基于PLC的蓄熱式加熱爐自動控制系統(tǒng)

第1章緒論1.1系統(tǒng)設(shè)計背景由于現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，高溫、壓強、熱流量以及自動控制等是四種最常用的過程變量。而在這里，高溫又是一種十分關(guān)鍵的過程變量。比如：在冶金工業(yè)、化工、電力工業(yè)、機械加工和藥品生產(chǎn)等諸多行業(yè)中，都要求對所有的基本要求、各式各樣的蓄熱式恒溫爐、熱處理爐、各種鍋爐內(nèi)外部的爐子溫度進行檢查和監(jiān)控。而在這些方面的采取措施主要是采用由PLC實現(xiàn)的PID控制系統(tǒng)，所以PLC在這方面已經(jīng)被認為是公認的最優(yōu)選擇。一般情況下，通過采用PLC對它們進行操作可以提高被測物體溫度并使控制系統(tǒng)整定得到優(yōu)化。蓄熱式處理爐、化學(xué)反應(yīng)爐等等，對原件的生產(chǎn)與加工需求都必須對溫度控制做出嚴格要求，所以，在工業(yè)生產(chǎn)等化學(xué)反應(yīng)過程以及家庭日常中都需要對溫度的變化進行調(diào)節(jié)和檢查，由于在實際控制中對于溫度的控制方法是多種多樣的，而一般的溫度控制器都是由繼電器構(gòu)成的，但是由于繼電器的觸點數(shù)量和應(yīng)用時間非常有限，失效率也偏大，所以安全性較差，并不能完全適應(yīng)于現(xiàn)代的生產(chǎn)管理需求。同時伴隨著計算機科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，臺式微型計算機也在工業(yè)上實現(xiàn)了越來越多的功能。將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到溫度控制器上，使得溫度控制器可以更小型化，更精準。因為中國“綠色發(fā)展”策略的制定，所以使用開放式的溫度傳感器可以減少能耗的浪費。如今，智能溫度控制器已經(jīng)應(yīng)用在了家庭生活、工業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域中，并也應(yīng)用在了家電、車輛、建筑、電力電子等諸多領(lǐng)域，成為促進國民經(jīng)濟的主要熱工裝置之一。1.2溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況溫度控制器也作為向自然界供電、采暖等的重要裝置的驅(qū)動來源，它的產(chǎn)生至今已有200余年的歷史了。在這個時間周期，從低級發(fā)展到高級，從簡單到復(fù)雜，伴隨著工業(yè)生產(chǎn)力的提高以及對高溫控制精度需求的日益增長，高溫系統(tǒng)的控制技術(shù)也得以快速開發(fā)。單片機的發(fā)展歷程雖然并不長，但是它憑借著體積較小，價格較低等優(yōu)秀特點在工業(yè)生產(chǎn)中占領(lǐng)了一席之地。它早已由開始的4位機逐漸擴展到了32位機，并且其穩(wěn)定性也逐步獲得了提高。PLC穩(wěn)定性非常好、抗干擾能力強、編程簡便，很容易被人們所熟知和應(yīng)用，故目前已在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。相比于IPC，DCS，F(xiàn)SC等傳統(tǒng)技術(shù)來說，PLC更加具備了技術(shù)方面的優(yōu)越性。也因此，PLC技術(shù)一直占領(lǐng)著較大的市場占有率，其未來的發(fā)展也非常具有前景。組態(tài)電腦（IPC）即工業(yè)用電腦。由于IPC的穩(wěn)定性較高、應(yīng)用豐富、價格低廉，所以使用十分普遍。它可以應(yīng)對各種工程的嚴酷條件，耐震動、抗高溫、耐灰塵，以及抗電磁輻射。在十九世紀至二十世紀初期，工業(yè)上的爐溫控制來源主要是人工控制和使用傳統(tǒng)溫度儀器進行操控，但是很難取得令人滿意的成績，主要問題在于工業(yè)鍋爐的燃料燃燒是一個諸多變量改變的繁雜控制過程?？刂迫紵淖兞肯到y(tǒng)身份復(fù)雜，較好的數(shù)學(xué)模型也無法確定，以典型的PID為依據(jù)的傳統(tǒng)儀器控制，也很難達達到最佳水平。而現(xiàn)代電子計算機已經(jīng)創(chuàng)造出了諸如數(shù)字濾波，積分的PID。參數(shù)自動調(diào)節(jié)的一種靈活性方法，還有“模糊判斷”作用，是一般儀表和人員難以實現(xiàn)或不能做到的。在工業(yè)鍋爐的監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用組態(tài)計算機系統(tǒng)能提高對鍋爐水溫的監(jiān)測性能，增加平均熱效率。但若單獨使用組態(tài)電子計算機進行控制，則存在容易干擾和準確性低的弊端。集散式溫度控制器（DCS）是一個工作上離散，控制上集中的新型控制器。和傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)一樣有著大量的控制、調(diào)整溫度的能力和特性。而基本DCS的基礎(chǔ)功能就是網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。他的基本目標就是在系統(tǒng)各單元間創(chuàng)造通訊系統(tǒng)。所以通過基本DCS的溫度器可以提高系統(tǒng)的智能化程度和管理水平，也可以降低作業(yè)人員的勞動強度，還可以大大提高整個系統(tǒng)的工作效率。但是整個DCS系統(tǒng)生產(chǎn)成本也相對較高。實線總線控制系統(tǒng)（FCS）綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計算機等許多不同方式的調(diào)控。其特征是信息化、分散式的。FCS控制器的數(shù)據(jù)即時化，能夠直接完成傳感、測量、報警等的操作。這些都是其他控制器無法實現(xiàn)的。這使得FSC在不同場所中的應(yīng)用增添加了很大的難度。不同的技術(shù)也有自身的特點，客戶可以按照具體需求進行系統(tǒng)配置，當然，在具體應(yīng)用上，想要實現(xiàn)良好的控制系統(tǒng)，需要通過多種技術(shù)的融合，實現(xiàn)互補長短。1.3本文的研究內(nèi)容本文把西門子PLCS7-200作為可編程化控制器來實現(xiàn)控制功能，系統(tǒng)的串接技術(shù)采用的是串級繼電器連接技術(shù)，為主、副控制器都選用了PID控制算法，通過自整定或手動控制PID參數(shù)，實時顯示當前溫度值，調(diào)整加熱裝置，將所有裝置的工作溫度都控制在80℃上下，本次實驗溫度的閾值范圍設(shè)定為75℃到85℃。同時能夠完成手動啟動和停止，通過觀察指示燈的亮滅情況來觀察系統(tǒng)運行狀態(tài)，可實時顯示當前內(nèi)膽溫度變化及夾套的溫度值的變化情況。輔助系統(tǒng)中，水系統(tǒng)流量通過水泵變頻控制，使水系統(tǒng)流量恒定在控制范圍以內(nèi)；加熱爐內(nèi)液位通過加水閥和出水閥控制，使液位保持在控制液位。液位處于加熱爐總?cè)莘e的20%~80%時設(shè)定為正常水平。本設(shè)計包括以下幾個部分內(nèi)容的介紹：第一篇導(dǎo)論，介紹了國內(nèi)外溫度研究的發(fā)展歷史和趨勢，闡述了目前溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。第二篇，首先簡要的從硬件系統(tǒng)部分和軟件系統(tǒng)部分闡述了系統(tǒng)的基本設(shè)計思想，并且簡要介紹了PID算法在本系統(tǒng)中的實際使用情況，并對有關(guān)技術(shù)參數(shù)進行了介紹。第三篇，系統(tǒng)硬件設(shè)計：介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)和接線圖，詳細闡述了本設(shè)計中所使用的的幾種傳感器的特點以及它們的選型，介紹了霍爾效應(yīng)的概念和應(yīng)用。第四篇，系統(tǒng)軟件程序的編程：對系統(tǒng)編程的基本思路以及各個程序方面的目標、結(jié)構(gòu)、流程圖和梯形圖做了詳盡說明，同時對程序設(shè)計環(huán)境的配置做出了解釋。第五篇，總結(jié)。

