关等集中配置，按顺序分配I/O地址；每个I/O设备占用地址；同一类型的I/O点应尽量安排在同一个区。
彼此有关的输出器件，如电动机的正反转，其输出地址应连续分配。
1）绘制电动机的主电路及PLC外部的其它控制电路图。
2）绘制PLC的I/O接线图。
注：接在PLC输入端的电器元件一律为常开触点，如停止按钮等。
3）绘制PLC及I/O设备的供电图。
输入电路一般由PLC内部提供电源，输出电路根据负载的额定电压外接电源。
（4）设计电气线路图：
（5）程序设计与调试
程序设计可以用经验设计或者功能表图设计法，或两者结合使用。
（6）总装调试：
接好硬件线路，把程序输入PLC中，联机调试
2硬件设计
2.1工作过程
（1）打开SV1充冷水，当水到达上限位，使上限位传感器输出有信号时，停止供冷水，关闭SV1。
（2）当水到达下限位时，启动加热器H，让其加热水，同时让搅拌电动机M开始运行，使水的温度均匀上升。
（3）设定给定温度值为60℃。
（4）当实际温度高于60℃时，开通SV1和SV2，并运行搅拌电机M；当实际温度低于60℃时，开通加热器H并运行搅拌电机M。以此进行循环。
（5）当水低于下限位传感器时，报警灯亮。人工按下停止按钮，重新开始启动。
图2－1 实验水箱温度控制系统符号描述
2.2 I/O地址分配
根据图2-1及以上工作过程分析，统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号，如表2-1所示。水位上下限位信号分别为I0.2、I0.3,它们在水淹没时为1，露
出时为0。
2.3选择硬件
从上面分析可以知道，系统共有5个开关量输入点，4个开关量输出点，1个模拟量输入点，1个模拟量输出点。参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU224(14入/10继电器输出)一台，再扩展一个模拟量模块EM235(4AI/1AO)。这样的配置是最经济的。整个PLC系统的配置如图所示。
2.3.1 CPU224
CPU224集成14输入／10输出共24个数字量I／O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I／O点或35路模拟量I／O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯／编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I／O端子排可
很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。如下图所示
图2－3 CPU224的接线图
2.3.2双向晶闸管
双向晶闸管工作原理:双向可控硅具有两个方向轮流导通、关断的特性。双向可控硅实质上是两个反并联的单向可控硅，是由NPNPN五层半导体形成四个PN结构成、有三个电极的半导体器件。
图2－4 双向可控晶闸管
液温的电加热一般采用移相触发可控硅调节方式。即PLC根据PID公式计算出控制电压值，经D/A变换成模拟量输出给晶闸管，控制可控硅导通角。为避免电源畸变造成干扰，此处采用双向晶闸管固定周期控制方式。工作原理为：，选定控制脉冲的周期Tc=1 s，100个工频电源半周期即为10 ms。根据PID计算结果，微机在1秒固定周期内，发出不同宽度的电脉冲去控制双向晶闸管的门极，改变其导通时间，从而控制加热器的平
均输出功率。
2.3.3热电阻原理构造
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点：
①热电阻和显示仪表的分度号必须一致。
②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。
3 PID 的介绍
3.1 PID 的工作原理
在控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID 控制。PID 控制系统原理框图如图3－1所示。系统由PID 控制器和被控对象组成。
图3－1 PID 控制系统原理框图
PID 控制器是一种线性控制器,一种它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差： Error(t)=rin(t)-yout(t) （3.1） PID 控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成一种控制规律。即，控制器的输出为：
???
? ??++=?t D p dt t derror T dt t error T t error k t u 01)()(1)()( （3.2） 或写成传递函数的形式：
???
