温度控制.docx

温度控制.docx

《温度控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《温度控制.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

温度控制

摘 要:

温度控制在我国电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。

由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。

目前，仍有相当部分工业企业在用窑、炉、烘干生产线存在着控制精度不高，炉内温度均匀性差等问题，达不到工艺要求，造成装备运行成本费用高，产出品品质低下，严重影响企业经济效益，急需进行技术改造。

近年来，国内外对温度控制调节器进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得巨大的进展，形成了一批商品化的温度调节器，如：

智能化PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好，可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的改造。

为企业的设备的技术改造服务。

本文研究的是烘房PLC控制系统的总体方案，从技术上分析、研究设备的控制系统、温度控制器、加热用发热元件、加热驱动器等的选择和确定。

同时，本文还研究大惯性、大滞后温度控制系统的控制及其参数整定；分析PLC的控制回路及控制程序；并对整个系统的设计进行分析、评价。

关键词：

温度控制，PLC

Temperaturecontrolsystem

Abstract:

Temperaturecontrolsystemiswidelyusinginelectronandmetallurgyandmachineindustryinourcountry.Ithasthefeatureofpuretimedelayandgreatinertiaandvarietyofparameteretc.soitneedhighqualitytemperaturecontroller.Atpresent,mostofenterpriseismakinguseofdryingfurnacethatitcontrollingprecisionislowandtemperatureinfurnaceisnotuniformity.Itdonotfixittherequestoftechnical.Sothepriceofusingishighandeffectbenefitofenterprise.Itneedsalteration. 

Inrecentyears,peopleresearchtemperaturecontrollerdeeply.Alongwiththedevelopmentofcomputertechnology,temperaturecontrollerhavemadeagreatprogressanddevelopment,andappearssomecommercialtemperaturecontroller.Forexample:

intelligentizePIDandfuzzycontrolandself-adaptivecontroletc. Thetemperaturecontrolleroffersbettercontrollingprecisionandeffect. 

ThisessaydealswithamethodofovensystembaseonPLC.Theauthoranalyzedandresearchedtemperaturecontrollerwithpuredelaytimeandgreatinertia,andalsoanalyzedandresearchedthathowtomakecertaintheparameteroftemperaturecontroller.AfteranalyzingPLCcontrollingsystemandcontrollingprogram,theauthorcontinuedtoanalyzingfeatureandgivingajudgmentofthecontrollingsystemintheend.

Keyword:

temperaturecontrol，PLC

第一章绪言

1.1课题的来源及意义

科学研究中的高温模拟环境。

通过高温烘烤房可以精确的设置温度，从而为在科学研究中对某种新型材料性能特征的测试提供精准的数据。

或者用于新研发的物品高温性能的测试，精确确定物品的高温上限以及在不同温度范围内的反应，为科学研究提供高价值的测试数据。

1.2国内外发展现状

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。

目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。

而适应于较高控制场合的智能化、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来确定。

这些差距，是我们必须努力克服的。

随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度等仪表工业得到迅速的发展。

1.3研究目标及内容

热处理烘房内分高温和低温两个区域，工件进入烘房内首先在低温区预热20分钟，再进入高温区继续加热15分钟，然后送出烘房，再由轴流风机吹冷10分钟。

每完成一个步骤需要电铃提醒。

以便按时操作下一步工序。

热处理烘房内分高温和低温两个区域，工件进入烘房内首先在低温区预热20分钟，低温区预热20分钟后由电铃提醒。

再进入高温区继续加热15分钟，高温区继续加热15分钟后由电铃提醒、然后送出烘房，再由轴流风机吹冷10分钟。

冷却后由电铃提醒。

开启烘房时，为缩短空烘房升温时间，提高烘房升温速度，让四组热电阻全部投入加热。

工件对烘房温度控制要求如下。

1.当烘房温度超过120℃时应切除一组25kW热电阻；

2.当烘房温度超过140℃时应切除一组25kW热电阻；

3.当烘房温度超过160℃时应切除一组50kW热电阻；

4.当烘房温度超过200℃时应将四组热电阻全部切除；

风机将冷空气从风道送入烘房低温区预预热后再送到高温区域继续加热。

开启烘房时，应先切断热电阻电源，然后停止风机运转。

此外，烘房有两个电动门，电动门各有一台电机驱动，电动门电机由按钮手动控制，要求两个电动门可以同时开闭，也可以单独开闭，以适应各类工件加热的工艺要求。

电动门上、下均装有行程开关，以检测电动门的开闭到位。

1#电动门开到位时，安装在该门上方的行程开关SQ1被压，1#电动门关闭到位时安装在该门下方的行程开关SQ2被压；2#电动门开到位时，安装在该门上方的行程开关SQ3被压，2#电动门关闭到位时安装在该门下方的行程开关SQ4被压。

