课程设计(论文)-基于PLC的电加热炉温度控制系统设计
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
性能的不断提升，人工智能理论的实用化。因此，高精度、智能化、人性化必然是国内外必然的发展趋势。
1.3项目研究内容
以PLC控制为核心，PLC将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差，经过PID运算后得到的信号控制输出电压的大小，采用PID算法，运用PLC编程语言编程，从而调节加热器加热，实现温度的自动控制。
由两个或两个以上的控制器串联，一个控制器的输出是另一个控制器的设定而组成的串级控制系统。改善了主回路的响应速度。主调节器具有“细调”作用，副调节器具有“粗调”作用，从而改善了系统的品质。
第二章系统设计
2.1系统的过程控制设计
在本系统中若采用以原料出口温度为被控量的单回路系统，由于在加热炉的过程控制中存在着时间滞后和容量滞后，系统不能立即感知。直到经过大容量滞后，才能反映到原料的温度变化。系统的控制作用才开始反映，但为时已晚。同样，控制器的动作也必须经过较大的容量滞后才能开始对输出的改变做出调整，导致系统的品质变差。
因此，增设炉膛温度作为另一个被控参量，构成串级控制系统，如图5-1
图5-1 串级系统控制框图
当原料温度变化时，首先使得炉膛温度C2发生变化。而出口处的原料温度C1还没有发生变化。因此，主调节器输出不变，炉膛温度测量值发生变化。通过副变送器反馈到副调节器。通过可控硅控制加热元件的电流大小，使电炉保持在设定的温度工作状态。
与此同时，炉膛温度的变化也会引起管壁的温度变化，从而影响出口C1温度的变化，使主调节器的输出发生变化。由于主调节器的输出就是副调节器的输入，而副调节器的输出直接控制可控硅导通角的大小，进一步加速了控制系统的调节过程，使主被控量即加热炉出口温度恢复到设定值。
2.1.1控制系统的性能［1］
⑴对二次扰动的抑制能力强，当二次扰动产生后，副被控量首先检测到扰动的影响并及时控制操作变量，使副被控量恢复到设定值。从而使扰动对主被控量的影响减小，即副回路对扰动进行粗调，主回路对扰动进行细调。
⑵串级控制系统由于有副回路的存在改善副对象的动态特性，从而提高了整个系统的动态特性。
⑶串级控制系统由于副回路性能的改善，主控制器的比例带可以变得更窄，从而提高了系统的工作频率，即提高了系统的快速响应能力。
⑷有一定的自适应能力。在副回路的作用下，包括控制阀在内的副对象在
操作条件和负荷变化时，其特性变化对系统的影响显著地削弱了。
2.2 控制器的设计
2.2.1 控制器的控制规律选择
PID控制器是应用最广泛的一种控制器。包括P控制器、PD控制器，PI控制器及完整的PID控制器。P的作用是增加开环增益，降低系统的稳态误差，提高控制精度，但缺点是会使系统变得不稳定。I的作用是消除静差，但有过调现象且不及时。D的作用是增加系统的稳定性，但同时也放大了系统的高频噪声。可见，合理运用才能使系统的效益最大化。
1)比例（P）控制
比例控制是最简单的工作方式。其控制器输入与输出的误差信号成比例关系。比例控制器的传递函数为：
G c (S)=K
P
（2.1）
其中：Kp称为比例系数或增益。其倒数称为比例带，也称比例度。
2）比例积分（PI）控制
具有比例加积分的控制规律的控制称为比例积分控制，即PI控制。可减少或消除系统的稳态误差，改善系统的稳态性能，但存在过调现象而且不及时，存在滞后。PI控制的传递函数及输出信号为：
G c (S)=K
P
+K
P
/Ti·1/S=K
P
(S+1/Ti)/S (2.2)
u(t)=K
p e(t)+K
P
/Ti∫
t e(t)d(t) (2.3)
其中：Kp为比例系数 Ti称为积分时间常数
3）比例微分（PD）控制
具有比例加微分的控制规律的控制称为比例微分控制，即PD控制。它能改善系统的动态特性，但具有放大高频噪声的缺点。PD控制的传递函数及输出信号为：
