发布时间 : 星期二 文章基于PLC的加热炉炉温控制系统设计与应用更新完毕开始阅读49cca6bd59f5f61fb7360b4c2e3f5727a5e924f1
燕山大学工学硕士学位论文
求[6]。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，是闭环模拟量控制中的传统调节方式。由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高，在改善控制系统品质、保证系统偏差、使系统实现稳定状态方面具有良好的效果，已成为工业生产过程中一种最普遍采用的控制方法。
PID控制即比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)控制的缩写，它根据系统的误差，对比例、积分、微分进行计算，算出控制量实行对其控制。例如对某储液罐液面的控制，要求液面维持在某一值恒定，在实际应用中，由于储液罐进出液体往往是变化的，因此，控制要求的液位高度与实际液位高度(过程变量)存在偏差。采用PID控制就是根据此偏差以及相关参数，利用PID方程计算出控制量来调节阀门开度，从而保持液面高度恒定[7]。
PLC（Programmable Logic Controller）即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。其采用可编制程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式或模拟式的输入和输出数据。对各种类型的机械或生产过程进行控制。”PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，便于扩展它的功能的原则来设计。加热炉的PLC控制可实现加热炉温度、压力、流量和燃烧过程自动控制等功能[8]。
温度控制是整个控制系统的核心，计算机在得到温度测量数字信号后，将其与温度设定值进行比较，得到偏差值，然后计算机按照设定的控制算法，如PID算法、最优化算法等进行控制决策计算，得出温度控制量，再经I/O接口输出到D/A转换器转换为模拟信号后，由执行机构去调节加热炉输入功率，使加热炉始终保持在温度设定值附近[9]。
1.2.2 PLC过程控制的特点
过程控制主要指，对一系列模拟量所实施的控制。模拟量为连续变化的物理量，如电压、电流、温度、压力、速度、流量等[10]。在现实世界中，特别是在连续型的生产，如化工生产中，常见到模拟量，并要求对其进行控制。此外，由于脉冲技术
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第1章 绪论
的进步，在过程控制中，有时也用到脉冲量。过程控制是基于信息采集和处理、使系统的状态与行为产生所希望的变化，而施加给系统的作用。这里的信息有3种[11]：一为被调节量，或称被控量，也称调节量，是反映的被控系统的状态、行为、性能或功能的信息；另一为控制量，也称控制，即施加给系统的作用，是经PLC处理后产生的控制信息[12]。此外，还有干扰量。它与控制相反，是使系统的状态与行为产生所不希望的变化[13]。干扰信息多不大好检测，而如采用闭环控制也可不检测。模拟量控制实质就是从数量上对这三个信息进行变换与处理，以确保调节量能按期望的要求变化[14]。
用PLC实现模拟量控制有3个基本特点[15]：一是有误差；二是断续的；三是有时延。在解析这3个特点前，以下先对物理量在时间上、取值上的特点作以下说明。
（1）误差
模拟量在时间上、取值上具有连续性。对模拟量按一定时间间隔取值，称为采样。所得到的模拟量即为离散量。很显然，在时间上是离散的，只代表采样当时的模拟量，其它时刻的模拟量值不代表。但取值上还是连续的。
用数值来求出与实际的离散量最接近的数字量，称为量化。量化后的离散量称为数字量[16]。它在时间上与取值上都是离散的。PLC控制只能处理数字量，要用它控制模拟量，就必须要先对这些模拟量进行采样与量化，量化后的值与模拟量的原值难免产生差异的，即误差。其误差具有可控性。可以选用合适的模入、模出模块的位数[17]。如用的是8位模入模块，其量化的值只能是0～255(十六进制FF)之间的整数。故其分辨率为1/256。如用的是12位模入模块，其量化的值只能是0～4095(十六进制FFF)之间的整数。故其分辨率为1/4096。如果选的位数多，分辨率高，精度也高。但位数多，模块也贵。高过16位时，还要用双字指令处理，将会增加资源的开销和处理时间。使误差可得到控制是一个重要的优点。历史上出现用数字计算机代替模拟计算机，正是前者的误差是可控的。只是这里也有一个合理的“度”，应在保证精度的要求下，力争减少位数[18]。
（2）断续
正是要采样，所以它是断续的。只是在PLC I/O刷新时，模人模块才把实际值读入PLC；模出模块或输出点才把控制信号输出给控制对象。只是在这时，才相当于它的采样开关合上，系统是闭合的。但这个闭合时间是很短暂的。而较长的时间
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是PLC运行程序及处理采集到的数据。而这期间系统闭环是断开的。可知，PLC模拟量控制系统使典型的采样控制系统[19]。
为了确保采样信号能较少失真为原来的连续信号，根据采样定理，采样频率一般应大或等于系统最大频率的两倍。由于PLC工作速度很快，一般讲，这个要求总是能够满足的。
（3）时延
实际系统本身的惯性以及动作传递也有个过程，有一定时延。用PLC进行控制，采样、信息处理及控制输出也有个过程，更有时延。在实施一个新一轮的控制作用之后，不能指望立即就会有所反应。所以，不能因一时未得到所期望的反应，就一味地改变控制作用[20]。那样，很可能使系统出现不稳定。再如，用PID控制，其运算间隔时间不能太短。如无特殊措施，其间隔起码要大于程序的扫描周期等。
以上3个特点，在确定控制算法、设计控制程序及选定控制参数时，必须考虑到的。
1.3 研究内容及思路
本文介绍了步进式加热炉的结构、工艺和控制要求，归纳了步进式炉的控制现状，分析了步进式加热炉炉温控制系统，并针对存在的问题进行以下几个方面的研究：
第一，针对步进式加热炉炉温控制过程中存在的滞后的特点，提出PLC过程控制的相关理论。
第二，通过对加热炉的温度控制进行传统 PID 过程控制和预测控制进行仿真比较，提出加热炉炉温控制系统的方案设计。
第三，系统的学习了 SIMATIC S7-300PLC控制系统，学习PLC 中先进过程控制库中的功能模块和使用方法，有了深层次的消化吸收，并学习了在PLC系统中如何创建工程项目的方法步骤，在对PLC系统下加热炉炉温控制的硬件和软件进行设计与研究。
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