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1、沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）摘 要温炉控制系统是工业控制中比较典型的控制系统，它具有明显的滞后特性，需要快速准确的获取和控制实时温度，一般控制器很难获得满意效果。而采用可编程控制器进行控制具有控制方便、简单和灵活性大等优点。因此，本文就是采用PLC实现对炉温的控制。根据炉温控制系统的特点和原理，本文对控制器进行了硬件和软件设计，分别介绍了PLC选型、输入通道模块、输出通道模块、温度显示模块、系统的资源分配以及外部接线图，采用STEP7软件对系统进行设计，编写出相应的梯形图程序，采用PID控制方法对其进行研究，实现PID控制器参数的在线调整，通过触摸屏的设计，能够实时的反应出温度
2、的变化曲线。最后进一步增加了系统在硬件和软件两个方面的抗干扰能力的设计，从而使系统具有更好的稳定性。 关键字：炉温控制；可编程控制器；触摸屏；PID控制AbstractThe system of furnace temperature control is a typical industrial control of the control system, it has obviously lagged behind the characteristics, needs fast and accurate real-time access and control temperature, t
3、he general controller difficult to obtain satisfactory results. And a programmable logic controller to charge a control convenience, simplicity and flexibility of the advantages. Therefore, this article explains that we can use PLC to control the temperature.According tothe characteristics and princ
4、iples of the system of furnace temperature control, it explained the controller of the hardware and software design, respectively, on the Selection PLC, Enter access module, output channel modules, temperature modules, the system of resource allocation and external wiring diagram, STEP7 software use
5、d to design the system, to prepare the corresponding trapezoidal Figure procedures, PID control methods used to study and realize the PID controller parameters on-line adjustments, through the touch-screen design, to real-time response to the change in temperature curve. Finally a further increase i
6、n hardware and software systems in two areas of the design of anti-interference capabilities, thus allowed the system to have better stability. Keywords：Control of the furnace temperature；PLC；Touch screen；PID control目 录1 绪 论11.1炉温控制系统的目的和意义11.2国内外炉温控制的发展情况11.3 PLC可编程控制器简介51.4课题研究的主要内容62 系统的总体设计方案82.
7、1加热炉温度控制系统基本构成82.2加热炉控制系统的方案比较82.2.1 PLC控制与继电器控制的比较82.2.2 系统控制算法的确定92.3系统的总体实现103 系统的硬件配置113.1 PLC机型的选择113.1.1 S7-200 PLC主要组成部分113.1.2 S7-200 PLC的主要性能指标123.2硬件的组成133.2.1 CPU处理模块133.2.2 输入通道模块143.2.3 输出通道模块153.2.4 温度显示模块173.3系统的资源的分配及外部接线图174 系统的软件设计194.1 PID控制算法的研究194.2 K型热电偶分度电压拟合224.3炉温控制程序的设计234.
