基于PLC的炉温控制.doc

本科毕业论文论文题目 基于PLC的炉温控制 摘 要摘 要温度是工业生产对象中主要的被控参数之一，本文通过设计温度控制系统，体现PLC在模拟量信号监测与控制中应用的优越性。本文中被控对象为电加热炉，在炉温自动控制系统中，炉温经热电偶检测和温度变送器的转换，变为相应的电压信号，送往PLC控制器，再经模拟量输入/输出模块(A/D)转换为数字量，并由程序将给定的温度值与测量值比较，然后根据偏差大小按比例调节规律，计算出校正量。通过模拟量输入/输出模块的输出控制作用，消除炉温的偏差，从而使炉温达到并稳定在给定的数值上。关键词：PLC；温度控制；比例调节III目 录ABSTRACTThe temperature is a primarily being controlled parameter in the object of the industry production , this text is an example of the temperature monitors and control system, and explains the PLC applied problem in imitate deal signal to monitor with the control.The electricity heat furnace is controlled object in this text, in the automatic control system of the heat furnace temperature , the temperature is examined by thermocouple and transformed by the thermostat , changed into the relevant electric voltage signal, send to PLC controller, and being transformed into arithmetic figure deal by imitate deal signal input/ output the mold piece(A/D), given temperature will be compared to measured value from procedure, then according to the deviation size and inverse proportion regulates regulation, and compute out to correct the deal. according to output control function of imitate deal signal input/ output the mold piece, eliminating warp of the heat furnace temperature, accordingly the heat furnace temperature make attain stable and at the deviation size. KEY WORDS：PLC；Temperature control；Proportion adjust目 录1 绪论11.1课题背景、目的及意义11.1.1课题背景11.1.2课题的目的及意义11.2本文研究内容和结构安排22 模块方案的选择与论证32.1总体方案的选择32.2各独立模块方案论证52.2.1温度检测模块52.2.3变频调速模块72.2.4功率输出电路及其控制原理分析72.2.5显示电路设计82.2.6按键接入92.2.7报警电路设计92.2.8温度调节模块92.2.9硬件总框图113系统软件设计133.1.1主要的工作流程图133.1.2 PID控制器的参数整定143.1.3 程序设计164结论195结束语216致谢237参考文献25即可）：1 绪 论1 绪论1.1课题背景、目的及意义1.1.1课题背景随着电子行业的飞速发展，IC技术的不断提高，PLC在国民经济生产各行业发挥了重要的作用。它因为集成度高，体积小，运行可靠，应用灵活，价格低，面向控制等特点得到了广大工程技术人员和客户的好评。在温度控制方面，PLC能够代替以前常规的模拟调节器。光纤制造设备、集成电路芯片制造设备、石油化工生产设备、汽车和飞机制造设备等现代化的装备工业也体现着光机电一体化、智能化、自动化的显著特点。目前，我国在这些方面的技术水平与欧美等拥有先进制造技术的国家还有相当的差距。我们迫切需要培养和训练能够设计智能化、自动化设备的工程技术人才。智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探，娱乐等的用途。炉温自动控制就是其中的一个体现。本设计介绍了利用PLC进行炉温控制系统的基本组成，工作原理，程序设计和系统的抗干扰措施。该系统可对炉温控制，工作稳定可靠，实现控制精度的要求。本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能。1.1.2课题的目的及意义温度是生产过程科学实验中普遍有十分重要的作用，它是一个一阶滞后惯性系统，它具有明显滞后特性。温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，对于需要快速准确的获取和控制事实温度的场合，采用一般的控制方法很难获得满意的控制效果，因此，在温度控制系统中控制算法的研究是非常重要的。本次毕业设计选择“基于PLC的炉温控制”是为了更好地学习和研究PLC电路系统设计的相关知识，掌握电路设计的方法和技巧。