风机将冷空气从风道送入烘房低温区预预热后再送到高温区域继续加热。

开启烘房时，应先切断热电阻电源，然后停止风机运转。

3.1可编程控制器（PLC）

可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。

它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。

特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。

因而在冶金、化工、交通、电力、机械等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一。

3.1.1可编程控制器（PLC）的发展

可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。

这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了它们的发展。

从控制功能来分，可编程序控制器的发展经历了下列四个阶段。

第一阶段：

从第一台可编程序控制器问世到20世纪70年代中期，是可编程序控制器的初创阶段。

这一阶段的产品主要用于逻辑运算和计时、计数运算，它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，它的控制功能较简单。

其典型产品包括有MODICON公司的084\ALLEN-BRADLEY（AB）公司的PDQ2,DEC公司的PDP-14、日立公司的SCY-022等。

由于这些产品主要完成逻辑运算功能，因此被称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController-PLC）。

第二阶段：

从20世纪70年代中期到末期，是可编程序控制器的扩展阶段。

在这一阶段，产品的主要控制功能得到了较大的发展，它的发展主要来自两方面，从可编程序控制器发展而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同时扩展了其他运算功能；而从模拟仪表发展而来的控制器，其功能主要是模拟运算，同时扩展了逻辑运算功能。

因此，按习惯的分类方法，前者被称为可编程序逻辑控制器（PLC），后者被称为单回路或多回路控制器。

可编程序控制器的名称缩写为PC（ProgrammableController），但是为了与个人计算机（PersonalComputer）的名称缩写PC相区别，通常还是把可编程序控制器简称为PLC，这一阶段的产品有MODICON公司的184,284,384，西门子公司的SYMATICS3系列，富士电机公司的SC系列等产品。

第三阶段：

从20世纪70年代末期到20世纪80年代中期，是PLC通信功能实现阶段。

与计算机通信的发展相联系，PLC也在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布式的通信网络体系，但是，由于制造企业各自为政，通信系统自成系统，因此，各产品的互相通信是较困难的。

在该阶段，由于生产过程控制的需要，对PLC的需求大大增加，产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可靠性进一步提高。

这一阶段的产品有西门子公司的SYMATICS6系列、富士电机公司的MICREX和德州仪器公司的T1530等等。

第四阶段：

从20世纪80年代中期开始是PLC的开放阶段。

由于开放系统的提出，使PLC也得到了较大的发展。

主要表现在通信系统的开放，使各制造企业的产品可以通信，通信协议的标准化使用户得到了好处。

在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完善，大中型的产品多数有CRT屏幕的显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。

这一阶段的产品有西门子公司的SYMATICS5和S7系列、AB公司的PLC-5等。

3.1.2可编程控制器（PLC）的定义

由于PLC在不断发展，因此，对它下一个确切的定义是困难的。

在二十世纪七十年代PLC问世后，由美国电气制造商协会（NationalElectricManufacturerAssociation-NEMA）对PLC下过如下的定义：

PLC是一种数字式的电子装置。

它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。

1987年，国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee-IEC）颁布了PLC标准草案，其第3版对PLC作了如下的定义：

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。

3.1.3可编程控制器（PLC）的基本结构

PLC的型号、规格繁多。

它主要由中央处理单元CPU、存储器、输入、输出等部分组成。

1、中央处理单元CPU

CPU是PLC的核心，由控制器和运算器组成，并通过内部总线同存储器及输入/输出接口电路相连。

其主要作用是：

执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序解释后逐条执行，完成程序规定的逻辑和算术运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作。

2、存储器

PLC的存储器用来存放程序和数据。

程序分系统程序和用户程序。

3、输入输出接口电路（简称I/O）

输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部分，是PLC的重要组成部分。

PLC将现场输入信号转换成微处理器能接受的信号，且最大程度排除干扰信号，提高可靠性；输出能将微处理器送出的弱电信号放大成强电信号，驱动各种负载。

与微机的I/O接口工作于弱电的情况不同，PLC的I/O接口是按强电要求设计的，即其输入接口可以接受强电信号，其输出接口可以直接和强电设备相连接。

（1）输入接口电路一般由光电耦合电路和微机输入接口电路组成。

前者用由发光二极管和光电三极管组成的光耦合器作为关键器件，输入端加上变化的信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号，它照射光电三极管导通。

