基于PLC的微波加熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于plc的微波加熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 基于plc微波加熱器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：設(shè)計(jì)了一套plc控制的微波加熱器溫度控制系統(tǒng)。以工業(yè)高功率微波加熱器為研究對象,用s7-200plc及模擬量輸入、輸出模塊組成基本控制單元,使加熱器內(nèi)溫度保持恒定。針對微波加熱器內(nèi)溫度系統(tǒng)的大慣性、非線性特征,采用模糊控制算法來對溫度進(jìn)行處理,克服了傳統(tǒng)pid算法參數(shù)調(diào)整復(fù)雜、超調(diào)量大的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對溫度采用模糊控制能獲得較好的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)特性,能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域恒溫加熱的要求。關(guān)鍵詞：西門子s7-200plc 微波加熱器 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 溫度控制系統(tǒng)1.1 微波加熱的現(xiàn)狀近年來，微波加熱器溫度控制

2、系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，冶金機(jī)械食品化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種微波加熱器熱處理爐反應(yīng)爐，對工件的處理均需要對溫度進(jìn)行控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和家居生活過程中常需對溫度進(jìn)行檢測和監(jiān)控。由于許多實(shí)踐現(xiàn)場對溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù)，由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的plc控制技術(shù)所取代。而plc本身優(yōu)異的性能使基于 plc控制的溫度

3、控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)方便。這種溫度控制系統(tǒng)對改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。2 微波加熱器整體結(jié)構(gòu)2.1 磁控管控制系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)分析磁控管是一種諧振型正交場振蕩器，是微波技術(shù)中的一種高功率微波源，以松下2m210- m1磁控管為例進(jìn)行分析，其電源系統(tǒng)如圖2.1所示。磁控管發(fā)射微波時(shí)陰極需得到3.3v的燈絲電壓，陽極相對陰極具備4200v高壓而形成強(qiáng)電場。這樣陰極得到燈絲電壓向外發(fā)射電子。在電場作用下，電子從陰極飛向陽極。在磁控管中還存在磁場，方向與電場方向垂直，在磁場和電場共同作用下，電子延螺旋軌跡作輪擺式運(yùn)動。同時(shí)，在陽極諧振腔內(nèi)還存在高頻電場，在高頻電場作用下，電子繞陰極軸心

4、旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度與高頻電場同步時(shí)，電子的直流能量交給高頻電場，維持高頻振蕩。這些高頻能量以微波的形式輸出，用于各種工業(yè)用途。圖2.1 微波爐電源控制系統(tǒng)由上述分析可知，磁控管發(fā)出微波必須具備加熱燈絲、陽極直流高壓、激勵(lì)恒定磁場三個(gè)主要的工作條件。因此，磁控管電源也必須根據(jù)不同的要求分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.2 微波爐電路原理圖3可編程序控制技術(shù)3.1 plc的定義及特點(diǎn)3.1.1 plc的定義可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類

5、型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。3.1.2 plc的特點(diǎn)plc是綜合繼電器接觸器控制的優(yōu)點(diǎn)及計(jì)算機(jī)靈活、方便的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)制造和發(fā)展的，這就使plc具有許多其他控制器所無法相比的特點(diǎn)。1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)2）通用性強(qiáng)，使用方便3）采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)組合靈活方便4）編程語言簡單、易學(xué)，便于掌握5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短6）對生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強(qiáng)7）安裝簡單、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小3.2 plc的應(yīng)用和發(fā)展前景3.2.1 plc的應(yīng)用plc是以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，它具有可靠性高、體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡單、靈活通用、維護(hù)方便等一系列的

