基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目 基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng) 系 別 電氣工程系 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 生 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 2011年 6 月摘要溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機(jī)的溫度控制系統(tǒng)等。加熱爐溫度控制在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行PID 控制, 然而單片機(jī)控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處, PLC 在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。加熱爐溫度是一個(gè)大慣性系統(tǒng)，一般采用PID調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。隨著PLC功能的擴(kuò)充在許多PLC控制器

2、中都擴(kuò)充了PID 控制功能, 因此在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場(chǎng)所中采用PLC控制是較為合理的。本設(shè)計(jì)是利用西門子S7-300PLC控制加熱爐溫度的控制系統(tǒng)。首先介紹了溫度控制系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)的組成，然后介紹了西門子S7-300PLC和系統(tǒng)硬件及軟件的具體設(shè)計(jì)過程。關(guān)鍵詞：西門子S7-300PLC，PID，溫度傳感器，固態(tài)繼電器I河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院AbstractTemperature control system has been widely used in the industry controlled field，as the temperature control syst

3、em of boilers and welding machines in steel works、chemical plant、heat-engine plant etc. Heating-stove temperature control has also been applied widely in all kinds of fields .The application of this aspect is based on SCM which is making the PID control, yet the hardware and software design of DDC s

4、ystem controlled by SCM is somewhat complicated , its not an advantage especially related to logic control, however it is accepted as the best choice when mentioned to PLC. The furnace temperature of heating-stove is a large inertia system，so generally using PID adjusting to control. With the expand

5、ing of PLC function, the control function in many PLC controllers has been expanded. Therefore it is more reasonable to apply PLC controlling in the applicable fields where logical control and PID control blend together. The design has utilized the control system with which Siemens S7-300 PLC contro

6、l the temperature heating-stove. In the first place this paper presents the working principles of the temperature control system and the elements of this system. Then it introduces Siemens S7-300 PLC and the specific design procedures of the hardware and the software.Key words：Siemens S7-300 PLC，PID

7、，temperature pickup, solid state relay II目 錄摘要IAbstractII第一章 引言11.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景11.2 系統(tǒng)工作原理11.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)要求21.4 技術(shù)綜述2第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.1 控制原理與數(shù)學(xué)模型32.1.1 PID控制原理32.1.2 PID指令的使用注意事項(xiàng)62.2 采樣信號(hào)和控制量分析72.3 系統(tǒng)組成8第三章 硬件設(shè)計(jì)93.1 PLC的基本概念93.1.1 模塊式PLC的基本結(jié)構(gòu)93.1.2 PLC的特點(diǎn)113.2 PLC的工作原理123.2.1 PLC的循環(huán)處理過程123.2.2 用戶程序的執(zhí)行過程143.3 S7

8、-300 簡介143.3.1 數(shù)字量輸入模塊143.3.2 數(shù)字量輸出模塊153.3.3 數(shù)字量輸入/輸出模塊153.3.4 模擬量輸入模塊153.3.5 模擬量輸出模塊153.4 溫度傳感器16 3.4.1 熱電偶.16 3.4.2 熱電阻.173.5 固態(tài)繼電器18 3.5.1 概述.18 3.5.2 固態(tài)繼電器的組成.18 3.5.3 固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點(diǎn).19第四章 軟件設(shè)計(jì)204.1 STEP7編程軟件簡介204.1.1 STEP7概述204.1.2 STEP7的硬件接口.204.1.3 STEP7的編程功能204.1.4 STEP7的硬件組態(tài)與診斷功能214.2 STEP7項(xiàng)目的創(chuàng)建

9、224.2.1 使用向?qū)?chuàng)建項(xiàng)目224.2.2 直接創(chuàng)建項(xiàng)目224.2.3 硬件組態(tài)與參數(shù)設(shè)置224.3 用變量表調(diào)試程序244.3.1 系統(tǒng)調(diào)試的基本步驟244.3.2 變量表的基本功能254.3.3 變量表的生成264.3.4 變量表的使用264.4 S7-300的編程語言274.4.1 PLC編程語言的國際標(biāo)準(zhǔn)274.4.2 STEP7中的編程技術(shù)28結(jié)束語32 致謝.33參考文獻(xiàn)34附錄3536第一章 引言1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景近年來，加熱爐溫度控制系統(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加熱爐熱處理爐反

