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1、基于PLC的红外线隧道炉温度控制系统设计摘要传统的隧道炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的 硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保 证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基 于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。而PLC本身优异的性能使基于PLC 控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。文章首先介绍了 PLC控制系统的硬件结构、工作原理以及设计PLC控制系统 的基本原则和步骤。先根据工厂生产要求设计了温度控制系统的硬件设计，主要 包括红外线隧道炉的温度超高警报、温度超低警报、炉腔内温度扩散、加热器的
2、 选择等。最后按照工艺要求设计PLC控制系统，包括PLC的选型、扩展模块的选 择，PID指令的选用以及按照温度控制工艺编制PLC程序等。关键词：PLC，温度控制，PID调节器，S7-200，温度传感器BASED ON PLC INFRARED TUNNEL TYPE FURNACETEMPERATURE CONTROL SYSTEM DESIGNABSTRACTThe traditional tunnel type furnace electricity control system uses the black-white control technology generally, beca
3、use uses the link the hardware to realize the logical control, causes the control system the volume to increase, consumes the electricity to be many, efficiency Gao Qieyi does not crash, cannot guarantee the normal industrial production. Along with the computer control technology development, the tr
4、adition black-white control technology the PLC control technology which has based on the computer technology is substituted inevitably. But the PLC itself outstanding performance causes the economy which changes based on the PLC control temperature control system highly effective stable also the mai
5、ntenance is convenient. The article first introduced the PLC control system hardware architecture, the principle of work as well as design the PLC control system the basic principle and the step.Has first designed the temperature control system hardware design according to the plant production reque
6、st, mainly includes the infrared tunnel type furnace in the temperature superelevation warning, the temperature ultra low warning, the furnace chamber the temperature proliferation, the heater choice and so on.Finally defers to the technological requirement to design the PLC control system, includin
7、g the PLC shaping, the expansion module choice, PID instruction selection as well as establishes the PLC procedure according to the temperature control craft and so on.KEY WORDS: PLC, temperature control, PID regulator, S7-200, temperature sensor前言1第1章设计总体方案及控制算法描述21.1系统总体方案21.1.1硬件方案设计 21.1.2软件方案设计
8、 31.2 PID控制算法31.2.1 PID算法的种类51.2.2 PID在PLC中的回路指令61.2.3 PID参数整定 8第2章 系统硬件设计 92.1系统的硬件组成92.1.1系统结构组成92.1.2系统各个组成部分完成的任务 92.2可编程控制器92.2.1 PLC 的特点102.2.2 PLC 的选型102.2.3西门子S7-200系列PLC系统主要功能模块介绍.112.3系统其他硬件选型及配置142.3.1显示模块142.3.2调功器14第3章S7-200 PLC控制程序的设计 193.1控制程序的组成193.2温度采集程序设计193.3数字滤波程序设计203.4PID控制程序设
9、计 23第4章程序调试25结论2728谢辞参考文献29附录30刖 言随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位 是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如： 在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都 需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。这方面的 应用大多是基于单片机进行的PID控制，然而单片机控制的DDC系统软硬 件设计较为复杂，特别是设计到逻辑方面更不是其长处，然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。随着PLC功能的扩充，在许多PLC控制器中都扩充了 PID控制功能， 因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中
10、采用PLC控制是较为合理的， 通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优 先，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的 质量和数量。因此，PLC对温度的控制是一个工业生产中经常会遇到的控 制问题。这也是本次毕业设计所重点研究的内容。温度控制系统在国内各行业的应用虽然已经十分广泛，但从温度控制 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有着 较大的差距。目前我国在这方面总体技术水平处于20实际50年代中后期水平，成熟产品主要以点位控制及常规的PID控制为主。它只能适应一般的温度控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统。而适应于较高控 制
11、场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化 并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外 技术保密及我国开发工作的滞后还没有开发出性能可靠的自整定软件，控 制参数大多靠人工经验及现场调试确定。本课题研究的主要目标是采用闭环控制方案，采用PID控制算法，手动整定或自整定PID参数，实时计算控制量，控制加热装置，使红外线隧 道炉温度保持在一定范围内，并能实时显示当前温度值。第1章设计总体方案及控制算法描述1.1系统总体方案红外线隧道炉温度控制系统主要有软件与硬件两部分组成。1.1.1硬件方案设计硬件基本构成有PLC主控系统部分、调功器、隧道炉、远红外线碳纤
12、维石英电热管、启动/停止开关按钮、温度变送器、电动机、风扇、警示灯 等组成。其结构硬件部分组成及其关系如图1-1所示。图1-1红外线隧道炉硬件部分接线图基本工作原理：SCR调功器通过向红外线碳纤维电加热管输送电压加 热红外线隧道炉腔，加温的同时启动电动机带动风扇，使隧道炉腔内的空 气流动，达到隧道炉腔内的温度均匀的目的，避免隧道炉腔收热不均匀，对腔内产品产生不良影响。温度变送器时刻监测隧道炉腔内的温度，将温 度信号转变为PLC能识别的电压信号并传送给 PLC，PLC对电压信号进行 PID运算，将处理结果得到的电压信号传送给SCR电力控制器，SCR电力控制器就根据此电压信号改变红外线碳纤维电加热
13、管的输送电压，从而改变 碳纤维的输出功率，维持隧道腔内的温度，使隧道腔保持恒温。当隧道腔 内的温度超出规定范围并长时间无法回复时，连接警示灯的温度探头就会 将危险温度信号输送给警示灯并发出声响，此时就需要人力进行调节了。1.1.2软件方案设计该系统是通过简单的闭环控制系统实现的。由PLC控制的红外线隧道炉温度控制系统构成如图1-2所示，系统工作过程：一是给定温度值通过 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，从而控制隧道炉的加热情况；二是通过温度检测装置热电 偶检测到的变换为电压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
14、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。图1-2红外线隧道炉软件控制部分组成图1.2 PID控制算法在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分 控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近80年历 史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的 主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的 数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定， 这时应用PID控制技术最为方便5。即 当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有
15、效的测量手段来获 得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD 控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制：比例控制是一种最简单，最常用的控制方式4。其控 制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在 稳态误差。积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分 成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则 称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在 控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间 的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增 加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分 （即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中 可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或 有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时， 抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作