6、優(yōu)點(diǎn)，因而在冶金、能源、化工、交通、電力等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（plc、機(jī)器人和cad/cam）之一。3.2.2 plc的發(fā)展前景為了適應(yīng)市場的各方面的需求，各生產(chǎn)廠家對plc不斷進(jìn)行改進(jìn)，推出功能更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更完善的新產(chǎn)品。這些新產(chǎn)品總體來說，朝兩個(gè)方向發(fā)展：一個(gè)是向超小型、專用化和低價(jià)格的方向發(fā)展，以進(jìn)行單機(jī)控制；另一個(gè)是向大型、高速、多功能和分布式全自動網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，以適應(yīng)現(xiàn)代化的大型工廠、企業(yè)自動化的需要。3.3 plc的基本組成及工作原理3.3.1 plc的基本組成cpuu輸入模塊用戶輸入設(shè)備eprom輸出模塊用戶輸出設(shè)備 總線外圍設(shè)備 ram i/o接口

7、電源模塊通信接口計(jì)算機(jī)或其他plc 主機(jī) 圖3.1 plc硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖在圖3.1中，plc的主機(jī)由微處理器（cpu）、存儲器（eprom、ram）、輸入/輸出模塊、外設(shè)i/o接口、通信接口及電源組成。對于整體式的plc，這些部件都在同一個(gè)機(jī)殼內(nèi)。而對于模塊式結(jié)構(gòu)的plc，各部件獨(dú)立封裝，稱為模塊，各模塊通過機(jī)架和電纜連接在一起。 主機(jī)內(nèi)的各個(gè)部分均通過電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接。根據(jù)實(shí)際控制對象的需要配備一定的外部設(shè)備，可構(gòu)成不同的plc控制系統(tǒng)。下面分別介紹plc各組成部分及其作用：處理單元cpu是plc的控制中樞，plc在cpu的控制下有條不紊的工作，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的各

8、個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制。1）cpu的具體作用如下：（1） 接收、存儲用戶程序。（2） 以掃描方式接收來自輸入單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。（3） 執(zhí)行監(jiān)控程序和用戶程序。（4） 響應(yīng)外部設(shè)備的請求。2） 存儲器可編程控制器有兩種存儲器，即系統(tǒng)存儲器（eprom）和用戶存儲器（ram）。系統(tǒng)存儲器用來存放系統(tǒng)管理程序，用戶不能訪問和修改這部分存儲器的內(nèi)容。用戶存儲器用來存放編制的應(yīng)用程序和工作數(shù)據(jù)狀態(tài)。存放工作數(shù)據(jù)狀態(tài)的用戶存儲器部分也稱為數(shù)據(jù)存儲區(qū)。它包括輸入、輸出數(shù)據(jù)映像區(qū)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)和當(dāng)前的數(shù)據(jù)區(qū)，存放中間結(jié)果的緩沖區(qū)。3） 輸入/輸出模塊plc的控制對象是工業(yè)生產(chǎn)過程，

9、實(shí)際生產(chǎn)過程中的信號電平是多種多樣的，外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的電平也是各不相同的，而可編程控制器的cpu所處理的信號只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，這樣就需要有相應(yīng)的i/o模塊作為cpu與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的橋梁，進(jìn)行信號電平的轉(zhuǎn)換。3.3.2 plc的基本工作原理plc是一種存儲程序的控制器。用戶根據(jù)某一對象的具體控制要求，編制好控制程序后，用編程器將程序鍵入到plc的用戶程序存儲器中寄存。plc的控制功能就是通過運(yùn)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。plc掃描工作方式主要分三個(gè)階段：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。1) 輸入采樣 plc在開始執(zhí)行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序?qū)⑺休斎胄盘枺x入到寄存輸入狀態(tài)的輸入映像寄存器中，這

10、個(gè)過程稱為輸入采樣。在本工作周期內(nèi)這個(gè)采樣結(jié)果的內(nèi)容不會改變，只有到下一個(gè)掃描周期輸入采樣階段才被刷新。2）程序執(zhí)行 plc完成了采樣工作后，按順序從0000號地址開始的程序進(jìn)行掃描執(zhí)行，并分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中獲得所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映像寄存器中保存。但這個(gè)結(jié)果在全部程序未被執(zhí)行完畢之前不會送到輸出端子上。3）輸出刷新 在執(zhí)行到end的命令時(shí)，即執(zhí)行完用戶所有的程序后，plc將輸出映像寄存器中的內(nèi)容送到輸出鎖存器中進(jìn)行輸出，驅(qū)動用戶設(shè)備。4 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自