10、應(yīng)爐，對(duì)工件的處理均需要對(duì)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(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控。由于許多實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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)的加熱爐電氣控制系統(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(duì)改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。通過本設(shè)計(jì)可以熟悉并掌握西門子S7-300PLC

11、的原理與功能以及它的編程語言，以自動(dòng)控制理論為指導(dǎo)思想，解決工業(yè)生產(chǎn)及生活中溫度控制的問題。1.2系統(tǒng)工作原理 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1-1所示，它由PLC主控系統(tǒng)、固態(tài)繼電器、加熱爐、溫度傳感器等4個(gè)部分組成。圖1-1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本組成加熱爐溫度控制實(shí)現(xiàn)過程是:首先溫度傳感器將加熱爐的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進(jìn)來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為西門子S7-300PLC可識(shí)別的數(shù)字量，然后 PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進(jìn)行比較并經(jīng)過PID運(yùn)算處理后，給固態(tài)繼電器輸入端一個(gè)控制信號(hào)控制固態(tài)繼電器的輸出端導(dǎo)通與否從而使加熱爐開始加熱或停止加熱。既加熱爐溫度

12、控制得到實(shí)現(xiàn)。其中PLC主控系統(tǒng)為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分起著重要作用。1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)要求本系統(tǒng)應(yīng)能夠控制在設(shè)定值的±5的誤差范圍內(nèi)并且具有溫度上下限報(bào)警功能和故障報(bào)警功能。1.4技術(shù)綜述自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應(yīng)參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 溫度控制系統(tǒng)在國

13、內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平。成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復(fù)雜時(shí)變溫度系統(tǒng)控制，而且適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。現(xiàn)在，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外還有著一定的差距。 溫度控制系統(tǒng)大致可分別用3種方式實(shí)現(xiàn)，一種是用儀器儀表來控制溫度，這種方法控制的精度不高。另一種是基于單片機(jī)進(jìn)行PID控

14、制，然而單片機(jī)控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處, 而PLC 在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。隨著PLC功能的擴(kuò)充在許多PLC 控制器中都擴(kuò)充了PID控制功能。因此本設(shè)計(jì)選用西門子S7-300PLC來控制加熱爐的溫度。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1控制原理與數(shù)學(xué)模型2.1.1 PID控制原理2.1.1.1 PID控制器基本概念PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量來進(jìn)行控制。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)、控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)

15、最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí),最適合采用PID控制技術(shù)。（1）比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。（2）積分（I）控制在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的運(yùn)算取決于時(shí)間

16、的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，采用比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分（D）控制在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大的慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅

17、引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。2.1.1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn) 控制系統(tǒng)一般包括開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)(Open-loop Control System)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒有影響，在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控制量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。閉環(huán)控制

18、系統(tǒng)(Closed-loop Control System)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來影響控制器的輸出,形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋,若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反,則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)；若極性相同，則稱為正反饋。一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)?？梢?，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于開環(huán)控制系統(tǒng)。PID就是應(yīng)用最廣泛的閉環(huán)控制器。如圖2-1所示系統(tǒng)是用于電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定值為期望的加熱爐溫度，閉環(huán)控制器的反饋值通過溫度傳感器測(cè)得，并經(jīng)A/D變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；目標(biāo)設(shè)

19、定值與溫度傳感器的反饋信號(hào)相減，其差送入PID控制器，經(jīng)比例、積分、微分運(yùn)算，得到疊加的一個(gè)數(shù)字量；該數(shù)字量經(jīng)過上限、下限限位處理后進(jìn)行D/A變換，輸出一個(gè)電壓信號(hào)去控制固態(tài)繼電器，以控制加熱爐的溫度。該系統(tǒng)的PID控制器一般采用PLC提供的專用模塊（本系統(tǒng)采用FB58模塊），也可以采用編程的方法（如PLC編程、高級(jí)語言編程或組態(tài)軟件編程等）生成一個(gè)數(shù)字PID控制器。同時(shí)，其它功能如A/D、D/A都由PLC實(shí)現(xiàn)，加熱爐的反饋信號(hào)直接送PLC采集，控制固態(tài)繼電器的電壓信號(hào)也由PLC送出，從而控制加熱爐的溫度。 圖2-1電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例2.1.1.3 PID控制器的參數(shù)整

