第一篇：PLC在熱處理電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用(DOC)

新疆工業(yè)高等專科職業(yè)技術(shù)學(xué)院

畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）

2012 級(jí) 機(jī)電一體化 專業(yè)

題 目：ＰＬＣ在熱處理電阻爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

畢業(yè)時(shí)間： 二〇一四年六月 學(xué)生姓名： 李婕 指導(dǎo)教師： 何濤 班 級(jí)： 12機(jī)電一體化

2013年 12月20日

PLC在熱處理電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要:熱處理電阻爐的溫度控制系統(tǒng)對(duì)零件的熱處理質(zhì)量有著重要影響。本文主要討論了以可編程控制器(PLC)為核心的箱式熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在提出爐溫控制方案的基礎(chǔ)上,對(duì)爐溫控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和溫度控制程序的設(shè)計(jì)。本文以45鋼零件進(jìn)行等溫球化退火熱處理工藝為例,介紹爐溫控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:熱處理;電阻爐;溫度控制;可編程控制器(PLC).一、關(guān)鍵技術(shù)與解決方案

箱式熱處理電阻爐是金屬熱處理中應(yīng)用最為廣泛的一種周期式作業(yè)爐,其測(cè)溫控溫系統(tǒng)對(duì)于保證工件的熱處理質(zhì)量具有重要作用。傳統(tǒng)箱式熱處理電爐存在主要問題之一是爐溫均勻度差,控溫精度低,從而造成產(chǎn)品質(zhì)量問題?？販胤绞讲捎梦皇秸{(diào)節(jié)的箱式熱處理爐,在教學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)研究和零件熱處理中有著廣泛的應(yīng)用,但由于其控溫系統(tǒng)相對(duì)落后,常常導(dǎo)致溫度控制不準(zhǔn)確而造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確或產(chǎn)品缺陷。因此,針對(duì)位式調(diào)節(jié)的箱式熱處理爐的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì),對(duì)于提高溫控精度、保證產(chǎn)品質(zhì)量具有十分重要的意義。

（一）、溫度傳感器的選取

目前市場(chǎng)上溫度傳感器較多，主要有以下幾種方案： 方案一：選用鉑電阻溫度傳感器。此類溫度傳感器線性度、穩(wěn)定性等方面性能都很好,但其成本較高。方案二：采用熱敏電阻。選用此類元器件有價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但由于熱敏電阻的非線性特性會(huì)影響系統(tǒng)的精度。

方案三：采用K型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶。其可測(cè)量1312℃以內(nèi)的溫度，其線性度較好，而且價(jià)格便宜。溫度檢測(cè)電路

比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此選用方案三。

（二）、控制電路部分

圖3 爐溫控制系統(tǒng)工作流程 1.選擇K型熱電偶,其測(cè)量溫度范圍為-200~+1200℃,在工業(yè)上應(yīng)用最多,適應(yīng)氧化性氣氛,線性度好,可以充分保證測(cè)量精度。

2.為了保證測(cè)量結(jié)果能充分反映爐內(nèi)的實(shí)際情況,采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量點(diǎn)數(shù)量和位置。

3.為了節(jié)省昂貴的熱電極金屬以及避免熱電偶冷端受爐體熱輻射等的影響,在熱電偶和測(cè)溫儀表之間用補(bǔ)償導(dǎo)線連接。

（三）爐溫調(diào)節(jié)方式

溫度自動(dòng)控制方式有位式調(diào)節(jié)、準(zhǔn)連續(xù)式調(diào)節(jié)和連續(xù)式調(diào)節(jié)三種,其中連續(xù)調(diào)節(jié)方式技術(shù)最先進(jìn)。為了獲得精確的爐溫調(diào)節(jié)質(zhì)量,采用以比例積分微分調(diào)節(jié)器(簡(jiǎn)稱PID調(diào)節(jié)器)組成的PID自動(dòng)控制系統(tǒng)。在熱處理中使用帶PID調(diào)節(jié)器的溫度指示記錄調(diào)節(jié)儀和與之配套的執(zhí)行器,可以達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)爐溫的目的。這種廣泛應(yīng)用的連續(xù)式調(diào)節(jié)器是具有比例、積分、微分調(diào)節(jié)規(guī)律的PID調(diào)節(jié)器,其輸出信號(hào)是按與輸入信號(hào)成比例(P)、積分(I)、微分(D)的運(yùn)算規(guī)律而動(dòng)作的,這三種調(diào)節(jié)規(guī)律的作用是:比例調(diào)節(jié)可產(chǎn)生強(qiáng)大的穩(wěn)定作用;積分調(diào)節(jié)可消除靜差;微分調(diào)節(jié)可加速過濾過程,克服因積分作用而引起的滯后,減小超調(diào)。只要將這三種規(guī)律調(diào)節(jié)適當(dāng),就能獲得動(dòng)作快而又穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過程,并能保持較高的爐溫調(diào)節(jié)精度。

二、熱處理爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）、爐溫控制系統(tǒng)核心硬件 熱電偶

爐溫控制系統(tǒng)核心硬件采用可編程控制器(PLC)。PLC具有功能強(qiáng)、使用方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中PLC已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。PLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成, PLC的特殊功能模塊用來完成某些特殊的任務(wù)。

在整個(gè)爐溫控制過程中,由熱電偶采集爐溫,其輸出形式是模擬量,而PLC處理的是數(shù)字量,因此需要一個(gè)特殊功能模塊實(shí)現(xiàn)將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成與溫度成比例的數(shù)字量。當(dāng)PLC進(jìn)行PID控制時(shí)向執(zhí)行器輸出運(yùn)算結(jié)果,也就是控制量,而這個(gè)控制量是數(shù)字量,執(zhí)行器所要求的信號(hào)是模擬量,所以還需要一個(gè)特殊功能模塊將PLC輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸入到執(zhí)行器,進(jìn)而對(duì)爐溫進(jìn)行控制。因此,箱式熱處理爐溫度控制方案為:利用熱電偶檢測(cè)爐溫;PLC的特殊功能模塊1將熱電偶采集到的溫度模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送PLC的CPU與設(shè)定值對(duì)比;PLC進(jìn)行PID運(yùn)算得出控制量;PLC的特殊功能模塊2將控制量由數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量送加熱器,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。

（二）、確定控制系統(tǒng)輸入輸出(I/O)信號(hào)點(diǎn)數(shù) 1.輸入信號(hào)點(diǎn)數(shù)

爐溫控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、風(fēng)扇的手動(dòng)開啟和關(guān)閉、急停開關(guān),各需點(diǎn)動(dòng)按鈕一個(gè)。因此,共需開關(guān)量輸入4點(diǎn)。

2.輸出信號(hào)點(diǎn)數(shù)

控制風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的交流接觸器1個(gè),指示加熱、降溫、保溫和報(bào)警的指示燈各1個(gè)。因此,共需開關(guān)量輸出5點(diǎn)。

（三）模擬量輸入、輸出特殊功能模塊

1.模擬量輸入模塊的選擇與連接

本系統(tǒng)使用熱電偶來測(cè)量爐溫,為減少硬件設(shè)備數(shù)量并簡(jiǎn)化硬件接線,選用可以與熱電偶直接相連而不需要溫度變送器的模擬量輸入特殊功能模塊。在三菱FX2N系列PLC的特殊功能模塊中, FX2N-4AD-TC為12位4通道模塊,它可以直接與熱電偶相連,其綜合精度為0.5%,轉(zhuǎn)換速度為240ms/通道選用此特殊功能模塊作為模擬量輸入模塊,在程序中占用8個(gè)I/O點(diǎn)。模擬量輸入端的接線方式如圖2所示。

2.模擬量輸出模塊的選擇與連接

模擬量輸出模塊所要控制的是加熱器,考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展,選用三菱FX2N系列PLC的FX2N-4DA模擬量輸出特殊功能模塊。FX2N-4DA有12位4通道,輸出量程為DC-10~+10V和4~20mA,轉(zhuǎn)換速度為4ms/通道,在程序中占用8個(gè)I/O點(diǎn)。模擬電路和數(shù)字電路間有光隔離。模擬量輸出端的接線方式如圖3所示。

圖2 FX2N-4AD-TC模擬量輸入模塊接線圖

圖3 FX2N-4AD-TC模擬量輸出模塊接線圖

圖4 熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖

圖5 PLC與輸入、輸出設(shè)備之間的接線圖

三、熱處理爐溫度控制程序設(shè)計(jì)及仿真

熱處理爐溫度控制程序設(shè)計(jì)是與具體的熱處理 工藝密切相關(guān)的?，F(xiàn)以小型箱式爐對(duì)45鋼零件進(jìn)行等溫球化退火熱處理工藝(如圖6)為例,說明熱處理爐溫度控制程序設(shè)計(jì)及其仿真

