第一篇：PLC在熱處理電阻爐溫度控制系統設計中的應用(DOC)

新疆工業高等專科職業技術學院

畢 業 設 計（論 文）

2012 級 機電一體化 專業

題 目：ＰＬＣ在熱處理電阻爐溫度控制系統中的應用

畢業時間： 二〇一四年六月 學生姓名： 李婕 指導教師： 何濤 班 級： 12機電一體化

2013年 12月20日

PLC在熱處理電阻爐溫度控制系統設計中的應用

摘要:熱處理電阻爐的溫度控制系統對零件的熱處理質量有著重要影響。本文主要討論了以可編程控制器(PLC)為核心的箱式熱處理爐溫度控制系統的設計。在提出爐溫控制方案的基礎上,對爐溫控制系統進行了硬件設計和溫度控制程序的設計。本文以45鋼零件進行等溫球化退火熱處理工藝為例,介紹爐溫控制系統的具體應用。

關鍵詞:熱處理;電阻爐;溫度控制;可編程控制器(PLC).一、關鍵技術與解決方案

箱式熱處理電阻爐是金屬熱處理中應用最為廣泛的一種周期式作業爐,其測溫控溫系統對于保證工件的熱處理質量具有重要作用。傳統箱式熱處理電爐存在主要問題之一是爐溫均勻度差,控溫精度低,從而造成產品質量問題。控溫方式采用位式調節的箱式熱處理爐,在教學實驗、科學研究和零件熱處理中有著廣泛的應用,但由于其控溫系統相對落后,常常導致溫度控制不準確而造成實驗數據的不準確或產品缺陷。因此,針對位式調節的箱式熱處理爐的溫度控制系統進行改造設計,對于提高溫控精度、保證產品質量具有十分重要的意義。

（一）、溫度傳感器的選取

目前市場上溫度傳感器較多，主要有以下幾種方案： 方案一：選用鉑電阻溫度傳感器。此類溫度傳感器線性度、穩定性等方面性能都很好,但其成本較高。方案二：采用熱敏電阻。選用此類元器件有價格便宜的優點，但由于熱敏電阻的非線性特性會影響系統的精度。

方案三：采用K型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶。其可測量1312℃以內的溫度，其線性度較好，而且價格便宜。溫度檢測電路

比較以上三種方案，方案三具有明顯的優點，因此選用方案三。

（二）、控制電路部分

圖3 爐溫控制系統工作流程 1.選擇K型熱電偶,其測量溫度范圍為-200~+1200℃,在工業上應用最多,適應氧化性氣氛,線性度好,可以充分保證測量精度。

2.為了保證測量結果能充分反映爐內的實際情況,采用適當的測量點數量和位置。

3.為了節省昂貴的熱電極金屬以及避免熱電偶冷端受爐體熱輻射等的影響,在熱電偶和測溫儀表之間用補償導線連接。

（三）爐溫調節方式

溫度自動控制方式有位式調節、準連續式調節和連續式調節三種,其中連續調節方式技術最先進。為了獲得精確的爐溫調節質量,采用以比例積分微分調節器(簡稱PID調節器)組成的PID自動控制系統。在熱處理中使用帶PID調節器的溫度指示記錄調節儀和與之配套的執行器,可以達到連續調節爐溫的目的。這種廣泛應用的連續式調節器是具有比例、積分、微分調節規律的PID調節器,其輸出信號是按與輸入信號成比例(P)、積分(I)、微分(D)的運算規律而動作的,這三種調節規律的作用是:比例調節可產生強大的穩定作用;積分調節可消除靜差;微分調節可加速過濾過程,克服因積分作用而引起的滯后,減小超調。只要將這三種規律調節適當,就能獲得動作快而又穩定的調節過程,并能保持較高的爐溫調節精度。

二、熱處理爐溫度控制系統硬件設計

（一）、爐溫控制系統核心硬件 熱電偶

爐溫控制系統核心硬件采用可編程控制器(PLC)。PLC具有功能強、使用方便、可靠性高等優點,在先進工業國家中PLC已成為工業控制的標準設備。PLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成, PLC的特殊功能模塊用來完成某些特殊的任務。

在整個爐溫控制過程中,由熱電偶采集爐溫,其輸出形式是模擬量,而PLC處理的是數字量,因此需要一個特殊功能模塊實現將采集到的模擬信號轉換成與溫度成比例的數字量。當PLC進行PID控制時向執行器輸出運算結果,也就是控制量,而這個控制量是數字量,執行器所要求的信號是模擬量,所以還需要一個特殊功能模塊將PLC輸出的數字量轉換為模擬量輸入到執行器,進而對爐溫進行控制。因此,箱式熱處理爐溫度控制方案為:利用熱電偶檢測爐溫;PLC的特殊功能模塊1將熱電偶采集到的溫度模擬量轉化為數字量送PLC的CPU與設定值對比;PLC進行PID運算得出控制量;PLC的特殊功能模塊2將控制量由數字量轉化為模擬量送加熱器,從而實現對爐溫的控制。

（二）、確定控制系統輸入輸出(I/O)信號點數 1.輸入信號點數

爐溫控制系統的啟動、風扇的手動開啟和關閉、急停開關,各需點動按鈕一個。因此,共需開關量輸入4點。

2.輸出信號點數

控制風扇電機運轉的交流接觸器1個,指示加熱、降溫、保溫和報警的指示燈各1個。因此,共需開關量輸出5點。

（三）模擬量輸入、輸出特殊功能模塊

1.模擬量輸入模塊的選擇與連接

本系統使用熱電偶來測量爐溫,為減少硬件設備數量并簡化硬件接線,選用可以與熱電偶直接相連而不需要溫度變送器的模擬量輸入特殊功能模塊。在三菱FX2N系列PLC的特殊功能模塊中, FX2N-4AD-TC為12位4通道模塊,它可以直接與熱電偶相連,其綜合精度為0.5%,轉換速度為240ms/通道選用此特殊功能模塊作為模擬量輸入模塊,在程序中占用8個I/O點。模擬量輸入端的接線方式如圖2所示。

2.模擬量輸出模塊的選擇與連接

模擬量輸出模塊所要控制的是加熱器,考慮到系統的擴展,選用三菱FX2N系列PLC的FX2N-4DA模擬量輸出特殊功能模塊。FX2N-4DA有12位4通道,輸出量程為DC-10~+10V和4~20mA,轉換速度為4ms/通道,在程序中占用8個I/O點。模擬電路和數字電路間有光隔離。模擬量輸出端的接線方式如圖3所示。

圖2 FX2N-4AD-TC模擬量輸入模塊接線圖

圖3 FX2N-4AD-TC模擬量輸出模塊接線圖

圖4 熱電偶與補償導線接線圖

圖5 PLC與輸入、輸出設備之間的接線圖

三、熱處理爐溫度控制程序設計及仿真

熱處理爐溫度控制程序設計是與具體的熱處理 工藝密切相關的。現以小型箱式爐對45鋼零件進行等溫球化退火熱處理工藝(如圖6)為例,說明熱處理爐溫度控制程序設計及其仿真