? ??++==s T s T k s E s U s G D p 111)()()( （3.3） 其中， kp ——比例系数；Ti ——积分时间常数；T d ——微分时间常数。 简单说来，PID 控制器各校正环节的作用如下：
比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号error(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。
比例控制： Gc(s)= Kp
积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强尽弱取决于积分时间常数Ti ，Ti 越大，积分作用越弱，反之则越强。
积分控制： Gc(s) = Kp/T is
微分环节：反偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
微分控制： Gc(s) =KpT ds
基本PID控制器的理想算式为：
（3.4）
式中
u(t)——控制器(也称调节器)的输出；
e(t)——控制器的输入（常常是设定值与被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；
K p——控制器的比例放大系数；
T i——控制器的积分时间；
T d——控制器的微分时间。
设u(k)为第k次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID算式
（3.5）
式中
。
由于计算机的输出u(k)直接控制执行机构（如阀门），u(k)的值与执行机构的位置（如阀门开度）一一对应，所以通常称式(4.3)为位置式PID控制算法。
位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算量大；而且控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。
3.2 PID参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，本设计采用实验凑试法
（1）确定控制器参数
数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。
在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。
（2）选择参数
控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。
（3）整定步骤
实验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。
①整定比例控制
将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
②整定积分环节
若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。
先将步骤①中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。
③整定微分环节
若经过步骤②，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。
先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
3.3 PID模块介绍
3.3.1 PID回路表的格式及初始化
（1）PID回路表
PLC在执行PID调节指令时，须对算法中的9个参数进行运算，为此S7-200的PID 指令使用一个存储回路参数的回路表，PID回路表的格式及含义如表3－2所示。
湖南理工学院南湖学院 课程设计 题目：电加热炉温度控制系统设计专业:机械电子工程 组名：第三组 班级：机电班 组成员:彭江林、谢超、薛文熙
目录 1 意义与要求 (2) 1.1 实际意义 (2) 1.2 技术要求 (2) 2 设计内容及步骤 (2) 2.1 方案设计 (2) 2.2 详细设计 (3) 2.2.1 主要硬件介绍 (3) 2.2.2 电路设计方法 (4) 2.2.3 绘制流程图 (7) 2.2.4 程序设计 (8) 2.3 调试和仿真 (8) 3 结果分析 (9) 4 课程设计心得体会 (10) 参考文献 (10) 附录............................................................ 10-27
1 意义与要求 1.1 实际意义 在现实生活当中，很多场合需要对温度进行智能控制，日常生活中最常见的要算空调和冰箱了，他们都能根据环境实时情况，结合人为的设定，对温度进行智能控制。工业生产中的电加热炉温度监控系统和培养基的温度监控系统都是计算机控制系统的典型应用。通过这次课程设计，我们将自己动手设计一个小型的计算机控制系统，目的在于将理论结合实践以加深我们对课本知识的理解。 1.2 技术要求 要求利用所学过的知识设计一个温度控制系统，并用软件仿真。功能要求如下： （1）能够利用温度传感器检测环境中的实时温度； （2）能对所要求的温度进行设定； （3）将传感器检测到得实时温度与设定值相比较，当环境中的温度高于或低于所设定的温度时，系统会自动做出相应的动作来改变这一状况，使系统温度始终保持在设定的温度值。 2 设计内容及步骤 2.1 方案设计 要想达到技术要求的内容，少不了以下几种器件：单片机、温度传感器、LCD显示屏、直流电动机等。其中单片机用作主控制器，控制其他器件的工作和处理数据；温度传感器用来检测环境中的实时温度，并将检测值送到单片机中进行数值对比；LCD显示屏用来显示温度、时间的数字值；直流电动机用来表示电加热炉的工作情况，转动表示电加热炉通电加热，停止转动表示电加热炉断
吉林建筑大学城建学院课程设计报告 题目名称加热炉出口温度控制系统设计院（系）电气工程及其自动化 课程名称过程控制工程课程设计 班级电气13-1 学号 学生姓名 指导教师 起止日期2016.6.20-2016.7.1 成绩
目录 摘要 (Ⅰ) ABSTRACT (Ⅱ) 第1章绪论 (1) 1.1 设计目的 (1) 1.2 设计任务 (1) 1.3加热炉温度控制系统简介 (1) 1.4加热炉温度控制系统的发展 (2) 第2章对象模型建立 (4) 2．1 建立数学模型 (4) 2．2控制系统分析 (5) 第3章系统设备选型 (6) 3.1 测量变送器和传感器的选择 (6) 3.2执行器的选择 (6) 3.3控制器的选择 (6) 第4章控制器参数整定及Simulink仿真 (9) 4.1控制器参数整定 (9) 4.2Simulink仿真 (11) 结论 (12) 致谢 (13) 参考文献 (14)