根據(jù)溫度控制系統(tǒng)的功能,建立PLC溫度控制系統(tǒng)輸入/輸出地址分配如表1所示。

圖6 45鋼等溫球化退火工藝曲線

（一）爐溫控制系統(tǒng)SFC狀態(tài)功能

本圖設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)電器控制系統(tǒng)的重要方法,能夠描述控制系統(tǒng)的工作過程[6]、文設(shè)計(jì)的熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的SFC狀態(tài)功能圖設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分: 1.PID參數(shù)寫入功能圖設(shè)計(jì)。

2.特殊功能模塊設(shè)置及系統(tǒng)急停狀態(tài)功能圖設(shè)計(jì)。

3.45鋼等溫球化退火熱處理工藝第一階段程序功能圖設(shè)計(jì)。4.45鋼等溫球化退火熱處理工藝第二階段程序功能圖設(shè)計(jì)。根據(jù)SFC狀態(tài)功能圖,可編制出熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的梯形圖程序。限于篇幅,此處從略。

（二）爐溫控制系統(tǒng)程序調(diào)試與仿真

1.調(diào)試軟件

MELSOFT系列的GX Developer軟件是專門用來進(jìn)行三菱系列PLC編程、調(diào)試、診斷和仿真的,所以選用GX Developer結(jié)合GX Simulator對(duì)溫度控制程序進(jìn)行仿真調(diào)試。GX Developer具有制作程序、對(duì)可編程控制器CPU的寫入/讀出、監(jiān)視、調(diào)試和PC診斷等功能。

2.溫度控制系統(tǒng)的調(diào)試

由于控制系統(tǒng)涉及到兩個(gè)模擬量輸入、輸出殊功能模塊,有溫度的測(cè)量和模擬量的輸出。但是,在軟件中沒有特殊功能模塊的設(shè)置。因此,在調(diào)試過程中,將存放溫度測(cè)量值的數(shù)據(jù)寄存器D201強(qiáng)制設(shè)置溫度數(shù)據(jù)以調(diào)試系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。調(diào)試主要過程如下: ①將程序指令輸入調(diào)試軟件環(huán)境中。②軟元件登錄。③系統(tǒng)初始化。④PID運(yùn)算。

⑤熱處理工藝第一階段(開始保溫計(jì)時(shí))程序調(diào)。⑥第一階段加熱保溫完成后進(jìn)行爐冷。⑦熱處理工藝第二階段(開始保溫計(jì)時(shí))程序調(diào) ⑧保溫完成后開始爐冷。

⑨第二階段爐冷結(jié)束,所有工作狀態(tài)復(fù)位。工 件出爐,熱處理工藝結(jié)束。⑩監(jiān)視急停狀態(tài)程序調(diào)試見圖9。

對(duì)熱處理爐溫度控制程序之調(diào)試與仿真的結(jié)果 表明:控制程序是正確的,能滿足熱處理工藝的要求。

（三）爐溫控制系統(tǒng)SFC狀態(tài)功能圖及梯形圖

SFC功能圖設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)電器控制系統(tǒng)的重要方法,能夠描述控制系統(tǒng)的工作過程[6]、[7]。本文設(shè)計(jì)的熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的SFC狀態(tài)功能圖設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分:

1、PID參數(shù)寫入功能圖設(shè)計(jì)。

2、特殊功能模塊設(shè)置及系統(tǒng)急停狀態(tài)功能圖設(shè)計(jì)。3、45鋼等溫球化退火熱處理工藝第一階段程序功能圖設(shè)計(jì)。4、45鋼等溫球化退火熱處理工藝第二階段程序功能圖設(shè)計(jì)。根據(jù)SFC狀態(tài)功能圖,可編制出熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的梯形圖程序。限于篇幅,此處從略。

四、系統(tǒng)完成的功能

該系統(tǒng)的被控對(duì)象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內(nèi)的溫度?？煽毓杩刂破鬏斎霝?~5伏時(shí)對(duì)應(yīng)電爐溫度0~500℃，溫度傳感器測(cè)量值對(duì)應(yīng)也為0~5伏，對(duì)象的特性為帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性系統(tǒng)，這里慣性時(shí)間常數(shù)取T1＝30秒，滯后時(shí)間常數(shù)取τ＝10秒。

五、系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

（一）、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

圖2 控制執(zhí)行部分的硬件電路

（二）、系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)計(jì)圖

利用層次圖來表示系統(tǒng)中各模塊之間的關(guān)系。層次方框圖是用樹形結(jié)構(gòu)的一系列多層次的矩形框描繪數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)。樹形結(jié)構(gòu)的頂層是一個(gè)單獨(dú)的矩形框，它代表完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，下面的各層矩形框代表各個(gè)數(shù)據(jù)的子集，最底層的各個(gè)矩形框代表組成這個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)際數(shù)據(jù)元素（不能再分割的元素）。隨著結(jié)構(gòu)的精細(xì)化，層次方框圖對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也描繪得越來越詳細(xì)，這種模式非常適合于需求分析階段的需要。從對(duì)頂層信息的分類開始，沿著圖中每條路徑反復(fù)細(xì)化，直到確定了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的全部細(xì)節(jié)為止。

本系統(tǒng)一共分為鍵盤顯示、數(shù)據(jù)采集、蜂鳴器報(bào)警報(bào)警、溫度控制和仿真電爐五大模塊，每個(gè)模塊之間雖然在表面上是相互獨(dú)立的，但是在對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問上是緊密相連的。每個(gè)模塊的功能都是按照在調(diào)研中搜集的資料進(jìn)行編排制作的。

六、結(jié)果分析論述

本次的課程設(shè)計(jì)就快結(jié)束了，從開始的興奮到中途的郁悶再到最后的滿足，感受到了實(shí)驗(yàn)帶來的復(fù)雜感覺。

剛開始，在僅僅一個(gè)課題的情況下來設(shè)計(jì)電路圖，真是感到無(wú)從下手，在經(jīng)過老師的耐心講解，經(jīng)過簡(jiǎn)單的調(diào)適與對(duì)比，最終完成了電路圖的設(shè)計(jì)。

經(jīng)過此次設(shè)計(jì)，我對(duì)這門課程有了更深的了解。在設(shè)計(jì)過程中，首先要熟悉系統(tǒng)的工藝，進(jìn)行對(duì)象的分析，按照要求確定方案。然后要進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試。由于沒有實(shí)際的樣機(jī)，所以不能看到系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。只能在理論上對(duì)系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。此次設(shè)計(jì)使我對(duì)微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)有了全面的深刻的了解，對(duì)我以后深入學(xué)習(xí)這門技術(shù)有很大的幫助。此次的《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)，得到了不少的啟示。思考問題以及進(jìn)行實(shí)踐都要嚴(yán)謹(jǐn)，縝密。真所謂小心取證，就是這個(gè)道理。通過學(xué)習(xí)數(shù)字PID的電阻熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),更加了解可編程控制器的構(gòu)造及應(yīng)用。激發(fā)我們的創(chuàng)新意識(shí)，在學(xué)習(xí)與進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，利用已經(jīng)掌握的知識(shí)及查閱的資料，自行完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)以及設(shè)計(jì)完成。

七、結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)便捷、可靠、高精度的溫度控制系統(tǒng)是改造老式熱處理爐和設(shè)計(jì)新型熱處理爐的重要內(nèi)容。本文提出了基于PLC為核心硬件的熱處理爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案,完成了熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。以對(duì)45鋼零件進(jìn)行等溫球化退火處理為例,說明箱式熱處理電阻爐溫度控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用。控制程序仿真的結(jié)果表明,熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的。

參考文獻(xiàn)

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第二篇：基于PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)

基于PID的爐溫控制系統(tǒng)

摘要:在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中,溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。為了保證科學(xué)實(shí)驗(yàn)正常安全的進(jìn)行，提高實(shí)驗(yàn)的精確性，介紹了用AT89S51單片機(jī)為主要元件組成的控制系統(tǒng)，并給出了部分硬件圖、控制算法和軟件流程圖。

關(guān)鍵詞：PID；爐溫控制 1引言

電阻爐是一種利用電流通過電熱元件產(chǎn)生的熱量加熱工件的熱處理設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 操作簡(jiǎn)便價(jià)格低廉等特點(diǎn)廣泛用于工業(yè)中，而溫度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。在冶金、化工、機(jī)械、火工、食品等各類工業(yè)中 ,廣泛使用各種加熱爐、烘箱、恒溫箱等,它們均需對(duì)溫度進(jìn)行精確的控制。