第2章實驗操作方案及PID算法描述2.1系統(tǒng)總體方案加熱爐的溫度控制設(shè)備是由軟件操縱系統(tǒng)和硬件實物系統(tǒng)這兩部分構(gòu)成的。2.1.1硬件方案設(shè)計硬件基本構(gòu)成有PLC主控系統(tǒng)部分、調(diào)功器、加熱爐、加熱器、啟動/停止開關(guān)按鈕、數(shù)顯表與溫度變送器五部分組成REF_Ref20461\r\h[17]。其結(jié)構(gòu)硬件部分組成及其關(guān)系如圖2.1所示。圖2.1加熱爐硬件部分組成圖實驗的基本工作原理：加熱爐作為加熱對象（本設(shè)計采用自來水作為加熱對象）的容器，首先溫度變送器檢測爐內(nèi)水溫和夾套的溫度，通過產(chǎn)生一個0~10V的電壓信號，傳送給S7-200PLC的模擬量擴展模塊EM235，由PLC主控系統(tǒng)部分進行運算和處理后再由模擬量擴展模塊EM235產(chǎn)生一個0~5V的控制信號傳送給調(diào)功器，調(diào)功器根據(jù)不同的控制信號輸出不同的電壓來控制加熱爐內(nèi)的加熱器來對水溫進行加熱和控制REF_Ref29886\r\h[6]，由此水溫升高或降低就會影響溫度檢測元件，從而產(chǎn)生了一個閉環(huán)回路控制，因此達到了平衡控制水溫的目的。通過啟動和停止產(chǎn)生的開關(guān)量數(shù)字信號來控制系統(tǒng)運行與停止，實現(xiàn)手動控制的功能。兩個數(shù)顯表分別用于顯示夾套溫度和內(nèi)膽溫度，其分辨率為1℃。2.1.2軟件方案設(shè)計主控制器和副控制器通過PID算法調(diào)節(jié)，整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)由測量對象的調(diào)功器、測量元件的變送器等部分構(gòu)成。其主要工作原理為：首先計算出兩個控制器中PID的相關(guān)參數(shù)，然后設(shè)定初始PID，把夾套溫度變送器和內(nèi)膽溫度變送器傳送回來0~10V的電壓信號通過模擬量輸入模塊EM235的A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)?~32000的數(shù)字量，然后進行變換變?yōu)?~1的過程量形參，然后給定一個夾套溫度給定量SV和夾套溫度過程量PV1傳送給主控制器PID運算，得到的結(jié)果OUT1作為副控制器的給定量SV與內(nèi)膽溫度過程量PV0傳送給副控制器PID運算，得到的結(jié)果OUT0經(jīng)過標度變換和模擬量輸出模塊EM235的A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)?~5V的控制信號傳送給溫度調(diào)功器，對爐內(nèi)加熱器進行控制，同時對內(nèi)膽溫度和夾套溫度進行檢測，形成雙閉環(huán)回路控制。其組成圖如圖2-2所示，流程圖如圖2-3所示。圖2.2加熱爐軟件控制部分組成圖圖2.3系統(tǒng)流程框圖2.2PID控制算法模擬數(shù)閉環(huán)控制比較好的工具之一就是PID控制器，PID在工程方面的使用已達60余年，現(xiàn)在仍然普遍的使用。我們在研究的過程中已經(jīng)累積了很多的知識，因此PID的實際應(yīng)用也達到了相當高的水準。比例控制法(P)是一個比較基本的控制系統(tǒng)方法。其優(yōu)秀特性是能夠快速做出反應(yīng)，檢測也較準確，但卻無法減少余差。在積分控制原理(I)中，傳感器的輸出功率和對系統(tǒng)誤差信號的微分值呈正比例關(guān)系，并能夠減少余差。但是它的缺點是無法較快地對偏差范圍作出合理的限制。在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系REF_Ref1138\r\h[5]。微分控制具有超前作用，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，避免較大的誤差出現(xiàn)。微分控制的不足之處是不能夠消除余差。2.2.1PID算法圖2.4帶PID控制器的閉控制系統(tǒng)框圖如圖2-4所示，PID控制器可以矯正回路的輸出值，可以有效地調(diào)整系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。它不僅可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，而且還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當控制過程中參數(shù)發(fā)生變化時，偏差e與輸入量r和輸出量c之間存在著一定的相關(guān)性:(2-1)控制器的輸出為：(2-2)上式中，——PID回路的輸出數(shù)值；——比例增益，也是調(diào)試參數(shù)；P；——積分系數(shù)I；——微分系數(shù)D；而PID調(diào)節(jié)器的輸出參數(shù)如下：(2-3)其離散化的原理如表2.1所示。表2.1模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以PID輸出數(shù)值經(jīng)過離散化后，它的輸出方程為；(2-4)式2-4中，稱為比例項；稱為積分項；稱為微分項；2.2.2PID在PLC中的回路指令目前，許多可編程邏輯控制器已經(jīng)實現(xiàn)了PID控制功能，其中STEP7Micro/WIN是其中之一，它可以作為專用模塊或指令形式的一部分。用最小二乘法對每個采樣周期進行擬合后，再按一定規(guī)則求出對應(yīng)于該采樣周期的每一個誤差項和相應(yīng)的累計值，然后將這些數(shù)據(jù)代入公式得到下一采樣周期的誤差估計。在西門子S7-200系列PLC中，PID回路的操作指令可在表2-2中找到。表2.2PID回路指令名稱PID運算指令格式PID指令表格式PIDTBL，LOOP梯形圖使用方法：PID算法通過在一個由V變量作為起點的回路表（TBL）和回路號（LOOP）構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控。該算法可根據(jù)回路表的輸入和結(jié)構(gòu)特征，對系統(tǒng)的基本參數(shù)和狀態(tài)加以調(diào)節(jié)，從而得到預(yù)想的監(jiān)控結(jié)果。這條命令包含2個數(shù)據(jù)接口：TBL（VB），它代表了一個字符串的數(shù)據(jù)集；LOOP（0~7）（一個參數(shù)），它代表了一個循環(huán)的結(jié)束。一個程序至少能夠使用8條PID命令。PID控制環(huán)路的地址分配關(guān)系在PLC中的地址分配情況如表2.3所示。表2.3PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據(jù)類型說明0過程變量（PVn）實數(shù)必須在0.0~1.0之間4給定值（SPn）實數(shù)必須在0.0~1.0之間8輸出值（Mn）實數(shù)必須在0.0~1.0之間12增益（Kc）實數(shù)比例常數(shù)，可正可負16采樣時間（Ts）實數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20采樣時間（Ti）實數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時間（Td）實數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項前值（MX）實數(shù)必須在0.0~1.0之間32過程變量前值（PVn-1）實數(shù)必須在0.0~1.0之間（1）回路中輸入數(shù)值和輸出變量的演變方法在設(shè)計中切換電源的接口有二個的溫度模擬量信號，夾套的內(nèi)膽溫度通過溫度測量系統(tǒng)，被傳輸?shù)紼M235進行A/D變換后得出的結(jié)論為溫度值是整數(shù)，而在工程設(shè)計中所要求的過程變量是實數(shù)，于是我們就必須把溫度任意整數(shù)的變換成真實數(shù)值，這其中需要使用I_DI，DI_R指令，就像在溫度標度變換中的轉(zhuǎn)換過程那樣，才獲得了真實的溫度數(shù)值。