摘要 随着我国国民经济的快速发展，加热炉的使用范围越来越广泛。随着网络技术的发展和整个工厂完全实现两级自动化管理，在过程级上通过相应的终端了解任何一个设备或任何一个装置的控制情况以及生产情况。过程控制系统在加热炉系统中得到广泛的应用，它是加热炉控制系统的重要部分，是对以及控制系统的一个总领和扩充。现代加热炉的生产过程可以实现高度的过程控制，以保证在加热过程中温度的准确控制，这就为工业生产提供了有利条件。加热炉是工业生产中的一个重要装置，它的任务是把原料加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。因此加热炉的温度控制起着举足轻重的作用。 关键词：加热炉；过程控制系统；温度控制
1 绪论 1.1 课题背景 随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制[1]。这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。 随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。这也正是本课题所重点研究的内容。 1.2 研究的主要内容 本课题的研究内容主要有： 1）温度的检测； 2）采用PLC进行恒温控制； 3）PID算法在PLC中如何实现； 4）PID参数对系统控制性能的影响； 5）温控系统人机界面的实现。
2 基于PLC的炉温控制系统的硬件设计 2.1系统控制要求 本PLC温度控制系统的具体指标要求是：对加热器加热温度调整范围为0℃—150℃，温度控制精度小于3℃，系统的超调量须小于15%。软件设计须能进行人机对话，考虑到本系统控制对象为电炉，是一个大延迟环节，且温度调节范围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。 2.2系统设计思路 根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。 系统硬件框图结构如图所示: 图2.1系统硬件框图 被控对象为炉内温度，温度传感器检测炉内的温度信号，经温度变送器将温度值转换成0～10V的电压信号送入PLC模块。PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出控制信号，经调压装置输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现炉温的连续控制。 2.3系统的硬件配置 2.3.1 S7-200PLC选型 S7-200 系列 PLC 是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用[2] S7-200系列可以根据对象的不同, 可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。 SiemensS7-200 主要功能模块介绍： (1)CPU 模块S7-200的CPU 模块包括一个中央处理单元,电源以及数字I/O 点,这些都被集成在一个紧凑,独立的设备中。CPU 负责执行程序,输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载.从 CPU 模块的功能来看, CPU
【摘要】 本文研究的是可编程控制器在水箱恒温控制系统中的应用，水箱恒温控制装置主要用来完成对水箱中液体的液位和温度检测，并对温度参数进行调节。系统中温度控制是一个非常重要的部分。通过铂热电阻对温度进行测量，将测量到的温度传到PLC中。PLC 对采集到的温度值与给定值进行比较，经过PID运算后，调节双向晶闸管在设定周期内通断时间的比例，改变加热丝中电流大小及加热时间，以完成对温度的控制要求。 本系统硬件部分主要由CPU224、EM235、双向晶闸管等组成；软件部分主要由PID 控制来完成。 关键词：PLC CPU224 EM235 双向晶闸管 PID控制 Abstract: In this paper, is the programmable controller in the water tank temperature control system application, water tank temperature control system is mainly used to complete the tank liquid level and temperature detection, and adjust the temperature parameters. System, temperature control is a very important part. By platinum RTD temperature measurement will be measured in the temperature reached the PLC. PLC on the collected temperature values compared with a given value, after a PID operation, the regulator Triac off the set period of time the ratio of change in heating wire in the current size and heating time to complete the right temperature control requirements. The system hardware mainly by the CPU224, EM235, bi-directional thyristor etc.; software, some of the major by the PID control to complete. Key words:PLC CPU224 EM235 Triac PID Contro l
目录 一、工艺介绍 (2) 二、功能的设计 (4) 三、实现的情况以及效果 (6)