采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制 ,具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn),對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以加熱爐為具體對(duì)象介紹溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)是以AT89S51為核心建立起來的一個(gè)溫度測(cè)量控制系統(tǒng)，加熱爐的被控溫度為0~500℃，精度：±0.5°C，顯示分辨率0.2°C。通過單片機(jī)顯示溫度值。顯示：000.0。

本文介紹爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

隔離、驅(qū)動(dòng)雙向可控硅加熱裝置單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換變送器測(cè)溫傳感器試驗(yàn)裝置 測(cè)溫傳感器

圖1 溫控系統(tǒng)組成 1 硬件系統(tǒng)

本系統(tǒng)的硬件電路包括：過零觸發(fā)電路、溫度檢測(cè)電路、雙向可控硅觸發(fā)電路。電爐一般采用電阻絲作為加熱元件，系統(tǒng)中溫度傳感器采用PT100。爐體的加熱通過加熱電熱絲的方法來實(shí)現(xiàn)。工頻220V電壓被電阻分壓后，經(jīng)過運(yùn)放輸出得到幅值為10V的正弦電壓，此電壓的頻率與工頻電壓頻率相同，為50HZ。經(jīng)過芯片MC14528，正弦波整形為脈寬為2~3ms、周期為10ms的方波。方波信號(hào)觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)加熱絲加熱回路的導(dǎo)通，使加熱絲正常工作加熱爐體，電路如圖2。

由圖2可以看到LM311電壓比較器將50HZ的正弦交流電壓變成方波，得到的電壓為10V。方波的正跳沿和負(fù)跳沿作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入信號(hào)，從單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出220v過零同步脈沖。MC14528在Q1、Q2腳輸出同步脈沖，脈沖的寬度為2~3ms，Q1、Q2輸出脈沖通過或門后，輸出的方波信號(hào)變成可以觸發(fā)雙向可控硅的窄脈沖信號(hào)。此信號(hào)進(jìn)過光電隔離器MOC3061/3021，便可以觸發(fā)雙向可控硅。此信號(hào)經(jīng)單片機(jī)控制信號(hào)控制后，可以任意控制可控硅的導(dǎo)通關(guān)斷，從而控制加熱爐的開斷。

圖2 由于雙向可控硅在驅(qū)動(dòng)高電抗性負(fù)載時(shí)，由于電壓電流相差不為零，因此需要在雙向可控硅的過零觸發(fā)電路中加入了保護(hù)電路，從圖2中可以看到R3為限流電阻，使輸入的LED電流能達(dá)到15mA，的計(jì)算公式為：

R3?(Vcc?VF)I

VF：為紅外發(fā)光二極管的正向電壓，可以去1.2~1.4V；

I：為紅外發(fā)光二極管觸發(fā)電流；

R1是觸發(fā)雙向可控硅的限流電阻，其值由交流電網(wǎng)電壓峰值及觸發(fā)器輸出端允許重復(fù)沖擊電流峰值決定，R1?VpITSM。Vp為交流電路中峰值電壓，ITSM為重復(fù)浪涌電流。

R5是雙向可控硅的門極電阻，當(dāng)可控硅靈敏度較高時(shí)，門極阻抗也比高，使用R5能提高電路抗干擾能力。在保護(hù)電路中將一個(gè)電阻和電容串聯(lián)后并在負(fù)載兩端形成浪涌吸收電路，防止浪涌電壓損壞雙向可控硅，電阻和電容值可以選取39Ω和0.01uF。2 PID算法

PID控制算法是計(jì)算機(jī)控制的一個(gè)廣泛應(yīng)用的基本算法，而PID控制的數(shù)字化是屬于控制算法設(shè)計(jì)中的模擬設(shè)計(jì)法。它是由連續(xù)系統(tǒng)PID發(fā)展起來的。具有原理模型簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，魯棒性強(qiáng)和使用面廣等優(yōu)點(diǎn)。2.1位置式PID控制算法

數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID公式是一個(gè)歷史性的PID參數(shù)，最明顯的表現(xiàn)在于它有整個(gè)歷史過程的積分，而增量式PID是的比例環(huán)節(jié)是2個(gè)誤差的差，積分環(huán)節(jié)變成了當(dāng)前誤差值，而微分環(huán)節(jié)變成了最后2次誤差差值減去最后2,3次誤差的差值的差，也就是說增量式誤差的輸出值最多只和最近3個(gè)輸出的誤差值相關(guān)，沒有一個(gè)歷史性的相關(guān)。這個(gè)也就決定了位置式PID和增量式PID的最主要適用場(chǎng)合：被控機(jī)構(gòu)有無(wú)自動(dòng)的積分環(huán)節(jié)，例如步進(jìn)電機(jī)就是自帶積分環(huán)節(jié)，可以使用增量式PID去控制，但是純粹的液位控制、溫度控制使用位置式PID控制效果會(huì)更好。位置式PID表達(dá)式為：

?Tu(k)?Kp?e(k)?TI??e(j)?j?0k?TDe(k)?e(k?1)??? T?其中：u(k)為K時(shí)刻數(shù)字PID控制器的輸出，由于其輸出值對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，才、因此被稱為位置式算法。e(k)為第K次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;e(k?1)為第K-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。圖3給出了位置式PID控制系統(tǒng)。

r（k）e（k）PID位置控u（k）制算法D/Au（t）執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象y（t）-y（k）T

圖3 2.2 PID算法實(shí)現(xiàn)原理

對(duì)于PID控制的實(shí)現(xiàn)，針對(duì)不同系統(tǒng)可以采用不同方式來實(shí)現(xiàn)，而本系統(tǒng)采用輸出PWM波控制雙向可控硅的方式來控制電爐。對(duì)于加溫的溫度控制可以采用調(diào)節(jié)供電電壓或在一定的時(shí)間循環(huán)周期內(nèi)的供電時(shí)間比例即PWM波來調(diào)節(jié)加溫控制溫度。調(diào)功法控制的原理是通過PWM脈沖調(diào)寬功率放大器控制雙向可控硅調(diào)節(jié)電阻絲的功率從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

設(shè)一個(gè)控制周期Tc中有N個(gè)完整的正弦波，則Tc?Nf，f為電網(wǎng)的頻率，因此只要在在周期Tc中控制主回路中周波數(shù)的通斷n就可以改變功率，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)功率的方法來控制電爐的加溫，即改變可控硅的通斷時(shí)間比η，使信號(hào)整周波導(dǎo)通與整周波關(guān)斷。控制電路把負(fù)載與電源在周期Tc內(nèi)開通t1秒，然后在斷開t2秒，從而來控

t1U2nt1??U，負(fù)載的功率P?制加溫。??為導(dǎo)通率，負(fù)載上的電壓Uz?U TRNt1?t2c對(duì)控制周期Tc選擇，最小的周期不應(yīng)小于20ms，因?yàn)槲覀兪褂秒妷?20V，工頻周期為20ms。溫控系統(tǒng)的控制信號(hào)周期的選取是很關(guān)鍵的，考慮到控制系統(tǒng)的精度，采樣的周期越小是最佳的，但采樣周期小，控制器占用計(jì)算機(jī)的時(shí)間就長(zhǎng)，對(duì)于具有較大滯后系統(tǒng)，控制周期應(yīng)該盡量選長(zhǎng)。本系統(tǒng)采用的控制周期為10s。2.2 PID控制量的處理

單片機(jī)有3個(gè)16位定時(shí)器T0、T1、T2，在程序設(shè)計(jì)中可以使用中斷的方式來控制PWM還可以使用單片機(jī)中的中斷。在中斷中可以需要完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理，以及PID的計(jì)算，同時(shí)產(chǎn)生PWM波的基本周期信號(hào)，以及PWM波的控制信號(hào)。