根據溫度控制系統的功能,建立PLC溫度控制系統輸入/輸出地址分配如表1所示。

圖6 45鋼等溫球化退火工藝曲線

（一）爐溫控制系統SFC狀態功能

本圖設計方法是設計電器控制系統的重要方法,能夠描述控制系統的工作過程[6]、文設計的熱處理爐溫度控制系統的SFC狀態功能圖設計主要包括以下幾個部分: 1.PID參數寫入功能圖設計。

2.特殊功能模塊設置及系統急停狀態功能圖設計。

3.45鋼等溫球化退火熱處理工藝第一階段程序功能圖設計。4.45鋼等溫球化退火熱處理工藝第二階段程序功能圖設計。根據SFC狀態功能圖,可編制出熱處理爐溫度控制系統的梯形圖程序。限于篇幅,此處從略。

（二）爐溫控制系統程序調試與仿真

1.調試軟件

MELSOFT系列的GX Developer軟件是專門用來進行三菱系列PLC編程、調試、診斷和仿真的,所以選用GX Developer結合GX Simulator對溫度控制程序進行仿真調試。GX Developer具有制作程序、對可編程控制器CPU的寫入/讀出、監視、調試和PC診斷等功能。

2.溫度控制系統的調試

由于控制系統涉及到兩個模擬量輸入、輸出殊功能模塊,有溫度的測量和模擬量的輸出。但是,在軟件中沒有特殊功能模塊的設置。因此,在調試過程中,將存放溫度測量值的數據寄存器D201強制設置溫度數據以調試系統運行狀態。調試主要過程如下: ①將程序指令輸入調試軟件環境中。②軟元件登錄。③系統初始化。④PID運算。

⑤熱處理工藝第一階段(開始保溫計時)程序調。⑥第一階段加熱保溫完成后進行爐冷。⑦熱處理工藝第二階段(開始保溫計時)程序調 ⑧保溫完成后開始爐冷。

⑨第二階段爐冷結束,所有工作狀態復位。工 件出爐,熱處理工藝結束。⑩監視急停狀態程序調試見圖9。

對熱處理爐溫度控制程序之調試與仿真的結果 表明:控制程序是正確的,能滿足熱處理工藝的要求。

（三）爐溫控制系統SFC狀態功能圖及梯形圖

SFC功能圖設計方法是設計電器控制系統的重要方法,能夠描述控制系統的工作過程[6]、[7]。本文設計的熱處理爐溫度控制系統的SFC狀態功能圖設計主要包括以下幾個部分:

1、PID參數寫入功能圖設計。

2、特殊功能模塊設置及系統急停狀態功能圖設計。3、45鋼等溫球化退火熱處理工藝第一階段程序功能圖設計。4、45鋼等溫球化退火熱處理工藝第二階段程序功能圖設計。根據SFC狀態功能圖,可編制出熱處理爐溫度控制系統的梯形圖程序。限于篇幅,此處從略。

四、系統完成的功能

該系統的被控對象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來改變流經熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內的溫度。可控硅控制器輸入為0~5伏時對應電爐溫度0~500℃，溫度傳感器測量值對應也為0~5伏，對象的特性為帶有純滯后環節的一階慣性系統，這里慣性時間常數取T1＝30秒，滯后時間常數取τ＝10秒。

五、系統模塊設計

（一）、系統硬件設計框圖

圖2 控制執行部分的硬件電路

（二）、系統軟件功能模塊設計圖

利用層次圖來表示系統中各模塊之間的關系。層次方框圖是用樹形結構的一系列多層次的矩形框描繪數據的層次結構。樹形結構的頂層是一個單獨的矩形框，它代表完整的數據結構，下面的各層矩形框代表各個數據的子集，最底層的各個矩形框代表組成這個數據的實際數據元素（不能再分割的元素）。隨著結構的精細化，層次方框圖對數據結構也描繪得越來越詳細，這種模式非常適合于需求分析階段的需要。從對頂層信息的分類開始，沿著圖中每條路徑反復細化，直到確定了數據結構的全部細節為止。

本系統一共分為鍵盤顯示、數據采集、蜂鳴器報警報警、溫度控制和仿真電爐五大模塊，每個模塊之間雖然在表面上是相互獨立的，但是在對數據庫的訪問上是緊密相連的。每個模塊的功能都是按照在調研中搜集的資料進行編排制作的。

六、結果分析論述

本次的課程設計就快結束了，從開始的興奮到中途的郁悶再到最后的滿足，感受到了實驗帶來的復雜感覺。

剛開始，在僅僅一個課題的情況下來設計電路圖，真是感到無從下手，在經過老師的耐心講解，經過簡單的調適與對比，最終完成了電路圖的設計。

經過此次設計，我對這門課程有了更深的了解。在設計過程中，首先要熟悉系統的工藝，進行對象的分析，按照要求確定方案。然后要進行硬件和軟件的設計和調試。由于沒有實際的樣機，所以不能看到系統的運行結果。只能在理論上對系統的結果進行預測分析。此次設計使我對微型計算機控制技術有了全面的深刻的了解，對我以后深入學習這門技術有很大的幫助。此次的《計算機控制技術》課程設計，得到了不少的啟示。思考問題以及進行實踐都要嚴謹，縝密。真所謂小心取證，就是這個道理。通過學習數字PID的電阻熱爐溫度控制系統的設計,更加了解可編程控制器的構造及應用。激發我們的創新意識，在學習與進行設計的過程中，利用已經掌握的知識及查閱的資料，自行完成課程設計任務以及設計完成。

七、結語

設計便捷、可靠、高精度的溫度控制系統是改造老式熱處理爐和設計新型熱處理爐的重要內容。本文提出了基于PLC為核心硬件的熱處理爐溫度控制系統設計的總體方案,完成了熱處理爐溫度控制系統的硬件設計和程序設計。以對45鋼零件進行等溫球化退火處理為例,說明箱式熱處理電阻爐溫度控制系統的具體應用。控制程序仿真的結果表明,熱處理爐溫度控制系統的設計是成功的。

參考文獻

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第二篇：基于PID的電阻爐溫度控制系統

基于PID的爐溫控制系統

摘要:在科學實驗中,溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數之一。為了保證科學實驗正常安全的進行，提高實驗的精確性，介紹了用AT89S51單片機為主要元件組成的控制系統，并給出了部分硬件圖、控制算法和軟件流程圖。

關鍵詞：PID；爐溫控制 1引言

電阻爐是一種利用電流通過電熱元件產生的熱量加熱工件的熱處理設備具有結構簡單 操作簡便價格低廉等特點廣泛用于工業中，而溫度是工業對象中主要的被控參數之一。在冶金、化工、機械、火工、食品等各類工業中 ,廣泛使用各種加熱爐、烘箱、恒溫箱等,它們均需對溫度進行精確的控制。

