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基于PLC的高温恒温试验箱的温度控制系统

基于PLC的高温恒温试验箱的温度控制系统

以高温试验箱为被控对象,以高温试验箱箱内空气温度为被控参数,以加热炉电阻丝电压为控制参数,以PLC为控制器,构成高温试验箱温度串级控制系统;采用PID算法,运用PLC梯形图编程语言进行编程,实现锅炉温度的自动控制。

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  • 详细描述

    基于PLC的高温恒温试验箱的温度控制系统
    一 课题背景及研究目的和意义
    高温试验箱的应用领域相当广泛,高温试验箱的性能优劣决定了其试验环境的稳定性。目前高温试验箱的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术,既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。
    PLC的快速发展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
    高温试验箱是机电一体化的产品,可将电能直接转化成热能,进行模拟自然环境,建立一个试验所需的高温空间,具有效率高,体积小,无污染,运行安全可靠,试验稳定,自动化程度高的优点。高温试验箱越来越受人们的重视,在航空航天、电工电子、汽车、军工、医药等领域中应用越来越普及。高温试验箱目前主要用于对产品性能的检测。主要是控制箱内空气的温度,设定一个温度,使其保证恒温状态。
    PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好,所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期ts、比例系数 Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史,在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点,再加上人们在长期使用中积累了丰富经验,使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中,针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。
    1.2 国内外研究现状
    自70年代以来,由于工业过程控制的需要,特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下,国内外温度控制系统的发展迅速,并在智能化,自适应、参数整定等方面取得成果,在这方面,以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点:
    1)适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。
    2)能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。
    3)能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。
    4)这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术,运用先进的算法,适应范围广泛。
    5)温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术,温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。
    6)温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。
    随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛,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,我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平,成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主,它只能适用于一般的温度系统的控制,难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表,国内还不十分成熟。
    随着科学技术的不断发展,人们对温度控制系统的要求越来越高,因此,高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。
    1.3 项目研究内容
    以高温试验箱为被控对象,以高温试验箱箱内空气温度为被控参数,以加热炉电阻丝电压为控制参数,以PLC为控制器,构成高温试验箱温度串级控制系统;采用PID算法,运用PLC梯形图编程语言进行编程,实现锅炉温度的自动控制。
    可编程逻辑控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越,已被广泛的应用于工业控制的各个领域,并已经成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。
    PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计,控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等.通过XC系列PLC控制器,温度传感器将检测到的实际箱温转化为电压信号,经过模拟量输入模块转换成数字信号送到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固态继电器来调节输出功率。
    PLC基础
    可编程控制器是是一种工业控制计算机,简称PLC(Programmable logic Controller),它使用可编程序的记忆以存储指令,用来执行逻辑、顺序、计时、计数、和演算等功能,并通过数字或模拟的输入输出,以控制各种机械或生产过程。
    2.1可编程控制器的产生和应用
    1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14,并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。1971年日本从美国引进这项技术,很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从1974年开始研制,1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代,随着电子技术的发展,尤其是PLC采用通讯微处理器之后,这种控制器功能得到更进一步增强。进入20世纪80年代,随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展,以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC,使PLC的功能增强,工作速度快,体积减小,可靠性提高,成本下降,编程和故障检测更为灵活,方便。目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

    2.2可编程控制器的组成和工作原理
    可编程控制器的组成:
    PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。  
    1.CPU
    CPU是PLC的核心,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成,CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数,它们决定着PLC的工作速度,IO数量及软件容量等,因此限制着控制规模。
    2.I/O模块
    PLC与电气回路的接口,是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统,输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI),开关量输出(DO),模拟量输入(AI),模拟量输出(AO)等模块。
    常用的I/O分类如下:
    开关量:按电压水平分,有220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离。
    模拟量:按信号类型分,有电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等,按精度分,有12bit,14bit,16bit等。
    除了上述通用IO外,还有特殊IO模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量,I/O模块可多可少,但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力。
    3.编程器
    编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程,且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器(又称图形编程器),不但可以连机编程,而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。
    4.电源
    PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有:交流电源(220VAC或110VAC),直流电源(常用的为24VDC)。
    可编程控制器的工作原理:
    PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始,按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束,然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

    2.3可编程控制器的分类及特点
    (一)小型PLC
    小型PLC 的I/O 点数一般在128 点以下,其特点是体积小、结构紧凑,整个硬件融为一体,除了开关量I/O以外,还可以连接模拟量I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。
    (二)中型PLC
    中型PLC 采用模块化结构,其I/O 点数一般在256~1024 点之间,I/O 的处理方式除了采用一般PLC 通用的扫描处理方式外,还能采用直接处理方式即在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出,它能联接各种特殊功能模块,通讯联网功能更强,指令系统更丰富,内存容量更大,扫描速度更快。
    (三)大型PLC
    一般I/O 点数在1024 点以上的称为大型PLC,大型PLC 的软硬件功能极强,具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强,有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化,大型PLC 还可以采用冗余或三CPU 构成表决式系统使机器的可靠性更高。

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