基于PLC的电阻炉温度控制系统最终版[1]

东北大学秦皇岛分校自动化工程系自动控制系统课程设计基于 PLC 的电阻炉温度自动控制系统专业名称自 动 化班级学号5070227学生姓名指导教师顾 德 英设计时间东北大学秦皇岛分校自动化工程系自动控制系统课程设计任务书专业自动化班级50702姓名蒙杰设计题目：基于PLC 的电阻炉温度控制系统一、设计实验条件地点：自动化系Rockwell 实验室实验设备： PC 机、 Mircologix1500 可编程控制器、管式电阻炉二、设计任务设计 PLC 自动控制系统， 设定电阻炉的温度在一个特定的范围之内，并自动调节电阻炉温度到这个范围中。设计要求：使用AB 公司的 Mircologix1500 可编程序控制器，实现电阻炉的温度控制。三、成员廖秀娟、张立辉、蒙杰、孙晨晨、陈晓、1、前言1987 年，国际电工委员会（IEC ）颁布的可编程控制器标准第三稿中，对可编程控制器的定义如下：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。 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的指令，并通过数字式、模拟式的输入 / 输出，控制各种机械或生产过程。电阻炉是热处理常用设备之一，电阻炉可以提供室温至 1200 范围的温场。维持电阻炉某一范围的温度恒定是必须要解决的问题。 电阻炉的发热体为电阻丝。电阻炉通常采用模拟仪表测量温度，并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率，由于模拟仪表本身的测量精度差，加上交流接触器的寿命短，通断比例低，故控制精度低。本文设计一个采用 AB 公司 Micrologix1500 可编程序控制器实现对电阻炉温度的自动控制。 PLC 的模拟量输入模块反馈的炉温实际值与给定值的偏差进行 PID运算，运算结果输出控制电阻炉平均功率的大小，来达到控制炉温的目的。2、 电阻炉温度控制系统基本构成由PLC控制的电阻炉温度控制系统构成如图1所示，系统工作过程：一是给定值（ 01200）通过键盘输入 PLC主机，再由 PLC主机传递给数字量输出模块，控制固态继电器的开关状态，从而控制电阻炉的加热情况；二是通过温度检测装置热电偶检测到的变换为电流信号的炉温值通过模拟量输入模块读入PLC主机，由PLC 主机内部 PID的程序与温度给定值相比较，对数字量输出模块进行下一度的控制。其中 PLC是整个系统的主控核心。实际温度PLC 主机PID 调节执行机构电阻炉温度检测装置键盘Micrologix1500图 1电阻炉温度控制系统图3、电阻炉温度控制系统硬件设计3.1 确定控制系统输入输出（I/O ）信号点数1、总开关需点动按钮一个，因此，共需开关量输入点1个。温度检测装置（热电偶）需要模拟量输入点1个。2、固态继电器的开关需要2个数字量输出点。3.2 确定输入输出模块型号由于热电偶采用 WHNB-130 型号，输出电压为420mA,，所以模拟量输入模块型号选择为 1769-IF4 ，它可以直接和热电偶相连。数字量输出模块型号选择为1769-OB16。3.3 热电偶选型实验室配有 WHNB-130 型号热电偶，输出电压为420mA，温度测量区间在01200。3.4 固态继电器固态继电器（ Solid State Relay,缩写 SSR），是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。 用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件。实验室配有施耐德SSR-01 DA 型号固态继电器，铭牌上输入为332V 直流输入，输出 为 24240V 交流输出 ，而 Micrologix1500的 数字量输 出模 块输 出电 压为24V ，所以满足本实验需要。3.6 Micrologix1500简介Micrologix1500可编程序控制器包括电源、输入电路、输出电路和处理器。控制器具备24点 I/O 和 28点 I/O 组态功能。Micrologix 1500 是更为优秀的可编程控制器平台，比Micrologix 1000 提供更多的高级功能。在过去，为了实现这些功能，可能选用大型的控制器，而现在Micrologix 1500 控制器为用户提供了更经济的方案。 Micrologix 1500 采用了新颖的两块式组合设计方式。它由处理器和基座组成，两者通过导轨进行装配，从而构成一个完整的控制器单元。另外，处理器可以从基座中单独拆除，这样一来， 用户对基座的 I/O端口可以有更灵活的选择，不仅减少了设备，而且还能降低成本。1769 Compat系列 I/O 模块结构紧凑，可以扩展控制器的 I/O 。