20、定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性，確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來有如下兩大類：（1）理論計(jì)算整定法。它主要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接使用,還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。（2）工程整定法。它主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。這三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整

21、定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后的調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。2.1.1.4 PID控制器的主要優(yōu)點(diǎn) PID控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）PID算法蘊(yùn)涵了動(dòng)態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在、將來的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。其中，比例（P）代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使過程

22、反應(yīng)迅速。微分（D）在信號(hào)變化時(shí)有超前控制作用，代表將來的信息。在過程開始時(shí)強(qiáng)迫過程進(jìn)行，過程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡過程。積分（I）代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。此三種作用配合得當(dāng)，可使動(dòng)態(tài)過程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，收到良好的效果。（2）PID控制適應(yīng)性好，有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)各種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，都可在不同的程度上應(yīng)用。特別適于“一階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”和“二階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”的過程控制對(duì)象。（3）PID算法簡單明了，各個(gè)控制參數(shù)相對(duì)較為獨(dú)立，參數(shù)的選定較為簡單，形成了完整的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。 （4）PID控制

23、根據(jù)不同的要求，針對(duì)自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn)，形成了一系列改進(jìn)的PID算法。例如，為了克服微分帶來的高頻干擾的濾波PID控制，為克服大偏差時(shí)出現(xiàn)飽和超調(diào)的PID積分分離控制，為補(bǔ)償控制對(duì)象非線性因素的可變?cè)鲆鍼ID控制，等。這些改進(jìn)算法在一些應(yīng)用場(chǎng)合取得了很好的效果。同時(shí)當(dāng)今智能控制理論的發(fā)展，又形成了許多智能PID控制方法。2.1.2 PID指令的使用注意事項(xiàng)2.1.2.1 PID控制器的選取PID控制器的性能和處理速度只與所采用的CPU的性能有關(guān)。對(duì)于任意給定的CPU，控制器的數(shù)量和每個(gè)控制器被調(diào)用的頻率是相互矛盾的?？刂骗h(huán)執(zhí)行的速度，也即在每個(gè)時(shí)間單元內(nèi)操作值必須被更新的頻率決定了可以安

24、裝的控制器的數(shù)量。對(duì)要控制的過程類型沒有限制，遲延系統(tǒng)（溫度、液位等）和快速系統(tǒng)（流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等）都可以作為被控對(duì)象。過程分析時(shí)應(yīng)注意：控制過程的靜態(tài)性能（比例）和動(dòng)態(tài)性能（時(shí)間延遲、死區(qū)和重設(shè)時(shí)間等）對(duì)被控過程控制器的構(gòu)造和設(shè)計(jì)以及靜態(tài)（比例）和動(dòng)態(tài)參量（積分和微分）的維數(shù)選取有著很大的影響。準(zhǔn)確地了解控制過程的類型和特性數(shù)據(jù)是非常必要的?？刂破鬟x取時(shí)應(yīng)注意：控制環(huán)的特性由被控過程或被控機(jī)械的物理特性決定，并且設(shè)計(jì)中可以改變的程度不是很大。只有選用了最適合被控對(duì)象的控制器并使其適應(yīng)過程的響應(yīng)時(shí)間，才能得到較高的控制質(zhì)量。不用通過編程就可以生成控制器的大部分功能（構(gòu)造、參數(shù)設(shè)置和在程序中的調(diào)

25、用等），前提是必須已經(jīng)掌握STEP 7的編程基礎(chǔ)知識(shí)。2.1.2.2 PID參數(shù)的設(shè)定 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來確定的。大慣量如大烘房的溫度控制，一般P可在10以上，I=3-10，D=1左右。小慣量如一個(gè)小電機(jī)帶一個(gè)水泵進(jìn)行壓力閉環(huán)控制，一般只用PI控制，P=1-10，I=0.1-1，D=0，這些要在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正，主要是靠經(jīng)驗(yàn)及對(duì)生產(chǎn)工藝的熟悉，參考對(duì)測(cè)量值的跟蹤與設(shè)定值的曲線，從而調(diào)整P、I、D的大小。下面具體說明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟：（1）讓調(diào)節(jié)器參數(shù)的積分系數(shù)I=0，微分系數(shù)D=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，由小到大改變比例系數(shù)P，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得