設(shè)一個(gè)控制周期為20ms，在20ms中15ms來加熱，5ms不加熱。當(dāng)定時(shí)器T1中斷時(shí)，立即對(duì)系統(tǒng)的溫度采樣，并將采樣值送入算法中計(jì)算。設(shè)定T1在5ms中斷溢出后，改變中斷口的電平，并將中斷時(shí)間改為15ms，經(jīng)過15ms后進(jìn)入下一次的中斷，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的輸出。用修改定時(shí)器中斷初值的方法調(diào)整時(shí)間寬度變可以實(shí)現(xiàn)脈寬改變。具體實(shí)現(xiàn)方式為，設(shè)n為定時(shí)器T1的初值，f為單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘，當(dāng)系統(tǒng)在16(2?n)f=11.059MHz的頻率下可以得到PWM信號(hào)的加熱時(shí)間寬度為ton?f，通過改變定時(shí)器T1初值n，既可以改變加熱t(yī)on，從而控制電阻絲件的加熱時(shí)間。當(dāng)n=0時(shí)電阻絲就一直加熱，當(dāng)n=65536時(shí)，電阻絲就處于不加熱狀態(tài)。軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件包括主程序和中斷處理程序。按照要實(shí)現(xiàn)的功能包括按鍵程序、顯示程序、溫度采集、PID調(diào)節(jié)等。按鍵程序設(shè)置需要加熱的目標(biāo)溫度，啟動(dòng)加溫后，實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度值在數(shù)碼管上顯示，同時(shí)將溫度數(shù)據(jù)加入PID算法中計(jì)算。

PID算出的溫度控制是根據(jù)當(dāng)前溫度和目標(biāo)溫度誤差，通過PID算法計(jì)算出的u(k)值用于控制電爐的開斷。由于本系統(tǒng)是通過雙向可控硅觸發(fā)來開斷電爐的加熱，所以PID算出的控制量需要通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比方式，來改變雙向可控硅的觸發(fā)時(shí)間，從而控制加熱功率，調(diào)節(jié)溫度。

開始讀入y(k),r(k)計(jì)算e（k）=r(k)-y(k)計(jì)算△e（k）=e(k)-e(k-1)△e（k-1）=e(k-1)-e(k-2)計(jì)算△u（k）計(jì)算u（k）=u(k-1)-△u(k)u(k-1)=u(k)e(k-2)=e(k-1)E(k-1)=e(k)結(jié)束 圖5 數(shù)字PID算法程序流程圖

4結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)采用數(shù)字PID控制運(yùn)用PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行控制，消除了溫度控制系統(tǒng)的振蕩和超調(diào)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的精確控制。此控制系統(tǒng)有溫度顯示和按鍵控制，使用戶能夠隨時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該溫度控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積較小測(cè)溫準(zhǔn)確，取得了較為滿意的溫度控制效果。

參考文獻(xiàn)

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第三篇：計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)(電阻爐溫度控制系統(tǒng))

計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)

報(bào)告

設(shè)計(jì)題目： 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 年級(jí)專業(yè)： 09級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器 姓 名 ：

武帆 學(xué) 號(hào) ： P60914001 任課教師： 謝芳

電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0.前言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，特別是微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，利用單片機(jī)來改造落后的設(shè)備具有性價(jià)比高、提高設(shè)備的使用壽命、提高設(shè)備的自動(dòng)化程度的特點(diǎn)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械、食品等領(lǐng)域。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對(duì)其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。本設(shè)計(jì)就是利用單片機(jī)來控制高溫加熱爐的溫度，傳統(tǒng)的以普通雙向晶閘管（SCR）控制的高溫電加熱爐采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，達(dá)到自動(dòng)控制電加熱爐溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實(shí)踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當(dāng)大的中頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸，給電力系統(tǒng)造成“公害”。采用固態(tài)繼電器控溫電路，通過單片機(jī)控制固態(tài)繼電器，其波形為完整的正弦波，是一種穩(wěn)定、可靠、較先進(jìn)的控制方法。為了降低成本和保證較高的控溫精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零點(diǎn)遷移、冷端補(bǔ)償功能的溫度變送器橋路，使實(shí)際測(cè)溫范圍縮小。

溫度控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、控制精度低。采用單片機(jī)進(jìn)行溫度控制，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義隨著單片機(jī)技術(shù)的迅速興起與蓬勃發(fā)展，其穩(wěn)定、安全、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)十分突出，所以其應(yīng)用也十分廣泛。單片機(jī)已經(jīng)無(wú)處不在、與我們生活息息相關(guān)，并且滲透到生活的方方面面。

1.課程設(shè)計(jì)任務(wù)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的電阻爐為被控對(duì)象，采用MCS—52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹電阻爐溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成，并完成系統(tǒng)總體控制方案和達(dá)林算法控制器的設(shè)計(jì)，給出系統(tǒng)硬件原理框圖和軟件設(shè)計(jì)流程圖等。

1.1電阻爐組成及其加熱方式

電阻爐是工業(yè)爐的一種，是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化元件或物料的熱加工設(shè)備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同;由于工藝不同，所要求的溫度高低不同，因而所采用的測(cè)溫元件和測(cè)溫方法也不同;產(chǎn)品工藝不同，對(duì)控溫精度要求不同，因而控制系統(tǒng)的組成也不相同。電氣控制系統(tǒng)包括主機(jī)與外圍電路、儀表顯示等。輔助系統(tǒng)通常指?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，因爐種的不同而各異。電阻爐的類型根據(jù)其熱量產(chǎn)生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時(shí)產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強(qiáng)大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發(fā)熱從而達(dá)到加熱的效果。工業(yè)電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡(jiǎn)單、溫度場(chǎng)分布 均勻、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。1.2控制要求

本系統(tǒng)中所選用的加熱爐為間接加熱式電阻爐，控制要求為:（1）采用一臺(tái)主機(jī)控制8個(gè)同樣規(guī)格的電阻爐溫度;（2）電爐額定功率為20 kW;（3）恒溫正常工作溫度為1000℃，控溫精度為±1%;（4）電阻爐溫度按預(yù)定的規(guī)律變化，超調(diào)量應(yīng)盡可能小，且具有良好的穩(wěn)定性;（5）具有溫度、曲線自動(dòng)顯示和打印功能，顯示精度為±1℃;（6）具有報(bào)警、參數(shù)設(shè)定、溫度曲線修改設(shè)置等功能。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)題目要求,電熱鍋爐溫度控制系統(tǒng)由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等組成。采用比較流行的AT89S52作為電路的控制核心,使用8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD0808進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,控制電路部分采用PWM通過AC-SSR實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制,此方案電路簡(jiǎn)單并且可以滿足題目中的各項(xiàng)要求的精度。系統(tǒng)總體框圖如下。

顯示電路熱電偶電阻爐變送器數(shù)據(jù)采集單片機(jī)越限報(bào)警

2.1核心處理模塊——單片機(jī)

該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各種控制命令、讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，同時(shí)還要對(duì)執(zhí)行單元進(jìn)行控制。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)處理核心。

選擇單片機(jī)的理由：?jiǎn)纹瑱C(jī)的特點(diǎn)是體積較小，也就是其集成特性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，增加一些外圍電路，就能夠組成一個(gè)完整的小系統(tǒng)，單片機(jī)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。它具有和普通計(jì)算機(jī)類似的、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，通過使用一些科學(xué)的算法，可以獲得很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。所以單片機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中，可以極大地提高工業(yè)設(shè)備的智能化、數(shù)據(jù)處理能力和處理效率，而且單片機(jī)無(wú)需占用很大的空間。

2.2溫度信號(hào)采集與傳感器

本部分的主要作用是用傳感器檢測(cè)模擬環(huán)境中的溫度信號(hào)，溫度傳感器上電流將隨環(huán)境溫度值線性變化。再把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，使用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電壓信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內(nèi)部完成。

2.3人機(jī)交互及串口通信

人機(jī)交換的目的是為了提高系統(tǒng)的可用性和實(shí)用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而輸出顯示則完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示信息的輸出，串口通信的主要功能是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，便于進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為將來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展做好基礎(chǔ)工作。AC-SSR過零檢測(cè)光耦隔離鍵盤控制 2.4控制執(zhí)行單元

是單片機(jī)的輸出控制執(zhí)行部分，根據(jù)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，驅(qū)動(dòng)繼電器控制外部設(shè)備，可以達(dá)到超溫報(bào)警及升溫或者降溫目的，使環(huán)境溫度始終保持在一個(gè)范圍之內(nèi)。

根據(jù)溫度變化慢,并且控制精度不易掌握的特點(diǎn),我們?cè)O(shè)計(jì)了以AT89S52單片機(jī)為檢測(cè)控制中心的電熱鍋爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進(jìn)的PID數(shù)字控制算法,顯示采用8位LED動(dòng)態(tài)顯示。

三、硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路如圖所示：硬件系統(tǒng)主要由AT89S52單片機(jī)、溫度采集、A／D轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示電路、報(bào)警等功能電路組成。

3.1、核心部分單片機(jī)