8、3.1 主程序设计244.3.2 子程序设计244.3.3 中断程序设计254.4炉温控制PID参数的整定284.5系统调试295 触摸屏的实现305.1触摸屏的概述305.2触摸屏窗口的设计326 PLC控制系统抗干扰分析356.1 PLC控制系统可靠性分析356.2 提高PLC控制系统可靠性的措施357 结 论38经济分析39致 谢40参考文献41附录炉温控制系统的梯形图程序42451 绪 论1.1炉温控制系统的目的和意义温度控制系统是工业控制中比较典型的控制系统，它是一个一阶纯滞后惯性系统，具有明显的滞后特性，对于需要快速准确的获取和控制实时温度的场合（如制药、化工、石油、食品加工等）采
9、用一般的控制方法很难获得满意的控制效果。采用可编程序控制器对其进行控制，具有控制方便、简单和灵活性大等优点。本文运用PLC技术加在热炉电阻丝上的电压，实现温度控制。PLC控制程序采用了PID控制算法，使加热炉温度控制系统具有精度高，稳定性好，可靠性高等特点。1.2国内外炉温控制的发展情况加热炉是轧钢生产企业中的主要耗能设备，加热炉通常配备的是以模拟调节仪表为核心的控制系统。当燃料的热值与压力稳定时，这种控制系统的控制效果还比较好，而对于燃料的热值与压力频繁波动的情况，常规模拟仪表系统就难以达到预期目标，操作者必须经常通过“看火孔”去观察火焰，调节空燃比以改善燃烧效果。这不仅给操作者带来许多不便
10、，而且靠人工随时调节空燃比，很难跟踪热值变化的速度，加之加热炉都需要按照加热工艺曲线进行周期性的加热，而炉子的特性是变化的，要使加热炉实现最有效的节能运行还应该考虑到进料状况。对这些要求，模拟控制系统是难以实现的。国外从20世纪70年代，开始对加热炉生产过程进行计算机控制技术的研究。随着检测设备、仪表、计算机水平的提高，90年代计算机控制的连续加热炉逐渐增多，并进行了不同程度的控制，其主要燃烧控制方法及应用有以下几方面。 串级并联双交叉限幅控制燃烧双交叉限幅经历了燃料先行的比值或空气先行的比值调节系统、串级串联燃烧控制系统、串级并联燃烧控制系统、串级并联单交叉限幅燃烧控制系统四个发展阶段。它是
11、以炉温调节回路为主环，燃料流量和空气流量调节为副环，构成串级并联双交叉限幅控制系统。双交叉限幅控制系统在负荷变化时，系统各参数变化，根据实测空气流量对燃料流量进行上、下限幅，而且还根据实测燃料流量对空气流量进行上、下限幅。在负荷增加或减小时，燃料流量和空气流量相互限制交替增加或减小，即使在动态情况下，系统也能保持良好的空燃比。串级并联双交叉限幅控制燃烧是仪表控制调节回路的基本方式，以前计算机水平较低、应用较少，比值调节、交叉限幅燃烧控制系统都是作为独立的控制单元。现在大多是计算机参与控制，与氧化锆残氧分析仪、热值分析仪、专家寻优、模糊控制等一起使用，控制效果比过去单独使用要理想。 氧化锆残氧分
12、析法采用电化学法，利用氧化锆固体电解质做成的检测器通过氧化锆测量烟气中氧含量的办法，判断炉内煤气燃烧是否充分，它可以避免煤气热值和压力波动或管道漏气而影响配比控制。残氧检测数据被送到计算机用来参与闭环控制，反馈速度快。计算机算出空燃比实现串级并联燃烧自动控制。但目前存在的主要问题是氧化锆探头价格昂贵，且使用寿命短。 用热值分析仪测煤气的热值热值分析仪实际是一个小型燃烧炉，将经过预处理后的干净煤气引入，通过减压阀减压，进入陶瓷过滤器进行过滤，并经恒压调节，至燃烧室与机柜内的小型助燃风机经恒压调节后的空气混合燃烧。微机利用热电偶检测的燃烧装置温度场的废气温度，结合标定的系数和煤气、空气压差计算出热
13、值及空燃比，将该信号输出至参与燃烧控制的计算机或其它显示仪。热值分析仪测得的数据较准确，但是热值分析仪一次性投资费用大，煤气清洁麻烦，维修量大。但随着热值分析仪技术水平的提高和价格的降低，热值分析仪在国内外大型加热炉上将进一步广泛运用，成为空燃比的主流检测设备。 利用高焦混合煤气成分理论推测空燃比高焦比值即高炉煤气流量与焦炉煤气流量之比。假设现测高焦比为7：3 （计算时忽略空气中的水分），根据煤气成分（主要含CO、H2、CH4）可计算出理论空燃比：L理论空气需要量：L混合煤气量1.77（m3/m3）取空气过剩系数为1.05，则：L实际空气需要量：L混合煤气量1.771.05=1.86（m3/m
14、3）当混合煤气高焦比为7：3时，空燃比为1.86。理论计算空燃比采用的是高炉、焦炉煤气混合前的数值，再考虑煤气压力变化、含水分、杂质等因素，所以理论计算的只是一个近似值。实践证明通过高焦比计算空燃比与其它几种方法结合使用，反应快，省去了大量的寻优时间。莱芜钢铁股份有限公司轧钢厂将高焦比混合煤气成分理论推测空燃比与多目标专家寻优算法两种办法相结合，应用在初轧均热炉上，取得良好的控制效果。理论计算空燃比不需添置设备，计算简单，作为参考值来用经济合算。高炉煤气、焦炉煤气流量可根据混合前的流量计实测。 多目标专家寻优算法多目标专家寻优算法是在煤气热值、压力等炉况不稳定的状态下，把影响燃烧的多个因素考虑