26、滿意的控制過程為止。（2）取比例系數(shù)P為當(dāng)前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)I，同樣讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，直至得到滿意的控制過程。（3）積分系數(shù)I保持不變，改變比例系數(shù)P，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)P增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)I，力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)P和積分系數(shù)I為止。（4）引入適當(dāng)?shù)奈⒎窒禂?shù)D，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù)P和積分系數(shù)I。和前述步驟相同，微分系數(shù)的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過程滿意為止。需要注意的是：仿真系統(tǒng)所采用的PID調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的工業(yè)PID調(diào)節(jié)器有所不同，其各個(gè)參數(shù)之間是相互隔離的，因而互不

27、影響，用其觀察調(diào)節(jié)規(guī)律十分方便。經(jīng)驗(yàn)法實(shí)質(zhì)上是一種試湊法，它是在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的行之有效的方法，并在現(xiàn)場(chǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)驗(yàn)法簡單可靠，但需要有一定的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，整定時(shí)易帶有主觀片面性。當(dāng)采用PID調(diào)節(jié)器時(shí)，由于有多個(gè)整定參數(shù)，反復(fù)試湊的次數(shù)增多，因此增加了得到最佳整定參數(shù)的難度。2.2采樣信號(hào)和控制量分析本系統(tǒng)共有一個(gè)模擬量（溫度）信號(hào)，從模擬量地址的288讀入PLC。三個(gè)數(shù)字量控制固態(tài)繼電器。其余變量如表2-2所示。表2-2 變量表序號(hào)采樣信號(hào)名稱性質(zhì)（開關(guān)、模擬）傳感器占用硬件資源說明1AI0模擬量熱電偶I288從外界讀入的溫度信號(hào)2DI0開關(guān)量I0.0啟動(dòng)信號(hào)3DI1開關(guān)量I

28、0.1停止信號(hào)4DI2開關(guān)量I0.2溫度繼電器高溫信號(hào)5DI3開關(guān)量I0.3溫度繼電器低溫信號(hào)6DI5開關(guān)量I1.3缺相報(bào)警輸入7DI6開關(guān)量I1.4過載保護(hù)信號(hào)8DO0開關(guān)量Q0.0A相固態(tài)繼電器控制信號(hào)9DO1開關(guān)量Q0.1B相固態(tài)繼電器控制信號(hào)10DO2開關(guān)量Q0.2C相固態(tài)繼電器控制信號(hào)11DO3開關(guān)量Q1.1缺相報(bào)警12DO4開關(guān)量Q1.2高溫指示燈13DO5開關(guān)量Q1.3低溫指示燈14DO6開關(guān)量Q1.5KA線圈2.3系統(tǒng)組成本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示。圖2-3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由圖2-3可知，溫度傳感器采集到數(shù)據(jù)后送給S7-300PLC，S7-300PLC通過運(yùn)算后給固態(tài)繼電器一個(gè)

29、控制信號(hào)從而控制加熱爐的導(dǎo)通與否。上位機(jī)是編寫PLC程序以及監(jiān)控溫度的變化。第三章 硬件設(shè)計(jì) 隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求作出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。本章主要介紹西門子S7-300系列PLC以及其它硬件的組成與選型。3.1 PLC的基本概念可編程序控制器簡稱為PLC

30、，它的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，PLC在其它領(lǐng)域，例如在民用和家庭自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。3.1.1模塊式PLC的基本結(jié)構(gòu)這里我們主要介紹的是西門子S7-300，S7-300屬于模塊式PLC。西門子的PLC以其極高的性價(jià)比，在國內(nèi)占有很大的市場(chǎng)份額，在我國的各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。S7-300模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成，各種模塊安裝的機(jī)架上。通過CPU模塊或通信模塊上的通信接口，PLC被連接到通信網(wǎng)絡(luò)