在DI_I指令時，也如在副控制器中斷過程時那樣，將得出的信息通過模擬量的端口輸出。（2）實數(shù)的歸一化處理它們的相對位置都在0.0~1.0之間。關(guān)于歸一性的方程如下：（2-5）在這個公式里,——經(jīng)過標準化的實數(shù)值；——還沒有經(jīng)過標準化的實數(shù)值；——最大補償數(shù)值的偏差。例如，單極性設(shè)定在0.0，而雙極性設(shè)定為0.5；——表示值的范圍。本文中采用的都是單極性，故轉(zhuǎn)換方法如下：（2-6）3）回路輸出變量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通過對D/A的模擬量進行校正，我們可以將原始的0.0~1.0的輸入信號調(diào)節(jié)為一個更加精確的0.0，以便將其轉(zhuǎn)換為更加精確的1.0，從而使得D/A的模擬量能夠更加精確地反映原始的0.0。實數(shù)值的標準化是一個重要的步驟。（2-7）本次實驗PID中三個最基本的參數(shù)：Kp比例增益、Kd微分增益、Ki積分增益。（1）Kp比例增益：Kp尺度控制考慮了當前誤差，誤差值乘以一個正常數(shù)Kp，它代表了尺度。我們可以通過一個例子來進行說明，比如水溫的控制，我們把當前值和設(shè)定值做一個對比。如果當前值與設(shè)定值差距不是很大，我們就讓加熱器慢慢的加熱。如果有一些因素或外界環(huán)境的影響，使溫度下降了，這時，我們通過給加熱器施加一個“小推力”，來增加加熱器的功率，對加熱爐進行加熱。如果當前溫度遠低于設(shè)定溫度時，我們可以讓加熱器快速啟動并且進行加熱，增加加熱器的功率，以盡快將水溫提升至設(shè)定溫度值。在編寫PID的Kp比例增益程序時，我們讓偏差(目標值與實際測量值的差額)與調(diào)節(jié)裝置的偏差頻率，建立一個函數(shù)關(guān)系，以此來實現(xiàn)最基本的“比例”控制。一般來說，Kp越高，調(diào)整頻率就越激進，而Kp越低，調(diào)整頻率就越平緩。（2）Kd積分增益：Kd微分控制首先要考慮未來誤差，通過計算誤差的一階導(dǎo)數(shù)，并將其與正常數(shù)Kd相乘。有了P的效果，我們發(fā)現(xiàn)一個問題，若是單單只有P的控制效果，無法使加熱爐正常工作，控制水溫也不能穩(wěn)定在一個我們設(shè)定的范圍值，整個系統(tǒng)在控制過程中顯得并不是特別穩(wěn)定。所以在這種情況下，就需要一個控制作用，使被控制量的“變化率”接近于0，這就好比阻尼運動。這是因為P在接近目標時控制效果就會變得不那么明顯了。越接近目標，p的作用越溫和，許多內(nèi)部或外部因素就會使控制量在小范圍內(nèi)擺動。Kd參數(shù)越大，溫度的升溫或降溫趨勢越明顯。在加熱爐控制中，加上P、D兩種控制效果，如果參數(shù)調(diào)整得當，就可以達到使加熱爐正常運行的目的。（3）Ki積分增益:Ki積分控制通過將誤差值的和(即誤差和)乘以一個正常數(shù)Ki來考慮過去的誤差。還是以加熱爐為例。我們把加熱爐和加熱裝置放置在一個溫度處于零下的冰屋內(nèi)，然后開始燒水，我們的目標是把加熱爐里面的水加熱到80℃。在P的作用下，水溫緩慢上升，直至75℃。這時我們發(fā)現(xiàn)一個很棘手的問題：由于室內(nèi)溫度太低了，向外擴散熱量的速度幾乎與P控制的加熱速度持平了。這時候，P就會想:我離目標很近了，我只需緩緩的加熱，就能夠達到預(yù)期效果。但是此時D是這樣想的:吸收熱量和放出熱量是相等的，溫度不再波動了，我應(yīng)該不需要調(diào)整任何東西，這已經(jīng)達到平衡，符合預(yù)期標準。因此，水溫永遠保持在了75℃，永遠不會達到80℃了。在這種情況下，需要設(shè)置一個產(chǎn)品組件，通過測量偏差值，不斷地整合(累積)并反映在調(diào)整力中。這樣，即使75℃和80℃的差別不是太大，隨著時間的推移，只要沒有達到目標溫度，產(chǎn)品分量就會不斷增加，系統(tǒng)就會逐漸意識到?jīng)]有達到目標溫度，需要繼續(xù)增加功率。達到目標溫度后，假設(shè)溫度不波動，積分值不會改變，此時加熱功率仍等于散熱功率，但溫度可以穩(wěn)定在80℃左右。Ki值越大，積分時的乘法系數(shù)越大，積分效果越明顯。因此，I的作用是減小靜態(tài)情況下的誤差，使控制的物理量盡可能接近目標值。使用I還有一個問題:需要設(shè)置一個積分限制，以防止產(chǎn)品組件在加熱開始時變得太大而無法控制。2.2.3PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定過程用到的方法叫做經(jīng)驗法，它是根據(jù)運行經(jīng)驗，利用一組經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)來達到整定效果，其規(guī)律如表2.4所示。表2.4溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時間（分鐘）微分時間（分鐘）溫度滯后較大20~6020~400~3（1）整定比例控制比例控制的程度由弱變強，進行多次溫度反應(yīng)過程，直到獲得反應(yīng)較快、超調(diào)數(shù)量小的反應(yīng)曲線為止。（2）整定積分環(huán)節(jié)通過觀察其響應(yīng)曲線。通過縮短分數(shù)持續(xù)時間，增強分數(shù)效應(yīng)，并適當改變比例關(guān)系，多次試驗從而獲得最滿意的結(jié)果，并確定比例系數(shù)和積分系數(shù)。3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。經(jīng)過經(jīng)驗得出本設(shè)計的PID參數(shù)如下，主控制器的增益為0.15，采樣時間為0.2S，積分時間為30min，微分時間為3.0min；副控制器的增益位2.0，采樣時間為0.2S，積分時間位27min，微分之間為0min。PID參數(shù)調(diào)整也會對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生一定影響，其影響的一般情況如表2.5所示：表2.5P、I、D調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)整方式上升時間超調(diào)量安定時間穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)定性↑Kp減小↓增加↑小幅增加↓減小↓變差↓↑Ki小幅減小↓增加↑增加↑大幅減小↓變差↓↑Kd小幅減小↓減小↓減小↓變動不大—變好↑通過上面表格，我們觀察到：三種調(diào)整方式各自都有自己的特色，但觀察其中的一個或者兩個，控制效果并不能達到我們期望的效果，只有當把三個算法一起作用于控制系統(tǒng)的時候，三種算法取長補短，優(yōu)勢互補，以此達到了蓄熱式加熱爐的理想化控制。