15、进来，炉温升温速度合理（可能快或一般），烟气升温速度合理（满足一定范围），炉压合理（满足一定范围），热风升温速度合理（满足一定的范围），满足所有这些条件的才是“最佳空燃比”。当计算机燃烧控制系统开始运行时，选用当前控制加热炉的平均空燃比值作为基值，“专家寻优系统”根据炉温、烟气上下部温度、炉压、热风等条件的变化寻找合适的空燃比。空燃比合适时，升温、保温曲线良好，“专家寻优系统”不运行，保持这个状态，煤气流量、热风流量、炉压不变；当煤气热值、压力变化时，专家寻优系统推理机根据数据库内专家经验，判断煤气加减方向及推算加减量，寻找到“最佳空燃比”。多目标专家寻优算法的优点是避免了使用氧化锆、热值分析
16、仪，缺点是不如氧化锆、热值分析仪反馈时间快、数据准确。但寻优算法的思路在燃烧控制方面已得到广泛承认，并越来越多地应用于实践。 模糊控制技术的应用随着模糊控制技术的不断发展完善，越来越多的模糊控制技术应用到加热炉的燃烧控制中。常用的是二维模糊控制器，即选用误差、误差变化率为输入，一个输出量。多维模糊控制器（三维及以上）除了误差外，还增加了误差变化率及误差变化的变化率，从理论上讲，控制会更加精细。但是，由于模糊控制器输入维数增多，控制规则的选取越来越困难，相应的控制算法也越来越复杂。济钢中板厂采用二输入一输出的模糊控制器求空燃比。以炉膛温度的增量（=i-i-1）和上一周期的寻优步长ui-1为输入，
17、输出是本次寻优步长ui。代入公式：合适煤气量=当前煤气量+煤气加减方向系数步长采用变步长的寻优方法，可以提高搜索速度、减少搜索损失。如果步长固定不变，步长小，则收敛速度慢，对于一些不可控扰动的响应就难以适应；步长大，则搜索损失增大，有时还会引起振荡，无法收敛，这是应当避免的。当在离极值点较近处，反映在温差上是变化率较小时，可采用小步长搜索。日本住友鹿岛制铁所初轧均热炉采用模糊控制器在线调整PID调节器的参数，即随系统状态的变化，对比例、积分、微分系数fp、fi、fd进行调整。该方法与常规模糊调节器和常规PID调节器相比，具有较强的适应性和鲁棒性。近年来，随着人工智能理论的发展和实用化，以及计算
18、机技术的进步和检测设备、仪表性能的提高，专家系统、模糊控制等技术正在加热炉燃烧控制上得到越来越广泛的应用。蒙特卡洛随机思想以及量子物理浮点思想在自动控制方面也引起研究者们的高度重视，随着现代科学技术的发展，随机系统滤波与控制理论也将被应用于加热炉计算机控制中。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国、瑞典等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面的技术处于20世纪90年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制以及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而
19、适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不成熟，在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。这些差距，是我们必须克服的。随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相续建立了一些国家级的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、台作及独资企业，使我国温度等仪表工业得到迅速的发展。1.3 PLC可编程控制器简介可编程控制器（Programmable Controller）缩写为PC。由于早期的可编程控制器主
20、要用于记数、定时以及开关量的逻辑控制，且为了和个人计算机（Personal Computer）相区别，把可编程控制器（Programmable Logic Controller）缩写为PLC。在工业自动化领域内，PLC（可编程控制器） 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。目前的工业控制中，常常选用PLC 作为现场的控制设备，用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用监控软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示，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 和计算机各自的特点，得到了广