31、上，可以與計(jì)算機(jī)、其它PLC或其它設(shè)備通信。圖3-1是PLC控制系統(tǒng)的示意圖。圖3-1 PLC控制系統(tǒng)示意圖CPU模塊：CPU模塊主要由微處理器和存儲(chǔ)器組成，S7-300將CPU模塊簡稱為CPU。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷的采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出，模塊中的存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。信號(hào)模塊：輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊一般簡稱為I/O模塊，開關(guān)量輸入/輸出模塊簡稱為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入/輸出模塊簡稱為AI模塊和AO模塊，在S7-300中統(tǒng)稱為信號(hào)模塊。信號(hào)模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU模塊

32、的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號(hào)，開關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)等來的開關(guān)量輸入信號(hào)；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。開關(guān)量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。在信號(hào)模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內(nèi)部電路和外部的輸入、輸出電路。功能模塊：為了增強(qiáng)PLC的功能，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，PLC廠家開發(fā)了各種各樣的功能模塊。主要用于完成某些對(duì)實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)容量要求很

33、高的控制任務(wù)。接口模塊：CPU模塊所在的機(jī)架稱為中央機(jī)架，如果一個(gè)機(jī)架不能容納全部模塊，可以增設(shè)一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。接口模塊用來實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴(kuò)展機(jī)架供電。通信處理器：通信處理器用于PLC之間、PLC與遠(yuǎn)程I/O之間、PLC與計(jì)算機(jī)和其他智能設(shè)備之間的通信，可以將PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工業(yè)以太網(wǎng)，或者用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。電源模塊：PLC一般使用AC 220V電源或DC 24V電源，電源模塊用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC 24V和背板總線上的DC 5V電壓，供其他模塊使用。編程設(shè)備：S7-300使用安裝了編程軟件STEP7的個(gè)人計(jì)算機(jī)作

34、為編程設(shè)備，在計(jì)算機(jī)屏幕上直接生成和編輯各種文本程序或圖形程序，可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程。編程軟件還具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)和硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控和故障診斷等功能。3.1.2 PLC的特點(diǎn)編程方法簡單易學(xué)：梯形圖是使用的最多的PLC編程語言，其電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學(xué)易用，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只需花幾天時(shí)間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高：一臺(tái)小型的PLC內(nèi)有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程元件，可以實(shí)現(xiàn)非常

35、復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能價(jià)格比。PLC可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)：PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。硬件配置確定后，通過修改用戶程序，就可以方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化?？煽啃愿?，抗干擾能力強(qiáng)：PLC用軟件取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的十分之一以下，大大減少了因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障。S7-300有極強(qiáng)的故障

36、診斷能力。PLC使用了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，PLC已被公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少：PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。PLC的梯形圖程序可以用順序控制設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法很有規(guī)律，容易掌握?？梢栽趯?shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試PLC的用戶程序，用小開關(guān)來模擬輸入信號(hào)，通過個(gè)輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管的狀態(tài)來觀察輸出信號(hào)的狀態(tài)，調(diào)試的時(shí)間比繼電器系統(tǒng)少的多。維修工作量小，維修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障診斷功

37、能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程軟件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。體積小，能耗低：對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用PLC后，由于減少了大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，開關(guān)柜的體積比繼電器控制系統(tǒng)小的多。3.2 PLC的工作原理3.2.1 PLC的循環(huán)處理過程CPU中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序。操作系統(tǒng)用來處理PLC的起動(dòng)、刷新輸入/輸出過程映像區(qū)、調(diào)用用戶程序、處理中斷和錯(cuò)誤、管理存儲(chǔ)區(qū)和通信等任務(wù)。用戶程序由用戶生成，用來實(shí)現(xiàn)用戶要求的自動(dòng)化任務(wù)。STEP7將用戶程序和程序所需的數(shù)據(jù)放置在塊中，功能塊FB和功