AT89S52單片機(jī)為主控制單元。AT89S52單片機(jī)首先根據(jù)爐溫的給定值和測(cè)量值計(jì)算出溫度偏差，然后進(jìn)行PID控制并計(jì)算出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)由P1．0口輸出。最后將P1．0口輸出的控制數(shù)據(jù)送往光電耦合隔離器的輸入端，利用PWM脈沖調(diào)制技術(shù)調(diào)整占空比，達(dá)到使?fàn)t溫控制在某一設(shè)定溫度。AT89S52單片機(jī)還負(fù)責(zé)按鍵處理、溫度顯示以及與上位機(jī)進(jìn)行通信等工作。4位高亮度LED用于顯示設(shè)定溫度或?qū)崪y(cè)溫度。3.2、溫度采集轉(zhuǎn)換模塊

溫度采集電路主要由鉑銠-鉑熱電偶LB-3。LB-3熱電偶可以在1300℃高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作，滿足常規(guī)處理工藝要求。測(cè)溫時(shí)，熱電阻輸出mV熱電勢(shì)，必須經(jīng)過變送器變換成0-5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。本系統(tǒng)選用DWB型溫度變送器，并將其直接安裝在熱電偶的接線盒內(nèi)，構(gòu)成一體化的溫度變送器，不僅可以節(jié)省補(bǔ)償導(dǎo)線，而且可以減少溫度信號(hào)在傳遞過程中產(chǎn)生的失真和干擾。電阻爐爐溫信號(hào)是一種變換緩慢的信號(hào)。這種信號(hào)在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高。因此為了減低成本以及方便選材，可以選用廉價(jià)的、常用的A/D芯片ADC0809，ADC0809是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8為數(shù)字輸出地A/D轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換所得到的實(shí)測(cè)爐溫?cái)?shù)據(jù)直接送入AT89S52單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

此外，為了防止斷偶或者爐溫越限，產(chǎn)生熱處理質(zhì)量事故；同時(shí)為了提高溫控系統(tǒng)的智能化控制性能，降低熱處理操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，本系統(tǒng)特別設(shè)置了斷偶或爐溫越限自動(dòng)報(bào)警電路。在熱處理生產(chǎn)過程中，當(dāng)發(fā)生斷偶或爐溫越限等異常現(xiàn)象時(shí)，主控單元AT89S52單片機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警電路進(jìn)行聲、光報(bào)警，以便操作人員快速處理，防止?fàn)t內(nèi)工件過熱，破壞金屬組織結(jié)構(gòu)。

3.3、AC—SSR交流功率調(diào)節(jié)電路

由輸出來控制電爐,電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為：

其中時(shí)間常數(shù)T=350秒，放大系數(shù)K=50，滯后時(shí)間t=10秒。為了避免交流接觸器等機(jī)械觸電因頻繁通斷產(chǎn)生電弧，燒壞觸電或者干擾其他設(shè)備正常工作，本系統(tǒng)選用AC-SSR交流功率調(diào)節(jié)器作為PID控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。AT89S52單片機(jī)P1.0口輸出的溫度控制信號(hào)經(jīng)過光電耦合器件隔離，送至過零檢測(cè)電路。過零檢測(cè)電路產(chǎn)生脈沖控制AC-SSR調(diào)功電路。當(dāng)實(shí)測(cè)溫度偏低時(shí)，單片機(jī)輸出的控制信號(hào)使得雙向可控硅的導(dǎo)通角減小，導(dǎo)通時(shí)間變短，加熱器功率降低爐溫適當(dāng)降低。通過控制輸入到加熱器平均功率的大小達(dá)到控制電阻爐爐溫的目的。

控制執(zhí)行部分的硬件電路如下圖

3.4鍵盤模塊電路

采用4×4矩陣鍵盤接單片機(jī)的P1口，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定溫度的修改，將它與實(shí)際溫度進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)要求的功能。矩陣鍵盤如下圖3所示：

3.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

如圖所示：

3.6 變送電路

3.6.1、4~20mA變送器XTR101 XTR101為4~20mA線性化變送器，它可與鎳絡(luò)-鎳硅測(cè)溫傳感器構(gòu)成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測(cè)溫范圍，在-40℃~+85℃的工作溫度內(nèi)，傳送電流的總誤差不超過1%，供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調(diào)電壓<±2.5mV，輸入失調(diào)電流<20nA。XTR101外形采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳DIP封裝。XTR101有如下兩種應(yīng)用于轉(zhuǎn)換溫度信號(hào)的典型電路：

3.6.2、I/V轉(zhuǎn)換器RCV420 RCV420是一種精密電流/電壓變換器，它能將4~20mA的環(huán)路電流變?yōu)?~5V的電壓輸出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10V基準(zhǔn)電源。對(duì)環(huán)路電流由很好的變換能力。具有-25℃~+85℃和0℃~70℃的工作溫度范圍，輸入失調(diào)電壓<1mA，總的變換誤差<0.1%，電源電壓范圍±5~±18V。RCV420的外形采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳DIP封裝。它的典型應(yīng)用如下：

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊。

4.1 主程序模塊

開始初始化計(jì)時(shí)器初始化PID參數(shù)A/D采樣以及變換Y判斷越限報(bào)警N顯示當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度報(bào)警開啟設(shè)置PWM的占空比

主程序流程圖

4.2 功能實(shí)現(xiàn)模塊

以用來執(zhí)行對(duì)可控硅及電爐的控制。功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由A／D轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。

4.2.1T0中斷子程序

該中斷是單片機(jī)內(nèi)部100ms定時(shí)中斷,優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高,是最重要的子程序。在該中斷響應(yīng)中,單片機(jī)要完成調(diào)用PID算法子程序且輸出PID計(jì)算結(jié)果等功能。其流程圖如下:

進(jìn)入中斷設(shè)置定時(shí)器寄存器判斷標(biāo)志位是否為1NY標(biāo)志位置0計(jì)算PID子模塊標(biāo)志位加1中斷返回 T0中斷子程序

4.2.2 T1中斷子程序

T1定時(shí)中斷用于調(diào)制PWM信號(hào)，優(yōu)先級(jí)低于T 0中斷,其定時(shí)初值由PID算法子程序提供的輸出轉(zhuǎn)化而來，T1中斷響應(yīng)的時(shí)間用于輸出控制信號(hào)。其流程圖如下:

進(jìn)入中斷取反標(biāo)志位,表示該輸出高電平或低電平輸出高電平?Y設(shè)置高電平脈寬N輸出口置高電平設(shè)置低電平脈寬Y輸出低電平?N輸出口置低電平中斷返回 T1中斷子程序

4.3運(yùn)算控制模塊

運(yùn)算控制模塊涉及標(biāo)度轉(zhuǎn)換、PID算法、以及該算法調(diào)用到的乘法子程序等。

4.3.1標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序

該子程序作用是將溫度信號(hào)(00H~FFH)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值,以便送顯示或與設(shè)定值在相同量綱下進(jìn)行比較。所用線形標(biāo)度變換公式為：

式中,Ax： 實(shí)際測(cè)量的溫度值;Nx：經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的溫度量； Am =90；Ao=40；Nm =FEH;No=01H；

單片機(jī)運(yùn)算采用定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，并且在高溫區(qū)和低溫區(qū)分別用程序作矯正處理。

4.4 控制算法：PID算法

積分分離控制的基本思路是：當(dāng)偏差e(k)絕對(duì)值較大時(shí)。取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)偏差e(k)絕對(duì)值小于某一設(shè)定值M時(shí)，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度，PID算法的表達(dá)式為：

u(t)?Kp[e(t)?式中u(t)：調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；

e(t)：偏差信號(hào)；

1TI?t0e(t)dt?TDde(t)]dt

Kp：調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

TI：調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間； TD：調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。

在計(jì)算機(jī)控制中，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，必須對(duì)上式進(jìn)行離散化處理。用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。設(shè)系統(tǒng)的采樣周期為T，在t=kT時(shí)刻進(jìn)行采樣，?e(t)dt??Te(i)0i?0tk

式中e(k)：根據(jù)本次采樣值所得到的偏差；

e(k-1)：由上次采樣所得到的偏差。將上面的三個(gè)式子代入，則有

de(t)e(k)?e（k?1)?dtT

Tu（k）?Kp[e（k）?TI?T?e（i）i?0kkDe（k）?e（k?1）]T?Kpe（k）??ki?e（i）?kdi?0e（k）?e（k?1）T

式中，T為采樣時(shí)間，?項(xiàng)為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)

????0??1e(k)??e(k)??

