锅炉水温自动调节器设计汇总

1、容摘要水温调节在工业生产与现实生活中应用非常广泛。水温控制方式有很多种，各种控制方式都有其独特的优点。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型，因而成为应用最为广泛的控制器。把可编程控制器用于温度控制中做主控单元，可满足对温度的采集和控制的要求。将PID控制技术与PLC控制二者结合起来，可使控制器的性能更加智能化。本文利用三菱的FXn-48MR作为PLC核心，配合各个模块电路来完成系统的控制。将温度传感器检测到的水温信号，通过温度模拟量输入模块传入中央控制系统，同时经过PLC的PID控制器的分析，传出信号控制调节电加热器的开关。该系统灵活性强，操作简单，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。

2、关键词温度控制；FX2n-48MR;PID控制；PLC i Theboileraquastatdesign100697240ZouMingTutor:SuYanpinglecturerAbstractThewatertemperature-adjustmentiswidelyappliedinindustrialproductionanddailylife.Therearemanywaystoadjustthetemperature,eachofwhichhasitsownuniquemerits.PIDcontrolleriseasytounderstandandneedsnoprecise

3、systemmodelinpractice,thusithasbecomeoneofthemostwidelyusedcontroller.Theprogrammablecontrollerfunctioningasmaincontrolunitintemperaturecontrolsectorcanmeettherequirementsoftemperaturecollectionandcontrol.CombinationofthePIDcontroltechnologyandPLCcontrolcanmakethecontrollermoreintelligent.Inthispape

4、rtheFX2N-48MRMitsubishi,servingasthecoreofPLC,coordinateswithvariousmodulecircuittocompletesystemcontrol.Signalofwatertemperaturedetectedbythetemperaturesensoristransmittedintocentralcontrolsystemthroughthemoduleoftemperatureanalogueinputs,meanwhile,afteranalysisofPIDcontrollerofPLC,signalisissuedou

5、ttocontrolswitchofelectricheater.Thedevelopmentofthissystemwillbepromisingforitsflexibility,simpleoperation,highreliability.KeywordsTemperaturecontrol,FX?n-48MR,PIDcontrol,PLC第一章绪论11.1 国内外研究现状11.2 本课题研究意义及内容安排3第二章系统设计概述42.1 水温调节原理42.1.1 简单水温控制方式及其特性42.1.2 现代水温控制方式42.2 系统设计的总体方案62.3 系统的可行性7第三章控制系统的硬件

6、设计83.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤83.1.1 PLC控制系统设计的基本原则83.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤83.2 PLC的选择.1 可编程控制器的产生和应用 可编程控制器的组成和工作原理 可编程控制器的分类及特点 PLC型号选择1.63.3 模拟量输入模块的选1.73.4 热电式传感器铂铑10-铂1.8 III 3.5 电加热装置电锅炉加热管1.8第四章系统的PID控制2.14.1 控制系统的数学模型建立2.14.2 PID控制及参数整定 PID控制器的组成 采样周期的分析

7、 自动调节与PID参数的整定和设定23第五章PLC控制系统程序设计255.1 程序设计思路 PLC程序设计方法2.55.3 编程软件SWOPC-FXGP/WN述265.4 自动调节+PID控制的程序27总结与展望3.0.致谢3.1.参考文献3.2.附录3.3.IV -锅炉水温自动调节器设计100697240邹明指导老师苏艳苹讲师第一章绪论1.1国内外研究现状自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化、自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日本、

8、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点：1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。2）能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3）能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。5）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从

9、国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。如今，电热锅炉的应用领域相当广泛，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算

10、机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。电热锅炉将电能转化为热能，把水加热至有压力的热水或燕汽（饱和燕汽）的一种热力设备.它无需炉膛、烟道和烟囱，也无需储存燃料的场地，极大地减少了常规嫌煤锅炉带来的污染。电热锅炉具有无污染、无噪声、占地面积小、安装使用方便、全自动、安全可靠、热效率高达98%以上等特点，是一种绿色环保产品。许多国家在20世纪70年代后期到80年代初期，开始研制开发电热锅炉。中国在80年代中期，开始开发电热锅炉产品，到了90年代中期，不少企业将电热锅炉应用于采暖、中央空调和热水供应。PLC的快速发展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期，PLC在处理模拟量能