第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)的硬件組成3.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成溫度傳感器的主要功能包括一個可編程傳感器、一個調(diào)功器、兩個溫度控制器回路、一個加熱器、一個模擬量輸入輸出模塊:是一個多功能EM235拓展模塊、兩個開啟/終止指明燈，還有一組工作的實物指示燈，分別代表進水閥門，排水閥門，溫度。3.1.2系統(tǒng)各個組成部分完成的任務(wù)（1）首先點擊ON按鈕/OFF按鈕，溫度加運行指示燈亮起，表明加熱爐已經(jīng)啟動；而按下OFF按鈕，系統(tǒng)就會停止運行，指示燈也會熄滅。這樣，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的控制，從而實現(xiàn)開始和結(jié)束操作。（2）溫度變送器：通過測量加熱爐夾套和內(nèi)膽的溫度，把溫度數(shù)值轉(zhuǎn)化成為在PLC中能夠直接讀取的電壓模擬量數(shù)值，并且傳遞到PLC模擬量輸入輸出模塊中的EM235模塊。（3）電源穩(wěn)壓器和加熱器:兩者都通過PLC仿真向輸出模塊傳遞0~5V的電壓信號進行識別，以改變電源穩(wěn)壓器的輸出電壓，得到火電機組的輸入信號，來加熱爐的溫度。（4）可編程控制器和模擬量輸入/輸出擴展模塊是一種高效的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它能夠根據(jù)實時的溫度變化，經(jīng)過標準化的轉(zhuǎn)換處理，將溫度變化的結(jié)果傳輸?shù)蕉S數(shù)字表中，從而實現(xiàn)對內(nèi)膽和夾套溫度的精確控制。此外，它還能夠通過數(shù)學(xué)運算，實現(xiàn)對溫度變化的快速響應(yīng)。3.2可編程控制器PLC是一種具有微處理機的高級數(shù)字化電氣裝置，它是為了滿足工業(yè)自動化和信息化的需求而開發(fā)出來的，它的作用是取代傳統(tǒng)的繼電器，實現(xiàn)精確的邏輯操作，從而提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的提高，這些設(shè)備的實際作用已遠遠超出了傳統(tǒng)邏輯控制器的范疇，所以，今天把這些設(shè)備都叫做可編程控制器，又稱作PLC。3.2.1PLC的特性（1）穩(wěn)定性好，屏蔽信號能力突出穩(wěn)定性強是PLC各種型號設(shè)備的主要優(yōu)點。PLC的發(fā)明用到的是當今極為發(fā)達的集成電路的思想和工藝設(shè)計出來的，它內(nèi)部的布局線路采用的是極好的防外界干擾技術(shù)路線，對信號的傳遞和通訊具有極其強大的保護作用。（2）配套齊全，功能完善，適用性強隨著PLC的不斷發(fā)展，現(xiàn)已能夠生產(chǎn)出各種不同尺寸的系列化商品。它可適用于不同的環(huán)境和工廠以及各種需要自動化工藝的場合，現(xiàn)如今的PLC控制器絕大部分都已經(jīng)具備了比較突出的邏輯數(shù)學(xué)計算功能，能適應(yīng)于不同的工作行業(yè)和工作環(huán)境。（3）簡單易學(xué)，結(jié)構(gòu)條理清晰易懂PLC的控制設(shè)備一般采用的都是模塊化設(shè)計。包括充電電源、主芯中央處理器以及I/O接口等都是采用的此方法思想進行設(shè)計制作的，這就使PLC具有較強的邏輯性，通過學(xué)習(xí)各個模塊的功能，最后綜合起來，就讓PLC的使用更加簡潔，達到易操作，高效率的優(yōu)質(zhì)特性。3.2.2PLC的選型西門子PLC相比于其他的PLC價格比較貴，而且功能也比較強，實用性好，有相配套的伺服系統(tǒng)和組態(tài)程序。而在本科階段，我所了解的也大多是西門子公司的PLC。目前西門子PLC的產(chǎn)品類型主要包括S7-200PLC，S7-300PLC，S7-400PLC系列，但是因為該系列所需要能力與工藝要求S7-200也基本可以滿足，所以從經(jīng)濟角度考慮選擇了西門子PLC的S7-200系列產(chǎn)品。3.2.3西門子S7-200主要功能模塊介紹（1）CPU模塊：S7-200的CPU模塊包括一個中央處理單元，電源及數(shù)字I/O點，這些都被集成在一個緊湊，獨立的設(shè)備中，CPU負責(zé)執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，驅(qū)動外部負載。CUP224型號的PLC具有10輸入/8輸出的數(shù)字量及兩個模擬量輸入和一個模擬量輸出，可完成設(shè)計所需的技術(shù)要求，所以本設(shè)計選用CUP224DC/DC/DC。CUP用24VDC電源，24VDC輸入，24VDC輸出，其功率為5W。（2）模擬量擴展模塊：通過設(shè)備測出的溫度，將其轉(zhuǎn)變到0～5V的電壓范圍后，通過主控器將電量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后再送入PLC控制系統(tǒng)中進行處理，目前S7-200PLC的仿真量控制系統(tǒng)包含有EM231，EM232和EM235等三種不同的仿真量控制系統(tǒng)。其輸入/輸出特性如表3.1所示。表3.1EM235輸入/輸出特性模擬量輸入特性：模擬量輸入點數(shù)4輸入范圍