一、工艺介绍 在钢厂中轧钢车间在对工件进行轧制前需要将工件加热到一定的温度，如图1表示其中一个加热段的温度控制系统。在图中采用了6台设有断偶报警的温度变送器、3台高值选择器、1台加法器、1台PID调节器和1台电器转换器组成系统。 利用阶跃响应便识的，以控制电流为输入、加热炉温度为输出的系统的传递函数为： 温度测量与变送器的传递函数为： 由于，因此，上式中可简化为： 在实际的设计控制系统时，首先采用了常规PID控制系统，但控制响应超调量较大，不能满足控制要求。
图1 对如图1所示的加热炉多点平均温度系统采用可变增益自适应纯滞后补偿进行仿真。 加入补偿环节后，PID调节器所控制的对象包括原来的对象和补偿环节两部分，于是等效对象的特性G（s）可以写成： 即补偿后的广义被控对象不在含有纯延迟环节，所以，采用纯滞后的对象特性比原来的对象容易控制的多。 但实际应用中发现，加热锅炉由于使用时间长短不同及处理工件数量不同，会引起特性变化，导致补偿模型精度降低，从而使纯滞后补偿特性变差，很难满足实际生产的稳定控制要求。
为改善调节效果，在控制线路中加入两个非线性单元——除法器与乘法器，构成如图所示的加热炉多点温度控制纯滞后自适应控制系统。 二、功能的设计 1、系统辨识 经辨识的被控对象模型为： 所以，带可变增益的自适应补偿控制结构框图如图
图2 加热炉多点温度控制纯滞后自适应补偿系统控制框图2、无调节器的开环系统稳定性分析 理想情况下，无调节器的开环传递函数为： 上式中所示广义被控对象的Bode图如下图所示。 图3
过程控制系统课程设计 设计题目加热炉温度控制系统 学生姓名 专业班级自动化 学号 指导老师 2010年12月31日 目录 第1章设计的目的和意义 (2) 第2章控制系统工艺流程及控制要求 (2) 2.1 生产工艺介绍
2.2 控制要求 第3章总体设计方案 (3) 3.1 系统控制方案 3.2 系统结构和控制流程图 第4章控制系统设计 (5) 4.1 系统控制参数确定 4.2 PID调节器设计 第5章控制仪表的选型和配置 (7) 5.1 检测元件 5.2 变送器 5.3 调节器 5.4 执行器 第6章系统控制接线图 (13) 第7章元件清单 (13) 第8章收获和体会 (14) 参考文献 第1章设计的目的和意义 电加热炉被广泛应用于工业生产和科学研究中。由于这类对象使用方便，可以通过调节输出功率来控制温度，进而得到较好的控制性能，故在冶金、机械、化工等领域中得到了广泛的应用。 在一些工业过程控制中,工业加热炉是关键部件,炉温控制精度及其工作稳定
性已成为产品质量的决定性因素。对于工业控制过程,PID 调节器具有原理简单、使用方便、稳定可靠、无静差等优点,因此在控制理论和技术飞跃发展的今天,它在工业控制领域仍具有强大的生命力。 在产品的工艺加工过程中，温度有时对产品质量的影响很大，温度检测和控制是十分重要的，这就需要对加热介质的温度进行连续的测量和控制。 在冶金工业中，加热炉内的温度控制直接关系到所冶炼金属的产品质量的好坏，温度控制不好，将给企业带来不可弥补的损失。为此，可靠的温度的监控在工业中是十分必要的。 这里，给出了一种简单的温度控制系统的实现方案。 第2章控制系统工艺流程及控制要求 2.1 生产工艺介绍 加热炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。 加热炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的加热炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。 本加热炉环节中，燃料与空气按照一定比例送入加热炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给物料。物料被加热后，温度达到生产要求后，进入下一个工艺环节。 加热炉设备主要工艺流程图如图2-1所示。
第一章绪论 1.1选题背景及意义 加热炉是利用电能来产生蒸汽或热水的装置。因为其效率高、无污染、自动化程度高，稳定性好的优点，冶金、机械、化工等各类工业生产过程中广泛使用电加热炉对温度进行控制。而传统的加热炉普遍采用继电器控制。由于继电器控制系统中，线路庞杂，故障查找和排除都相对困难，而且花费大量时间，影响工业生产。随着计算机技术的发展，传统继电器控制系统势必被PLC所取代。二十世纪七十年代后期，伴随着微电子技术和计算机技术的快速发展，也使得PLC 具有了计算机的功能，成为了一种以电子计算机为核心的工业控制装置，在温度控制领域可以让控制系统变得更高效，稳定且维护方便。 在过去的几十年里至今，PID控制已在工业控制中得到了广泛的应用。在工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）中位居第一。由于其原理简单、使用方便、适应能力强，在工业过程控制中95%甚至以上的控制回路都采用了PID结构。虽然后来也出现了很多不同新的算法，但PID仍旧是最普遍的规律。 1.2国内外研究现状及发展趋势 一些先进国家在二十世纪七十年代后期到八十年代初期就开始研发电热锅炉，中国到八十年代中期才开始起步，对电加热炉的生产过程进行计算机控制的研究。直到九十年代中期，不少企业才开始应用计算机控制的连续加热炉，可以说发展缓慢，而且对于国内的温度控制器，总体发展水平仍不高，不少企业还相当落后。与欧美、日本，德国等先进国家相比，其差距较大。目前我国的产品主要以“点位”控制和常规PID为主，只能处理一些简单的温度控制。对于一些过程复杂的，时变温度系统的场合往往束手无策。而相对于一些技术领先的国家，他们生产出了一批能够适应于大惯性、大滞后、过程复杂，参数时变的温度控制系统。并且普遍采用自适应控制、模糊控制及计算机技术。 近年来，伴随着科学技术的不断快速发展，计算机技术的进步和检测设备及
1 引言 1.1 设计目的 温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的。近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。 1.2 设计内容 主要是利用PLC S7-200作为可编程控制器，系统采用PID控制算法，手动整定或自整定PID参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为为一定值，并能实现手动启动和停止，运行指示灯监控实时控制系统的运行，实时显示当前温度值。 1.3 设计目标 通过对温度控制的设计，提高在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养在完成工程项目中所应具备的基本素质和要求。培养团队精神，科学的、实事求是的工作方法，提高查阅资料、语言表达和理论联系实际的技能。