11、力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DC隘统。PLCM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。在过程控制场合，模拟量的PID调节是常见的一种控制方式，在冶金、机械、化工等行业中获得了广泛应用。这是由于PID调节不需要求出控制系统的数学模型。同时PID调节器又具有典型的结构，可以根据- 1 被控对象的具体情况，采用PID的变种，有较强的灵活性和运用性。可编程控制器由于具有数值运算的能力和处理模拟信号量的功能，所以可设计出各种PID控制器，运用于具有连续量控制的闭环

12、系统；还可根据被控对象的具体特点和要求来调整必要的控制参数，具有监控功能，并可以在运行中调整参数。1.2本课题研究意义及内容安排本课题水温调节控制器的设计是以日常生活中的电锅炉为原型来对温度进行控制的，其在现实生活中有一定的实际意义。首先，它满足了现代人对家用热水温度的基本要求，达到了水温的调节的目的，由于该设计方便，便宜，易用，从而能为人们的生活带来便利。其次，节省了能源。由于PID控制，在水温加热过程中，控制加热的时间，避免了电能的无谓浪费，节省了电力资源。本次设计大体上分为三个部分，分别是对系统基本情况进行概述，系统硬件设计中对各个模块进行详细的说明及系统的软件设计中需要一些程序来辅助硬

13、件完成相应的功能。, 5 ,第二章系统设计概述2.1 水温调节原理水温控制是现实生活中比较重要的一个环节。通过加热器的加热，从而可以提高水的温度，通过一定的调节方式，来达到所需要的水的温度。然而，各种水温调节方式各自所适用的场所不同，调节的结果也不同。2.1.1 简单水温控制方式及其特性对于常规的水温加热，只要接通电源，电加热器就开始加热，直到水沸腾后通过蒸汽来产生声音报警。这种设计有下面几个方面的不足：1如水壶中没水，电源误接通时也会一直加热，容易引起事故。2当只需要加热到沸点以下某一温度时，不能及时给出声音报警信号。3当水加热沸腾后不能自动停止工作。2.1.2 现代水温控制方式由于水温控制

14、系统的控制对象具有热存储能力大，惯性也较大的特点。水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制，一般来说可以采用以下几种控制方案：(1) 输出开关量控制：对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。但该控制方式容易产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系统对控

15、制精度的要求。因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。(2) 比例积分微分控制(PID控制)PID控制是在反馈控制系统中，根据采集大量的信号误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。比例积分微分控制的特点是：比例的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果。在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。因此，PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。(3) 模糊控制模糊控制(FuzzyControl)是用模糊数学的知识模仿人脑的思维方式，对模糊现象进行识别和判决，

16、给出精确的控制量，对被控对象进行控制。与经典控制理论和现代控制理论相比，模糊控制的主要特点是不需要建立对象的数学模型。模糊控制是目前自动控制研究中活跃而富有成果的领域之一，模糊理论是当前能用来对信息进行软处理的最新技术，可以将人的定性思维和判断方法定量化为适合计算机处理的过程，使计算机能判断像“大概”、“轻”这样的模糊信息。采用传统控制理论，不管是用经典控制理论还是用现代控制理论来设计一个控制系统，都需要事先知道被控对象的精确数学模型1。由于电锅炉水温调节的容量有显著的滞后效果所以本文选用PID控制。2.2 系统设计的总体方案锅炉水温调节器温度闭环控制系统如下图2-1所示。系统中利用温度传感器

17、对水温进行实时监控，同时将炉内水温信号转换成电信号，通过电缆传送到中央控制系统对温度的电信号进行处理。如果水温过高，超过设定温度值时，控制系统向电加热器发出停止加温信号，并保持炉内温度，如果水温过低，未达到要求温度值时，控制系统向电加热器发出加温的信号，直到温度达到设定温度为止。图2-1中YOO保加热信号输出。X010:自动调节-PLD控制岚ill: P工造制热电偶温度 传感器故摩指小灯电加热器- 7 图2-1锅炉水温调节器温度闭环控制系统2.3 系统的可行性根据系统的整体方案框图2-1可以了解到先将锅炉中的水温通过温度测量得到一个温度信号，将此温度信号传送到PLC模块，通过PLC模块的PID