G c (s)=K
P
+K
P
τS (2.4)
u(t)=K
P e(t)+K
P
τde(t)/dt (2.5)
其中：K
P
为比例系数τ为微分时间常数
4)比例积分微分（PID）控制
具有比例加微分和积分的控制规律的控制称为比例积分微分控制，即PID控制。PID控制具有提高系统稳定性能的优点外，还可以还改善系统的动态性能，消除误差，缩小超调量，加快反映速度。PID控制的传递函数及输出信号为：
G c (S)=K
P
+K
P
/Ti·S+K
P
τs (2.6)
u(t)=K
P e(t)+K
P
/Ti∫
t e(t)dt+K
p
τde(t)/dt (2.7)
其中：K
P
为比例系数 Ti称为积分时间常数τ称为微分时间常数三者都是可调常数。
因为采用串级控制，所以有主副调节器之分。主调节器起定值作用，副调节器起随动作用。原料的出口温度是系统的重要指标，它的允许波动的范围小，且温度控制系统是容量滞后较大的系统，故主控制器选用PID控制，而副控制量采用P控制，因为副被控量的控制范围在工艺上要求不是太严格，允许有余差，故副控制器选用P控制就行。这时如果引入积分就可能会降低副回路反应的快速性影响控制效果。
2.2.2 主、副控制器的正反作用选择
副调节器作用方式的确定：从锅炉的设备和安全出发，一旦系统故障就应自动切断燃料供应。所以可控硅输出电压选用气开式，调节阀的静态放大系数Kv 大于0。然后确定副被控过程的K2。当可控硅的导通角增大，电压增大，炉膛水温上升，被控对象为正作用，所以K2大于0。再确定副调节器，为保证回路是负反馈，各环节的静态放大系数极性相乘必须为负，所以副调节器K2小于0，副调节器的作用方式为反作用方式
主调节器作用方式的确定：炉膛水温升高，出口温度也升高，被控对象为正作用，所以K1大于0。为保证主回路为负反馈，各环节的放大系数相乘必须为负，所以主调节器的放大系数K1小于0。主调节器的作用方式为反作用方式。
2.3 系统组成
本系统的结构框如图2-2所示
图2-2 系统组成的结构框图
系统选用S7-300PLC为控制器，用热电偶检测炉温，温度变送器将热电偶输出的微弱信号转换为标准信号。然后送给模拟量输入模块，经A/D转换成数字量。CPU将它与温度设定值作比较，并按PID控制算法对误差进行运算，将结果送给模拟量输出模块，经D/A转换变为模拟信号。用来控制可控硅的导通角大小，从而调节电热丝的加热，改变温度大小。
第三章硬件设计及网络结构
3.1可编程控制器概述
可编程控制器简称PLC，它几乎完全占领了工业控制领域。由于PLC的应用面广、功能强大、使用维护方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用。
PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）。其中运行状态是执行应用程序的状态，在CPU执行启动操作时，清除没有保持功能的位存储器，定时器和计数器，清除堆栈内容等。再执行一次启动组织块OB100,它由用户编写，即完成对指定的初始化操作。之后反复不断地重复执行用户程序。停止状态一般用于程序的编制与修改。
除了执行用户程序外，PLC还要完成启动循环时间监，数据写入输出模块，
读取输入模块状态，并存入输入过程映像区；在系统循环结束时，接着执行所有挂起的任务。最后返回第一阶段。各个阶段如图3-1所示
图3-1 扫描过程
PLC的特点如下：
?可靠性高，抗干扰能力强，适应性强。
?系统的安装、设计和调试工作量小，维护方便。
?硬件配套齐全，编程方便易学，操作方便。
?体积小，功能强大，能耗低，性价比高。
3.2 S7-300的输入输出模块
S7-300属于模块式PLC，主要由CPU模块、电源模块、输入输出模块组成（图3-2）。各种模块安装在机架上，通过通信模块，PLC可以与计算机，其他PLC或其他设备进行通信。
图3-2 PLC基本结构