21、泛的应用。本系统在这种方式的基础上设计了一套温度控制系统，以基于PLC 的下位机和触摸屏上位机相结合,实现了温度自动控制。自1969年第一台可编程控制器面市以来，经历了20多年的发展，可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器，可以说只有可编程控制器才是真正的工业控制计算机。它工作可靠、编程方便、功能完备；能在恶劣的工业环境下工作，容易实现“机电一体化”。可编程控制器把自动技术、计算机技术、通信技术融为一体，有利于实现工厂自动化的集散式控制。初期可编程控制器只是用于逻辑控制的场合，用于代替继电控制盘，但现在可编程控制器已进入包括过程、位置控制等场合的所有控制领域。现在可编
22、程控制器继续保留了原来逻辑控制器的所有优点，同时它吸收发展了其它控制设备的优点，在许多场合只需可编程控制器即可构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集及控制图形工作站的经济合算，体积小、设计调试方便的综合控制系统。在不断的发展过程中，PLC的控制功能明显增强，主要表现在：控制规模扩大、指令增强、CPU位数增加、处理速度提高、编程容量增加、编程语言多样化、增加通讯和联网功能、开发智能型输入输出模块。可编程控制器具有如下特点： 编程简便，易于使用； 可靠性高，抗干扰能力强； 适应性强，应用灵活； 功能强，扩展能力强； 接点利用率提高； 维修方便、维修工作量少、输入/输出接口功率大； PLC体积小、重量
23、轻、易于实现机电一体化。可编程控制器在国内外广泛应用于钢铁、石化、机械制造、汽车装配、电力、轻纺、电子信息产业等各行各业，目前典型的PLC功能有下面几点： 顺序控制：这是可编程控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械，切纸机、组合机床、磨床、装配生产线，包装生产线，电镀流水线及电梯控制等。 程控：在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液体、速度、电流和电压等，称为模拟量。可编程控制器有A/D和D/A转换模块，这样，可编程控制器可以作模拟控制用于程控。 数据处理：一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便地对生产过程中的资料进行处
24、理。用PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理、控制生产过程。较高档次的可编程控制器都有位置控制模块，用于控制步进电动机，实现对各种机械的位置控制。 通信联网：某些控制系统需要多台PLC连接起来使用或者由一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统。可编程控制器的通信模块可以满足这些通信联网要求。 显示打印：可编程控制器还可以连接显示终端和打印等外围设备，从而实现显示和打印的功能。1.4课题研究的主要内容当前，由于国内、国外的温度控制系统，计算机控制等控制手段较多，需对相关问题进行研究，以确定系统合适的设计方案。本文主要针对以下几个方面进行分析研究： 加热炉温度控制系统的分析； PID控制算法的
25、研究及参数的自正定； PLC控制系统的设计及研究，硬件采用模块化的设计思想，对CPU处理模块、输入通道模块、输出通道模块、温度显示模块进行设计，在硬件设计的基础上对软件进行设计，编写出程序流程图及相应的梯形图程序。 通过触摸屏的设计，实现加热炉炉温的实时显示。2 系统的总体设计方案2.1加热炉温度控制系统基本构成加热炉温度控制系统基本构成如图2.1所示。图2.1 加热炉温度控制系统基本组成它由PLC主控系统、温度变送器、加热炉、温度传感器等4个部分组成。该加热炉温度希望稳定在50工作。加热炉温度控制实现过程是：首先传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号
26、转化为PLC可识别的数字量，然后 PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行处理，再给温度变送器一个触发脉冲（既控制脉冲），这样通过温度变送器的输出控制了加热炉电阻丝两端的电压，也即加热炉温度控制得到实现。其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分，起重要作用。2.2加热炉控制系统的方案比较2.2.1 PLC控制与继电器控制的比较温度是工业控制对象中主要的被控参数之一。传统的加热炉控制系统普遍采用继电器控制技术，这类系统由于自动化程度很低，大部分操作还是由手动来完成，只能处理一些开关量问题，无法处理系统的模拟量，继电器控制采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，