18、推理与分析，控制外部加热装置对水容器进行加热，整个过程是一个连续的信号采集与系统分析的过程，经过硬件电路的组合与软件的调试，可以达到水温调节的目的，该系统是可行的。第三章控制系统的硬件设计本章主要从系统设计结构和硬件设计的角度，介绍该项目的PLC控制系统的设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计参数的整定。1.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤1.1.1 PLC控制系统设计的基本原则1 .充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。2在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。3保证控制系统安全可靠。4 .应考虑生产的发展和工艺的改进，

19、在选择PLC的型号、I/O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。5 .1.2PLC控制系统设计的一般步骤1）分析被控对象并提出控制要求：详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。2）确定输入/输出设备CAD/CA雌术：根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按钮、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。3）选择PLCPLC选择包括对PLC

20、的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。4）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路CAD/CA僦术：1.分配I/O点画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第2步中进行。电气技术2.设计PLC外围硬件线路画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。5）程序设计：1.程序设计CAD/CA僦术根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC®序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的

21、功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容：（ 1）初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。（ 2）检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。（ 3）保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。2.程序模拟调试程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件

22、。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。（1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。（2）软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。6）硬件实施CAD/CA峨术硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。主要内容有：（1）设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。（2）设计系统各部分之间的电气互连图。（3）根据施工图纸进行

23、现场接线，并进行详细检查。由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC空制系统的设计周期可大大缩短。7） 联机调试：联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。8）整理和编写技术文件：技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明。3.1.3PLC程序设计的一般步骤1 绘制系统的

24、功能图。2设计梯形图程序。3根据梯形图编写指令表程序。4对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。PLC控制系统的设计步骤可参考下图3-1: 13 分析控制要设计制作控制 柜，先插安装 接线图3-1PLC控制系统的设计步骤3.2PLC的选择3.2.1 可编程控制器的产生和应用1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14,并在G必司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从19

25、74年开始研制，1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，随着电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器功能得到更进一步增强。进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLQ使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。3.2.2 可编程控制器的组成和工作原理可编程控制器的组成:PLC包才§CPU莫块、I/O模块、内存、电

26、源模块、底板或机架。1 CPUCP虚PLC的核心，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。CPUt要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CP阴元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPUS度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。1.1 /O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）

27、完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统,输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI）,模拟量输出（AO等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉

28、冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPUff能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架梢数限制。3. 编程器编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。4. 电源PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC,直流电源（常用的为24VDC。可编

29、程控制器的工作原理:PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的2。PLC工作的全过程可用图3-2所示的运行框图来表示。图3-2可编程控制器运行框图1.1.3 可编程控制器的分类及特点（一）小型PLC小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处

30、理和传送通讯联网以及各种应用指令。（二）中型PLC中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024点之间，I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。（三）大型PLC一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLQ大型PLC的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，还有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化。1.1.4 PLC型号选择本温度控制系统采用的是日本三菱公司的F。三菱FXPL0小形

31、化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出1625点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLG特点：系统配置即固定又灵活；编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。本课题控制系统选用的是FXn-48MRFXn-48MR是继电器输出及输入24点，输出24点.FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLQ内置用户存储器8K步，可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控

32、制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。有功能很强的数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接。其特点是：系统配置即固定又灵活、编程简单、备有可自由选择，丰富的品种、令人放心的高性能、高速运算、使用于多种特殊用途、外部机器通讯简单化、共同的外部设备。3.3 模拟量输入模块的选因为温度传感器对水温进行实时监控，同时将炉内水温信号转换成电信号，具信号是模拟信号而FXn只能读取数字信号，所以需要添加一个PLC的模拟量输入模块。本文选择的是F%n-4AD-TC温度传感器模拟量输入模块。FXn-4AD-TC是三菱公司推出的一款F。系列PLC4!道温度传感器模拟量输入模块，通过

33、扩展电缆与PLC主机相连。它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。其特点是：小型集成型；更高的性价比；高速化、高精度的控制（基本指令0.08ps/步）；高性能的内置功能（高速计数器、高速输入/输出等）；扩大控制点数，最大支持256点I/O;特殊单元的高性能化和高互换性；扩展通信端口，轻松地使用模拟量功能；扩充存储器容量；标准机种适合国际规格。 17 3.4 热电式传感器一一粕铭10-粕热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的

