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

学生姓名

指导教师顾德英

设计时间2010.6.28~2010.7.9

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、

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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（0~1200℃）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。

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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4~20mA,，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4~20mA，温度测量区间在0~1200℃。

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3~32V直流输入，输出为24~240V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，

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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

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：

1()1()()()0de t M t Kc e t e t dt Td Ti dt ??=++?????

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：

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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）。

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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》，China

Academic Journal Electronic Publishing House ，2006，27（6）

东北大学秦皇岛分校课程设计报告用纸 第 9 页 附录：电阻炉温度自动控制系统梯形图程序

PID 参数设置