从而增强系统的灵活性，满足更大范围应用项目的要求。这种高性能、无机架式 I/O 模块可从正面进行拆除和插入， 可以显著降低系统成本，减少维护时间。 另外，Micrologix 1500还提供一项新的功能， 用户可以通过一个面板，对程序中的固定的参数文件进行修改，逼近简化了人机沟通方式，还增强了控制器的性能。3.5 系统硬件连接电阻炉温度控制系统硬件接线图如图2所示Micrologix1500接 OUT01769-IF41769-OB16接 DC COM接 Iin0+ 接 V/Iin0-+接 Anlg Com管式电阻炉SSR热电偶图 2电阻炉温度控制系统硬件接线图4 数字 PID 在电阻炉温度控制系统中的应用典型的数字 P1D控制系统如图 3所示，图中 SP(t)是给定值 PV(t) 为反馈量， C(t)为输出值， PID控制器的输入输出关系可表示为：11de ( t )M (t ) Kc e( t )0e( t ) dt TdTidtSP(t)SP(n)eM(t)C(t)PIDD/A执行机构被控对象(n)PV(t)A/D测量机构图 3 数字 PID 控制系统由于每次处理工件的温度、外型及重量不同，PID 的参数会发生变化，不能再程序中一次确定。所以在这里采用简易PID控制，通过自调谐功能，自动计算出社和的 PID常数，解决了 PID 控制中参数确定难的问题。选择快速响应时，容易发生过调：选择慢速响应，没有过调产生，响应速度慢。在反馈控制部分的软件程序设计上主要采用PID 控制算法，由于过早地引入积分作业容易产生饱和，产生过大的超调量，为了克服这一缺点，可以采用积分分离的 PID控制算法，这样既保持了积分的作用，又减少了超调量，使控制性能有较大的改善。 在偏差大时不进行积分， 仅当偏差的绝对值小于一预定的门限值a时才进行积分累加。这样既防止了偏差大时有过大的控制量，也避免了过积分现象。在PLC控制系统中，系统通过 PID 控制指令实现的。 进入 PLC 的连续时间信号，必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入存储器和寄存器，而在PLC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。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID 算法离散化，将描述连续时间PID 算法的微分方程，变为描述连续时间PID算法的差分方程。 PID 的子程序流程图如图 3所示，根据实际检测到得温度值和设定温度比较，求出相应的温度偏差值E，根据 E与a的比较判断采用 PID算法或是 PD算法，随后进行算法处理， 求出控制值。PID 控制根据指令指定单元确定动作方向，执行运算。RSLogix500 中的 PID指令为：指令功能：比例、积分和微分指令是一条输出指令，该指令采用过程循环以控制诸如温度、压力、液位、流量或流速等物理性质的过程量。指令说明： PID指令通常用于闭环控制。它从模拟量输入通道采集信号，经过 PID运算后，提供一个模拟量输出信号作为反映，一是一个过程量稳定在一个期望点。PID方程决定了输出和输入信号的关系为式中， E为输出信号对期望点的偏移量； Kc为比例系数，也叫开环增益； Ti 为积分时间常数； Td为微分时间常数； Output为PID 运算输出； Bias为给输出加上的一个偏移量。当输入信号偏移期望点越大，这个Bias偏移量值越大。另外，可再加上一个Bias偏移量（可看作偏移Offset）作为运算的结果输出，它使得被控过程量快速、平滑、超调量小的向期望点靠近（只要PID参数选择合适）。开始电阻炉加热采集温度值，读入PID 源地址检测是否有偏差Y结束PID 控制控制参数读入目的地址，驱动执行器图 4 电阻炉温度自动控制系统程序流程图5.总结电阻炉温度控制系统采用成熟的PLC技术，采用软硬件结合， 较好的解决了传统加热炉温控系统中出现的问题。本实验采用了Micrologix1500可编程控制器，很好的实现了电阻炉温度的自动调节，涉及到的方法简单，设计便捷有效，精度高，工作可靠易于拓展，集成在PLC内部的 PID指令使用简单易于上手，针对我国大部分的电阻炉用户来说本系统将是一个比较理想的温度控制系统。参考文献： 1李凤阁 佟为明主编， 电气控制鱼可编程控制器应用技术，机械工业出版社， 2007.8 2邓李 主编， ControllLogix 系统使用手册，机械工业出版社，2007.10 3吴波 张静， PLC 在热处理电阻炉温度控制系统设计中的应用，ChinaAcademic Journal Electronic Publishing House ， 2006， 27（ 6）附录：电阻炉温度自动控制系统梯形图程序PID 参数设置