34、。把温度变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶；把温度变化转换为电阻值的热电式传感器称为热电阻3。从测量温度范围、安全和经济等方面考虑，所以本系统采用热电偶式传感器：钳镂10-钳。其特点是： 装配简单，更换方便 压簧式感温元件，抗震性能好测量范围大（200c1300C,特殊情况下270c2800C） 机械强度高，耐压性能好 耐高温可达2800度 热电偶的结构形式保证了热电偶能可靠、稳定地工作。3.5电加热装置电锅炉加热管电加热是将电能转换为热能的过程。电加热器加热方式可分为：电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热等加热方式。电阻加热：利用电流的焦耳效应将电能转变成热能以加热物体。通常分为直接

35、电阻加热和间接电阻加热。前者的电源电压直接加到被加热物体上，当有电流流过时，被加热物体本身电便发热。可直接电阻加热的物体必须是导体，但要有较高的电阻率。间接电阻加热的发热元件所用材料，一般要求电阻率大、电阻温度系数小，在高温下变形小且不易脆化。常用的有铁铝合金、银铭合金等金属材料和碳化硅、二硅化铝等非金属材料。感应加热：利用导体处于交变电磁场中产生感应电流（涡流）所形成的热效应使导体本身发热。根据不同的加热工艺要求，感应加热采用的交流电源的频率有工频（5060Hz）、中频（6010000Hz）和高频（高于10000Hz）。电弧加热：利用电弧产生的高温加热物体。电弧是两电极间的气体放电现象。电弧

36、的电压不高但电流很大，其强大的电流靠电极上蒸发的大量离子所维持，因而电弧易受周围磁场的影响。当电极间形成电弧时，电弧柱的温度可达30006000K,适于金属的高温熔炼。电子束加热：利用在电场作用下高速运动的电子轰击物体表面，使之被加热。进行电子束加热的主要部件是电子束发生器，又称电子枪。电子枪主要由阴极、聚束极、阳极、电磁透镜和偏转线圈等部分组成。阳极接地，阴极接负高位，聚焦束通常和阴极同电位，阴极和阳极之间形成加速电场。由阴极发射的电子，在加速电场作用下加速到很高速度通过电磁透镜聚焦，再经偏转线圈控制，使电子束按一定的方向射向被加热物体。所以本系统选择间接电阻加热方式即电锅炉加热管加热方式。

37、其电气特点是锅炉中的水不带电。但当电热元件漏水或爆裂时,也会使锅炉中的水带电，即称之为漏电。另外，受电热元件绝缘导热层的绝缘程度的影响，电热管也存在着一定的漏电电流。按照国家标准，漏电流应不大于0.5mA。因此，电气线路上都应设漏电保护 33 第四章系统的PID控制4.1 控制系统的数学模型建立在本控制系统中，FX2n-4AD-TC通过采集热电偶温度传感器的模拟电压信号，经过转换后送入FKw48MR中通过执行PID指令进行PID调节由PLC的控制系统框图如图4-1给定值*04L调节器被控对象被控温度测量装置4-1PLC的控制系统框图4.2 PID控制及参数整定4.2.1 PID控制器的组成PI

38、D控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成其数学表达式为：,d；1、（MV）=Kp£+KdTd一十一产dt（1）dtT、（1）比例系数已对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。KP偏大，振荡次数加多，调节时间加长。KP太大时，系统会趋于不稳定。KP太小，又会使系统的动作缓慢。Kp可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果KP的符号选择不当对象状态（pv值）就会离控制目标的状态（sv值）越来越远，如果出现这样的情况KC的符号就一定要取反。（2） 积分控制Ti对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，Ti小（

39、积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。（3） 微分控制Td对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，Td偏大时，超调量较大，调节时间较短。Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Td合适，才能使超调量较小，减短调节时间。为了执行PID得到良好的控制效果，比需求的适合控制对象的3个常数（比例系数积分时间常数Ti；微分时间常数Td）的最佳值。工程上常用阶跃响应法求出这3个常数4。4.2.2 采样周期的分析采样周期Ts越小，采样值就越能反应温度的变化情况。但是，Ts太小就会增加CPU的运算工作量，相邻的两次采样值几乎没什么变化，将是PID控制器输出的微分部分接近于

40、0，所以不应使采样时间太小。，确定采样周期时，应保证被控量迅速变化时，能用足够多的采样点，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。所以本系统采样时间周期设为30秒4.2.3 自动调节与PID参数的整定和设定经过上述的分析，该温度控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器的参数整定。常用的整定方法可归纳为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，经过理论的计算(微分方程、根轨迹、频率法等)，求得最佳的整定参数。这类方法比较复杂，工作量大，而且用于分析法或实验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动