電壓(單極性)

電壓(雙極性)

電流

0～10V，0～5V，

±10V，±5V，±2.5V，

0～20mA數(shù)據(jù)字格式

單極性，全量程范圍-32000～+32000

雙極性，全量程范圍0～32000

-32000～+320000

0～32000模擬量輸出特性：模擬量輸出點數(shù)1信號范圍

電壓輸出

電注輸出±10V

0到20mA數(shù)據(jù)字格式

電壓

電流

-32000～+32000

0～+320003.3系統(tǒng)其他硬件選型及配置3.3.1溫度傳感器溫度傳感器是一種利用物體的特定物理特性來檢測和測量溫度的設(shè)備，它可以將高溫分子轉(zhuǎn)換成動能來提供熱量。其工作原理如圖3.1所示。圖3.1溫度傳感器原理圖當兩個溫度不同的導(dǎo)體A和B相互連接時，其中一個溫度為T，另一個溫度為TO，這時，電路中就會產(chǎn)生電流密度的差異，如圖3-1所示，這種感應(yīng)電動勢被稱為熱電動勢。這些因為溫度差異而出現(xiàn)感應(yīng)電動勢的過程，就叫做塞貝克反應(yīng)。和塞貝克力相關(guān)的放熱反應(yīng)主要有兩種。AD590是一種單片式集成的二端感溫電源。它的主要功能包括：1、AD590是一款非常適合遠程監(jiān)控的設(shè)備，它具有極高的阻抗。2、AD590的電流輸出具有極高的靈活性，它能夠抵抗長距離的電壓變化，無論是什么樣的雙絞線，它都能夠有效地將其與接收電路隔離開來。3、AD590具有強大的功能，能夠輕松地進行多路復(fù)用：無論是在CMOS中切換輸入，還是在控制電源電壓時，都能夠輕松地切換。圖3.2AD590溫度傳感器3.3.2溫度變送器圖3.3NHR-213溫度變送器溫度變送器是將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標準化輸出信號的儀表，主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。根據(jù)不同用途溫度變送器可以分為三大類：（1）輕巧型溫度變送器：體型小巧精致，安裝快捷方便，一般用于狹小空間，可以節(jié)約安裝空間。（2）分體式溫度變送器：主要特點是可以搭配不同的溫度傳感器探頭，它能夠?qū)崿F(xiàn)實時顯示數(shù)據(jù)和傳遞信號的功能，信號穩(wěn)定，波動小。（3）導(dǎo)軌式溫度變送器：可以安裝在控制柜內(nèi)，各式各樣形狀的傳感器探頭都能與其搭配，具有普遍性。同時，能夠輸出電壓電流等信號。（4）熱力管道專用溫度變送器：可以安裝在管道中預(yù)留好的套管中，通過螺紋與管道固定，具有穩(wěn)固，保護性好的特點，維修時也方便更換。本次設(shè)計中，我選用的是NHR-213智能溫度變送器，它屬于輕巧型溫度變送器的一種。輸出電壓為：12~40V-DC；輸出電流為：4~20mA-DC。它的特點是：①能夠?qū)崿F(xiàn)能量補償，低功耗。②應(yīng)用成本低，方便快捷。③環(huán)境適應(yīng)強，適用范圍廣。④可以實現(xiàn)無線通訊，安裝，調(diào)試效率都很高。它的選擇符合本次溫控實驗設(shè)計的標準，所以選用的是這種型號的溫度變送器。3.3.3液位傳感器液位傳感器是作為監(jiān)測、測量和傳感液體（有時是固體）實時水平的裝置。當檢測到液位變化時，傳感器就會將感知到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號。其工作原理如圖3.4所示。圖3.4液位傳感器原理圖當液位傳感器投入到被測液體中的某一深度時，接觸液面部分的傳感器受到的壓強公式為：Ρ=ρ.g.H+Po，在此式中P表示變送器接觸液面所受壓強大?。沪驯硎颈粶y液體密度大??；g表示被測物體當?shù)氐闹亓铀俣?；Po表示液面上的標準大氣壓強；H表示變送器投入液體的深度。MIK-P260壓力式液位傳感器采用的是一種被稱作半導(dǎo)體膜盒結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在其工作時，通過讓金屬片承受加熱爐中被測物體（本實驗選用的被測物體是水）的壓力，再通過傳感器中的硅油將壓力傳遞給半導(dǎo)體應(yīng)變片進行液位測量，將壓力信號通過拓展模塊EM235輸入輸出給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)通過計算和處理，將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為電壓信號傳遞給調(diào)功器，調(diào)功器輸出電壓控制進水閥門和出水閥門，以此來實現(xiàn)控制液位的目的。本次實驗所選用的MIK-P260壓力式液位傳感器具有體積小、溫度范圍寬、可靠性好、精度高的優(yōu)點，同時，其應(yīng)用范圍也在不斷地拓寬。圖3.5MIK-P260壓力式液位傳感器3.3.4流量傳感器水流量傳感器通過對水流量的感應(yīng)，可以通過輸出脈沖信號或電流、電壓等信號傳遞給控制器，控制器通過這些脈沖信號來對加熱爐中的水做出感應(yīng)，并且通過水泵來對水流的大小進行變頻控制。其工作原理如圖3.6所示。圖3.6流量傳感器原理圖當水流過閥門時，傳感器會控制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，我們通過觀察電動機速度的變化來確定水流量傳感器工作的頻率和對水的控制功率。與此同時，霍爾效應(yīng)傳感器將該變化計算為脈沖信號輸出，由此就可以測量水的流速。該傳感器工作背后的主要工作原理是霍爾效應(yīng)。根據(jù)該原理，在該傳感器中，由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而在導(dǎo)體中感應(yīng)出電壓差，該感應(yīng)的電壓差垂直于電流。當動風(fēng)扇由于水流而旋轉(zhuǎn)時，它使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而感應(yīng)出電壓，該感應(yīng)電壓由霍爾效應(yīng)傳感器測量，并顯示在LCD顯示屏上。YF-S201水流量傳感器主要由銅閥體、水流量轉(zhuǎn)子組件、穩(wěn)流組件和霍爾元件組成。當水流經(jīng)轉(zhuǎn)子組件時，磁性轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速隨流量線性變化?；魻栐敵鱿鄳?yīng)的脈沖信號并將其反饋給控制器?？刂破鞔_定水量，調(diào)節(jié)比例閥的電流，通過比例閥控制煤氣或煤的體積，從而維持加熱爐內(nèi)的水量。圖3.7YF-S201流量傳感器3.3.5霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的一種電磁效應(yīng)。當電流垂直于外加磁場穿過半導(dǎo)體時，載流子就會偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向就會產(chǎn)生額外的電場，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生一個電位差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，這種電位差也稱為霍爾電位差。霍爾效應(yīng)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛。利用霍爾效應(yīng)原理研制的各種霍爾元件已廣泛應(yīng)用于精密磁測量、自動控制、通信、計算機、航空航天等工業(yè)部門和國防領(lǐng)域。通過這種霍爾效應(yīng)，可以將許多非電、非磁物理量，如力、扭矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、工作狀態(tài)變化時間等轉(zhuǎn)換成電能，以供檢測和控制?；诨魻栃?yīng)的霍爾裝置以磁場為工作介質(zhì)，將物體的運動參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓的形式，從而具有傳感和開關(guān)的功能。在本設(shè)計中，主要利用了霍爾效應(yīng)在力方面的應(yīng)用，通過感應(yīng)加熱爐中的液位壓力和水流量的水壓，來對加熱爐液位和水流量進行控制。3.4系統(tǒng)硬件連接數(shù)顯表連接：由于同時使用了二個數(shù)顯表，二表的全部時鐘數(shù)據(jù)均采用了同一個時鐘數(shù)據(jù)，由Q0.4輸出。其輸入與輸出接口分別有Q0.2和Q0.3輸出。溫度傳差電壓變送器連接：根據(jù)溫度變送器所輸出的信號為0~10V的電流變化，連接EM235的模擬量接口模塊AIW零和AIW2，接線采取雙電流的輸入連接形式。調(diào)功器的連接：調(diào)功器輸出接線：由于調(diào)功器的輸入控制信號位0~5VDC，所以接入EM235的模擬量輸出端口AQW0，接線采用電壓輸出方式。接線如下圖3.8所示圖3.8硬件接線圖