采用單片機進行爐溫控制 ,具有電路設計簡單、精度高、控制效果好等優點,對提高生產效率、促進科技進步等方面具有重要的現實意義。本文以加熱爐為具體對象介紹溫度控制系統的設計方法。該系統是以AT89S51為核心建立起來的一個溫度測量控制系統，加熱爐的被控溫度為0~500℃，精度：±0.5°C，顯示分辨率0.2°C。通過單片機顯示溫度值。顯示：000.0。

本文介紹爐溫控制系統的設計。

隔離、驅動雙向可控硅加熱裝置單片機A/D轉換變送器測溫傳感器試驗裝置 測溫傳感器

圖1 溫控系統組成 1 硬件系統

本系統的硬件電路包括：過零觸發電路、溫度檢測電路、雙向可控硅觸發電路。電爐一般采用電阻絲作為加熱元件，系統中溫度傳感器采用PT100。爐體的加熱通過加熱電熱絲的方法來實現。工頻220V電壓被電阻分壓后，經過運放輸出得到幅值為10V的正弦電壓，此電壓的頻率與工頻電壓頻率相同，為50HZ。經過芯片MC14528，正弦波整形為脈寬為2~3ms、周期為10ms的方波。方波信號觸發雙向晶閘管導通，從而實現加熱絲加熱回路的導通，使加熱絲正常工作加熱爐體，電路如圖2。

由圖2可以看到LM311電壓比較器將50HZ的正弦交流電壓變成方波，得到的電壓為10V。方波的正跳沿和負跳沿作為單穩態觸發器的輸入信號，從單穩態觸發器輸出220v過零同步脈沖。MC14528在Q1、Q2腳輸出同步脈沖，脈沖的寬度為2~3ms，Q1、Q2輸出脈沖通過或門后，輸出的方波信號變成可以觸發雙向可控硅的窄脈沖信號。此信號進過光電隔離器MOC3061/3021，便可以觸發雙向可控硅。此信號經單片機控制信號控制后，可以任意控制可控硅的導通關斷，從而控制加熱爐的開斷。

圖2 由于雙向可控硅在驅動高電抗性負載時，由于電壓電流相差不為零，因此需要在雙向可控硅的過零觸發電路中加入了保護電路，從圖2中可以看到R3為限流電阻，使輸入的LED電流能達到15mA，的計算公式為：

R3?(Vcc?VF)I

VF：為紅外發光二極管的正向電壓，可以去1.2~1.4V；

I：為紅外發光二極管觸發電流；

R1是觸發雙向可控硅的限流電阻，其值由交流電網電壓峰值及觸發器輸出端允許重復沖擊電流峰值決定，R1?VpITSM。Vp為交流電路中峰值電壓，ITSM為重復浪涌電流。

R5是雙向可控硅的門極電阻，當可控硅靈敏度較高時，門極阻抗也比高，使用R5能提高電路抗干擾能力。在保護電路中將一個電阻和電容串聯后并在負載兩端形成浪涌吸收電路，防止浪涌電壓損壞雙向可控硅，電阻和電容值可以選取39Ω和0.01uF。2 PID算法

PID控制算法是計算機控制的一個廣泛應用的基本算法，而PID控制的數字化是屬于控制算法設計中的模擬設計法。它是由連續系統PID發展起來的。具有原理模型簡單，容易實現，魯棒性強和使用面廣等優點。2.1位置式PID控制算法

數字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID公式是一個歷史性的PID參數，最明顯的表現在于它有整個歷史過程的積分，而增量式PID是的比例環節是2個誤差的差，積分環節變成了當前誤差值，而微分環節變成了最后2次誤差差值減去最后2,3次誤差的差值的差，也就是說增量式誤差的輸出值最多只和最近3個輸出的誤差值相關，沒有一個歷史性的相關。這個也就決定了位置式PID和增量式PID的最主要適用場合：被控機構有無自動的積分環節，例如步進電機就是自帶積分環節，可以使用增量式PID去控制，但是純粹的液位控制、溫度控制使用位置式PID控制效果會更好。位置式PID表達式為：

?Tu(k)?Kp?e(k)?TI??e(j)?j?0k?TDe(k)?e(k?1)??? T?其中：u(k)為K時刻數字PID控制器的輸出，由于其輸出值對應執行機構的位置，才、因此被稱為位置式算法。e(k)為第K次采樣時刻輸入的偏差值;e(k?1)為第K-1次采樣時刻輸入的偏差值。圖3給出了位置式PID控制系統。

r（k）e（k）PID位置控u（k）制算法D/Au（t）執行機構被控對象y（t）-y（k）T

圖3 2.2 PID算法實現原理

對于PID控制的實現，針對不同系統可以采用不同方式來實現，而本系統采用輸出PWM波控制雙向可控硅的方式來控制電爐。對于加溫的溫度控制可以采用調節供電電壓或在一定的時間循環周期內的供電時間比例即PWM波來調節加溫控制溫度。調功法控制的原理是通過PWM脈沖調寬功率放大器控制雙向可控硅調節電阻絲的功率從而達到調節溫度的目的。

設一個控制周期Tc中有N個完整的正弦波，則Tc?Nf，f為電網的頻率，因此只要在在周期Tc中控制主回路中周波數的通斷n就可以改變功率，對系統進行調節。由于系統采用調節功率的方法來控制電爐的加溫，即改變可控硅的通斷時間比η，使信號整周波導通與整周波關斷。控制電路把負載與電源在周期Tc內開通t1秒，然后在斷開t2秒，從而來控

t1U2nt1??U，負載的功率P?制加溫。??為導通率，負載上的電壓Uz?U TRNt1?t2c對控制周期Tc選擇，最小的周期不應小于20ms，因為我們使用電壓220V，工頻周期為20ms。溫控系統的控制信號周期的選取是很關鍵的，考慮到控制系統的精度，采樣的周期越小是最佳的，但采樣周期小，控制器占用計算機的時間就長，對于具有較大滯后系統，控制周期應該盡量選長。本系統采用的控制周期為10s。2.2 PID控制量的處理

單片機有3個16位定時器T0、T1、T2，在程序設計中可以使用中斷的方式來控制PWM還可以使用單片機中的中斷。在中斷中可以需要完成對數據的采集和處理，以及PID的計算，同時產生PWM波的基本周期信號，以及PWM波的控制信號。

設一個控制周期為20ms，在20ms中15ms來加熱，5ms不加熱。當定時器T1中斷時，立即對系統的溫度采樣，并將采樣值送入算法中計算。設定T1在5ms中斷溢出后，改變中斷口的電平，并將中斷時間改為15ms，經過15ms后進入下一次的中斷，如此往復實現PWM信號的輸出。用修改定時器中斷初值的方法調整時間寬度變可以實現脈寬改變。具體實現方式為，設n為定時器T1的初值，f為單片機的系統時鐘，當系統在16(2?n)f=11.059MHz的頻率下可以得到PWM信號的加熱時間寬度為ton?f，通過改變定時器T1初值n，既可以改變加熱ton，從而控制電阻絲件的加熱時間。當n=0時電阻絲就一直加熱，當n=65536時，電阻絲就處于不加熱狀態。軟件設計