二极管和三极管是按完全隔离的，信号不会反馈。

而且二极管正向阻抗值较低，外界干扰源内阻较高，根据分压原理，干扰源馈送到输入端的干扰噪声很小，增强了抗干扰能力。

微机的输入接口电路一般由数据输入寄存器、“选通”电路和中断请求逻辑电路集成而成。

（2）输出接口电路一般由微机输出接口和功率放大电路组成。

前者由输出数据寄存器、“选通”电路和中断请求电路组成。

功率放大电路一般采用继电器、可控硅即晶闸管或晶体管输出。

由于输入—内部电路—输出在电器上完全隔离，从而有效地防止了现场的强电干扰。

4、编程器

编程器有便携式和CRT智能式两大类，前者只能联机编程，而后者既可联机编程，又可脱机编程。

便携式编程器体积小，重量轻，可随身携带，便于在生产现场使用。

一般的小型PLC主要采用便携式编程器。

编程器是专用的，不同型号的PLC都有自己专用的编程器，不能通用。

PLC正常工作时，不一定需要编程器。

因此，多台同型号的PLC可以只配一个编程器。

5、内部电源和其他设备

PLC的内部电源是指将外部输入的交流信号经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足内部电路工作需要的直流电源或电源模块。

PLC的外部设备还有盒式录音机、打印机、EPROM写入器及高分辨率屏幕彩色图形监控设备等[3]。

3.1.4可编程控制器（PLC）的工作原理

当PLC运行时，用户程序中众多的操作需要执行。

但CPU是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。

由于CPU的运算处理速度较快，使得外部出现的结果从宏观上来看几乎是同时进行的，这种分时操作的过程叫做CPU对程序的扫描。

扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，再无中转或跳转的情况下，按存储地址递增的方向顺序逐条扫描用户程序即执行，直到程序结束。

每扫描完一次程序，就构成一个扫描周期。

然后再从头开始扫描，并周而复始地重复。

顺序扫描的工作方式简单，简化了程序设计，并为PLC的可靠运行提供了可靠的保障。

一方面，所扫描的程序被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用；另一方面，还可以利用CPU设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于CPU内部故障使程序进入死循环而造成故障的影响。

1、PLC的基本工作如下：

（1）输入现场信息：

在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点的状态；

（2）执行程序：

顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算；

（3）输出控制信号：

根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。

上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。

每执行一遍所需的时间称为扫描周期。

PLC的扫描周期通常为几十毫秒。

图3.1可编程控制器工作过程图

2、自诊断程序

每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。

此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。

诊断结束后，如无故障，PLC继续扫描，检查是否有编程器等的通信请求。

如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。

处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。

然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。

PLC就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作。

3.1.5可编程控制器（PLC）的性能指标

PLC的性能，通常是用以下多种指标综合表述，不同品种规格的PLC其性能指标是不尽相同的，要根据具体悄况来分析。

1、编程语言常用的有梯形图语言、助记符语言、控制系统流程图及某些高级语言等。

不同的PLC可能采用不同的编程语言。

2、用户程序存贮容量：

用户程序存贮器用以存贮通过编程输入的用户程序，其存贮量通常是以字为单位来计算。

约定16位二进制数为一个字，每1024个字为1K字。

中小型的PLC存贮容量一般在8K以下，大型的PLC存贮量有的已达到256K及2M,在编程时每一条指令所占的存贮容量是1个字、2个字等。

通常，对于一般的逻辑操作指令，每条指令占1个字，计时/计数、移位指令占2个字，对于一般的数据操作指令，每条指令占2个字。

也有的PLC，用户程序的存贮容量是用编程的步数来表示，每编一条语句为一步。

3、I/O总点数PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种。

对于开关量I/O，其I/O总数用最大I/O点数表示；对于模拟量I/O，其中I/O总数用最大I/O通道路数表示。

4、扫描速度以ms/K字为单位表示。

例如10ms/K表示扫描1K字的用户程序所需的时间为l0ms。

5、指令种类数和总条数用以表示PLC的编程和控制功能。

6、内部继电器种类和点数包括输入继电器、输出继电器、辅助继电器（无断电记忆和带断电记忆的）、计时器/计数器、移位寄存器、特殊继电器等。

而每种继电器点数也不一样。

7、工作环境一般都能在下列环境条件下工作：

温度0-55摄氏度，湿度小于85%（无结露）。

8、有的PLC还具有某些特种功能，例如自诊断功能，通信联网功能，监控功能，特殊功能模块，远程I/O能力等。

9、除以上基本功能指标以外，对于不同的PLC，还可能列出其它一些指标，如输入输出方式、一些主要硬件（如CPU、存贮器）的型号以及PLC的环境适应性能等。

3.1.6可编程控制器（PLC）的特点与应用

可编程控制器最初是为了替代继电器控制系统而研制的，其自身又是一个计算机系统，所以它除了具备继电器控制系统和微型计算机系统的原有功能外，还有其自己的特点：

1、PLC与继电接触控制系统的比较

（1）继电接触控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制；PLC内部用“软”电器、“软”触点和“软”线连接，为软件控制。