積分分離PID控制算法程序流程圖如圖10所示。

開始參數(shù)初始化采入r(k)及y（k）yPID控制E(k)

積分分離PID控制算法程序流程圖

參考文獻(xiàn)

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[9]劉洪恩.利用熱電偶轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)[J]儀表技術(shù),2005.2: 29-30。[10]孫凱, 李元科.電阻爐溫度控制系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù),2003.2:50-52.。

附錄

主程序

ORG 0400H DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CH DISM5 DATA 7DH MOV SP,#50H CLR 5EH CLR 5FH CLR A MOV 2FH,A MOV 30H,A MOV 3BH,A MOV 3CH,A MOV 3DH,A MOV 3EH,A MOV 44H,A MOV DISM0,A MOV DISM1,A MOV DISM2,A MOV DISM3,A MOV DISM4,A MOV DISM5,A MOV TMOD,#56H MOV TL0,#06H MOV TH0,06H CLR PT0 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA LOOP:ACALL DISPLY ACALL SCAN AJMP LOOP

50H送SP

A

清暫存單元

清顯示緩沖區(qū)

T0為計(jì)數(shù)器方式2，T1為方式1

T0賦初值

T0為低中斷優(yōu)先級(jí) T0工作 T0中斷 CPU中斷

；；清本次越限標(biāo)志；清上次越限標(biāo)志；清累加器；；；；；；；；；；；；；；設(shè)；；；令；啟動(dòng)；允許；開；調(diào)用顯示程序；調(diào)用掃描程序；等待中斷T0中斷服務(wù)程序 ORG 000BH AJMP CT0 ORG 0100H CT0: PUSH ACC ；

PUSH DPL ；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) PUSH DPH ；

SETB D5H ；置標(biāo)志

ACALL SAMP ；調(diào)用采樣子程序 ACALL FILTER ；調(diào)用數(shù)字濾波程序

CJNE A,42H,TPL ；若Ui（k）不等于Umax，則TPL WL: MOV C,5EH ；

MOV 5FH,C ； 5EH送5FH CLR 5EH ；清5EH單元 ACALL UPL ；轉(zhuǎn)上限處理程序 POP DPH POP DPL POP ACC RETI ；中斷返回

TPL: JNC TPL1 ；若Ui（k）大等Umax，則TPL1 CLR 5FH ；清上次越限標(biāo)志

CJNE A,43H,MTPL ；若Ui（k）不等于Umin，則MTPL HAT: SETB P1.1 ；若溫度不越限則令綠燈亮 ACALL PID ；調(diào)用計(jì)算PID子程序 MOV A,2FH ；PID值送A CPL A ；

INC A ； 對(duì)PID值求補(bǔ)，作為TL1值 NM: SETB P1.3 ；令p1.3輸出高電平脈沖 MOV TL1,A ；

MOV TH1,#0FFH ； T1賦初值 SETB PT1 ；T1高優(yōu)先級(jí)中斷 SETB TR1 ；啟動(dòng)T1 SETB ET1 ；允許T1中斷

ACALL TRAST ；調(diào)用標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序 LOOP: ACALL DISPLY ； 顯示溫度 JB D5H,LOOP ；等待T1中斷 POP DPH ；

POP DPL ； 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) POP ACC ；

RETI ；中斷返回

MTPL: JNC HAT ；若Ui（k）大于Umin，則HAT SETB P1.0 ；否則越下限聲光報(bào)警 MOV A,45H ；取PID最大值輸出 CPL A ；

INC A ； 對(duì)PID值求補(bǔ)，作為TL1 AJMP NM ；轉(zhuǎn)NM執(zhí)行

TPL1: SETB 5EH ；若Ui（k）大于Umax，則5EH單元置位 JNB 5FH,WL ；若上次未越限，則轉(zhuǎn)WL INC 44H ；越限計(jì)數(shù)器加1 MOV A,44H CLR C SUBB A,#N ；越限N次？

JNZ WL ；越限小于N次，則WL SETB P1.2 ；否則，越上限聲光報(bào)警 CLR 5EH CLR 5FH POP DPH POP DPL POP ACC RETI

T1中斷服務(wù)程序 ORG 001BH AJMP CT1 ORG 0200H CT1: CLR D5H CLR P1.3 RETI ；

； 清越限標(biāo)志 ；

； 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) ；

；中斷返回

p1.3變?yōu)榈碗娖?；中斷返? ；清標(biāo)志；令

第四篇：PLC在銑床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

PLC在銑床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

謝保雞

摘要：介紹用PLC取代X62W萬(wàn)能銑床的繼電器控制電路，闡述了PLC的設(shè)計(jì)方案；根據(jù)控制要求，確定PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行PLC型號(hào)選擇，對(duì)I/O地址進(jìn)行了分配，并畫出了I/O接線圖；根據(jù)控制原理，畫出了梯形圖。

關(guān)鍵詞：可編程控制器(PLC)；銑床；控制；

1引言

PLC是將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的產(chǎn)品，它具有高可靠性、編程簡(jiǎn)單、體積小功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在短短的幾十年里得到了迅猛發(fā)展，已成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一目前，部分中小型企業(yè)及高校仍廣泛使用傳統(tǒng)的繼電器控制機(jī)床，這些機(jī)床經(jīng)歷了比較長(zhǎng)的歷史，雖然它能在一定范圍內(nèi)滿足單機(jī)和自動(dòng)生產(chǎn)線的需要，但由于它的電控系統(tǒng)是以繼電器、接觸器的硬連接為基礎(chǔ)的，技術(shù)上比較落后，特別是其觸點(diǎn)的可靠性問題，直接影響了產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。而用PLC對(duì)它進(jìn)行技術(shù)改造，便能取得很好的效果。X62W銑床的電氣控制要求

圖1是X62W銑床控制系統(tǒng)的主電路圖，其中M1是主軸電動(dòng)機(jī)，M2為冷卻泵電動(dòng)機(jī)，M3為進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，F(xiàn)R1—FR3為熱繼電器，F(xiàn)U為熔斷器。

具體控制要求如下：

(1)主軸電動(dòng)機(jī)M1采取空載直接起動(dòng)，且要求實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制，但由于銑床在加工過程中主軸方向的改變并不頻繁，因此采用了電源相序轉(zhuǎn)換開關(guān)SA3來實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)。

(2)為防止銑削時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，在主軸傳動(dòng)系統(tǒng)中裝有慣性輪，但在高速切削后，停車很費(fèi)時(shí)間，故采用電磁離合器YC1制動(dòng)。

(3)工作臺(tái)的縱向、橫向和垂直三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由進(jìn)給電動(dòng)機(jī)M 3拖動(dòng)，三個(gè)方向的選擇由操縱手柄改變傳動(dòng)鏈來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)方向有正、反向運(yùn)動(dòng)。要求M3能正、反轉(zhuǎn)，同時(shí)，一個(gè)時(shí)刻只允許工作臺(tái)向一個(gè)方向移動(dòng)，所以三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)之間應(yīng)有聯(lián)鎖保護(hù)裝置。

(4)為了防止刀具和機(jī)床的損壞，要求只有主軸旋轉(zhuǎn)后，才允許有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而為了減小加工件表面的粗糙度，停車時(shí)要求先停進(jìn)給，然后停主軸。但由于主軸本身具有慣性，因此可 以采用主軸和進(jìn)給同時(shí)停止的方式。

(5)主軸運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用變速盤來進(jìn)行速度選擇，為保證變速時(shí)齒輪進(jìn)入良好的嚙合狀態(tài)，兩種運(yùn)動(dòng)都要求變速時(shí)電機(jī)作瞬時(shí)點(diǎn)動(dòng)。

(6)為操作方便，主軸電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與停止，工作臺(tái)快速移動(dòng)均采用兩地控制。

(7)冷卻泵由電動(dòng)機(jī)M2拖動(dòng)，只要求實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)控制。

(8)為了加工螺旋槽，在X62W銑床上安裝了圓工作臺(tái)，但要求圓工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)與工作臺(tái)的上下、左右及前后進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間有聯(lián)鎖保護(hù)裝置。PLC控制電路

3.1 I/O地址分配、機(jī)型選擇及I/O端口接線圖為實(shí)現(xiàn)上述銑床的控制要求，現(xiàn)選擇三菱公司生產(chǎn)的FX2N－48MR型PLC，其I/O地址分配如附表所示。

圖2是X62W銑床的PLC輸入輸出接線圖，需注意的是，圖中對(duì)輸入的常閉觸點(diǎn)進(jìn)行了處理，即常閉按鈕改用常開按鈕，熱繼電器的常閉觸點(diǎn)改用了常開觸點(diǎn)。