本系統軟件包括主程序和中斷處理程序。按照要實現的功能包括按鍵程序、顯示程序、溫度采集、PID調節等。按鍵程序設置需要加熱的目標溫度，啟動加溫后，實時采集溫度數據，并將溫度值在數碼管上顯示，同時將溫度數據加入PID算法中計算。

PID算出的溫度控制是根據當前溫度和目標溫度誤差，通過PID算法計算出的u(k)值用于控制電爐的開斷。由于本系統是通過雙向可控硅觸發來開斷電爐的加熱，所以PID算出的控制量需要通過調節PWM波的占空比方式，來改變雙向可控硅的觸發時間，從而控制加熱功率，調節溫度。

開始讀入y(k),r(k)計算e（k）=r(k)-y(k)計算△e（k）=e(k)-e(k-1)△e（k-1）=e(k-1)-e(k-2)計算△u（k）計算u（k）=u(k-1)-△u(k)u(k-1)=u(k)e(k-2)=e(k-1)E(k-1)=e(k)結束 圖5 數字PID算法程序流程圖

4結束語

介紹了一種基于單片機的溫度控制系統采用數字PID控制運用PWM 脈寬調制技術對電阻爐溫度進行控制，消除了溫度控制系統的振蕩和超調現象，實現了對溫度的精確控制。此控制系統有溫度顯示和按鍵控制，使用戶能夠隨時對溫度進行監控經過實驗驗證，該溫度控制器結構簡單體積較小測溫準確，取得了較為滿意的溫度控制效果。

參考文獻

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第三篇：計算機控制課程設計(電阻爐溫度控制系統)

計算機控制課程設計

報告

設計題目： 電阻爐溫度控制系統設計 年級專業： 09級測控技術與儀器 姓 名 ：

武帆 學 號 ： P60914001 任課教師： 謝芳

電阻爐溫度控制系統設計

0.前言

隨著電子技術的發展，特別是隨著大規模集成電路的產生，給人們的生活帶來了根本性的變化，特別是微型計算機的出現使現代的科學研究得到了質的飛躍，利用單片機來改造落后的設備具有性價比高、提高設備的使用壽命、提高設備的自動化程度的特點。溫度是工業生產中主要的被控參數之一，與之相關的各種溫度控制系統廣泛應用于冶金、化工、機械、食品等領域。溫度控制是工業生產過程中經常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量。因而設計一種較為理想的溫度控制系統是非常有價值的。本設計就是利用單片機來控制高溫加熱爐的溫度，傳統的以普通雙向晶閘管（SCR）控制的高溫電加熱爐采用移相觸發電路改變晶閘管導通角的大小來調節輸出功率，達到自動控制電加熱爐溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實踐表明這種控制方式產生相當大的中頻干擾，并通過電網傳輸，給電力系統造成“公害”。采用固態繼電器控溫電路，通過單片機控制固態繼電器，其波形為完整的正弦波，是一種穩定、可靠、較先進的控制方法。為了降低成本和保證較高的控溫精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零點遷移、冷端補償功能的溫度變送器橋路，使實際測溫范圍縮小。

溫度控制系統屬于一階純滯后環節，具有大慣性、純滯后、非線性等特點，導致傳統控制方式超調大、調節時間長、控制精度低。采用單片機進行溫度控制，具有電路設計簡單、精度高、控制效果好等優點，對提高生產效率、促進科技進步等方面具有重要的現實意義隨著單片機技術的迅速興起與蓬勃發展，其穩定、安全、高效、經濟等優點十分突出，所以其應用也十分廣泛。單片機已經無處不在、與我們生活息息相關，并且滲透到生活的方方面面。

1.課程設計任務

項目設計：電阻爐溫度控制系統設計

以在工業領域中應用較為廣泛的電阻爐為被控對象，采用MCS—52單片機實現電阻爐溫度計算機控制系統的設計，介紹電阻爐溫度計算機控制系統的組成，并完成系統總體控制方案和達林算法控制器的設計，給出系統硬件原理框圖和軟件設計流程圖等。

1.1電阻爐組成及其加熱方式

電阻爐是工業爐的一種，是利用電流通過電熱體元件將電能轉化為熱能來加熱或者熔化元件或物料的熱加工設備。電阻爐由爐體、電氣控制系統和輔助系統組成，爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同;由于工藝不同，所要求的溫度高低不同，因而所采用的測溫元件和測溫方法也不同;產品工藝不同，對控溫精度要求不同，因而控制系統的組成也不相同。電氣控制系統包括主機與外圍電路、儀表顯示等。輔助系統通常指傳動系統、真空系統、冷卻系統等，因爐種的不同而各異。電阻爐的類型根據其熱量產生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時產生熱量，再通過熱的傳導、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發熱從而達到加熱的效果。工業電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡單、溫度場分布 均勻、環保等優點，應用十分廣泛。1.2控制要求

本系統中所選用的加熱爐為間接加熱式電阻爐，控制要求為:（1）采用一臺主機控制8個同樣規格的電阻爐溫度;（2）電爐額定功率為20 kW;（3）恒溫正常工作溫度為1000℃，控溫精度為±1%;（4）電阻爐溫度按預定的規律變化，超調量應盡可能小，且具有良好的穩定性;（5）具有溫度、曲線自動顯示和打印功能，顯示精度為±1℃;（6）具有報警、參數設定、溫度曲線修改設置等功能。

二、系統總體設計

根據題目要求,電熱鍋爐溫度控制系統由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執行模塊等組成。采用比較流行的AT89S52作為電路的控制核心,使用8位的模數轉換器AD0808進行數據轉換,控制電路部分采用PWM通過AC-SSR實現鍋爐溫度的連續控制,此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度。系統總體框圖如下。

顯示電路熱電偶電阻爐變送器數據采集單片機越限報警

2.1核心處理模塊——單片機

該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各種控制命令、讀取溫度數據、數據處理，同時還要對執行單元進行控制。單片機是整個系統的控制核心及數據處理核心。

選擇單片機的理由：單片機的特點是體積較小，也就是其集成特性，其內部結構是普通計算機系統的簡化，增加一些外圍電路，就能夠組成一個完整的小系統，單片機具有很強的可擴展性。它具有和普通計算機類似的、強大的數據處理功能，通過使用一些科學的算法，可以獲得很強的數據處理能力。所以單片機在工業應用中，可以極大地提高工業設備的智能化、數據處理能力和處理效率，而且單片機無需占用很大的空間。

2.2溫度信號采集與傳感器

本部分的主要作用是用傳感器檢測模擬環境中的溫度信號，溫度傳感器上電流將隨環境溫度值線性變化。再把電流信號轉換成電壓信號，使用A/D轉換器將模擬電壓信號轉換成單片機能夠進行數據處理的數字電壓信號，本設計采用的是數字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內部完成。