2 系统总体方案设计 2.1 系统硬件配置及组成原理 2.1.1 PLC型号的选择 本温度控制系统采用德国西门子S7-200 PLC。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 2.1.2 PLC CPU的选择 S7-200 系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。。S7-200PLC 硬件系统的组成采用整体式加积木式，即主机中包括定数量的I/O端口，同时还可以扩展各种功能模块。S7-200PLC由基本单元（S7-200 CPU模块）、扩展单元、个人计算机（PC）或编程器，STEP 7-Micro/WIN编程软件及通信电缆等组成。 表2.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元 本设计采用的是CUP226。它具有24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35 路模拟量I/O点。26K 字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。 CPU226模块的I/O配置及四肢分配
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/6f10261103.html, 基于PLC的温度控制系统设计 作者：贾二林张国栋 来源：《科学与财富》2014年第11期 摘要：本文主要介绍了S7-200可编程控制器和温度控制的设计方案。编程时调用了编程软件STEP 7 -Micro WIN中自带的PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。利用组态王设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。 0 绪论 在工业自动化领域内，PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、功能强大、能耗低、体积小和其他重要特性被广泛应用于现代工业自动中。在当前的工业控制中，通常以PLC 为现场的控制设备，用于数据采集和处理、输出控制、逻辑判断等；而上位机则是利用HMI 软件来完成工业控制状态、流程与参数的显示，实现监控、管理、分析和存储等功能。这种监控系统充 分利用了PLC 和计算机的特点，因此获得了普遍的应用。通过这种方式设计一个温度控制系统，把基于PLC 的下位机与完成HMI功能的上位机相结合，组成分布式控制系统，从而达到了对温度的自动控制[1]。 1 系统总体设计方案 根据温度控制系统的要求，本设计由S7-200PLC作为中央处理单元，Fameview作为监控组态软件，实现恒温控制系统的实时监控。系统包括硬件和软件两部分。完成整个系统的需求应该是由软件和硬件共同努力、相互协调工作。本设计由工控机作为上位机监控整个系统，PLC等其他元件作为下位机完成具体控制要求，上位机与下位机之间的通信通过以太网的联接来达到通信的状态要求，以确保更好的完成对系统的监控。系统总体结构图如图1所示[2]。 图1 系统总体结构图 2 系统硬件电路设计 图2是温度控制系统硬件接线图，其中可以看到CPU226有两个扩展模块，并且与监控室连接，便于值班人员操作控制。 图2 硬件接线图 本设计采用CPU226作为主处理器，分别扩展了模拟量输入模块EM231以及模拟量输出模块EM232。系统中由流量检测计与温度传感器采集流量与温度信号，通过信号隔离处理器RZG2100将直流输入信号转换成隔离的标准过程信号，并送入EM231。EM231再将信号传给CPU226，由处理器对信号进行分析处理；然后将分析的结果通过数显仪表把系统状况反应出
成绩 《计算机控制技术》 课程设计 题目：基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计 班级：自动化09-1 姓名： 学号： 2013 年 1 月 1 日
基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计 摘要：电加热炉控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。本设计采用PID算法进行温度控制，使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联来实现温度的较为精确的控制。 电加热炉加热温度的改变是由上、下两组炉丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，本设计以AT89C51单片机为控制核心，输入通道使用AD590传感器检测温度，测量变送传给ADC0809进行A/D转换，输出通道驱动执行结构过零触发器，从而加热电炉丝。本系统PID算法，将温度控制在50～350℃范围内，并能够实时显示当前温度值。 关键词：电加热炉；PID ；功率；温度控制； 1.课程设计方案 1.1 系统组成中体结构 电加热炉温度控制系统原理图如下，主要由温度检测电路、A/D转换电路、驱动执行电路、显示电路及按键电路等组成。 系统采用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电阻炉温度的大小，温度通过热电偶检测，再经过变送器变成0 - 5 V 的电压信号送入A/D 转换器使之变成数字量，此数字量通过接口送到微机，这是模拟量输入通道。 2.控制系统的建模和数字控制器设计 2.1 数字PID控制算法 在电子数字计算机直接数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。计算机直接数字控制系统大多数是采样-数据控制系统。进入计算机的连续-时间信号,必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。