?模拟量输入模块
在温度控制系统中，传感器将检测到的温度信号转换成4～20mA的电流信号。模拟量输入模块SM331用于将模拟量信号转换为CPU内部处理的数字信号。其主要组成部分是A/D转换器。模拟量输入模块的输入信号一般是模拟量变送器的标准输出信号。
为了减少电磁干扰，传送模拟信号时使用双绞屏蔽电缆。模拟信号电缆的屏蔽层两端接地，如果电缆两端存在电位差，将会造成对模拟信号的干扰。在这种情况下，将电缆的屏蔽层一点接地。
?模拟量输出模块
模拟量输出模块SM332用于将CPU送给执行元件的数字信号转换成成比例的电流信号，其主要部件是D/A转换器、
模拟量输出模块为负载和执行器提供电流或电压，模拟信号使用屏蔽电缆或双绞线电缆来传送。
?数字量输入模块
数字量输入模块SM321用于连接外部的机械触点和电子式传感器，比如接近开关，二线式开关等。数字量输入模块把外部传来的数字信号转换为PLC的内部
信号，输入电路中一般含有RC滤波器，防止由于外部干扰而引起的错误信号输入。输入电流一般为几毫安。
?数字量输出模块
数字量输出模块SM322用于驱动接触器，灯等小功率电机负载。数字量输出模块将PLC的内部信号转换为控制过程所需的外部信号。具有隔离和功率放大作用，其功率放大元件如大功率晶体管和场效应晶体管，固态继电器，驱动交流负载的双向晶体管等。输出电流一般为0.5～2A
3.3 温度传感器
温度传感器是最早开发，应用最广的一种传感器。它是把检测到的温度转化为电量的装置。按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶，热电偶是将温度转化为电势的变化，而热电阻是将温度的变化转化为电阻的变化。
?热电阻
热电阻是金属导体的电阻随温度的增加而增加的这一特性来测量温度的，是测量低温的温度传感器，一般测量温度在-200～800℃。热电阻由金属材料制成，应用最广的是铂和铜。热电阻式温度传感器有如下特点:
优点：1）准确度高 2)输出信号大，灵敏度高。3）测量范围广，稳定性好。
4)输出线性好缺点：1）抗机械冲击与振动性能差 2）元件结构复杂，热响应时间长，不适宜测量温度瞬变区域。
?热电偶
将两种不同的金属导体焊接在一起，构成闭合回路。在焊接端（测量端）加热产生温差，就会在回路里产生热电流，相应地产生热电动势。这种以测量热电动势的方法来测量温度的元件称为热电偶。一般测量范围在400～1800℃。热电偶温度传感器有如下特点：
优点：1）结构简单，制造容易 2)价格便宜 3)准确度高 4）测量范围广，能适应各种测量对象的要求，远距离测量和控制 5）具有极高的响应速度，可以测量极速变化的过程缺点：灵敏度较低，容易受到环境干扰的影响。
本设计使用镍镉-镍硅N型热电偶，具有线性度好，热电动势大，灵敏度稳定性均较好的优点。
3.4 温度变送器
变送器用于将传感器提供的电量转换为标准量程的直流电流或直流电压信号。例如DC0～10V和4～20mA。变送器分为电流输出型和电压输出型。PLC 模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高。如果变送器距离PLC较远，传送模拟量电压信号时抗干扰能力会很差。当PLC的模拟量输入模块输入电流时，产生的干扰较小，所以模拟量电流信号适合于远距离传送。本设计选用电流输出型。
3.5 温度控制器
本设计采用可控硅作为开关元件，可以避免传统继电器的频繁吸合造成损坏的问题。而且具有动作快，寿命长，可靠性好等优点。通过将可控硅的导通角大小来调节输出功率，从而控制主回路加热元件电流大小，使加热炉保持在设定温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成，主回路由可控硅、快速熔断器，加热元件等部分组成。控制回路由电源、热电偶、PID调节器等部分组成。
3.6系统网络结构
西门子的STMATIC NET网络系统可分为四层，如图3-3
图3-3 网络系统