38、能FC相當(dāng)于用戶編寫的子程序，系統(tǒng)功能SFC和系統(tǒng)功能塊SFB是操作系統(tǒng)提供給用戶使用的標(biāo)準(zhǔn)子程序，這些塊統(tǒng)稱為邏輯塊。PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，這種運(yùn)行方式也稱為掃描工作方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊，相當(dāng)于用戶程序中的主程序，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。PLC得電或由STOP模式切換到RUN模式時(shí)，CPU執(zhí)行啟動(dòng)操作，清除沒有保持功能的位存儲(chǔ)器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，清除中斷堆棧和塊堆棧的內(nèi)容，復(fù)位保存的硬件中斷等。此外還要執(zhí)行一次用戶編寫的“系統(tǒng)啟動(dòng)組織塊”O(jiān)B100，完成用戶指定的初始化操作。以后進(jìn)入周期性的循環(huán)運(yùn)行。圖3-2是掃描過程。結(jié)合圖簡要介紹下掃描

39、過程：（1）操作系統(tǒng)啟動(dòng)循環(huán)時(shí)間監(jiān)控；（2）CPU將輸出過程映像區(qū)的數(shù)據(jù)寫到輸出模塊；（3）CPU讀輸入模塊的輸入狀態(tài)，并存入輸入過程映像區(qū)；（4）CPU處理用戶程序，執(zhí)行用戶程序中的指令；（5）在循環(huán)結(jié)束時(shí)，操作系統(tǒng)執(zhí)行所有掛起的任務(wù)；（6）CPU返回第一階段，重新啟動(dòng)循環(huán)時(shí)間監(jiān)控。 圖3-2掃描過程在啟動(dòng)完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1中可以調(diào)用其他邏輯塊（FB、SFB、FC、SFC）。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。如果有中斷事件出現(xiàn)，當(dāng)前正在執(zhí)行的塊被暫停執(zhí)行，并調(diào)用分配給該事件的組織塊。該組織塊被執(zhí)行完后，被暫停執(zhí)行的塊將從被中斷的地方開始繼續(xù)執(zhí)行。在PLC的存儲(chǔ)器中，設(shè)置

40、了一片區(qū)域用來存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱為輸入過程映像區(qū)和輸出過程映像區(qū)。PLC梯形圖中的其他編程元件也有對(duì)應(yīng)的映像存儲(chǔ)區(qū)。在循環(huán)程序處理過程中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU內(nèi)部的過程映像區(qū)。在寫輸出模塊階段，CPU將輸出過程映像區(qū)的狀態(tài)傳送到輸出模塊。梯形圖中某一輸出位的線圈“通電”時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出過程映像位為1狀態(tài)。信號(hào)經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中的線圈“斷電”，對(duì)應(yīng)的輸出過程映像位為0狀態(tài)，在寫輸出模塊階段之后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電

41、器的線圈斷電，其常開觸點(diǎn)斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。在讀輸入模塊階段，PLC把所有外部輸入電路的接通/斷開狀態(tài)讀入輸入過程映像區(qū)。外部輸入電路接通時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入過程映像位為1狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入位的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外部輸入觸點(diǎn)電路斷開時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入過程映像位為0狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入位的常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了改變，輸入過程映像位的狀態(tài)也不會(huì)隨之而變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)循環(huán)掃描周期的讀輸入模塊階段被讀入。3.2.2用戶程序的執(zhí)行過程PLC的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令和塊調(diào)用指令

42、時(shí)，CPU從第一條指令開始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時(shí)，從輸入過程映像區(qū)或別的存儲(chǔ)區(qū)中將有關(guān)編程元件的0、1狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果寫入到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)中，因此，各編程元件的存儲(chǔ)區(qū)（輸入過程映像區(qū)除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。循環(huán)時(shí)間是指操作系統(tǒng)執(zhí)行一次如圖3.3所示的循環(huán)操作所需的時(shí)間，包括執(zhí)行OB1中的程序段和中斷該循環(huán)的系統(tǒng)操作的時(shí)間，也稱掃描循環(huán)時(shí)間或掃描周期。循環(huán)時(shí)間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。3.3 S7-300簡介 S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。

43、品種繁多的CPU模塊、信號(hào)模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時(shí)更換模塊也很方便。S7-300有很高的電磁兼容性和抗振動(dòng)抗沖擊能力，有350多條指令，其編程軟件STEP7功能強(qiáng)大，可以使用多種編程語言。S7-300采用緊湊的、無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，各個(gè)模塊都安裝在導(dǎo)軌上，用螺栓鎖緊即可。3.3.1數(shù)字量輸入模塊數(shù)字量輸入模塊用于連接外部的機(jī)械觸點(diǎn)和電子數(shù)字式傳感器，例如二線式光電開關(guān)和接近開關(guān)等。數(shù)字量輸入模塊將從現(xiàn)場(chǎng)傳來的外部數(shù)字信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部的信號(hào)電平。輸入電路中一般設(shè)有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點(diǎn)抖動(dòng)或外部干擾脈沖引起