基于PLC的热水箱恒温控制系统 温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。 可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。 第一章绪论 1.1 引言 可编程序控制器(Programmable Controller，简称PLC)是以微处理器为基础，综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等高新技术的工业装置。现代PLC不仅具有传统继电器控制系统的控制功能，而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些智能控制模块，构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制系统。在工农业生产中，常用闭环控制方式控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量，PID控制是常见的一种控制方式。由于其不需要求出控制系统的数学模型，算法简单、鲁棒性好、可靠性高，在使用模拟量控制器的模拟控制系统和使用计算机(包括PLC)的数字控制系统中得到了广泛的应用。本文针对恒温水箱温控系统的要求，以PLC为温度控制系统的核心，利用PID控制算法实现水箱的恒温控制。
科目：综合控制系统题目：温度控制系统课程设计 姓名： LC 学号： 系别： 班级： 完成时间：
华南理工大学广州学院电子信息工程学院
目录 前言 (1) 第一章系统总体方案 (2) 第二章系统硬件设计 (3) 2.1 PLC选择 (3) 2.1.1 FX2N-48MR-001PLC (3) 2.1.2 FX2N-2AD特殊功能模块 (4) 2.1.3 FX2N-2DA特殊功能模块4 2.2 硬件电路设计 (5) 2.2.1 温度值给定电路 (6) 2.2.2 温度检测电路 (9) 2.2.3 过零检测电路 (10) 2.2.4晶闸管电功率控制电路 (11) 2.2.5 脉冲输出通道 (13) 2.2.6报警指示电路 (13) 2.2.7 复位电路 (14) 第三章系统软件设计 (14) 3.1 编程与通信软件的使用 (14) 3.2 程序设计 (16) 3.3 系统程序流程图 (16) 3.4 控制系统控制程序的开发 (17) 3.4.1 温度设计 (17) 3.4.2 A/D转换功能模块 (18) 3.4.3 标度变换程序 (19) 3.4.4 恒温控制程序（PID)设计 (19) 3.4.5 数字触发器程序设计 (22) 3.4.6 显示程序 (25) 3.4.7 恒温指示程序 (25) 3.4.8 报警程序 (25) 第四章总结与展望 (26) 4.1 总结 (26) 4.2 展望 (27) 参考文献 (28) 附录：系统程序（梯形图） (29)
前言 随着时代的发展,当今的技术日趋完善，竞争也愈演愈烈;传统的人工的操作已不能满足于目前的制造业前景,也无法保证更高质量的要求和提升高新技术企业的形象。 在生产实践中,自动化给人们带来了极大的便利和产品质量上的保证,同时也减轻了人员的劳动强度,减少了人员上的编制。在许多复杂的生产过程中难以实现的目标控制、整体优化、最佳决策等,熟练的操作工、技术人员或专家、管理者却能够容易判断和操作,可以获得满意的效果。人工智能的研究目标正是利用计算机来实现、模拟这些智能行为,通过人脑与计算机协调工作,以人机结合的模式,为解决十分复杂的问题寻找最佳的途径。 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 在工业生产过程中，加热管温度控制是十分常见的。温度控制的传统方法是人工—仪表控制。其重复性差，工艺要求难以保证，人工劳动强度大。目前大多数使用微机代替常规控制。以微机为核心控制系统虽然成本较低，但微机的可靠性和抗干扰性较差而使其硬件设计较复杂。而以PLC 为核心的控制系统，虽然成本较高，但PLC本身就有很强的抗干扰性和可靠性，因而系统的硬件设计也简单得多。所以，相比较于微机控制，PLC 控制在过程控制方面更具有优势。这种系统控制精度高、重复性好、自动化程度高，可以大大提高产品质量和减轻工人的劳动负担。本文介绍了以PLC为核心实现PID算法的温度控制系统的设计方法。
【摘要】 本论文主要阐述了温度控制加热器的工作原理，利用PLC对系统进行编程分析，其中介绍了许多关于温度控制系统的器件，让大家能更进一步的明白温度控制的过程及其硬件。在编程中还特别介绍了有关模拟量的转换，对PID也进行了详细的简介。 随着社会的发展需要，温度控制系统已经普遍被人们接受。温度控制在现阶段已有很多地方用到如：热水器、锅炉等。人们生活中所必须的设备都需要温度控制来解决。温度控制系统设计起来简单，用起来更方便。 关键词：编程控制系统热水器
【Abstract】 This thesis mainly describes the working principle of the heater temperature control, using PLC system programming analysis, which introduces many about temperature control system components, let everybody can further understand the process of temperature control and its hardware. In programming are particularly introduces the analogue conversion of PID a detailed introduction also. With the development of the society needs, the temperature control system has been generally be accepted by people. Temperature control at present has many places use such as: water heater, boiler, etc. People's life must be the devices are need to temperature control to solve. Temperature control system design easy, use up more convenient.