2.3人機交互及串口通信

人機交換的目的是為了提高系統的可用性和實用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統參數設置，而輸出顯示則完成數據的顯示和系統提示信息的輸出，串口通信的主要功能是完成單片機與上位機的通信，便于進行溫度數據統計，為將來系統功能的擴展做好基礎工作。AC-SSR過零檢測光耦隔離鍵盤控制 2.4控制執行單元

是單片機的輸出控制執行部分，根據單片機數據處理的結果，驅動繼電器控制外部設備，可以達到超溫報警及升溫或者降溫目的，使環境溫度始終保持在一個范圍之內。

根據溫度變化慢,并且控制精度不易掌握的特點,我們設計了以AT89S52單片機為檢測控制中心的電熱鍋爐溫度自動控制系統。溫度控制采用改進的PID數字控制算法,顯示采用8位LED動態顯示。

三、硬件電路設計

硬件電路如圖所示：硬件系統主要由AT89S52單片機、溫度采集、A／D轉換、鍵盤顯示電路、報警等功能電路組成。

3.1、核心部分單片機

AT89S52單片機為主控制單元。AT89S52單片機首先根據爐溫的給定值和測量值計算出溫度偏差，然后進行PID控制并計算出相應的控制數據由P1．0口輸出。最后將P1．0口輸出的控制數據送往光電耦合隔離器的輸入端，利用PWM脈沖調制技術調整占空比，達到使爐溫控制在某一設定溫度。AT89S52單片機還負責按鍵處理、溫度顯示以及與上位機進行通信等工作。4位高亮度LED用于顯示設定溫度或實測溫度。3.2、溫度采集轉換模塊

溫度采集電路主要由鉑銠-鉑熱電偶LB-3。LB-3熱電偶可以在1300℃高溫下長時間工作，滿足常規處理工藝要求。測溫時，熱電阻輸出mV熱電勢，必須經過變送器變換成0-5V的標準信號。本系統選用DWB型溫度變送器，并將其直接安裝在熱電偶的接線盒內，構成一體化的溫度變送器，不僅可以節省補償導線，而且可以減少溫度信號在傳遞過程中產生的失真和干擾。電阻爐爐溫信號是一種變換緩慢的信號。這種信號在進行A/D轉換時，對轉換速度要求不高。因此為了減低成本以及方便選材，可以選用廉價的、常用的A/D芯片ADC0809，ADC0809是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8為數字輸出地A/D轉換器件，轉換時間為100us，完全滿足系統設計的要求。經過ADC0809轉換所得到的實測爐溫數據直接送入AT89S52單片機中進行數據處理。

此外，為了防止斷偶或者爐溫越限，產生熱處理質量事故；同時為了提高溫控系統的智能化控制性能，降低熱處理操作人員的勞動強度，本系統特別設置了斷偶或爐溫越限自動報警電路。在熱處理生產過程中，當發生斷偶或爐溫越限等異常現象時，主控單元AT89S52單片機自動啟動報警電路進行聲、光報警，以便操作人員快速處理，防止爐內工件過熱，破壞金屬組織結構。

3.3、AC—SSR交流功率調節電路

由輸出來控制電爐,電爐可以近似建立為具有滯后性質的一階慣性環節數學模型。其傳遞函數形式為：

其中時間常數T=350秒，放大系數K=50，滯后時間t=10秒。為了避免交流接觸器等機械觸電因頻繁通斷產生電弧，燒壞觸電或者干擾其他設備正常工作，本系統選用AC-SSR交流功率調節器作為PID控制系統的執行機構。AT89S52單片機P1.0口輸出的溫度控制信號經過光電耦合器件隔離，送至過零檢測電路。過零檢測電路產生脈沖控制AC-SSR調功電路。當實測溫度偏低時，單片機輸出的控制信號使得雙向可控硅的導通角減小，導通時間變短，加熱器功率降低爐溫適當降低。通過控制輸入到加熱器平均功率的大小達到控制電阻爐爐溫的目的。

控制執行部分的硬件電路如下圖

3.4鍵盤模塊電路

采用4×4矩陣鍵盤接單片機的P1口，然后實現對設定溫度的修改，將它與實際溫度進行對比，實現要求的功能。矩陣鍵盤如下圖3所示：

3.5 A/D轉換電路

如圖所示：

3.6 變送電路

3.6.1、4~20mA變送器XTR101 XTR101為4~20mA線性化變送器，它可與鎳絡-鎳硅測溫傳感器構成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測溫范圍，在-40℃~+85℃的工作溫度內，傳送電流的總誤差不超過1%，供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調電壓<±2.5mV，輸入失調電流<20nA。XTR101外形采用標準的14腳DIP封裝。XTR101有如下兩種應用于轉換溫度信號的典型電路：

3.6.2、I/V轉換器RCV420 RCV420是一種精密電流/電壓變換器，它能將4~20mA的環路電流變為0~5V的電壓輸出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運放和電阻網絡外，還集成有10V基準電源。對環路電流由很好的變換能力。具有-25℃~+85℃和0℃~70℃的工作溫度范圍，輸入失調電壓<1mA，總的變換誤差<0.1%，電源電壓范圍±5~±18V。RCV420的外形采用標準的16腳DIP封裝。它的典型應用如下：

四、系統軟件設計

系統的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現模塊和運算控制模塊。

4.1 主程序模塊

開始初始化計時器初始化PID參數A/D采樣以及變換Y判斷越限報警N顯示當前溫度和設定溫度報警開啟設置PWM的占空比

主程序流程圖

4.2 功能實現模塊

以用來執行對可控硅及電爐的控制。功能實現模塊主要由A／D轉換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。

4.2.1T0中斷子程序

該中斷是單片機內部100ms定時中斷,優先級設為最高,是最重要的子程序。在該中斷響應中,單片機要完成調用PID算法子程序且輸出PID計算結果等功能。其流程圖如下:

進入中斷設置定時器寄存器判斷標志位是否為1NY標志位置0計算PID子模塊標志位加1中斷返回 T0中斷子程序

4.2.2 T1中斷子程序

T1定時中斷用于調制PWM信號，優先級低于T 0中斷,其定時初值由PID算法子程序提供的輸出轉化而來，T1中斷響應的時間用于輸出控制信號。其流程圖如下:

進入中斷取反標志位,表示該輸出高電平或低電平輸出高電平?Y設置高電平脈寬N輸出口置高電平設置低電平脈寬Y輸出低電平?N輸出口置低電平中斷返回 T1中斷子程序

4.3運算控制模塊

運算控制模塊涉及標度轉換、PID算法、以及該算法調用到的乘法子程序等。

4.3.1標度轉換子程序

該子程序作用是將溫度信號(00H~FFH)轉換為對應的溫度值,以便送顯示或與設定值在相同量綱下進行比較。所用線形標度變換公式為：

式中,Ax： 實際測量的溫度值;Nx：經過A／D轉換的溫度量； Am =90；Ao=40；Nm =FEH;No=01H；

單片機運算采用定點數運算，并且在高溫區和低溫區分別用程序作矯正處理。

4.4 控制算法：PID算法

積分分離控制的基本思路是：當偏差e(k)絕對值較大時。取消積分作用，以免由于積分作用使系統穩定性降低，超調量增大；當偏差e(k)絕對值小于某一設定值M時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度，PID算法的表達式為：

u(t)?Kp[e(t)?式中u(t)：調節器的輸出信號；

e(t)：偏差信號；

1TI?t0e(t)dt?TDde(t)]dt

Kp：調節器的比例系數；

TI：調節器的積分時間； TD：調節器的微分時間。

在計算機控制中，為實現數字控制，必須對上式進行離散化處理。用數字形式的差分方程代替連續系統的微分方程。設系統的采樣周期為T，在t=kT時刻進行采樣，?e(t)dt??Te(i)0i?0tk

式中e(k)：根據本次采樣值所得到的偏差；

e(k-1)：由上次采樣所得到的偏差。將上面的三個式子代入，則有

de(t)e(k)?e（k?1)?dtT

Tu（k）?Kp[e（k）?TI?T?e（i）i?0kkDe（k）?e（k?1）]T?Kpe（k）??ki?e（i）?kdi?0e（k）?e（k?1）T

式中，T為采樣時間，?項為積分項的開關系數

????0??1e(k)??e(k)??

積分分離PID控制算法程序流程圖如圖10所示。

開始參數初始化采入r(k)及y（k）yPID控制E(k)

積分分離PID控制算法程序流程圖

參考文獻

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附錄

主程序

ORG 0400H DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CH DISM5 DATA 7DH MOV SP,#50H CLR 5EH CLR 5FH CLR A MOV 2FH,A MOV 30H,A MOV 3BH,A MOV 3CH,A MOV 3DH,A MOV 3EH,A MOV 44H,A MOV DISM0,A MOV DISM1,A MOV DISM2,A MOV DISM3,A MOV DISM4,A MOV DISM5,A MOV TMOD,#56H MOV TL0,#06H MOV TH0,06H CLR PT0 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA LOOP:ACALL DISPLY ACALL SCAN AJMP LOOP

50H送SP

A

清暫存單元

清顯示緩沖區

T0為計數器方式2，T1為方式1

T0賦初值

T0為低中斷優先級 T0工作 T0中斷 CPU中斷

；；清本次越限標志；清上次越限標志；清累加器；；；；；；；；；；；；；；設；；；令；啟動；允許；開；調用顯示程序；調用掃描程序；等待中斷T0中斷服務程序 ORG 000BH AJMP CT0 ORG 0100H CT0: PUSH ACC ；

PUSH DPL ；保護現場 PUSH DPH ；

SETB D5H ；置標志

ACALL SAMP ；調用采樣子程序 ACALL FILTER ；調用數字濾波程序

CJNE A,42H,TPL ；若Ui（k）不等于Umax，則TPL WL: MOV C,5EH ；

MOV 5FH,C ； 5EH送5FH CLR 5EH ；清5EH單元 ACALL UPL ；轉上限處理程序 POP DPH POP DPL POP ACC RETI ；中斷返回

TPL: JNC TPL1 ；若Ui（k）大等Umax，則TPL1 CLR 5FH ；清上次越限標志

CJNE A,43H,MTPL ；若Ui（k）不等于Umin，則MTPL HAT: SETB P1.1 ；若溫度不越限則令綠燈亮 ACALL PID ；調用計算PID子程序 MOV A,2FH ；PID值送A CPL A ；

INC A ； 對PID值求補，作為TL1值 NM: SETB P1.3 ；令p1.3輸出高電平脈沖 MOV TL1,A ；

MOV TH1,#0FFH ； T1賦初值 SETB PT1 ；T1高優先級中斷 SETB TR1 ；啟動T1 SETB ET1 ；允許T1中斷

ACALL TRAST ；調用標度轉換程序 LOOP: ACALL DISPLY ； 顯示溫度 JB D5H,LOOP ；等待T1中斷 POP DPH ；

POP DPL ； 恢復現場 POP ACC ；

RETI ；中斷返回

MTPL: JNC HAT ；若Ui（k）大于Umin，則HAT SETB P1.0 ；否則越下限聲光報警 MOV A,45H ；取PID最大值輸出 CPL A ；

INC A ； 對PID值求補，作為TL1 AJMP NM ；轉NM執行

TPL1: SETB 5EH ；若Ui（k）大于Umax，則5EH單元置位 JNB 5FH,WL ；若上次未越限，則轉WL INC 44H ；越限計數器加1 MOV A,44H CLR C SUBB A,#N ；越限N次？

JNZ WL ；越限小于N次，則WL SETB P1.2 ；否則，越上限聲光報警 CLR 5EH CLR 5FH POP DPH POP DPL POP ACC RETI

T1中斷服務程序 ORG 001BH AJMP CT1 ORG 0200H CT1: CLR D5H CLR P1.3 RETI ；

； 清越限標志 ；

； 恢復現場 ；

；中斷返回

p1.3變為低電平；中斷返回 ；清標志；令

第四篇：PLC在銑床控制系統中的應用

PLC在銑床控制系統中的應用

謝保雞

摘要：介紹用PLC取代X62W萬能銑床的繼電器控制電路，闡述了PLC的設計方案；根據控制要求，確定PLC的輸入輸出點數，進行PLC型號選擇，對I/O地址進行了分配，并畫出了I/O接線圖；根據控制原理，畫出了梯形圖。

關鍵詞：可編程控制器(PLC)；銑床；控制；

1引言

PLC是將計算機技術應用于工業控制領域的產品，它具有高可靠性、編程簡單、體積小功耗低等優點，在短短的幾十年里得到了迅猛發展，已成為當代工業自動化的主要支柱之一目前，部分中小型企業及高校仍廣泛使用傳統的繼電器控制機床，這些機床經歷了比較長的歷史，雖然它能在一定范圍內滿足單機和自動生產線的需要，但由于它的電控系統是以繼電器、接觸器的硬連接為基礎的，技術上比較落后，特別是其觸點的可靠性問題，直接影響了產品質量，生產效率和生產成本。而用PLC對它進行技術改造，便能取得很好的效果。X62W銑床的電氣控制要求

圖1是X62W銑床控制系統的主電路圖，其中M1是主軸電動機，M2為冷卻泵電動機，M3為進給電動機，FR1—FR3為熱繼電器，FU為熔斷器。

具體控制要求如下：

(1)主軸電動機M1采取空載直接起動，且要求實現正、反轉控制，但由于銑床在加工過程中主軸方向的改變并不頻繁，因此采用了電源相序轉換開關SA3來實現正、反轉。

(2)為防止銑削時，系統發生振動，在主軸傳動系統中裝有慣性輪，但在高速切削后，停車很費時間，故采用電磁離合器YC1制動。

(3)工作臺的縱向、橫向和垂直三個方向的進給運動由進給電動機M 3拖動，三個方向的選擇由操縱手柄改變傳動鏈來實現，每個方向有正、反向運動。要求M3能正、反轉，同時，一個時刻只允許工作臺向一個方向移動，所以三個方向的運動之間應有聯鎖保護裝置。

