PLC在热处理电阻炉温度控制系统设计中的应用(DOC)（小编整理）

第一篇：PLC在热处理电阻炉温度控制系统设计中的应用(DOC)

新疆工业高等专科职业技术学院

毕 业 设 计（论 文）

2012 级 机电一体化 专业

题 目：ＰＬＣ在热处理电阻炉温度控制系统中的应用

毕业时间： 二〇一四年六月 学生姓名： 李婕 指导教师： 何涛 班 级： 12机电一体化

2013年 12月20日

PLC在热处理电阻炉温度控制系统设计中的应用

摘要:热处理电阻炉的温度控制系统对零件的热处理质量有着重要影响。本文主要讨论了以可编程控制器(PLC)为核心的箱式热处理炉温度控制系统的设计。在提出炉温控制方案的基础上,对炉温控制系统进行了硬件设计和温度控制程序的设计。本文以45钢零件进行等温球化退火热处理工艺为例,介绍炉温控制系统的具体应用。

关键词:热处理;电阻炉;温度控制;可编程控制器(PLC).一、关键技术与解决方案

箱式热处理电阻炉是金属热处理中应用最为广泛的一种周期式作业炉,其测温控温系统对于保证工件的热处理质量具有重要作用。传统箱式热处理电炉存在主要问题之一是炉温均匀度差,控温精度低,从而造成产品质量问题。控温方式采用位式调节的箱式热处理炉,在教学实验、科学研究和零件热处理中有着广泛的应用,但由于其控温系统相对落后,常常导致温度控制不准确而造成实验数据的不准确或产品缺陷。因此,针对位式调节的箱式热处理炉的温度控制系统进行改造设计,对于提高温控精度、保证产品质量具有十分重要的意义。

（一）、温度传感器的选取

目前市场上温度传感器较多，主要有以下几种方案： 方案一：选用铂电阻温度传感器。此类温度传感器线性度、稳定性等方面性能都很好,但其成本较高。方案二：采用热敏电阻。选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。

方案三：采用K型（镍铬－镍硅）热电偶。其可测量1312℃以内的温度，其线性度较好，而且价格便宜。温度检测电路

比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此选用方案三。

（二）、控制电路部分

图3 炉温控制系统工作流程 1.选择K型热电偶,其测量温度范围为-200~+1200℃,在工业上应用最多,适应氧化性气氛,线性度好,可以充分保证测量精度。

2.为了保证测量结果能充分反映炉内的实际情况,采用适当的测量点数量和位置。

3.为了节省昂贵的热电极金属以及避免热电偶冷端受炉体热辐射等的影响,在热电偶和测温仪表之间用补偿导线连接。

（三）炉温调节方式

温度自动控制方式有位式调节、准连续式调节和连续式调节三种,其中连续调节方式技术最先进。为了获得精确的炉温调节质量,采用以比例积分微分调节器(简称PID调节器)组成的PID自动控制系统。在热处理中使用带PID调节器的温度指示记录调节仪和与之配套的执行器,可以达到连续调节炉温的目的。这种广泛应用的连续式调节器是具有比例、积分、微分调节规律的PID调节器,其输出信号是按与输入信号成比例(P)、积分(I)、微分(D)的运算规律而动作的,这三种调节规律的作用是:比例调节可产生强大的稳定作用;积分调节可消除静差;微分调节可加速过滤过程,克服因积分作用而引起的滞后,减小超调。只要将这三种规律调节适当,就能获得动作快而又稳定的调节过程,并能保持较高的炉温调节精度。

二、热处理炉温度控制系统硬件设计

（一）、炉温控制系统核心硬件 热电偶

炉温控制系统核心硬件采用可编程控制器(PLC)。PLC具有功能强、使用方便、可靠性高等优点,在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备。PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成, PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。

在整个炉温控制过程中,由热电偶采集炉温,其输出形式是模拟量,而PLC处理的是数字量,因此需要一个特殊功能模块实现将采集到的模拟信号转换成与温度成比例的数字量。当PLC进行PID控制时向执行器输出运算结果,也就是控制量,而这个控制量是数字量,执行器所要求的信号是模拟量,所以还需要一个特殊功能模块将PLC输出的数字量转换为模拟量输入到执行器,进而对炉温进行控制。因此,箱式热处理炉温度控制方案为:利用热电偶检测炉温;PLC的特殊功能模块1将热电偶采集到的温度模拟量转化为数字量送PLC的CPU与设定值对比;PLC进行PID运算得出控制量;PLC的特殊功能模块2将控制量由数字量转化为模拟量送加热器,从而实现对炉温的控制。