（2）继电接触控制系统体积大；PLC控制系统机构紧凑，体积小。

（3）继电接触控制功能改变，需拆线，甚至更换元器件，麻烦；PLC控制功能改变，只修改程序即可，很方便。

（4）继电接触控制全为机械式触点，动作慢；PLC内部全为“软接点”，动作快。

（5）PLC控制系统的设计、施工与调试比继电接触控制系统周期短。

（6）PLC控制的自检和监控功能比继电接触控制系统强。

（7）PLC的适用范围比继电接触控制的广泛。

（8）PLC可靠性比继电接触控制的高。

2、PLC与微型机算机的比较

（1）PLC输入输出接口较多，中大型PLC输入输出接口更多，便于多路多点控制。

（2）PLC编程直观、简单。

而计算机使用汇编语言或其他高级语言编程，比PLC编程复杂。

（3）PLC可靠性高、抗干扰能力强。

（4）PLC技术较容易掌握，使用维护方便，对使用者的技术水平要求低。

（5）PLC采用扫描方式进行工作，加上其他原因，所以PLC输入输出响应比计算机慢。

（6）PLC体积小，调试周期短。

烘房分布

控制要求

热处理烘房内分高温和低温两个区域，工件进入烘房内首先在低温区预热20分钟，再进入高温区继续加热15分钟，然后送出烘房，再由轴流风机吹冷10分钟。

每完成一个步骤需要电铃提醒。

以便按时操作下一步工序。

热处理烘房内分高温和低温两个区域，工件进入烘房内首先在低温区预热20分钟，低温区预热20分钟后由电铃提醒。

再进入高温区继续加热15分钟，高温区继续加热15分钟后由电铃提醒、然后送出烘房，再由轴流风机吹冷10分钟。

冷却后由电铃提醒。

开启烘房时，为缩短空烘房升温时间，提高烘房升温速度，让四组热电阻全部投入加热。

工件对烘房温度控制要求如下。

1.当烘房温度超过120℃时应切除一组25kW热电阻；

2.当烘房温度超过140℃时应切除一组25kW热电阻；

3.当烘房温度超过160℃时应切除一组50kW热电阻；

4.当烘房温度超过200℃时应将四组热电阻全部切除；

风机将冷空气从风道送入烘房低温区预预热后再送到高温区域继续加热。

开启烘房时，应先切断热电阻电源，然后停止风机运转。

此外，烘房有两个电动门，电动门各有一台电机驱动，电动门电机由按钮手动控制，要求两个电动门可以同时开闭，也可以单独开闭，以适应各类工件加热的工艺要求。

电动门上、下均装有行程开关，以检测电动门的开闭到位。

1#电动门开到位时，安装在该门上方的行程开关SQ1被压，1#电动门关闭到位时安装在该门下方的行程开关SQ2被压；2#电动门开到位时，安装在该门上方的行程开关SQ3被压，2#电动门关闭到位时安装在该门下方的行程开关SQ4被压。

风机将冷空气从风道送入烘房低温区预预热后再送到高温区域继续加热。

开启烘房时，应先切断热电阻电源，然后停止风机运转。

工艺流程

系统配置

机型选择

编号

输入信号

0.00

SB1风机停止

0.01

SB2风机启动

0.02

SB3热电阻加热停止

0.03

SB4热电阻加热

0.04

SB51#,2#门同时关

0.05

SB61#,2#门同时开

0.06

SB71#,2#门关

0.07

SB81#门开

0.08

SB92#门关

0.09

SB102#门开

0.10

SB11停止推动工件

0.11

SB12推进工件气缸电磁阀吸和

0.12

SB13轴流风机开关

0.13

SB14轴流风机开

0.14

ST1烘房温度超过200°时,温度继电器动作

0.15

ST2烘房温度超过160°时,温度继电器动作

2960.00

ST3烘房温度超过140°时,温度继电器动作

2960.01

ST4烘房温度超过120°时,温度继电器动作

2960.02

SQ11#门开到位限位开关

2960.03

SQ21#们关到位限位开关

2960.04

SQ32#们开到位限位开关

2960.05

SQ42#们关到位限位开关

2960.06

SQ5工件推进到位（低温区）

2960.07

SQ6工件推进到位（高温区）

编号

输出信号

1.00

KM1风机

1.01

KM2100KW热电阻

1.02

KM350KW热电阻

1.03

KM4