(4)為了防止刀具和機床的損壞，要求只有主軸旋轉后，才允許有進給運動，而為了減小加工件表面的粗糙度，停車時要求先停進給，然后停主軸。但由于主軸本身具有慣性，因此可 以采用主軸和進給同時停止的方式。

(5)主軸運動和進給運動采用變速盤來進行速度選擇，為保證變速時齒輪進入良好的嚙合狀態，兩種運動都要求變速時電機作瞬時點動。

(6)為操作方便，主軸電動機的起動與停止，工作臺快速移動均采用兩地控制。

(7)冷卻泵由電動機M2拖動，只要求實現正轉控制。

(8)為了加工螺旋槽，在X62W銑床上安裝了圓工作臺，但要求圓工作臺的旋轉與工作臺的上下、左右及前后進給運動之間有聯鎖保護裝置。PLC控制電路

3.1 I/O地址分配、機型選擇及I/O端口接線圖為實現上述銑床的控制要求，現選擇三菱公司生產的FX2N－48MR型PLC，其I/O地址分配如附表所示。

圖2是X62W銑床的PLC輸入輸出接線圖，需注意的是，圖中對輸入的常閉觸點進行了處理，即常閉按鈕改用常開按鈕，熱繼電器的常閉觸點改用了常開觸點。

3.2 PLC梯形圖

圖3是X62W銑床的PLC梯形圖，其中，回路6控制主軸起動和變速，回路7控制主軸制動，回路11控制工作臺分別作縱向、橫向、垂直、變速等運動以及圓盤運動，回路8控制工作臺快速進給。PLC梯形圖控制分析

4.1主軸控制電路分析(1)主軸電動機起動

起動前先合上電源開關QF，再把主軸轉換開關SA3扳到所需的旋轉方向，然后按起動按鈕SB1（或SB2)，X0（或X1)閉合，Y0得電，KM1工作，主軸電動機運轉。

(2)主軸電動機的停車制動

按主軸停止按鈕SB5（或SB6)，這時X4（或X5)常閉斷開，M5失電，Y0失電，KM1斷開，主軸電動機失電作慣性運動，接著X4（或X5)常開閉合，Y3得電，電磁離合器YC1工作，對主軸進行制動，待主軸停車后，松開SB5（或SB6)。

(3)主軸換銑刀控制

SA1是主軸換銑刀開關，需換刀時，將SA1扳到“換刀”位置，這時X14常閉斷開，使Y0失電，KM1斷開，主軸電動機失電作慣性運動，接著X14常開閉合，Y3得電，電磁離合器YC1得電工作，對主軸進行制動，使機床無法運行，保證了人身安全。(4)主軸變速沖動控制

主軸變速時的沖動控制是利用變速手柄與沖動行程開關SQ1，通過機械上的聯動機構進行控制，變速時，扳操縱手柄使SQ1動作，這時X6常閉斷開（斷開自鎖回路)，X6常開閉合，使Y0得電，KM1工作，主軸電動機實現點動控制。

4.2進給控制電路分析

轉換開關S A 2是控制圓工作臺的，在不需要圓工作臺工作時，轉換開關SA2扳到“斷開”位置。此時，X15常閉閉合，常開斷開；當需要圓工作臺工作時，轉換開關SA2扳到“接通”位置，此時X15常閉斷開，常開閉合。(1)工作臺左（右)控制

主軸電動機啟動后，將操縱手柄向左（右)扳，其聯動機構壓動位置開關SQ5（SQ6)，使X12（X13)常閉斷開（聯鎖保護)，X12（X13)常開閉合，Y1（Y2)得電，KM2（KM3)工作，進 給電動機實現正（反)轉，通過相應傳動裝置拖動工作臺向左（右)運動。(2)工作臺下、前（上、后)控制

主軸電動機啟動后，將操縱手柄分別向下、前（上、后)扳，其聯動機構壓動位置開關SQ3（SQ4)，使X10（X11)常閉斷開（聯鎖保護)，X10（X11)常開閉合，Y1（Y2)得電，KM2（KM3)工作，進給電動機實現正（反)轉，通過相應傳動裝置拖動工作臺向下、前（上、后)運動。(3)進給變速沖動控制

與主軸變速原理一樣，變速時只需將變速盤往外拉，使進給齒輪松開，待轉動變速盤選擇好速度后，將變速盤向里推，在推進時，檔塊壓動位置開關SQ2，使X7常閉斷開（斷開自鎖回路)，X7常開閉合，Y1得電，KM2工作，進給電動機實現點動控制。(4)工作臺快速移動控制

按下快速點動按鈕SB3（或SB4)，X2（或X3)接通，M9得電，它的一個常開觸點接通進給控制電路，另一個則接通快速進給電磁離合器YC3，常閉觸點切斷正常進給電磁離合器YC2，讓工作臺實現快速進給。松開SB3（或SB4)，X2（或X3)斷開，M9失電，此時YC3失電，YC2得電，工作臺快速移動停止，仍按原方向作正常進給運動(5)圓工作臺的控制

當需要加工螺旋槽時，應將工件安裝在圓工作臺上，調整好銑刀和工件之間的位置，主軸電動機啟動后，將開關SA2扳到“接通”位置，X15常閉斷開（聯鎖保護)，X15常開閉合，Y得電，KM2工作，進給電動機通過相應傳動裝置拖動圓工作臺開始工作值得注意的是，當圓工作臺在運轉過程中，既不要求調速，也不要求反轉

5結束語

用PLC改造后的X62W銑床通過實際使用，生產效率得到了很大提高并能很好的保證其加工精度，自運行以來，系統運行穩定、可靠，完全滿足生產工藝的要求，對同類設備的技術 改造有較大的參考價值。參考文獻：

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第五篇：PLC在恒壓供水變頻調速控制系統中的應用

PLC在恒壓供水變頻調速控制系統中的應用

引言

恒壓供水系統對于某些工業或特殊用戶是非常重要的，例如在某些生產過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產品質量，嚴重時使產品報廢和設備損壞。又如當發生火警時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區采用恒壓供水系統，具有較大的經濟和社會意義。

基于上述情況對某生活區供水系統進行了改造，采用plc作為中心控制單元，利用變頻器與pid相結合，根據系統狀態可快速調整供水系統的工作壓力，達到恒壓供水的目的，提高了系統的工作穩定性，得到了良好的控制效果。2 系統結構與工作原理