44、的錯(cuò)誤輸入信號(hào)，輸入電流一般為數(shù)毫安。3.3.2 數(shù)字量輸出模塊SM 322數(shù)字量輸出模塊將S7-300的內(nèi)部電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制過程所需的外部信號(hào)電平，同時(shí)具有隔離和功率放大的作用。輸出模塊的功率放大元件有驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的大功率晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管、驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的雙向晶閘管或固態(tài)繼電器，以及既可以驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載又可以驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的小型繼電器。輸出電流典型值為0.52A，負(fù)載電源由外部現(xiàn)場(chǎng)提供。3.3.3數(shù)字量輸入/輸出模塊SM323是S7-300的數(shù)字量輸入/輸出模塊，它由兩種型號(hào)可供選擇。一種是8點(diǎn)的輸入和8點(diǎn)輸出的模塊，輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)均只有一個(gè)公共端。另外一種有16點(diǎn)輸入（8點(diǎn)一組）和16點(diǎn)輸

45、出（8點(diǎn)一組）。輸入、輸出的額定電壓均為DC24V，輸入電流為7mA,最大輸出電流為0.5A，每組總輸出電流為4A。輸入電路和輸出電路通過光耦合器與背板總線相連，輸出電路為晶體管型，有電子保護(hù)功能。3.3.4模擬量輸入模塊模擬量變送器：生產(chǎn)過程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用PLC來測(cè)量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量、液位、物體的成分（例如氣體中的含氧量）和頻率等。有的是強(qiáng)電電量，例如發(fā)電機(jī)組的電流、電壓、有功功率和無功功率、功率因素等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流或直流電壓信號(hào)，例如DC010V和420mA。SM331模擬量輸入模塊的基本結(jié)構(gòu)：模擬量輸

46、入模塊用于將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)，其主要組成部分是A/D（Analog/Digit）轉(zhuǎn)換器。SM331也可以直接連接不帶附加放大器的溫度傳感器（熱電偶或熱電阻），這樣可以省去溫度變送器，不但節(jié)約了硬件成本，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也更加緊湊。3.3.5模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊的基本結(jié)構(gòu)：S7-300的模擬量輸出模塊SM332用于將CPU送給的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為成比例的電流信號(hào)或電壓信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)或控制，其主要組成部分是D/A轉(zhuǎn)換器。模擬量輸出模塊的技術(shù)參數(shù)：SM332的4種模擬量輸出參數(shù)均有診斷功能，用紅色LED指示故障，可以讀取診斷信息。額定負(fù)載電壓均為DC24V。模塊

47、與背板總線有光隔離，使用屏蔽電纜時(shí)最大距離為200m。都有短路保護(hù)，短路電流最大25mA,最大開路電壓18V。3.4溫度傳感器溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學(xué)會(huì)的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場(chǎng)份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計(jì)開始，人們開始利用溫度進(jìn)行測(cè)量。真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳

48、感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。3.4.1 熱電偶工業(yè)熱電偶作為測(cè)量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)過程中不同范圍的溫度。若配接輸出4-20mA、0-10V等標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓信號(hào)的溫度變送器，使用更加方便、可靠。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室等短距離的應(yīng)用場(chǎng)合，可以直接把熱電偶信號(hào)引入PLC進(jìn)行測(cè)量。熱電偶的工作原理是,兩種不同成份的導(dǎo)體,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測(cè)量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當(dāng)熱端和冷端存在溫差時(shí)，就會(huì)在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)

49、；接上顯示儀表，儀表上就會(huì)指示所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)的對(duì)應(yīng)溫度值，電動(dòng)勢(shì)隨溫度升高而增長。熱電動(dòng)勢(shì)的大小只和熱電偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關(guān)，而和熱電偶的長短粗細(xì)無關(guān)。根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。裝配式熱電偶由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護(hù)管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強(qiáng)等特點(diǎn)，適宜安裝在裝配式熱電偶無法安裝的場(chǎng)合，它的外保護(hù)管采用不同材料的不銹鋼管，可適合不同使用溫度的需要，內(nèi)部充滿高密度氧化絕緣體物質(zhì)，非常適合于環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。隔爆式熱電偶通常應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體