学会如何将学习到的理论知识运用到实际当中去，怎样能够活学活用，深入的了解电子元器件的使用方法，了解各种元器件的基本用途和方法，能够灵活敏捷的判断电路中出现的故障，学会独立设计电路，积累更多的设计经验，加强焊接能力和技巧，同时在实践过程中锻炼查阅、归纳资料的能力，提高理论知识联系动手的能力。同时通过亲自独立设计训练我们大学生应用所学专业知识解决实际工程实践问题的技能 , 巩固所学专业知识，拓宽知识面。激发我们大学生的创新意识，培养大学生实践动手能力和综合科研能力。1.2本文研究内容和结构安排本设计是“基于PLC的炉温控制”，系统以PLC为控制核心，加以温度检测电路、变频调速器、D/A转换器以及其他电路构成。系统由PLC通过对温度检测电路检测到的温度加以分析，与给定的对应所要控制的多组温度值进行比较，找出现温度值所在范围，根据PLC中设置的PID参数，输出相应温度初值对应的受控对象电机的转速初值，经D/A转换器转换为模拟电压，通过信号转化为变频器的频率，控制变频调速装置，带动被控对象，并且把被控对象的转速经变换电路和D/A转换器反馈到PLC中，与输出的转速初值进行比较，其偏差被PID程序计算出后重新输出，在规定的时间内循环，从而实现对温度的控制。本系统简洁、灵活、可扩展性好，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点。232 模块方案的选择与论证2 模块方案的选择与论证2.1总体方案的选择根据题目的要求，我们提出了以下的三种方案：方案一：此方案是采用传统的模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。本方案的特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，而且不易实现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性能差。 方案二：采用PLC来作为整机的控制单元它的组成框图如图2.1。系统的工作中，经过温度检测及变换电路把被测对象的温度转换成电压信号，该电压信号经D/A变换器转换为数字信号后送入PLC中，与给定的对应所要控制的多组温度值进行比较，找出现温度值所在范围，根据PLC中设置的PID参数，输出相应温度初值对应的受控对象电机的转速初值，经D/A转换器转换为模拟电压，通过信号转化为变频器的频率，控制变频调速装置，带动被控对象，并且把被控对象的转速经变换电路和D/A转换器反馈到PLC中，与输出的转速初值进行比较，其偏差被PID程序计算出后重新输出，在规定的时间内循环，从而实现对温度的控制 ，直到达到在误差允许的范围内输出的转速值与转速初值相等。对于欠温度，控制加热功率；对于过温度，控制吹风冷却装置。方案三：采用AT89S52来作为整机的控制单元。它是一个低功耗，高性能CMOS 8位PLC经过信号采集，数据转换，数据处理来控制温度。使用相比方案一精确，但是相比带有温度元件的PLC就显得不是很方便。比较以上三种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现本设计。 图 2-1 PLC的组成框图本系统的基本工作原理：假定实际炉温恰好等于给定炉温，这时u=u(r)-u(t)=0故电动机连同调节阀门静止不动,煤气流量一定,炼钢炉处于规定的恒温状态。如果增加工件，炉的负荷加大，而煤气流量一时没变，则炉温就要下降，使得给出温度u(t)减小，则有u=u(r)-u(t)0。经过温度检测及变换电路把被测对象的温度转换成电压信号，该电压信号经D/A变换器转换为数字信号后送入PLC中，与给定的对应所要控制的多组温度值进行比较，得知系统处于欠温度状态。此时系统会启动热电阻，控制加热功率，从而使炉温回升，直到重新等于给定值(即u(t)=u(r)为止。如果负荷减小或煤气压力突然加大，则炉温升高。u(t)随之加大，使u=u(r)-u(t)0。经过温度检测及变换电路把被测对象的温度转换成电压信号，该电压信号经D/A变换器转换为数字信号后送入PLC中，与给定的对应所要控制的多组温度值进行比较，得知系统处于过温度状态。此时系统会启动风扇，控制吹风冷却装置，从而使炉温下降，直到重新等于给定值为止。由此看出系统是通过热电偶测量被控量，并反馈到系统的输入端，从而形成了闭合回路，此反馈信号通过比较线路与给定值进行加法或者减法运算，获得偏差信号，系统再根据偏差信号的大小和方向进行调节。所以，炉温度控制系统是一个按偏差调节的闭环系统。炉温度控制系统的原理方框图如图2.2所示。图2-2 炉温控制系统原理方框图2.2各独立模块方案论证2.2.1温度检测模块A. 温度检测电路的选择方案一：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。方案二：热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。其优点是： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。缺点是熟悉度不够，想要正确安装颇有难度。方案三：采用FX2N-8DA，它是一种提供8个16位模拟量输入和温度传感输入模块，输入为DC-10+10V和-20+20mA电流或电压。 这次设计我采用方案三，使用三菱公司的主控PLC，在这基础上使用它的一个模块协调，且安装简便，可操作性强。 表2-1FX2N-8DA技术指标2.2.2主控模块PLCFX2N-2LC，有12位2通道温度输入和2通道晶体管输出，提供自调整PID控制可以检测断线故障。