第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)設(shè)計軟件STEP7-MWIN32編程套件是西門子專門為SIMTICS7-200系列PLC系統(tǒng)開發(fā)的編程軟件。該軟件接口設(shè)置良好，同時也具備了簡易的在線功能。一般開發(fā)人員也可以通過該軟件設(shè)計程序，而且還實時監(jiān)控用戶的程序狀態(tài)，這種延遲也是SIMATICS7-200所支持的不可或缺的開發(fā)工具。剛開始設(shè)置的時候主要是文字選擇的界面，但是相對于版本4.0來說，在這時候不能選中文的，但是已經(jīng)事先選定了的語言。在軟件設(shè)置完以后,才能完成語言的轉(zhuǎn)換。如果要更改程序界面方式，可以先點擊程序主界面下方工具欄中的tools目錄下的選項，再點擊頁面中的general（常規(guī)）選項，再點擊下面的OK選項就能夠轉(zhuǎn)換為使用中文模式。見圖4.1所示。圖4.1語言重設(shè)界面系統(tǒng)塊用于設(shè)定S7-200CPU的系統(tǒng)設(shè)置和參數(shù)等。系統(tǒng)模塊修改后必須加載在CPU上，新的設(shè)計方可實施。系統(tǒng)模塊的配置如下，必須注意的是，PLC的位置默認為2，但在設(shè)計時我們使用的位置為1，通信接口的位置，類似的，我們用到的地址是1。4.2方案設(shè)計思路PLC系統(tǒng)使用的是的S7-200系列，CPU選用的是224系列，采用了2個按鈕和1個系統(tǒng)運行燈來控制和顯示系統(tǒng)運行的狀態(tài)，兩個數(shù)顯表還可以指示夾套水溫和內(nèi)膽的實際水溫。水質(zhì)感應(yīng)器可以用來測量不同類型的加熱爐夾套和內(nèi)膽中的水的溫度數(shù)值，通過將溫度的信息轉(zhuǎn)化成0~10V的電壓信號，與PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后的一般化數(shù)據(jù)的變換進行對比并輸出，就顯示出了真實的水溫數(shù)值，這個操作過程就實現(xiàn)了PID雙閉環(huán)串級的控制，通過PID輸出功率來操作調(diào)功器的輸出燈泡亮度和調(diào)節(jié)爐內(nèi)加熱器的溫度，從而達到了實現(xiàn)對爐溫控制調(diào)節(jié)的目的。軟件設(shè)計過程為以下四個部分：一、主程序部分，操作過程就是對系統(tǒng)的啟動和停止進行手動操作和指示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以及完成對其他子程序中庫函數(shù)的調(diào)用。二、溫度標量轉(zhuǎn)換模塊，將PLC識別出來的電壓信號進行計算，轉(zhuǎn)換成真實的溫度數(shù)值顯示出來。三、水溫溫度模擬測量部分，PLC利用電壓信號來模擬溫度變化，展示了夾套和內(nèi)膽水溫的實際變化情況。四、PID運算控制部分，PID作為溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行控制單元，依照自身調(diào)節(jié)以達到實時控制溫度的目的。分配地址如表4.1所示。表4-1地址分配表序號名稱地址注釋1溫度AIW0TT12液位AIW2LT13流量AIW4FT14加熱控制輸出AQW0TV15啟動I0.0SB16停止I0.1SB27急停I0.2SB38加熱器過載I0.3FR19啟動HMIM0.010停止HMIM0.111急停HMIM0.212加熱電源Q0.0KM113自動運行指示Q0.1HL114故障指示Q0.2HL215溫度高指示燈Q0.3HL316溫度正常指示燈Q0.4HL417溫度低指示燈Q0.5HL518進水閥門Q0.6VALIN19排水閥門Q0.7VALOUT20PID0_TableVB100PID0的回路表起始地址21溫度讀取VD022溫度設(shè)定VD4預(yù)設(shè)80度23溫度測量范圍下限設(shè)定VD8預(yù)設(shè)0度24溫度測量范圍上限設(shè)定VD12預(yù)設(shè)100度25溫度低報警設(shè)定VD16預(yù)設(shè)75度26溫度高報警設(shè)定VD20預(yù)設(shè)85度27PID0_PVVD100標準化的過程變量28PID0_SPVD104標準化的過程給定值29PID0_OutputVD108標準化的回路輸出計算值30PID0_GainVD112回路增益31PID0_SampleTimeVD116采樣時間(要修改請重新運行PID向?qū)?32PID0_I_TimeVD120積分時間33PID0_D_TimeVD124微分時間34PID1_D_CounterVW28035液位讀取VD2436流量讀取VD28根據(jù)表上信息，我們可以清楚的看到PID所控制的數(shù)據(jù)信息，名稱，地址，數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。4.3主程序部分主程序流程圖如圖4-2所示。