基于单片机的电加热炉温度控制系统设计 王丽华1郑树展2 （1、天津职业大学，天津300402；2、天津航空机电有限公司，天津300123） 摘要：温度控制是工业对象中主要的控制参数之一，其控制系统本身的动态特性属于一阶纯滞后环节。以8051单片机为核心，采用温度变送器桥路和固态继电器控温电路，实现对电炉温度的自动控制。该控制系统具有硬件成本低、控温精度较高、可靠性好、抗干扰能力强等特点。 关键词：电加热炉控温固态继电器飞升曲线 0引言 传统的以普通双向晶闸管（SCR）控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。采用固态继电器控温电路，通过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、可靠、较先进的控制方法。为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。 1电加热炉温度控制系统的硬件设计 电加热炉温度控制系统的硬件由图1所示各部件组成，它以8051单片机为核心，外扩键盘输入和LED显示温度。电加热炉炉内的实际温度由热电偶测量并转换成毫伏级的电压信号，通过温度变送器桥路实现零点迁移和冷端补偿，经运算放大器7650放大到0～5V，再经过有源低通滤波器滤波后，由A/D转换成数字量。此数字量经数字滤波、标度转换后，一方面通过LED将炉温显示出来；另一方面，将该温度值与被控温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制，通过PWM脉冲调宽功率放大器控制SSR固态继电器来控制电加热炉炉丝的导通时间，就可以控制电炉丝的加热功率大小，从而控制电炉的温度及升温速度，使其逐渐趋于给定值且达到平衡。 1.1 热电偶的选取 热电偶是温度测量传感器，对它的选择将直接影响检测误差的大小。目前多选K型或S 型（镍铬-镍硅）热电偶。两者相比，K型有较好的温度—热电势的线性度，但它不适宜于长时间在高温区适用；S型有高的精度，但温度—热电势的线性度较差。 A/D转换器 图1中A/D转换芯片采用ADC0809，其转换精度是1/256。若电加热炉工作温度是256℃，这样在（0～256）℃范围A/D的转换精度为256℃/256＝1℃/bit，即一个数字量表示1℃，这显然不能满足控制精度为±0.5℃要求。为了提高控制精度，可以选用更高位的A/D转换器，如10位、12位、16位A/D转换器，其控值精度均能满足要求。然而根据实际需要温度控制情况，也可以通过具有零点迁移和冷端补偿功能的温度变送桥路，缩小测温的范围，如
内蒙古科技大学 过程控制课程设计论文 题目：钢坯加热炉温度控制系统 学生姓名： 学号： 专业： 班级： 指导教师：
目录 钢坯加热炉温度控制系统设计摘要 (1) 第一章引言 (2) 1.1加热炉温度控制技术的发展 (2) 1.2 加热炉一般结构与控制原理 (3) 1.3加热炉生产工艺 (4) 第二章加热炉温度控制系统 (5) 2.1串级系统控制概述 (5) 2.2 温度控制系统概述 (6) 2.3 加热炉炉温基本控制方案 (6) 2.3.1 炉温基本控制方案一 (6) 2.3.2 炉温基本控制方案二 (7) 2.3.1 炉温控制改进方案 (8) 2.4调节器正反作用的确定 (9) 2.4.1副调节器作用方式的确定 (9) 2.4.2主调节器作用方式的确定 (9) 第三章仪器选型 (10) 3.1温度传感器的选择 (10) 3.2流量变送器的选择 (10) 3.3执行器选择 (11) 3.4调节器的选择 (11) 第四章总结 (13) 参考文献 (14)
钢坯加热炉温度控制系统设计 摘要 加热炉是冶金行业生产环节中重要的热工设备。加热的目的之一是提高钢的塑性。钢在冷态下可塑性很低，为了改善钢的热加工条件，必须提高钢的塑性。一般来说，钢的热加工温度越高，钢的可塑性越好。钢的加热温度越低，加工所消耗的能量越大，轧机的磨损也越快，而且温度过低时还容易发生断辊事故。加热的另外一个目的是使钢的内外温度均匀。由于板坯内外的温差，使得金属内部产生应力，这样经过轧制过程后容易造成质量缺陷和废品。通过加热炉的均热使断面上温差缩小，避免出现危险的温度应力。板坯的加热质量直接影响到钢材的质量、产量、能源消耗以及轧机寿命。正确的加热工艺可以提高钢的塑性，降低热加工时的变形抗力，及时为轧机提供加热质量优良的板坯，保证轧机生产顺利进行。反之，如加热工艺不当，例如加热温度过高，会发生板坯过热、过烧，轧制时就要造成废品。 加热炉的燃烧过程是受随机因素干扰的，具有大惯性、纯滞后的非线性分布参量的随机过程。对于这种复杂的控制对象，即使是经验丰富的操作人员，也很难全面考虑各种因素的影响，准确地控制燃烧过程，造成炉温经常偏高或偏低，这些都严重影响了加热炉加热质量和燃耗，甚至影响正常生产。 加热炉的生产任务是按轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水平和加热质量，并在优质高产的前提下，尽可能地降低燃料消耗，减少氧化烧损。连续加热炉的操作水平直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标，钢坯的出炉温度要求在 1 150～1 250℃，靠操作工人调节阀门来控制炉温的效果很差，粘钢和硬断轧辊的事故时有发生，而且能源消耗特别大，所以国内外关于加热炉自动控制的研究一直受到重视，发展得比较快，也取得了较为丰硕的成果。 关键字：加热炉、温度控制、过程控制
基于PLC的温度控制系统设计 摘要：可编程控制器(plc)作为传统继电器控制装置的替代产品已广泛应用工业控制的各个领域，由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小，组装灵活，编程简单抗干扰能力强及可靠性高等特点，非常适合于在恶劣的工业环境下使用。本文所涉及到的温度监控系统能够监控现场的温度，并且能够通过现场和计算机控制，其软件控制主要是编程语言，对PLC而言是梯形语言，梯形语言是PLC目前用的最多的编程语言。 关键词：西门子S7-200PLC；编程语言；温度 1．工艺过程 在工业生产自动控制中，为了生产安全或为了保证产品质量，对于温度，压力，流量，成分，速度等一些重要的被控参数，通常需要进行自动监测，并根据监测结果进行相应的控制，以反复提醒操作人员注意，必要时采取紧急措施。 温度是工业生产对象中主要的被控参数之一。本设计以一个温度监测与控制系统为例，来说明PLC在模拟量信号监测与控制中的应用问题。
