山东轻工业学院2010届本科生毕业设计（论文）
3.2.5 可控硅加热装置简介
对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉采用带PID调节的数字式温度显示调节仪显示和调节温度，输出0～10mA作为直流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。温度测量与控制是热电偶采集信号通过PID温度调节器测量和输出0～10mA或4～20mA控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护RC和电阻炉的加热元件等部分组成。
3.3 系统整体设计方案和电气连接图
系统选用了PLC CPU 226为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转化为电流信号，经过EM231模拟量输入模块转化成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为0～10mA的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，从而调节电热丝的加热。PLC和组态王连接，实现了系统的实时监控。
整体设计方案如图3-3:
计算机 P L C EM 235 PT100 锅 炉 可控硅 图3-3 整体设计方案 24V TT1 TT2 系统硬件连线图如图 3-4 2M 2L+ Q1.0-------Q1.7 M L +DC M 1L+ Q0.0------Q0.7 输出 : RA A+ A- RB B+ B- RC C+ C- RD D+ EM235 CPU 226 COM1 COM2 1M I0.0 ----------- I1.4 2M I1.5-----------I2.7 M L+ 输入 M L+ MO VO IO 电源 负 载
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图 3-4 系统硬件连线图
3.4 PLC控制器的设计
控制器的设计是整个控制系统设计中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。最后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。
3.4.1 控制系统数学模型的建立
在本控制系统中，TT1(出口温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为
电流信号送入EM235模块的A路，TT2(炉膛温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入EM235模块的B路。两路模拟信号经过EM235转化为数字信号送入PLC，PLC再通过PID模块进行PID调节控制。具体流程在第四章程序编写的时候具体论述。由PLC的串级控制系统框图如图 3-5：
主调节副调节器 可控硅 炉膛 锅炉出口 副变送器 主变送器 如图3-5 串级控制系统框图
3.4.2 PID控制及参数整定 1.PID控制器的组成 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为： 1de(t)] 公式（3-1） u(t)?Kc[e(t)??e(t)dt?TdTidtt0错误！未指定书签。(1) 比例系数KC对系统性能的影响：
比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Ｋc偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Ｋc太大时，系统会趋于不稳定。Ｋc太小，又会使系统的动作缓慢。Ｋc可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Ｋc的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况Ｋc的符号就一
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定要取反。
错误！未指定书签。(2) 积分控制Ｔi对系统性能的影响：
积分作用使系统的稳定性下降，Ｔi小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。
错误！未指定书签。(3) 微分控制Ｔd对系统性能的影响：
微分作用可以改善动态特性，Ｔd偏大时，超调量较大，调节时间较短。Ｔd偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Ｔd合适，才能使超调量较小，减短调节时间。
2.主、副回路控制规律的选择
采用串级控制，所以有主副调节器之分。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择规律的基本出发点。主参数是工艺操作的重要指标，允许波动的范围较小，一般要求无余差，因此，主调节器一般选PI或PID控制，副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以。在本控制系统中，我们将锅炉出口水温度作为主参数，炉膛温度为副参数。主控制采用PI控制，副控制器采用P控制。
3.主、副调节器正、反作用方式的确定 副调节器作用方式的确定：
首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，可控硅输出电压应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv >0 。然后确定副被控过程的K02，当调节阀开度增大，电压增大，炉膛水温度上升，所以 K02 >0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为负，所以副调节器 K 2<0 ，副调节器作用方式为反作用方式。 主调节器作用方式的确定：
炉膛水温度升高，出口水温度也升高，主被控过程 K01 > 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为负，所以主调节器的放大系数 K1< 0，主调节器作用方式为反作用方式[7]。
4.采样周期的分析
采样周期Ts越小，采样值就越能反应温度的变化情况。但是，Ts太小就会增加CPU的运算工作量，相邻的两次采样值几乎没什么变化，将是PID控制器输出的微分部分接近于0，所以不应使采样时间太小。，确定采样周期时，应保证被控量迅速变化时，能用足够多的采样点，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。
因为本系统是温度控制系统，温度具有延迟特性的惯性环节，所以采样时间
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不能太短，一般是15s～20s，本系统采样17s
经过上述的分析，该温度控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器的参数整定。常用的整定方法可归纳为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。
理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，经过理论的计算（微分方程、根轨迹、频率法等），求得最佳的整定参数。这类方法比较复杂，工作量大，而且用于分析法或实验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动态特征，整定的结果精度不是很高，因此未在工程上受到广泛的应用。
对于工程整定法，工程人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所学的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛的应用常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法整定控制器的参数值。整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。 （1）整定比例控制
将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
（2）整定积分环节
若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 （3）整定微分环节
若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
第四章 PLC
PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分本在硬件基础上，
控制系统的软件设计
详细介绍本项目的软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法、编程软件STEP7-Micro/WIN的介绍以及本项目的程序设计。 4.1 PLC程序设计的方法
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PLC程序设计常用的方法：主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。
1.经验设计法：经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。
2.继电器控制电路转换为梯形图法：用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。
3.顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。
4. 逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。
4.2 编程软件STEP7--Micro/WIN 概述
STEP7-Micro/WIN 编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。 4.2.1 STEP7--Micro/WIN 简单介绍
以 STEP7-Micro/WIN创建程序，为接通STEP7-Micro/WIN，可双击STEP7 -Micro/WIN的图标，如图4-1所示，STEP7-Micro/WIN项目窗口将提供用于创建程序的工作空间。浏览条给出了多组按钮，用于访问STEP7--Micro/WIN的不同编程特性。指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象指令。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的的底部按标签显示。
图 4-1 STEP7--Micro/WIN项目窗口
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