27、效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产，PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术而形成的一代新型工业控制装置，其用途取代继电器、执行逻辑、计时、计数等功能，具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点，随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。PLC与继电器控制的性能比较如表2.1所示。表2.1 PLC控制与继电器控制的性能比较比较项目继电器控制PLC控制控制功能的实现有许多继电器采用接线的方式来完成控制功能各种控制功能是通过编制的程序来实现的对生产工艺过程变更适应性适
28、应性差，需要重新设计，改变继电器和接线适应性强，只需对程序进行修改记数极其他特殊功能一般没有有控制速度低，靠机械动作实现极快，靠微处理器进行处理安装、施工连线多，施工繁安装容易，施工方便可靠性差，触点多，故障多强，因元件采取了筛选和老化等 可靠性措施寿命短长可扩展性困难容易维护工作量大，故障不易查找有自诊断能力，维护工作量小2.2.2 系统控制算法的确定在温度控制中，由于受到温度被控对象特征（惯性大、滞后大、非线性）影响，使得被控对象纯滞后提高。在工业过程中，控制过程大，都具有高阶非线性、大延迟及时变特性，PID控制算法是一种工业控制中广泛应用的控制策略，它具有原理简单，设计简便，易于调整，稳
29、态性能好等优点，对具有线性、有确定模型的系统易于整定到最佳控制效果。深受工程技术人员的欢迎。除此以外，由于本系统采用的是可编程控制器对炉温进行控制，有现成的PID自整定功能，是PID调试变得更加简单容易。因此，基于PID控制优点和本系统的特点，选用PID是理想的控制算法。2.3系统的总体实现本系统的总体设计如图2.2所示。调研、搜集资料、制定方案理 论 研 究划 分 软、硬 件 功 能PID控制算法设计软 件 设 计硬 件 设 计画程序流程图选 择 器 件PID参数的整定编 写 程 序组 装触摸屏的设计图2.2 炉温控制系统的总体设计本系统的硬件部分分为CPU处理模块、输入通道模块、输出通道模
30、块、温度显示模块四部分进行设计。其中，CPU处理模块部分采用了西门子的CPU224，输入通道模块则由温度传感器和温度变送器两部分构成，输出通道模块采用了双向晶闸管，温度显示部分利用发光二极管显示器LED显示。控制算法部分主要对PID算法进行编程，然后在线对PID参数进行整定。本系统的下位机软件设计是在监控及利用STEP7 系列的编程软件STEP7 - Micro/ Win4. 0 完成对下位机程序的编制与调试。最后在软、硬件的基础上，实现触摸屏的设计。3 系统的硬件配置3.1 PLC机型的选择S7-200系列是一类可编程逻辑控制器(Micro PLC)，是SIEMENS公司推出的一种小型PLC
31、，它结构紧凑， 扩展性良好， 指令功能强大； 价格低廉，因而S7-200系列成为当代各种小型控制工程的理想控制器。3.1.1 S7-200 PLC主要组成部分一台S7-200 Micro PLC包括一个单独的S7-200 CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块。S7-200 CPU模块包括一个中央处理单元(CPU)、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。它主要实现以下功能： CPU负责执行程序和存储数据，对控制任务或过程进行控制。 输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备(例如传感器或开关)中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其它设备。 电源向CPU
32、及其所连接的任何模块提供电力。 通讯端口允许将S7-200 CPU同编程器或其它一些设备连接起来。 状态信号灯显示了CPU的工作模式(运行或停止)，本机I/O的当前状态，以及检查出的系统错误。 通过扩展模块可增加CPU的I/O点数。 通过扩展模块可提供其通讯性能。 一些CPU具有内置的实时时钟，其它CPU则需要实时时钟卡。 EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。 通过可选的插入式电池盒可延长RAM的数据存储时间扩展模块。S7-200 CPU模块提供了一定数量的本机I/O，扩展模块提供了附加的输入输出点。3.1.2 S7-200 PLC的主要性能指标
33、存储容量程序存放在程序存储器中。此存储容量指的是用户程序存储器的容量，用户程序存储容量决定了PLC可以容纳的用户程序的长短，一般以字为单位来计算。S7-200系列PLC的存储容量为2084字。 输入/输出点数I/O点数即PLC面板上连接输入、输出信号用的端子的个数，常称为“点数”，用输入点数及输出点数之和表示。I/O点数越多，外部可接入的输入器件和输出器件就越多，控制规模就越大。S7-200系列PLC的输入/输出点最多可以达到24入/16出。 扫描速度扫描速度是指PLC执行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般以执行1K字所用的时间来衡量扫描速度。S7-200系列PLC的扫描速度可以达到