（二）、确定控制系统输入输出(I/O)信号点数 1.输入信号点数

炉温控制系统的启动、风扇的手动开启和关闭、急停开关,各需点动按钮一个。因此,共需开关量输入4点。

2.输出信号点数

控制风扇电机运转的交流接触器1个,指示加热、降温、保温和报警的指示灯各1个。因此,共需开关量输出5点。

（三）模拟量输入、输出特殊功能模块

1.模拟量输入模块的选择与连接

本系统使用热电偶来测量炉温,为减少硬件设备数量并简化硬件接线,选用可以与热电偶直接相连而不需要温度变送器的模拟量输入特殊功能模块。在三菱FX2N系列PLC的特殊功能模块中, FX2N-4AD-TC为12位4通道模块,它可以直接与热电偶相连,其综合精度为0.5%,转换速度为240ms/通道选用此特殊功能模块作为模拟量输入模块,在程序中占用8个I/O点。模拟量输入端的接线方式如图2所示。

2.模拟量输出模块的选择与连接

模拟量输出模块所要控制的是加热器,考虑到系统的扩展,选用三菱FX2N系列PLC的FX2N-4DA模拟量输出特殊功能模块。FX2N-4DA有12位4通道,输出量程为DC-10~+10V和4~20mA,转换速度为4ms/通道,在程序中占用8个I/O点。模拟电路和数字电路间有光隔离。模拟量输出端的接线方式如图3所示。

图2 FX2N-4AD-TC模拟量输入模块接线图

图3 FX2N-4AD-TC模拟量输出模块接线图

图4 热电偶与补偿导线接线图

图5 PLC与输入、输出设备之间的接线图

三、热处理炉温度控制程序设计及仿真

热处理炉温度控制程序设计是与具体的热处理 工艺密切相关的。现以小型箱式炉对45钢零件进行等温球化退火热处理工艺(如图6)为例,说明热处理炉温度控制程序设计及其仿真

根据温度控制系统的功能,建立PLC温度控制系统输入/输出地址分配如表1所示。

图6 45钢等温球化退火工艺曲线

（一）炉温控制系统SFC状态功能

本图设计方法是设计电器控制系统的重要方法,能够描述控制系统的工作过程[6]、文设计的热处理炉温度控制系统的SFC状态功能图设计主要包括以下几个部分: 1.PID参数写入功能图设计。

2.特殊功能模块设置及系统急停状态功能图设计。

3.45钢等温球化退火热处理工艺第一阶段程序功能图设计。4.45钢等温球化退火热处理工艺第二阶段程序功能图设计。根据SFC状态功能图,可编制出热处理炉温度控制系统的梯形图程序。限于篇幅,此处从略。

（二）炉温控制系统程序调试与仿真

1.调试软件

MELSOFT系列的GX Developer软件是专门用来进行三菱系列PLC编程、调试、诊断和仿真的,所以选用GX Developer结合GX Simulator对温度控制程序进行仿真调试。GX Developer具有制作程序、对可编程控制器CPU的写入/读出、监视、调试和PC诊断等功能。

2.温度控制系统的调试

由于控制系统涉及到两个模拟量输入、输出殊功能模块,有温度的测量和模拟量的输出。但是,在软件中没有特殊功能模块的设置。因此,在调试过程中,将存放温度测量值的数据寄存器D201强制设置温度数据以调试系统运行状态。调试主要过程如下: ①将程序指令输入调试软件环境中。②软元件登录。③系统初始化。④PID运算。

⑤热处理工艺第一阶段(开始保温计时)程序调。⑥第一阶段加热保温完成后进行炉冷。⑦热处理工艺第二阶段(开始保温计时)程序调 ⑧保温完成后开始炉冷。

⑨第二阶段炉冷结束,所有工作状态复位。工 件出炉,热处理工艺结束。⑩监视急停状态程序调试见图9。

对热处理炉温度控制程序之调试与仿真的结果 表明:控制程序是正确的,能满足热处理工艺的要求。

（三）炉温控制系统SFC状态功能图及梯形图

SFC功能图设计方法是设计电器控制系统的重要方法,能够描述控制系统的工作过程[6]、[7]。本文设计的热处理炉温度控制系统的SFC状态功能图设计主要包括以下几个部分:

1、PID参数写入功能图设计。

2、特殊功能模块设置及系统急停状态功能图设计。3、45钢等温球化退火热处理工艺第一阶段程序功能图设计。4、45钢等温球化退火热处理工艺第二阶段程序功能图设计。根据SFC状态功能图,可编制出热处理炉温度控制系统的梯形图程序。限于篇幅,此处从略。

四、系统完成的功能

该系统的被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为0~5伏时对应电炉温度0~500℃，温度传感器测量值对应也为0~5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶惯性系统，这里惯性时间常数取T1＝30秒，滞后时间常数取τ＝10秒。

五、系统模块设计

（一）、系统硬件设计框图

图2 控制执行部分的硬件电路

（二）、系统软件功能模块设计图

利用层次图来表示系统中各模块之间的关系。层次方框图是用树形结构的一系列多层次的矩形框描绘数据的层次结构。树形结构的顶层是一个单独的矩形框，它代表完整的数据结构，下面的各层矩形框代表各个数据的子集，最底层的各个矩形框代表组成这个数据的实际数据元素（不能再分割的元素）。随着结构的精细化，层次方框图对数据结构也描绘得越来越详细，这种模式非常适合于需求分析阶段的需要。从对顶层信息的分类开始，沿着图中每条路径反复细化，直到确定了数据结构的全部细节为止。

本系统一共分为键盘显示、数据采集、蜂鸣器报警报警、温度控制和仿真电炉五大模块，每个模块之间虽然在表面上是相互独立的，但是在对数据库的访问上是紧密相连的。每个模块的功能都是按照在调研中搜集的资料进行编排制作的。

六、结果分析论述

本次的课程设计就快结束了，从开始的兴奋到中途的郁闷再到最后的满足，感受到了实验带来的复杂感觉。

刚开始，在仅仅一个课题的情况下来设计电路图，真是感到无从下手，在经过老师的耐心讲解，经过简单的调适与对比，最终完成了电路图的设计。

经过此次设计，我对这门课程有了更深的了解。在设计过程中，首先要熟悉系统的工艺，进行对象的分析，按照要求确定方案。然后要进行硬件和软件的设计和调试。由于没有实际的样机，所以不能看到系统的运行结果。只能在理论上对系统的结果进行预测分析。此次设计使我对微型计算机控制技术有了全面的深刻的了解，对我以后深入学习这门技术有很大的帮助。此次的《计算机控制技术》课程设计，得到了不少的启示。思考问题以及进行实践都要严谨，缜密。真所谓小心取证，就是这个道理。通过学习数字PID的电阻热炉温度控制系统的设计,更加了解可编程控制器的构造及应用。激发我们的创新意识，在学习与进行设计的过程中，利用已经掌握的知识及查阅的资料，自行完成课程设计任务以及设计完成。

七、结语

设计便捷、可靠、高精度的温度控制系统是改造老式热处理炉和设计新型热处理炉的重要内容。本文提出了基于PLC为核心硬件的热处理炉温度控制系统设计的总体方案,完成了热处理炉温度控制系统的硬件设计和程序设计。以对45钢零件进行等温球化退火处理为例,说明箱式热处理电阻炉温度控制系统的具体应用。控制程序仿真的结果表明,热处理炉温度控制系统的设计是成功的。

参考文献

[1] 吴光英,吴光治,孙桂华.新型热处理电炉[M].北京: 国防工业出版社, 1993 [2] 中国热处理行业协会,机械工业技术交易中心.当代热 处理技术与工艺装备精品集[M].北京:机械工业出版 社, 2002 [3] 顾战松,陈铁年.可编程控制器原理与应用[M].北京: 国防工业出版社, 1996 [4] 何希才.传感器及其应用[M].北京:国防工业出版社, 2001 [5] 濮阳槟.PLC在热处理炉控制系统中的应用[J].可编 程控制器与工厂自动化(PLC FA), 2004, 4.[6] 丁起英,徐岩,刘俊伟.PLC和微机在热处理设备上的 应用[J].应用能源技术, 2002, 4.[7] 钱兵,吕国芳,王强.PLC在热处理生产线中的应用 [J].自动化与仪表, 2002, 3.