50、的場(chǎng)合，如果使用普通熱電偶極易引起氣體爆炸，則在這種場(chǎng)合必須使用隔爆熱電偶。熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號(hào)的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測(cè)量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測(cè)溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測(cè)量快速變化的過程，如燃燒和爆炸過程等。對(duì)一般的工業(yè)應(yīng)用來說，為了保護(hù)感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護(hù)套里面，外觀就顯得笨大，對(duì)于溫度場(chǎng)的反應(yīng)也就遲緩得多。使用熱電偶的時(shí)候，必須消除環(huán)境溫度的波動(dòng)對(duì)測(cè)量帶

51、來的影響。有的把它的自由端放在不變的溫度場(chǎng)中，有的使用冷端補(bǔ)償器抵消這種影響。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)遠(yuǎn)離儀表時(shí)，還需要使用熱電勢(shì)率和熱電偶相近的導(dǎo)線來傳輸信號(hào)，這種導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。 3.4.2 熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度測(cè)量元件。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。當(dāng)電阻值變化時(shí)，二次儀表便顯示出電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精度是最高的。鉑熱電阻根據(jù)使用場(chǎng)合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測(cè)溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們

52、提供精確的輸入值。若做成一體化溫度變送器，可輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或0-10V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，使用起來更為方便。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅。此外，現(xiàn)在已開始采用鉻、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，熱電阻也有鎧裝式熱電阻、裝配式熱電阻、隔爆式熱電阻等種類，與熱電偶類似。鉑電阻的工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關(guān)系即分度特性符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。分度號(hào)Pt100的含義為在0時(shí)的名義電阻值為100，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。此外還有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等鉑熱電阻，Cu50、Cu100的銅

53、熱電阻等。本設(shè)計(jì)選用鎳鉻-鎳硅N型熱電偶。 3.5固態(tài)繼電器3.5.1 概述 固態(tài)繼電器（Solid State Relay，簡稱SSR）與機(jī)電繼電器相比，是一種沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不含運(yùn)動(dòng)零件的繼電器，但它具有與機(jī)電繼電器本質(zhì)上相同的功能。SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)元件，他利用電子元器件的點(diǎn)，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場(chǎng)效應(yīng)管，單項(xiàng)可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達(dá)到無觸點(diǎn)，無火花地接通和斷開被控電路。它是一種四端有源器件，其中兩端為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端，如圖3-3所示。    

54、0;    圖3-3 固態(tài)繼電器模塊示意圖   當(dāng)輸入端有控制信號(hào)，輸出端從關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)；控制信號(hào)撤消后，輸出端變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的用途。    固態(tài)繼電器的輸入端、輸出端之間采用光電隔離技術(shù)，使得弱電和強(qiáng)電隔離，因此從計(jì)算機(jī)等弱電設(shè)備輸出的信號(hào)可以直接加在固態(tài)繼電器的控制端上，無需另外的保護(hù)電路。3.5.2 固態(tài)繼電器的組成 固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還

55、具有與TTL/CMOS兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時(shí)，通常使用兩個(gè)可控硅或一個(gè)雙向可控硅，直流輸出時(shí)可使用雙極性器件或功率場(chǎng)效應(yīng)管。 3.5.3 固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點(diǎn) 3.5.3.1 固態(tài)繼電器的優(yōu)點(diǎn) （1）高壽命，高可靠:SSR沒有機(jī)械零部件，由固體器件完成觸點(diǎn)功能，由于沒有運(yùn)動(dòng)的零部件，因此能在高沖擊，振動(dòng)的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高。 （2）靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好:固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動(dòng)功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。 （3）快速轉(zhuǎn)換:固態(tài)繼電器因?yàn)椴捎霉腆w器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微秒。 （4）電磁干擾小:固態(tài)繼電器沒有輸入"線圈"，沒有觸點(diǎn)燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個(gè)零電壓開關(guān)，