圖4.2主程序流程圖開機初始化，設(shè)定控制溫度，設(shè)定值80度；初始化溫度測量，范圍是1℃至100℃；預(yù)設(shè)低溫報價閾值，設(shè)置為75℃；預(yù)設(shè)低溫報價閾值，設(shè)置為85℃；PID0參數(shù)設(shè)定；自動運行指示及故障指示；顯示溫度；將模擬量0到32000轉(zhuǎn)換為VD8到VD12的溫度，保存在VD0中；顯示液位；將模擬量0到32000轉(zhuǎn)換為0到100的液位值，保存在VD24中；顯示流量；將模擬量0到32000轉(zhuǎn)換為0到20的流量值，保存在VD28中； 溫度高指示燈邏輯條件；溫度低指示燈邏輯條件；溫度正常指示燈邏輯條件；加熱電源的控制；PID0輸入歸一化；轉(zhuǎn)成0到1.0的標準化值；PID0設(shè)定歸一化；假設(shè)最高溫度VD12；溫度正常使用PID控制，模擬量輸出；溫度高輸出，模擬量輸出為0；系統(tǒng)停止，輸出為0；溫度高指示燈邏輯條件；溫度低指示燈邏輯條件；溫度正常指示燈邏輯條件；4.4組態(tài)畫面部分組態(tài)王是一款功能強大的工業(yè)控制軟件，適用于控制自動化過程，并提供高效的組態(tài)性能。它無論是面對簡單還是復(fù)雜的任務(wù)，都能游刃有余，展現(xiàn)出驚人的可伸縮性。組態(tài)王的全面開放，為用戶提供了方便快捷的人機交互界面，以滿足生產(chǎn)實際需求為目標。組態(tài)王以其成熟可靠的操作和高效的組態(tài)性能，為整個工廠的應(yīng)用系統(tǒng)提供整體解決方案.多虧了西門子公司的全方位服務(wù)與支援，“構(gòu)態(tài)王”才能在世界各地靈活運用，并得到廣泛支援，從而實現(xiàn)了高度的集成化。作為系統(tǒng)擴展的基礎(chǔ)，可應(yīng)用組態(tài)王作為系統(tǒng)集成商，利用開放接口開發(fā)自身的應(yīng)用軟件，以滿足用戶的多樣化需求。監(jiān)控界面的主要作用是實時監(jiān)測和控制工藝流程中的各個參數(shù)，并提供實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析功能。它可以幫助操作人員及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況，保證生產(chǎn)過程的安全和穩(wěn)定性。具體功能包括：顯示工藝流程：監(jiān)控畫面可以以圖形化的方式生動地顯示工藝流程和各設(shè)備的位置，讓操作人員一目了然。顯示實時數(shù)據(jù)：監(jiān)控畫面可以實時顯示各種參數(shù)信號，包括溫度、壓力、流量等，讓操作人員可以隨時掌握工藝過程的狀態(tài)。報警處理：監(jiān)控畫面可以根據(jù)設(shè)定的報警條件，實時監(jiān)測工藝過程中的異常情況，并及時發(fā)出警報，提醒操作人員處理。數(shù)據(jù)采集與分析：監(jiān)控畫面可以對各種參數(shù)信號進行實時采集，并將采集的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，供后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理使用。用戶權(quán)限管理：監(jiān)控畫面可以對操作人員進行權(quán)限管理，限制其操作權(quán)限，保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性?？傊O(jiān)控畫面是工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)，它通過實時顯示、數(shù)據(jù)采集和分析等功能，提高了生產(chǎn)過程的可控性和安全性，為工藝過程的優(yōu)化和提升生產(chǎn)效率提供了強有力的支持。目前組態(tài)王的版本主要有KingView6.55、KingView6.60、KingView7.5三個版本，我們本次選用的是KingView6.55這個版本以此來滿足本次溫控實驗的需求。它具有以下特點：（1）能夠讀取不同型號的PLC設(shè)備，通過監(jiān)控工作場地收集各種信號，以此來控制工作場地。（2）能夠?qū)崟r進行監(jiān)控，模擬工作場景和監(jiān)控各種工廠數(shù)據(jù)。（3）具有系統(tǒng)的工作習(xí)慣和良好操作，通過監(jiān)控運行狀態(tài)把異常情況發(fā)布給工作人員。（4）將收集的各種數(shù)據(jù)進行運算，然后把運算成果發(fā)到控制系統(tǒng)，讓其進行處理。（5）具有記錄和存儲數(shù)據(jù)的功能。（6）能夠即時提交信息，歷史數(shù)據(jù)，警報，外部系統(tǒng)中的信息及其整個統(tǒng)計階段的結(jié)果。（7）可以連接外部硬件通過PC端對其進行控制和監(jiān)控它內(nèi)部的運行狀態(tài)。圖4.3人機界面主監(jiān)控畫面圖4.4數(shù)據(jù)記錄趨勢界面圖4.5系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定界面