第二篇：基于PID的电阻炉温度控制系统

基于PID的炉温控制系统

摘要:在科学实验中,温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。为了保证科学实验正常安全的进行，提高实验的精确性，介绍了用AT89S51单片机为主要元件组成的控制系统，并给出了部分硬件图、控制算法和软件流程图。

关键词：PID；炉温控制 1引言

电阻炉是一种利用电流通过电热元件产生的热量加热工件的热处理设备具有结构简单 操作简便价格低廉等特点广泛用于工业中，而温度是工业对象中主要的被控参数之一。在冶金、化工、机械、火工、食品等各类工业中 ,广泛使用各种加热炉、烘箱、恒温箱等,它们均需对温度进行精确的控制。

采用单片机进行炉温控制 ,具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点,对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。本文以加热炉为具体对象介绍温度控制系统的设计方法。该系统是以AT89S51为核心建立起来的一个温度测量控制系统，加热炉的被控温度为0~500℃，精度：±0.5°C，显示分辨率0.2°C。通过单片机显示温度值。显示：000.0。

本文介绍炉温控制系统的设计。

隔离、驱动双向可控硅加热装置单片机A/D转换变送器测温传感器试验装置 测温传感器

图1 温控系统组成 1 硬件系统

本系统的硬件电路包括：过零触发电路、温度检测电路、双向可控硅触发电路。电炉一般采用电阻丝作为加热元件，系统中温度传感器采用PT100。炉体的加热通过加热电热丝的方法来实现。工频220V电压被电阻分压后，经过运放输出得到幅值为10V的正弦电压，此电压的频率与工频电压频率相同，为50HZ。经过芯片MC14528，正弦波整形为脉宽为2~3ms、周期为10ms的方波。方波信号触发双向晶闸管导通，从而实现加热丝加热回路的导通，使加热丝正常工作加热炉体，电路如图2。

由图2可以看到LM311电压比较器将50HZ的正弦交流电压变成方波，得到的电压为10V。方波的正跳沿和负跳沿作为单稳态触发器的输入信号，从单稳态触发器输出220v过零同步脉冲。MC14528在Q1、Q2脚输出同步脉冲，脉冲的宽度为2~3ms，Q1、Q2输出脉冲通过或门后，输出的方波信号变成可以触发双向可控硅的窄脉冲信号。此信号进过光电隔离器MOC3061/3021，便可以触发双向可控硅。此信号经单片机控制信号控制后，可以任意控制可控硅的导通关断，从而控制加热炉的开断。

图2 由于双向可控硅在驱动高电抗性负载时，由于电压电流相差不为零，因此需要在双向可控硅的过零触发电路中加入了保护电路，从图2中可以看到R3为限流电阻，使输入的LED电流能达到15mA，的计算公式为：

R3(VccVF)I

VF：为红外发光二极管的正向电压，可以去1.2~1.4V；

I：为红外发光二极管触发电流；

R1是触发双向可控硅的限流电阻，其值由交流电网电压峰值及触发器输出端允许重复冲击电流峰值决定，R1VpITSM。Vp为交流电路中峰值电压，ITSM为重复浪涌电流。

R5是双向可控硅的门极电阻，当可控硅灵敏度较高时，门极阻抗也比高，使用R5能提高电路抗干扰能力。在保护电路中将一个电阻和电容串联后并在负载两端形成浪涌吸收电路，防止浪涌电压损坏双向可控硅，电阻和电容值可以选取39Ω和0.01uF。2 PID算法

PID控制算法是计算机控制的一个广泛应用的基本算法，而PID控制的数字化是属于控制算法设计中的模拟设计法。它是由连续系统PID发展起来的。具有原理模型简单，容易实现，鲁棒性强和使用面广等优点。2.1位置式PID控制算法

数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID公式是一个历史性的PID参数，最明显的表现在于它有整个历史过程的积分，而增量式PID是的比例环节是2个误差的差，积分环节变成了当前误差值，而微分环节变成了最后2次误差差值减去最后2,3次误差的差值的差，也就是说增量式误差的输出值最多只和最近3个输出的误差值相关，没有一个历史性的相关。这个也就决定了位置式PID和增量式PID的最主要适用场合：被控机构有无自动的积分环节，例如步进电机就是自带积分环节，可以使用增量式PID去控制，但是纯粹的液位控制、温度控制使用位置式PID控制效果会更好。位置式PID表达式为：