11、然界中任何物理、化學(xué)過程都緊密地與溫度相聯(lián)系。在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。因此，溫度的測量在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。4.1溫度測量方法的選擇溫度測量方法的分類很多，從測量時(shí)傳感器中有無電信號可以劃分為非電測量和電測量兩大類；從測量時(shí)傳感器與被測對象的接觸方式可劃分為接觸式和非接觸式。圖4.1表示溫度傳感器的分類。最簡單的溫度測量系統(tǒng)由溫度傳感器及顯示表組成；較完善的系統(tǒng)是由傳感器、溫度顯示儀表和溫度記錄儀表組成，或者還將溫度信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換為同一電信號。在進(jìn)行測溫時(shí)選擇哪一種溫度測量系統(tǒng)，主

12、要考慮四個(gè)問題：溫度范圍、使用場合、溫度響應(yīng)、傳輸方式。本加熱系統(tǒng)就在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮了這四個(gè)問題，設(shè)計(jì)出符合微波加熱器的溫度傳輸系統(tǒng)。4.2傳感器的選擇近年來，溫度的檢測在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測量證快速實(shí)時(shí)地進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對所測溫仍然是目前需要解決的問題。溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場合需要實(shí)如在發(fā)酵過程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工度控制等。恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某其波動幅度(即穩(wěn)態(tài)誤差)不能超過某一給定值。本課題所研制要實(shí)現(xiàn)恒值溫

13、度控制的要求，故以下僅對恒值溫度控制進(jìn)行討由于微波屬于超高頻電磁波，存在著強(qiáng)電磁場。在微波場下是一個(gè)技術(shù)難題。在強(qiáng)電磁場下，溫度傳感器的金屬部分和下產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于集膚效應(yīng)和渦流效應(yīng)使其自身溫度升高嚴(yán)重干擾，使溫度示值產(chǎn)生很大誤差或者無法進(jìn)行穩(wěn)定的溫度感器的選擇至關(guān)重要。紅外溫度傳感器就可以很好的解決這個(gè)感器在圖4.1中屬于光學(xué)溫度傳感器中的部分輻射光學(xué)溫度傳溫度傳感器是一種非接觸式測溫的傳感器，因此不會破壞溫度熱溶樣，而且具有快速的響應(yīng)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，很適合微波場內(nèi)的。如圖4.1所示：a2tpmi 334-l5.5 oaa300傳感器是由標(biāo)準(zhǔn)tps 334-l5.5傳感器帶集成a2tpmi專用

14、集成電路以及5.5m鏡光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，有5視角，目標(biāo)溫度測量范圍為20300 c，正好適合熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)0250 c的測溫范圍。a2tpmi 334-l5.5 oaa 300的傳感器to39，6腳封裝，如圖4.2所示：圖4.2 a2tpmi 334-l5.5 oaa300傳感器封裝其中6個(gè)引腳分別表示：gnd引腳表示接地；引腳表示電源，通常接穩(wěn)定的5v電壓；引腳表示目標(biāo)輸出電壓，需接一個(gè)一階或二階低通濾波器；引腳表示環(huán)境輸出電壓；sclk引腳表示時(shí)鐘線；sdat引腳表示數(shù)據(jù)線。5 微波加熱plc控制設(shè)計(jì)微波加熱本質(zhì)上是一種介質(zhì)加熱,其能量產(chǎn)生于加熱物質(zhì)的內(nèi)部。與普通加熱相比,微波加熱具有升溫速率快