2．系统控制要求 PLC在温度监测与控制系统中的逻辑流程图如图所示： 具体控制要求如下： 被控系统的温度的正常范围在10度-100度之间，基准温度为50度.高于60度可进行散热调整,低于40度时可进行加热调整. 系统设置一个启动按纽-启动控制程序，设置绿，红，蓝3个指示灯来指示温度状态。被控温度在要求10到100度范围内，绿灯亮，表示系统运行正常。当被控温度超过上限100度时,红灯亮,当低于10度时蓝灯亮,红蓝灯亮示警操作人员做必要处置.另外,当温度处于正常范围,且高于60度时,启动风扇进行散热;当低于40度时启动加热器进行加热,从而使被控温度趋于50度的基准温度.
基于PLC 的温度控制系统 时间：2009-03-10 16:11:56 来源：控制工程网作者： 朋友强在电话里有气无力地告诉我：砸了！笔试、面试总成绩排在第八名；慧同公司还按照《招聘简章》，通知他明天带50元钱参加体检。他已经不想再花冤枉钱，去当映衬红花的绿叶了。 1 引言 染色工序在纺织品生产中占有重要地位，染色质量直接决定了纺织品的色泽、外观，甚至还影响纺织品的生产成本。在染色工序中，影响染色的因素主要有染液浓度、温度、液位等，其中温度控制是很重要而又复杂的控制过程。染色过程实际上是执行由工艺人员针对不同织物的一条温度曲线，每个工艺对染色的温度、升降温过程都有严格的要求，否则，容易使织物产生色差、缸差、条痕等疵点，造成复染率上升，生产成本的增加。针对染色过程温度控制的复杂性，设计了基于PLC 的染色机温度控制系统，实现对染色过程温度的控制，从而减少织物疵点，提高生产效率，降低生产成本。 2 系统控制要求 1）温度曲线存储要求对于不同的染色品种，其对温度的要求是不同的，因此对应的温度工艺曲线也是不同的，若将所有染色品种的温度工艺曲线都存入现场温度控制器中，则对该控制器的内存要求非常高，导致系统臃肿，因此本系统设计通过一台中控机，将工艺人员设定的不同的温度工艺曲线，全部由工作人员在中控机上输入后经PROFIBUS—DP 现场总线下传给现场控制器，现场控制器根据接收的温度工艺曲线进行温度控制，同时现场控制器可以随时向中控机申请修改温度工 艺曲线的参数。在网络中断时，现场控制器可以保存当前的温度工艺曲线，并且具有断电长期保存当前温度曲线的功能。 2）温度控制要求 在染色工艺过程中，典型的工艺曲线如图1 下所示： 图1 典型的工艺曲线
基于西门子S7-200 PLC的温度控制系统设计毕业论文 摘要:基于西门子S7-200 PLC的温度控制系统设计毕业论文本文摘自单片机开发平 第一章前言 1.1 课题研究背景温度是工业生产中常见的工艺 ... 基于西门子S7-200 PLC的温度控制系统设计毕业论文 本文摘自单片机开发平第一章前言 1.1 课题研究背景 温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中温度控制占有着极为重要的地位特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等[1]。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。 可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用[2]。 目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID 控制。PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型[3]。PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成.组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用[4]。 1.2 温度控制系统的发展状况 温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC 的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。 单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强盛和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的4位机发展到32位机，其性能进一步得到改善[5]。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。 PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、
第1章绪论 1.1 综述 在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。 在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。 1.2 加热炉温度控制系统的研究现状 随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。单片机温度控制系统是数控系统的一个简单应用，在冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各类工业中，广泛使用于加热炉、热处理炉、反应炉等。 温度是工业对象中的一个重要的被控参数。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热方法也不同，例如煤气、天然气、油、电等;由于工艺不同，所需要的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，控制温度的精度也不同，因而对数据采集的精度和所采用的控制算法也不同。 传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。不仅如此，传统的控制方式不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效