Tu(k)Kpe(k)TIe(j)j0kTDe(k)e(k1) T其中：u(k)为K时刻数字PID控制器的输出，由于其输出值对应执行机构的位置，才、因此被称为位置式算法。e(k)为第K次采样时刻输入的偏差值;e(k1)为第K-1次采样时刻输入的偏差值。图3给出了位置式PID控制系统。

r（k）e（k）PID位置控u（k）制算法D/Au（t）执行机构被控对象y（t）-y（k）T

图3 2.2 PID算法实现原理

对于PID控制的实现，针对不同系统可以采用不同方式来实现，而本系统采用输出PWM波控制双向可控硅的方式来控制电炉。对于加温的温度控制可以采用调节供电电压或在一定的时间循环周期内的供电时间比例即PWM波来调节加温控制温度。调功法控制的原理是通过PWM脉冲调宽功率放大器控制双向可控硅调节电阻丝的功率从而达到调节温度的目的。

设一个控制周期Tc中有N个完整的正弦波，则TcNf，f为电网的频率，因此只要在在周期Tc中控制主回路中周波数的通断n就可以改变功率，对系统进行调节。由于系统采用调节功率的方法来控制电炉的加温，即改变可控硅的通断时间比η，使信号整周波导通与整周波关断。控制电路把负载与电源在周期Tc内开通t1秒，然后在断开t2秒，从而来控

t1U2nt1U，负载的功率P制加温。为导通率，负载上的电压UzU TRNt1t2c对控制周期Tc选择，最小的周期不应小于20ms，因为我们使用电压220V，工频周期为20ms。温控系统的控制信号周期的选取是很关键的，考虑到控制系统的精度，采样的周期越小是最佳的，但采样周期小，控制器占用计算机的时间就长，对于具有较大滞后系统，控制周期应该尽量选长。本系统采用的控制周期为10s。2.2 PID控制量的处理

单片机有3个16位定时器T0、T1、T2，在程序设计中可以使用中断的方式来控制PWM还可以使用单片机中的中断。在中断中可以需要完成对数据的采集和处理，以及PID的计算，同时产生PWM波的基本周期信号，以及PWM波的控制信号。

设一个控制周期为20ms，在20ms中15ms来加热，5ms不加热。当定时器T1中断时，立即对系统的温度采样，并将采样值送入算法中计算。设定T1在5ms中断溢出后，改变中断口的电平，并将中断时间改为15ms，经过15ms后进入下一次的中断，如此往复实现PWM信号的输出。用修改定时器中断初值的方法调整时间宽度变可以实现脉宽改变。具体实现方式为，设n为定时器T1的初值，f为单片机的系统时钟，当系统在16(2n)f=11.059MHz的频率下可以得到PWM信号的加热时间宽度为tonf，通过改变定时器T1初值n，既可以改变加热ton，从而控制电阻丝件的加热时间。当n=0时电阻丝就一直加热，当n=65536时，电阻丝就处于不加热状态。软件设计

本系统软件包括主程序和中断处理程序。按照要实现的功能包括按键程序、显示程序、温度采集、PID调节等。按键程序设置需要加热的目标温度，启动加温后，实时采集温度数据，并将温度值在数码管上显示，同时将温度数据加入PID算法中计算。

PID算出的温度控制是根据当前温度和目标温度误差，通过PID算法计算出的u(k)值用于控制电炉的开断。由于本系统是通过双向可控硅触发来开断电炉的加热，所以PID算出的控制量需要通过调节PWM波的占空比方式，来改变双向可控硅的触发时间，从而控制加热功率，调节温度。

开始读入y(k),r(k)计算e（k）=r(k)-y(k)计算△e（k）=e(k)-e(k-1)△e（k-1）=e(k-1)-e(k-2)计算△u（k）计算u（k）=u(k-1)-△u(k)u(k-1)=u(k)e(k-2)=e(k-1)E(k-1)=e(k)结束 图5 数字PID算法程序流程图

4结束语

介绍了一种基于单片机的温度控制系统采用数字PID控制运用PWM 脉宽调制技术对电阻炉温度进行控制，消除了温度控制系统的振荡和超调现象，实现了对温度的精确控制。此控制系统有温度显示和按键控制，使用户能够随时对温度进行监控经过实验验证，该温度控制器结构简单体积较小测温准确，取得了较为满意的温度控制效果。