34、33MHz。 扩展能力S7-200系列PLC可以用I/O扩展单元进行I/O点数的扩展；有的PLC可以使用各种功能模块进行功能扩展。 智能单元的数量S7-200系列PLC不仅能完成开关量的逻辑控制，而且利用智能单元可完成模拟量控制、位置和速度控制以及通信联网等功能。智能单元的种类和功能很强。S7-200系列PLC的主要性能指标如表3.1所示。表3.1 S7-200系列PLC的主要性能指标特性CPU221CPU222CPU224CPU226外形尺寸908062908062120.580621908062本机I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出扩展模块数量无2个7个7个数字量映像区
35、128入/128出128入/128出128入/128出128入/128出模拟量映像区无16入/16出32入/32出32入/32出3.2硬件的组成3.2.1 CPU处理模块本系统的CPU模块采用了西门子的CPU226，其引脚图如图3.1所示。图3.1 CPU226引脚图由图3.1可知，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，CPU226还包括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。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通
36、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，在本系统中，输出量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压后送给输入模块，而PLC中的CPU只能处理数字量，因此，有必要对其进行模拟量的扩展，本文采用模拟量扩展模块EM234,其引脚图如图3.2所示。图3.2 EM235引脚图由图3.2可知，EM235具有4路模拟量的输入，1路模拟量的输出，A/D、D/A转换位数均为12位。3.2.2 输入通道模块 温度传感器温度是表征物体冷热程度的
37、物理量，它可以通过物体随温度变化的某些特性（如电阻、电压变化等特性）来间接测量，金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100，电阻变化率为0.3851/。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200650）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计供计量和校准使用。 本系统采用的是PT100，在工业上主要用于测量-200+500的温度。输入、输出和辅助电源之间完全隔离（三隔离），可以承受2500VDC的隔离耐压。它还采
38、用DIN35国际标准导轨安装方式，体积小、精度高，性能稳定、性价比高，可以广泛应用在石油、化工、电力、仪器仪表和工业控制等行业。其主要特性为： 输入信号：Pt100(-20+400) 输出信号：420mA/05V 精度等级：0.2级(FSR%)，内含线性化和长线补偿功能 隔离耐压：2500VDC(0.5mA,60S) 精度高、性能稳定可靠。 温度变送器温度变送器就是将温度转换为标准量程的电流或电压信号。本系统采用的是DWB温度变送器，它采用先进的电路模块集成技术组成变送器,可与不同的温度传感连接，用以实现对环境温度和介质的测量，输出标准的电压信号或电流信号。可广泛用于电力、石油、建材、科研等行
39、业的温度测量，其特点是高精度、宽量程、输入线电阻高，高可靠性和稳定性体积小巧、轻便、安装方便、可便携、性能稳定可靠采用专有线路、线性好、传输距离长，抗干扰能力强。主要技术参数为： 量程：-100+800（电流输出）；-55+500（电压输出） 供电电压：24VDC(12VDC-36VDC) 输出信号：4mA20；0V-5V 准确度：0.25%F.S；0.5%F.S 负载能力：500(电流输出)；3K(电压输出) 输入线阻：503.2.3 输出通道模块输出通道连接被控装置的执行机构，各种电磁干扰会经通道进入微机，因此，必须在输出通道中采取抗干扰措施。同时，在驱动电路中，晶闸管工作于交流电路，电压
40、较高，电流较大，不宜于微机直接相连，要求将强电回路和微机部分隔离开，以有效地抑制干扰信号进入微机。因此，在应用中应采取隔离措施，本系统选择光电耦合隔离，即在晶闸管前加接光耦合器。光耦合器能传送各种信号，还具有体积和功耗小、抗干扰性能强等优点。光耦合器的内部包含了发光部分和受光部分，组装在一个密封壳内。发光部分为发光二极管，作为输入端。受光部分为光敏元件，作为输出端。在微机输出通道中，引用光耦合器的目的除了起隔离作用外，还可有驱动功能。晶闸管是一种功率半导体器件，具有体积小，重量轻，效率高，使用维护方便等优点，而它最主要的特点是可以用弱信号控制强信号。温度控制系统的控制部分有CPU发出数字信号，