3.2 PLC梯形圖

圖3是X62W銑床的PLC梯形圖，其中，回路6控制主軸起動(dòng)和變速，回路7控制主軸制動(dòng)，回路11控制工作臺(tái)分別作縱向、橫向、垂直、變速等運(yùn)動(dòng)以及圓盤運(yùn)動(dòng)，回路8控制工作臺(tái)快速進(jìn)給。PLC梯形圖控制分析

4.1主軸控制電路分析(1)主軸電動(dòng)機(jī)起動(dòng)

起動(dòng)前先合上電源開關(guān)QF，再把主軸轉(zhuǎn)換開關(guān)SA3扳到所需的旋轉(zhuǎn)方向，然后按起動(dòng)按鈕SB1（或SB2)，X0（或X1)閉合，Y0得電，KM1工作，主軸電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)主軸電動(dòng)機(jī)的停車制動(dòng)

按主軸停止按鈕SB5（或SB6)，這時(shí)X4（或X5)常閉斷開，M5失電，Y0失電，KM1斷開，主軸電動(dòng)機(jī)失電作慣性運(yùn)動(dòng)，接著X4（或X5)常開閉合，Y3得電，電磁離合器YC1工作，對(duì)主軸進(jìn)行制動(dòng)，待主軸停車后，松開SB5（或SB6)。

(3)主軸換銑刀控制

SA1是主軸換銑刀開關(guān)，需換刀時(shí)，將SA1扳到“換刀”位置，這時(shí)X14常閉斷開，使Y0失電，KM1斷開，主軸電動(dòng)機(jī)失電作慣性運(yùn)動(dòng)，接著X14常開閉合，Y3得電，電磁離合器YC1得電工作，對(duì)主軸進(jìn)行制動(dòng)，使機(jī)床無(wú)法運(yùn)行，保證了人身安全。(4)主軸變速?zèng)_動(dòng)控制

主軸變速時(shí)的沖動(dòng)控制是利用變速手柄與沖動(dòng)行程開關(guān)SQ1，通過機(jī)械上的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，變速時(shí)，扳操縱手柄使SQ1動(dòng)作，這時(shí)X6常閉斷開（斷開自鎖回路)，X6常開閉合，使Y0得電，KM1工作，主軸電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)控制。

4.2進(jìn)給控制電路分析

轉(zhuǎn)換開關(guān)S A 2是控制圓工作臺(tái)的，在不需要圓工作臺(tái)工作時(shí)，轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2扳到“斷開”位置。此時(shí)，X15常閉閉合，常開斷開；當(dāng)需要圓工作臺(tái)工作時(shí)，轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2扳到“接通”位置，此時(shí)X15常閉斷開，常開閉合。(1)工作臺(tái)左（右)控制

主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，將操縱手柄向左（右)扳，其聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)壓動(dòng)位置開關(guān)SQ5（SQ6)，使X12（X13)常閉斷開（聯(lián)鎖保護(hù))，X12（X13)常開閉合，Y1（Y2)得電，KM2（KM3)工作，進(jìn) 給電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)正（反)轉(zhuǎn)，通過相應(yīng)傳動(dòng)裝置拖動(dòng)工作臺(tái)向左（右)運(yùn)動(dòng)。(2)工作臺(tái)下、前（上、后)控制

主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，將操縱手柄分別向下、前（上、后)扳，其聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)壓動(dòng)位置開關(guān)SQ3（SQ4)，使X10（X11)常閉斷開（聯(lián)鎖保護(hù))，X10（X11)常開閉合，Y1（Y2)得電，KM2（KM3)工作，進(jìn)給電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)正（反)轉(zhuǎn)，通過相應(yīng)傳動(dòng)裝置拖動(dòng)工作臺(tái)向下、前（上、后)運(yùn)動(dòng)。(3)進(jìn)給變速?zèng)_動(dòng)控制

與主軸變速原理一樣，變速時(shí)只需將變速盤往外拉，使進(jìn)給齒輪松開，待轉(zhuǎn)動(dòng)變速盤選擇好速度后，將變速盤向里推，在推進(jìn)時(shí)，檔塊壓動(dòng)位置開關(guān)SQ2，使X7常閉斷開（斷開自鎖回路)，X7常開閉合，Y1得電，KM2工作，進(jìn)給電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)控制。(4)工作臺(tái)快速移動(dòng)控制

按下快速點(diǎn)動(dòng)按鈕SB3（或SB4)，X2（或X3)接通，M9得電，它的一個(gè)常開觸點(diǎn)接通進(jìn)給控制電路，另一個(gè)則接通快速進(jìn)給電磁離合器YC3，常閉觸點(diǎn)切斷正常進(jìn)給電磁離合器YC2，讓工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)給。松開SB3（或SB4)，X2（或X3)斷開，M9失電，此時(shí)YC3失電，YC2得電，工作臺(tái)快速移動(dòng)停止，仍按原方向作正常進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(5)圓工作臺(tái)的控制

當(dāng)需要加工螺旋槽時(shí)，應(yīng)將工件安裝在圓工作臺(tái)上，調(diào)整好銑刀和工件之間的位置，主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，將開關(guān)SA2扳到“接通”位置，X15常閉斷開（聯(lián)鎖保護(hù))，X15常開閉合，Y得電，KM2工作，進(jìn)給電動(dòng)機(jī)通過相應(yīng)傳動(dòng)裝置拖動(dòng)圓工作臺(tái)開始工作值得注意的是，當(dāng)圓工作臺(tái)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，既不要求調(diào)速，也不要求反轉(zhuǎn)

5結(jié)束語(yǔ)

用PLC改造后的X62W銑床通過實(shí)際使用，生產(chǎn)效率得到了很大提高并能很好的保證其加工精度，自運(yùn)行以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，完全滿足生產(chǎn)工藝的要求，對(duì)同類設(shè)備的技術(shù) 改造有較大的參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)：

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第五篇：PLC在恒壓供水變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

PLC在恒壓供水變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

恒壓供水系統(tǒng)對(duì)于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的，例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時(shí)斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)使產(chǎn)品報(bào)廢和設(shè)備損壞。又如當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無(wú)水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

基于上述情況對(duì)某生活區(qū)供水系統(tǒng)進(jìn)行了改造，采用plc作為中心控制單元，利用變頻器與pid相結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水系統(tǒng)的工作壓力，達(dá)到恒壓供水的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

供水系統(tǒng)由主供水回路、備用回路、儲(chǔ)水池及泵房組成，其中泵房裝有1#~3#共3臺(tái)150kw泵機(jī)。另外，還有多個(gè)電動(dòng)閘閥或電動(dòng)蝶閥控制各供水回路和水流量。由于該供水網(wǎng)較大，系統(tǒng)需要供水量每小時(shí)開2臺(tái)泵向管網(wǎng)充壓，供水量大時(shí)開3臺(tái)泵同時(shí)向管網(wǎng)充壓。要想維持供水網(wǎng)的壓力不變，在管網(wǎng)系統(tǒng)的管道上安裝了壓力變送器作為反饋元件為控制系統(tǒng)提供反饋信號(hào)，由于供水系統(tǒng)管道長(zhǎng)、管徑大，管網(wǎng)的充壓比較慢，故系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，不宜直接采用pid調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，而應(yīng)采用plc參與控制的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)起調(diào)節(jié)作用。選擇frn160g7p-4變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速運(yùn)行，可編程序控制器選擇日本松下fp1-c40型，且配有a/d和d/a模塊，其原理框圖如圖1所示。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)原理圖

控制系統(tǒng)主要由plc、變頻器、切換繼電器、壓力傳感器等部分組成?？刂坪诵膯卧猵lc根據(jù)手動(dòng)設(shè)定壓力信號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器的反饋信號(hào)經(jīng)plc的分析和計(jì)算，得到壓力偏差和壓力偏差的變化率，經(jīng)過pid運(yùn)算后，plc將0~5v的模擬信號(hào)輸出到變頻器，用以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及進(jìn)行電機(jī)的軟啟動(dòng);plc通過比較模擬量輸出與壓力偏差的值，通過i/o端口開關(guān)量的輸出驅(qū)動(dòng)切換繼電器組，以此來協(xié)調(diào)投入工作的水泵電機(jī)臺(tái)數(shù)，并完成電機(jī)的啟停、變頻與工頻的切換。通過調(diào)整電機(jī)組中投入工作的電機(jī)臺(tái)數(shù)和控制電機(jī)組中一臺(tái)電機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速，使動(dòng)力系統(tǒng)的工作壓力穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到恒壓供水的目的。3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和plc的i/o分配