軟硬件調(diào)試5.1硬件實物圖及介紹PLC的數(shù)據(jù)流量管理I/0端口Q0.0接一個指明燈，Q0.2與Q0.3分別接內(nèi)膽的數(shù)顯表的輸入輸出端口，Q0.4接二個數(shù)顯表的時鐘電路輸入和輸出端口。PLC的數(shù)字量輸入和輸出接口為I零點零位系統(tǒng)啟動按鍵。圖5.1硬件實物圖圖5.2編程電纜如圖5.1和圖5.2所示，是本次設(shè)計的硬件實物連接圖和編程電纜。PLC-200作為主控制器，型號為CPU224-24V-DC/DC/DC連接的兩臺調(diào)壓器都是通過調(diào)節(jié)電壓的大小來模擬溫度變化，液位變化，流量變化。三只小燈分別模擬溫度控制運行，進水閥門和出水閥門控制。編程電纜是實驗設(shè)備和電腦進行通訊的工具。5.2系統(tǒng)軟硬件控制實驗調(diào)試圖5.3系統(tǒng)控制實驗圖如圖5.3，把設(shè)備通電并與電腦連接以后，即可進行本次加熱爐控制實驗。溫度的閾值范圍是75~85，溫度維持在80左右。低于75或高于80，系統(tǒng)會進行報警。溫度的調(diào)節(jié)由變壓器1進行調(diào)節(jié)。水流量和液位設(shè)置閾值為20~80，處于之間的范圍為正常值。低于20或高于80，系統(tǒng)報警，由變壓器2進行調(diào)節(jié)。三只小燈的亮滅來模擬系統(tǒng)工作時，三個被測量（溫度、液位、水流量）的運行狀態(tài)。通過電腦WINCC界面來對PLC內(nèi)部運行以及系統(tǒng)進行監(jiān)控。在此頁面我們可以實時觀察到系統(tǒng)的運行及各項參數(shù)的實時變化情況，此外我們還可以通過開啟自動控制啟動按鈕來實現(xiàn)溫控系統(tǒng)的自動運行，我們只需觀察監(jiān)控頁面就可以判斷系統(tǒng)運行的狀態(tài)是否正常，通過實時變化曲線圖可以清楚的觀察到三個被測量的變化趨勢。該系統(tǒng)完成的主要功能和具體調(diào)試過程如下：1.用STEP7編程軟件將編寫的程序?qū)隤LC控制器（西門子S7-200）中。2.將PLC控制器與電腦相連接，在PC端對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)控。3.人通過電腦端WINCC軟件監(jiān)控PLC的運行狀態(tài)。4.PLC控制器通過控制加熱電阻、水泵、閥門，達到加熱爐溫度控制、流量控制、液位控制的目的，從而實現(xiàn)PLC對加熱爐的自動控制。5.加熱爐溫度控制主系統(tǒng)中，采用串級控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手動整定或自整定PID參數(shù)，實時計算控制量，控制加熱爐溫度維持在恒定范圍內(nèi)REF_Ref25082\r\h[8]。6.流量控制輔助系統(tǒng)，水系統(tǒng)流量通過水泵變頻控制，使水系統(tǒng)流量恒定在控制范圍以內(nèi)。7.液位控制輔助系統(tǒng)，加熱爐液位通過加水閥和出水閥控制，使液位保持在控制液位。第6章總結(jié)加熱爐溫度控制器通過不斷發(fā)展，把成熟的PLC技術(shù)與現(xiàn)代電力電子技術(shù)相結(jié)合，二者相輔相成，并通過軟硬件結(jié)合，解決了傳統(tǒng)的加熱爐溫度控制器所存在的難點問題。針對我國大部分加熱爐控制系統(tǒng)來說也能作為一種比較出色的控制設(shè)備。在本實驗中，依據(jù)提出的設(shè)計方案和要求，用軟件對溫度信號進行串級控制處理，讓誤差范圍控制在1℃上下，該系統(tǒng)的模擬量擴展模塊是采用的EM235，用的是兩個模擬量輸入和一個輸出來進行工作。頁面的溫度顯示和PLC的工作都滿足了實時控制調(diào)節(jié)溫度和實時顯示的需求，綜上所訴，可以說本設(shè)計基本上是成功的。這一系列的設(shè)計經(jīng)驗的演示，增強了我的主觀能動性，把自己過去大學(xué)四年