分辨率为0.1摄氏度。它里面有温度变送器和模拟量输入电路，对传感器的非线性进行了校正。温度可以用摄氏度或华氏度表示，额定温度范围为-100到+600，输出数字量位1000到+6000，控制周期为500ms、通道，模拟和数字电路间有光隔离，在程序中占用8个I/O点.图2-3 PLC接线图 2.2.3变频调速模块A. 变频调速器的选择由n=60f/p知，当极对数p不变时，同步转速n和电源频率f成正比。因此，连续地改变供电电源的频率，就可以平滑地调节电动机的转速。这样的调速方法就是变频调速。变频调速具有较好的调速性能，是交流调速方法中，具有重要意义的一咱调速方法。在国内外都已得到推广和应用。目前，国外生产的变频装置容量已达一万千瓦以上，价格和性能都可以与直流系统相媲美。国内也有不少产品问世。但是，由于元件制造水平低、价格贵，加上技术上要求复杂，所以限制了它的推广和应用。随着生产与技术水平的提高，变频调速系统必将得到更大的发展，以致在某些领域逐步代替直流调速系统。故本系统采用变频调速器。B. 变频调速器的工作原理变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n =60f(1-s)/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。三相异步电动机转速公式为：n=60f(1-s)/p。从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。2.2.4功率输出电路及其控制原理分析加热丝输出功率大小的调节，可以使用移相调压电路，也可以采用占空比开关电路进行控制。在采用移相调压电路时，即将计算得到的控制量经D/A变换，控制可控硅的移相触发电路，实现输出电压的无级调节。由于电压输出波形的不完整，含有高次谐波分量，对电网有一定的干扰。采用占空比开关电路控制，即考虑可控硅控制电压和被控的交流电压之间以及电热丝产生的热量和所加的电压之间的非线性，通过调节周期时间内的通电时间来调节输出功率的大小，可以避免D/A转换和信号放大造成的不必要的误差，也可以通过可控硅的过零触发电路避免对电网的谐波干扰。在本系统中采用占空比开关电路控制，功率输出电路设计如图2-4所示。 图2-4 功率输出电路 2.2.5显示电路设计方案一：液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。方案二：用LED数码管来显示。LED电子显示屏作为一种现代电子产品，以其灵活的显示面积（可分割、任意拼装）、高亮度、长寿命、大容量、数字化、实时性的特点。但本系统PLC与液晶显示器相联接太麻烦，但是与LED连接时比较简单。所以选用方案二。 图2-5 显示电路接线图 该显示中选通信号由Y0，Y4控制。前一单元显示设定温度，后一单元显示当前温度。如当前温度显示为10则Y0Y3为0001000000010000。2.2.6按键接入本系统设计中，输入按键只需三个，用一个来控制温度的升高与下降，一个用来确认，另一个来取消。PLC的输入接口X1用来接温度控制按键，X2作为确认按键输入，X3作为取消按键输入。在须要降稳时按下X1键再按确认。如错按则用X3取消。加热时按两下X1，再确认。2.2.7报警电路设计本系统采用的是一个声光报警电路。当电路检测到温度偏高或者偏低时、电路会产生发光发声报警。声光报警电路采用高亮的LED灯以及蜂鸣器来实现，其电路如下图2-6所示。图2-6 声光报警电路2.2.8温度调节模块本系统中风扇的作用是,当炉温过高时,控制风扇对其进行降温,。当系统处于过温度状态，此时系统会启动风扇，控制吹风冷却装置，从而使炉温下降，直到重新等于给定值为止。本系统中热电阻的作用是，当炉温过低时，控制热电阻对其进行加热。当系统处于欠温度状态，此时系统会启动热电阻，控制加热功率，从而使炉温回升，直到重新等于给定值为止。电路图如下R3HeaterK1RELAY-SPDTQ18050R11KR55K1D11N4007CON1+12 图2-7继电器控制与加热电路R4FANK2RELAY-SPDTQ28050R21KR65K1D21N4007CON2+12 图2-8 继电器控制与降温电路2.2.9硬件总框图 下图是总的接线框图，在接线配线时需要注意的是在避免干扰的需求教高时最好用屏障电缆。还有是信号线与电缆线应该分开走。PLCx = 0x = 0x = 0x = 0x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4输入模块按键报 警2q / Lh-10 x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x =1x =1x =1x =1H / mH / mH / mH / m 5 10 15 20x = 0x = 0.4x = 0.8x =1H / m 15 20 202q / Lh-10 5 10 15 202q / Lh-10 5 10 15 202q / Lh-10 x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x =1x =1x =1x =1H / mH / mH / mH / m 5 10 15 20x = 0x = 0.4x = 0.8x =1H / m 15 20 202q / Lh-10 5 10 15 202q / Lh-10 5 10 15 20PID46x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0.4x = 0.4x