15、,熱效率高,加熱均勻,易于實(shí)現(xiàn)自動控制等優(yōu)點(diǎn) 。本文設(shè)計(jì)了一套頻率為2450 mhz 的微波加熱溫度控制系統(tǒng),其主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)加熱器內(nèi)溫度的采集和控制。溫度傳感器置于微波場中,將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號后送與plc 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,通過控制算法計(jì)算出輸出控制信號來調(diào)節(jié)微波發(fā)生器的電能供給,從而實(shí)現(xiàn)加熱器內(nèi)的恒溫控制。5.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)微波加熱器內(nèi)溫度的自動控制是將測溫儀表和自動化裝置組成一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),其硬件結(jié)構(gòu)如圖5.1 所示。系統(tǒng)以西門子公司生產(chǎn)的s7-200 系列plc作為控制的核心。s7-200plc包括一個(gè)單獨(dú)的s7-200cpu和各種可選擇的擴(kuò)展模塊, 可以組成各種規(guī)模的控制器。設(shè)

16、計(jì)中以cpu224 作為plc 的基本模塊。cpu224集成了14點(diǎn)輸入/ 10點(diǎn)輸出,共有24點(diǎn)數(shù)字量i/ o ,最大擴(kuò)展至168 點(diǎn)數(shù)字量i/ o 或模擬量i/ o4 。擴(kuò)展模塊使用em231模擬量輸入模塊(4 路輸入) 和em232 模擬量輸出模塊(2 路輸出) 。plc 輸入輸出接線如圖5.2所示。圖5.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 圖5.2 plc i/o接線圖溫度傳感器420 ma 的電流信號經(jīng)em231 傳入plc 中,經(jīng)cpu 的處理運(yùn)算,通過em232 輸出420 ma 的電流控制信號。人機(jī)界面采用text display200 ( td200) 。td200 是s72200 系列pl

17、c 的文本顯示和操作員界面,具有小巧緊湊、方便快捷的優(yōu)點(diǎn),可以用來顯示和設(shè)定加熱器內(nèi)的溫度、報(bào)警的上下限、加熱的時(shí)間、功率等。em232 模塊輸出的420 ma 的控制信號送入晶閘管調(diào)整器去觸發(fā)可控硅元件,來改變輸出的電壓、電流或功率,從而實(shí)現(xiàn)微波加熱器內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)和控制。5.2 s7-200 系列plc5.2.1 西門子s7-200系列plc指示燈說明s7-200系列plc指示燈通常包括sf、run、stop指示燈和開入開出指示燈，通過sf、run和stop三個(gè)指示燈可以判斷出cpu的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，通過開入開出指示燈可以判斷出plc開入開出點(diǎn)的狀態(tài)，具體說明如下：1)sf指示燈：只有plc出

18、現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí)點(diǎn)亮（紅色），其他情況下均熄滅；故障狀態(tài)下可以通過菜單欄plcinformation來查看相應(yīng)故障信息及故障代碼，另plc幫助文件中附有詳細(xì)的故障信息及故障代碼對照表，可供排查故障時(shí)使用。2)run指示燈：cpu處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)點(diǎn)亮（綠色），cpu處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)熄滅；3)stop指示燈：cpu處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)點(diǎn)亮（綠色），cpu處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)熄滅；4) 開入開出指示燈：位于各開入開出模塊上，按位指示，該位為1時(shí)點(diǎn)亮（綠色），該位為0時(shí)熄滅。5.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)step72micro/ win32是s72200系列plc專用的編程和組態(tài)開發(fā)軟件包,具有豐富的功能指令,運(yùn)用該軟件開發(fā)程序,除了具有創(chuàng)建程序的相關(guān)功能,還具有設(shè)置plc的工作方式、參數(shù)、運(yùn)行監(jiān)控、管理文檔等輔助功能。軟件流程如圖所示:致謝歷時(shí)將近兩個(gè)月的時(shí)間終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過了。尤其要強(qiáng)烈感謝我的論文指導(dǎo)老師xx老師，她對我進(jìn)行了無私的指導(dǎo)和幫助，不厭其煩的幫助進(jìn)行論文的修改和改進(jìn)。另外，在校圖書館查找資料的時(shí)候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支