系統(tǒng)程序包括啟動(dòng)子程序和運(yùn)行子程序，其流程圖如圖2所示。運(yùn)行子程序又包括模擬調(diào)節(jié)子程序(其流程圖如圖3所示)和電機(jī)切換子程序(流程圖略)，電機(jī)切換子程序又包括加電機(jī)子程序和減電機(jī)子程序(程序設(shè)計(jì)略)。plc的輸入、輸出端子分配情況如附表所示。

圖2 啟動(dòng)程序流程圖

圖3 模擬調(diào)節(jié)流程圖 系統(tǒng)工作過程

加上啟動(dòng)信號(hào)(x4)后，此信號(hào)被保持，當(dāng)條件滿足時(shí)，(即x2為“1”)時(shí)，開始啟動(dòng)程序，此時(shí)由plc控制1#電機(jī)變頻運(yùn)行(此時(shí)y0、y6、y7亮)，同時(shí)定時(shí)器t0開始計(jì)時(shí)(10s)，若計(jì)時(shí)完畢x2仍亮，則關(guān)閉y0、y6，(y7仍亮，)t2延時(shí)1s。延時(shí)有兩方面的原因: 一是使開關(guān)充分熄弧，防止電網(wǎng)倒送電給變頻器，燒毀變頻器;二是讓變頻器減速為0，以重新啟動(dòng)另一臺(tái)電機(jī)。延時(shí)完畢，則有1#機(jī)投入工頻運(yùn)行，2#機(jī)投入變頻運(yùn)行，此時(shí)y1、y2、y6、y7亮，同時(shí)定時(shí)器t1開始計(jì)時(shí)(10s)，若計(jì)時(shí)完畢x2仍未滅，則關(guān)閉y2、y6，(y1、y7仍亮，)t3延時(shí)1s，延時(shí)完畢，將2#機(jī)投入工頻運(yùn)行，3#機(jī)投入變頻運(yùn)行，(此時(shí)y1、y3、y4、y6、y7亮，)再次等待y7滅掉后，則整個(gè)啟動(dòng)程序執(zhí)行完畢，轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行調(diào)節(jié)程序，此后啟動(dòng)程序不再發(fā)生作用，直到下一次重新啟動(dòng)。在啟動(dòng)過程中，無(wú)論幾臺(tái)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，x2一旦滅掉，則應(yīng)視為啟動(dòng)結(jié)束(y7滅掉)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)程序。綜合整個(gè)啟動(dòng)過程，完成三臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)最多需要22s的時(shí)間。

運(yùn)行過程中，若模擬調(diào)節(jié)器節(jié)上、下限值均未達(dá)到(即x1、x2滅)，則此時(shí)變頻器處于模擬調(diào)節(jié)狀態(tài)(此時(shí)相應(yīng)電機(jī)運(yùn)行信號(hào)和y6亮)。

若達(dá)到模擬調(diào)節(jié)上限值(x1亮)，則定時(shí)器t4馬上開始定時(shí)(5s)，定時(shí)過程中監(jiān)控x1，若x1又滅掉，則關(guān)閉定時(shí)器，繼續(xù)摸擬調(diào)節(jié);若t4定時(shí)完畢，x1仍亮，則啟動(dòng)一低速(y8亮)，進(jìn)行多段速調(diào)節(jié)，同時(shí)定時(shí)器t5開始定時(shí)(3s)。定時(shí)完畢，若x1仍亮，則關(guān)閉此多段速，啟動(dòng)一更低速(y9)，同時(shí)定時(shí)器t6定時(shí)(10s)。定時(shí)完畢，若x1仍亮，則關(guān)掉y9，此后x0很快會(huì)通，轉(zhuǎn)入切換動(dòng)作程序。在此兩級(jí)多段速調(diào)節(jié)過程中，無(wú)論何時(shí)，若x0亮，則會(huì)關(guān)閉相應(yīng)多段速和定時(shí)器，同時(shí)進(jìn)行切換動(dòng)作，即轉(zhuǎn)入切換程序，同樣，若無(wú)論何時(shí)，x1滅掉，則關(guān)閉運(yùn)行多段速和定時(shí)器，轉(zhuǎn)入模擬調(diào)節(jié)。

若達(dá)到模擬調(diào)節(jié)下限值(x2亮)，則定時(shí)器t7馬上開始定時(shí)(5s)，定時(shí)過程中監(jiān)控x2，若x2又滅掉，則關(guān)閉定時(shí)器，繼續(xù)摸擬調(diào)節(jié)，若t7定時(shí)完畢，x2仍亮，則啟動(dòng)一高速(y7、y2)，進(jìn)行多段速調(diào)節(jié)，同時(shí)定時(shí)器t8開始定時(shí)(3s)，定時(shí)完畢。若x2仍亮，則關(guān)閉此多段速，啟動(dòng)一更高速(y8、y9)，同時(shí)定時(shí)器t9定時(shí)(10s)，定時(shí)完畢。若x2仍亮，則關(guān)掉y8、y9，此后x3很快會(huì)通，轉(zhuǎn)入加電機(jī)動(dòng)作程序。在此兩級(jí)多段速調(diào)節(jié)過程中，無(wú)論何時(shí)，若x3亮，則會(huì)關(guān)閉相應(yīng)多段速和定時(shí)器，同時(shí)進(jìn)行加電機(jī)動(dòng)作，即轉(zhuǎn)入加電機(jī)程序。同樣，若無(wú)論何時(shí)，x2滅掉，則關(guān)閉運(yùn)行多段速和定時(shí)器，轉(zhuǎn)入模擬調(diào)節(jié)。

電機(jī)切換程序分為電機(jī)切除程序和加電機(jī)程序兩部分。此程序動(dòng)作的條件是:啟動(dòng)結(jié)束后無(wú)論何時(shí)x0亮，一旦條件滿足，即由plc根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)來決定相應(yīng)切換哪臺(tái)電機(jī)，切換時(shí)只能切換工頻運(yùn)行電機(jī)。

若工作狀態(tài)是一臺(tái)變頻一臺(tái)工頻，則立即切除工頻電機(jī)，然后計(jì)數(shù)值減1，即完成此過程，再由調(diào)節(jié)程序運(yùn)行，調(diào)節(jié)至滿足要求為止。

若3臺(tái)電機(jī)同時(shí)工作，則應(yīng)由plc來決定切除哪臺(tái)工頻運(yùn)行電機(jī)。切除依據(jù)是3臺(tái)電機(jī)對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的大小，誰(shuí)大切誰(shuí)，切除掉一臺(tái)后，要由定時(shí)器定時(shí)(5s)等待，以便變頻器調(diào)節(jié)一段時(shí)間，防止連續(xù)切除動(dòng)作。這主要是考慮到本系統(tǒng)的非線性和大小慣性因素而采取的措施。

加電機(jī)程序, 其動(dòng)作程序是:啟動(dòng)結(jié)束后無(wú)論何時(shí)x2亮, 一旦條件滿足, 立即關(guān)掉變頻運(yùn)行電機(jī)和變頻器，延時(shí)一段時(shí)間后(原因同上), 將原變頻運(yùn)行電機(jī)投入工頻運(yùn)行，同時(shí)打開變頻器和將要啟動(dòng)電機(jī)的變頻開關(guān), 完成加電機(jī)。

同樣，若原有2臺(tái)電機(jī)工頻工作，則x2一亮，立即開始加另一臺(tái)電機(jī)(無(wú)延時(shí))，(加電機(jī)依據(jù)是判斷計(jì)數(shù)值，誰(shuí)小加誰(shuí))。但加電機(jī)完成以后，定時(shí)器要開始定時(shí)(5s)等待，讓變頻器調(diào)節(jié)一段時(shí)間，防止連續(xù)加電機(jī)動(dòng)作。其過程分為:結(jié)束語(yǔ)

用變頻器來實(shí)現(xiàn)恒壓供水，與用調(diào)節(jié)閥門來實(shí)現(xiàn)恒壓供水相比較，節(jié)能效果十分顯著。其優(yōu)點(diǎn)是: 起動(dòng)平穩(wěn),起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊;由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門等的使用壽命;可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng);在鍋爐和其他燃燒重油的場(chǎng)合,恒壓供油可使油的燃燒更加充分，大大地減輕了對(duì)環(huán)境的污染。參考文獻(xiàn)

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張全莊(1963-)男 講師/碩士 主要研究方向:工業(yè)電氣自動(dòng)控制與plc應(yīng)用。