参考文献

[1]谢剑英.微型计算机控制技术.北京:国防工业出版社.第2版.1991 [2]方秉玲，陆忠化，郝国法编著.微型计算机控制系统分析与设计.北京：科学出版社，1992 [3] 陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,2002.[4] 魏英智，丁红伟，张琳，徐宝玉，李海燕.数字PID控制算法在温控系统中的应用[J].现代电子技术,2010，(17)[5]王丽华,郑树展.基于单片机的电加热炉温度控制系统设计 [J].天津职业大学学报.2006 [6]张艳艳.基于PID算法和89C52单片机的温度控制系统[J].工控技术,2009 [7]曹晓伟.MOC3061系列关电双向可控硅驱动器 [J].国外电子元器件,1996,（12）

第三篇：计算机控制课程设计(电阻炉温度控制系统)

计算机控制课程设计

报告

设计题目： 电阻炉温度控制系统设计 年级专业： 09级测控技术与仪器 姓 名 ：

武帆 学 号 ： P60914001 任课教师： 谢芳

电阻炉温度控制系统设计

0.前言

随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，特别是微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，利用单片机来改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本设计就是利用单片机来控制高温加热炉的温度，传统的以普通双向晶闸管（SCR）控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。采用固态继电器控温电路，通过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、可靠、较先进的控制方法。为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。

温度控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行温度控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。

1.课程设计任务

项目设计：电阻炉温度控制系统设计

以在工业领域中应用较为广泛的电阻炉为被控对象，采用MCS—52单片机实现电阻炉温度计算机控制系统的设计，介绍电阻炉温度计算机控制系统的组成，并完成系统总体控制方案和达林算法控制器的设计，给出系统硬件原理框图和软件设计流程图等。

1.1电阻炉组成及其加热方式

电阻炉是工业炉的一种，是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化元件或物料的热加工设备。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成，炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热方法也不同;由于工艺不同，所要求的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，对控温精度要求不同，因而控制系统的组成也不相同。电气控制系统包括主机与外围电路、仪表显示等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，因炉种的不同而各异。电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件，电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉，是将电源直接接在所需加热的材料上，让强大的电流直接流过所需加热的材料，使材料本身发热从而达到加热的效果。工业电阻炉，大部分采用间接加热式，只有一小部分采用直接加热式。由于电阻炉具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场分布 均匀、环保等优点，应用十分广泛。1.2控制要求

本系统中所选用的加热炉为间接加热式电阻炉，控制要求为:（1）采用一台主机控制8个同样规格的电阻炉温度;（2）电炉额定功率为20 kW;（3）恒温正常工作温度为1000℃，控温精度为±1%;（4）电阻炉温度按预定的规律变化，超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性;（5）具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为±1℃;（6）具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。

二、系统总体设计

根据题目要求,电热锅炉温度控制系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成。采用比较流行的AT89S52作为电路的控制核心,使用8位的模数转换器AD0808进行数据转换,控制电路部分采用PWM通过AC-SSR实现锅炉温度的连续控制,此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。系统总体框图如下。

显示电路热电偶电阻炉变送器数据采集单片机越限报警

2.1核心处理模块——单片机

该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，同时还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。

选择单片机的理由：单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。所以单片机在工业应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。

2.2温度信号采集与传感器

本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号，温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。再把电流信号转换成电压信号，使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，本设计采用的是数字温度传感器，以上过程都在温度传感器内部完成。

2.3人机交互及串口通信

人机交换的目的是为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出，串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。AC-SSR过零检测光耦隔离键盘控制 2.4控制执行单元

是单片机的输出控制执行部分，根据单片机数据处理的结果，驱动继电器控制外部设备，可以达到超温报警及升温或者降温目的，使环境温度始终保持在一个范围之内。

根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们设计了以AT89S52单片机为检测控制中心的电热锅炉温度自动控制系统。温度控制采用改进的PID数字控制算法,显示采用8位LED动态显示。