41、态特征，整定的结果精度不是很高，因此未在工程上受到广泛的应用。对于工程整定法，工程人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所学的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛的应用常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法整定控制器的参数值。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5080%,再将积分时间置一

42、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4下表4-2为自动调节及PID控制的参数设定内容表4-2自动调节与PID控制参数设定内容PID控制设定内容自动调节中委数PID控制中参数目标值（SV)S1700(+70C)70(+100C)采样时间（Ts)S330000ms(30s)5000ms参输入滤波（a）S3+270%70%因微分增益（KD)S3+500输出值上限S3+2220000(20s)20000(20s)输出值下限S3+23007E动作方向输入变化量报S3+1bit1后效后效(ACT)输出变化量报警后效后效

43、S3+1bit2输出值一上下设定S3+1bit5有有输出值（MV）D18000ms(18s)根据运算第五章PLC控制系统程序设计5.1 程序设计思路PLC运行时，通过触点使用型特殊辅助继电器M8002r生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值和PID参数值等存入数据寄存器，系统开始温度采样，采样周期是30秒，热电偶温度传感器将采集到的出口水温度信号转换为电压信号，FX2n-4AD-TC采样后，将数据送给PLC处理。通过PLC的运算处理后产生信号驱动电加热器升温。5.2 PLC程序设计方法PLC程序设计常用的方法：主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。1. 经

44、验设计法：经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。2. 继电器控制电路转换为梯形图法：用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。3. 顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。4. 逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务5.3 编程软件

45、SWOPC-FXGP/WI概述SWOPC-FXGP/WIN：版，通过线路符号、列表语言及SFC01号来创建顺控指令程序，建立注释数据及设置寄存器数据。创建顺控指令程序以及将其存储为文件，用打印机打印。可在串行系统中可与可编程控制器进行通讯，文件传送，操作监控以及各种测试功能。适用于FX。FX1、FX源歹U1)iHtt'E)|；%陨|1：|画A STOFC-iEIQP/TIi-C - |：WH1-0X且挽3视E1W 迎凄更如曲报画试!1J透明3 A）如情勖 S' X画团工鼠画囱国囱国施虎卬崩Eg坯横旭>WT14:胖PLC®程.下图5-1为SWOPC-FXGP/WN

46、C版的运用界面MIODT1口程序制WMCClFX1JtHP;l.fHVId卜：*M修卜田I.L图5-1SWOPC-FXGP/WI厢文版的运用界面5.4 自动调节+PID控制的程序0LDM80021MOVK700D5006MOVK70D51211MOVKOD51516MOVK20000D53221MOVKOD53326LDXO1O27PLSMO29LDIXO1130ANDMO31SETM132MOVK30000D5I037MOVH0030D51142MOVKI8000D50247LDIMl48MOVPK500D51053LDM800254TOKOKOH3303KI63LDM8000S4FROMK

47、OK10D501KI73LDM800274LDIXD1075ANIX01176ORB77RSTD50280LDX0I181ORX01082PIDD5DDD501D510D50291ourM392LD93MOV98MPS99AND100PLF102MPP103AND104RST105LD106OUT109LD110ORI111RST113LD<118AND119OUT120LD121OUT122ENDMlD511M14M2M2MlM3T246T246M3T246T246M3Y001M8D67Y000K2M10K20000D502当M8002初始化脉冲（仅当PLC运行开始的扫描第一个周期触点

48、接通是系统执行指令1、6、11、16、21、54和77。指令1、6、11和16是设定目标值（70C）、滤波时间常数（=70%、微分增益（K=0）、输出值上限、输出值下限等PID参数；指令54是使模块FXn-4AD-TC的通道初始化BFM#0中写入H3303表示仅用CH2通道，通道设定是电压范围-10V10V;指令77是将数据寄存器D502中内容清零（当X010常闭触点和X011常闭触点同时接通时也能执行指令77）。当X010常开触点接通时执行指令27、82和91。指令27是使M0在输入信号上升沿时产生一个扫描周期的脉冲输出，而当X011的常闭触点接通时在MO入信号上升沿使线圈M1接通保持（置1）并同时执行指令32、37和42设定自动调节的自动调节采样时间（Ts=30s）、调节的动作方向（ACT：执行自动调节开始和自动调节输出值设定（18sON的参数；指令82和91是PID指令驱动PID运算将运算结果存入数