41、经光电耦合隔离后，输入到晶闸管，从而实现对电炉的控制。在这部分，晶闸管主要作为无触点开关，快速接通或切断电路，使电炉迅速通断电，达到实时调整温度的目的。本设计中应用双向晶闸管，它是一种三端可控器件，不仅能代替两只反极性并联的普通晶闸管，而且仅用一个触发电路。当门极-阴极之间加上一定的正向电压后，其阳极-阴极导通，门极即失去控制作用，只有当阳极-阴极之间电压为零时管子才截止。因而，是比较理想的交流开关器件，可以方便的控制电炉。其驱动电路如图3.3所示。图3.3 双向晶闸管驱动电路3.2.4 温度显示模块在温度控制系统中，主要是恒定温度的控制。本设计中，温度显示部分采用发光二极管显示器LED显示。
42、这种显示器成本低廉，配置灵活，并且与微机的连接方便。LED显示器是由发光二极管作为显示字符的数码型显示器件。其中七只二极管（ag七段）构成字型，另外还有一只发光二极管dp作为小数点。人为控制某几段发光二极管通电，就能显示出某个数码。LED有共阴极和共阳极两种，本系统采用共阳极结构，各段发光二极管的阳极连接在一起，并将公共点接+5V。当某一段二极管的阴极为低电平时，该段发光。由于设计中温度显示要三位，为XX.X形式，LED的显示方式有静态显示和动态显示之分，在这里，由于温度控制系统的温度显示每位独立，并且属于恒定设置，因此，本系统采用静态显示方式。在静态显示方式下，每一位显示器的字段控制线是独立
43、的。当显示某一字符时，该位的各字段线和字位线的电平不变，也就是各字段的亮灭状态不变。静态显示方式下LED显示器的电路连接方式是：每位LED的字位控制线连在一起，接+5V，其字段控制线（adp）分别接到一个八位的I/O口。其结构如图3.4所示（共三位显示，此处只画了其中一位）。图3.4 LED显示模块3.3系统的资源的分配及外部接线图 端口分配及功能表本系统的端口分配及功能表如表3.1所示。表3.1 端口分配及功能表序号PLC地址（模拟量端子）电气符号（面板端子）功能说明1A+温度变送变送器输出正信号2A-温度变送-变送器输出负信号3M驱动信号驱动正信号4V驱动信号-驱动负信号5主机1M、面板V
44、+接电源+24V电源正端6主机1L、2L、3L、面板COM接电源GND电源负端 PLC外部接线图系统的外部接线图如图3.5所示。图3.5 PLC外部接线图4 系统的软件设计4.1 PID控制算法的研究 PID控制原理常规PID控制器系统原理如图4.1所示，主要由PID控制器和被控对象组成。图4.1 PID控制系统结构图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为PID控制器。其控制规律为 (4.1)式中u(t)控制器的输出；e(t)给定值和被控对象输出值之差；Kp 控制器的比例系数；Ti 控制器的
45、积分时间常数；Td 控制器的微分时间常数。PID 控制器各环节的作用如下： 比例环节 成比例的反映系统的偏差信号，比例系数越大，调整速度越快，静态偏差也越小，但比例系数过大将导致系统不稳定。 积分环节 主要是用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。 微分环节 能够对输入信号的变化趋势作出反应，它是用来控制被调量的振荡，减小超调量，使系统趋向稳定，改善系统的动态特性。 数字PID控制算法由于近年来微机技术的迅猛发展，实际应用中大多数采用数字PID控制器，数字PID控制算法又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。 位置式PID控制算法由于计算机是一种采样控制，它只能根据采样
46、时刻的偏差值计算控制量，因此式(4.1)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式(4.1)，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换 (4.2)式中T采样周期。显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)，即省去T。将式(4.2)代入(4.1)，可得离散的PID表达式为 (4.3)式中 k采样序号，k=0，1，2；u(k)第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)第k次采样时刻的输入偏差值；e(k-1)第k-1次采样时刻的输入偏差值；Ki积分系数 Ki=KpT/Ti； Kd微分系数 Kd=KpTd/T。由于计算机输出的u(k)直接去控制执行机构，u(k)的值和执行机构的位置是一一对应的，所以称式(4.3)为位置式PID控制算法。这种算法的缺点是由于全量输出，每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的