供水系統由主供水回路、備用回路、儲水池及泵房組成，其中泵房裝有1#~3#共3臺150kw泵機。另外，還有多個電動閘閥或電動蝶閥控制各供水回路和水流量。由于該供水網較大，系統需要供水量每小時開2臺泵向管網充壓，供水量大時開3臺泵同時向管網充壓。要想維持供水網的壓力不變，在管網系統的管道上安裝了壓力變送器作為反饋元件為控制系統提供反饋信號，由于供水系統管道長、管徑大，管網的充壓比較慢，故系統是一個大滯后系統，不宜直接采用pid調節器進行控制，而應采用plc參與控制的方式來實現對控制系統起調節作用。選擇frn160g7p-4變頻器實現電動機的調速運行，可編程序控制器選擇日本松下fp1-c40型，且配有a/d和d/a模塊，其原理框圖如圖1所示。

圖1 恒壓供水系統原理圖

控制系統主要由plc、變頻器、切換繼電器、壓力傳感器等部分組成。控制核心單元plc根據手動設定壓力信號與現場壓力傳感器的反饋信號經plc的分析和計算，得到壓力偏差和壓力偏差的變化率，經過pid運算后，plc將0~5v的模擬信號輸出到變頻器，用以調節電機的轉速以及進行電機的軟啟動;plc通過比較模擬量輸出與壓力偏差的值，通過i/o端口開關量的輸出驅動切換繼電器組，以此來協調投入工作的水泵電機臺數，并完成電機的啟停、變頻與工頻的切換。通過調整電機組中投入工作的電機臺數和控制電機組中一臺電機的變頻轉速，使動力系統的工作壓力穩定，進而達到恒壓供水的目的。3 系統程序設計和plc的i/o分配

系統程序包括啟動子程序和運行子程序，其流程圖如圖2所示。運行子程序又包括模擬調節子程序(其流程圖如圖3所示)和電機切換子程序(流程圖略)，電機切換子程序又包括加電機子程序和減電機子程序(程序設計略)。plc的輸入、輸出端子分配情況如附表所示。

圖2 啟動程序流程圖

圖3 模擬調節流程圖 系統工作過程

加上啟動信號(x4)后，此信號被保持，當條件滿足時，(即x2為“1”)時，開始啟動程序，此時由plc控制1#電機變頻運行(此時y0、y6、y7亮)，同時定時器t0開始計時(10s)，若計時完畢x2仍亮，則關閉y0、y6，(y7仍亮，)t2延時1s。延時有兩方面的原因: 一是使開關充分熄弧，防止電網倒送電給變頻器，燒毀變頻器;二是讓變頻器減速為0，以重新啟動另一臺電機。延時完畢，則有1#機投入工頻運行，2#機投入變頻運行，此時y1、y2、y6、y7亮，同時定時器t1開始計時(10s)，若計時完畢x2仍未滅，則關閉y2、y6，(y1、y7仍亮，)t3延時1s，延時完畢，將2#機投入工頻運行，3#機投入變頻運行，(此時y1、y3、y4、y6、y7亮，)再次等待y7滅掉后，則整個啟動程序執行完畢，轉入正常運行調節程序，此后啟動程序不再發生作用，直到下一次重新啟動。在啟動過程中，無論幾臺電機處于運行狀態，x2一旦滅掉，則應視為啟動結束(y7滅掉)，轉入相應程序。綜合整個啟動過程，完成三臺電機的啟動最多需要22s的時間。

運行過程中，若模擬調節器節上、下限值均未達到(即x1、x2滅)，則此時變頻器處于模擬調節狀態(此時相應電機運行信號和y6亮)。

若達到模擬調節上限值(x1亮)，則定時器t4馬上開始定時(5s)，定時過程中監控x1，若x1又滅掉，則關閉定時器，繼續摸擬調節;若t4定時完畢，x1仍亮，則啟動一低速(y8亮)，進行多段速調節，同時定時器t5開始定時(3s)。定時完畢，若x1仍亮，則關閉此多段速，啟動一更低速(y9)，同時定時器t6定時(10s)。定時完畢，若x1仍亮，則關掉y9，此后x0很快會通，轉入切換動作程序。在此兩級多段速調節過程中，無論何時，若x0亮，則會關閉相應多段速和定時器，同時進行切換動作，即轉入切換程序，同樣，若無論何時，x1滅掉，則關閉運行多段速和定時器，轉入模擬調節。

若達到模擬調節下限值(x2亮)，則定時器t7馬上開始定時(5s)，定時過程中監控x2，若x2又滅掉，則關閉定時器，繼續摸擬調節，若t7定時完畢，x2仍亮，則啟動一高速(y7、y2)，進行多段速調節，同時定時器t8開始定時(3s)，定時完畢。若x2仍亮，則關閉此多段速，啟動一更高速(y8、y9)，同時定時器t9定時(10s)，定時完畢。若x2仍亮，則關掉y8、y9，此后x3很快會通，轉入加電機動作程序。在此兩級多段速調節過程中，無論何時，若x3亮，則會關閉相應多段速和定時器，同時進行加電機動作，即轉入加電機程序。同樣，若無論何時，x2滅掉，則關閉運行多段速和定時器，轉入模擬調節。

電機切換程序分為電機切除程序和加電機程序兩部分。此程序動作的條件是:啟動結束后無論何時x0亮，一旦條件滿足，即由plc根據電動機的運行狀態來決定相應切換哪臺電機，切換時只能切換工頻運行電機。

若工作狀態是一臺變頻一臺工頻，則立即切除工頻電機，然后計數值減1，即完成此過程，再由調節程序運行，調節至滿足要求為止。

若3臺電機同時工作，則應由plc來決定切除哪臺工頻運行電機。切除依據是3臺電機對應計數器的大小，誰大切誰，切除掉一臺后，要由定時器定時(5s)等待，以便變頻器調節一段時間，防止連續切除動作。這主要是考慮到本系統的非線性和大小慣性因素而采取的措施。

加電機程序, 其動作程序是:啟動結束后無論何時x2亮, 一旦條件滿足, 立即關掉變頻運行電機和變頻器，延時一段時間后(原因同上), 將原變頻運行電機投入工頻運行，同時打開變頻器和將要啟動電機的變頻開關, 完成加電機。

同樣，若原有2臺電機工頻工作，則x2一亮，立即開始加另一臺電機(無延時)，(加電機依據是判斷計數值，誰小加誰)。但加電機完成以后，定時器要開始定時(5s)等待，讓變頻器調節一段時間，防止連續加電機動作。其過程分為:結束語

用變頻器來實現恒壓供水，與用調節閥門來實現恒壓供水相比較，節能效果十分顯著。其優點是: 起動平穩,起動電流可限制在額定電流以內，從而避免了起動時對電網的沖擊;由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命;可以消除起動和停機時的水錘效應;在鍋爐和其他燃燒重油的場合,恒壓供油可使油的燃燒更加充分，大大地減輕了對環境的污染。參考文獻

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[4] 曾 毅.變頻調速控制系統.濟南:山東科學技術出版社,2002 作者簡介

張全莊(1963-)男 講師/碩士 主要研究方向:工業電氣自動控制與plc應用。