三、硬件电路设计

硬件电路如图所示：硬件系统主要由AT89S52单片机、温度采集、A／D转换、键盘显示电路、报警等功能电路组成。

3.1、核心部分单片机

AT89S52单片机为主控制单元。AT89S52单片机首先根据炉温的给定值和测量值计算出温度偏差，然后进行PID控制并计算出相应的控制数据由P1．0口输出。最后将P1．0口输出的控制数据送往光电耦合隔离器的输入端，利用PWM脉冲调制技术调整占空比，达到使炉温控制在某一设定温度。AT89S52单片机还负责按键处理、温度显示以及与上位机进行通信等工作。4位高亮度LED用于显示设定温度或实测温度。3.2、温度采集转换模块

温度采集电路主要由铂铑-铂热电偶LB-3。LB-3热电偶可以在1300℃高温下长时间工作，满足常规处理工艺要求。测温时，热电阻输出mV热电势，必须经过变送器变换成0-5V的标准信号。本系统选用DWB型温度变送器，并将其直接安装在热电偶的接线盒内，构成一体化的温度变送器，不仅可以节省补偿导线，而且可以减少温度信号在传递过程中产生的失真和干扰。电阻炉炉温信号是一种变换缓慢的信号。这种信号在进行A/D转换时，对转换速度要求不高。因此为了减低成本以及方便选材，可以选用廉价的、常用的A/D芯片ADC0809，ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入、8为数字输出地A/D转换器件，转换时间为100us，完全满足系统设计的要求。经过ADC0809转换所得到的实测炉温数据直接送入AT89S52单片机中进行数据处理。

此外，为了防止断偶或者炉温越限，产生热处理质量事故；同时为了提高温控系统的智能化控制性能，降低热处理操作人员的劳动强度，本系统特别设置了断偶或炉温越限自动报警电路。在热处理生产过程中，当发生断偶或炉温越限等异常现象时，主控单元AT89S52单片机自动启动报警电路进行声、光报警，以便操作人员快速处理，防止炉内工件过热，破坏金属组织结构。

3.3、AC—SSR交流功率调节电路

由输出来控制电炉,电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为：

其中时间常数T=350秒，放大系数K=50，滞后时间t=10秒。为了避免交流接触器等机械触电因频繁通断产生电弧，烧坏触电或者干扰其他设备正常工作，本系统选用AC-SSR交流功率调节器作为PID控制系统的执行机构。AT89S52单片机P1.0口输出的温度控制信号经过光电耦合器件隔离，送至过零检测电路。过零检测电路产生脉冲控制AC-SSR调功电路。当实测温度偏低时，单片机输出的控制信号使得双向可控硅的导通角减小，导通时间变短，加热器功率降低炉温适当降低。通过控制输入到加热器平均功率的大小达到控制电阻炉炉温的目的。

控制执行部分的硬件电路如下图

3.4键盘模块电路

采用4×4矩阵键盘接单片机的P1口，然后实现对设定温度的修改，将它与实际温度进行对比，实现要求的功能。矩阵键盘如下图3所示：

3.5 A/D转换电路

如图所示：

3.6 变送电路

3.6.1、4~20mA变送器XTR101 XTR101为4~20mA线性化变送器，它可与镍络-镍硅测温传感器构成精密的T/I变换。器件中的放大器适合很宽的测温范围，在-40℃~+85℃的工作温度内，传送电流的总误差不超过1%，供电电源可以从11.6V到40V,输入失调电压<±2.5mV，输入失调电流<20nA。XTR101外形采用标准的14脚DIP封装。XTR101有如下两种应用于转换温度信号的典型电路：

3.6.2、I/V转换器RCV420 RCV420是一种精密电流/电压变换器，它能将4~20mA的环路电流变为0~5V的电压输出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密运放和电阻网络外，还集成有10V基准电源。对环路电流由很好的变换能力。具有-25℃~+85℃和0℃~70℃的工作温度范围，输入失调电压<1mA，总的变换误差<0.1%，电源电压范围±5~±18V。RCV420的外形采用标准的16脚DIP封装。它的典型应用如下：

四、系统软件设计

系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。

4.1 主程序模块

开始初始化计时器初始化PID参数A/D采样以及变换Y判断越限报警N显示当前温度和设定温度报警开启设置PWM的占空比

主程序流程图

4.2 功能实现模块

以用来执行对可控硅及电炉的控制。功能实现模块主要由A／D转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序等部分组成。

4.2.1T0中断子程序

该中断是单片机内部100ms定时中断,优先级设为最高,是最重要的子程序。在该中断响应中,单片机要完成调用PID算法子程序且输出PID计算结果等功能。其流程图如下:

进入中断设置定时器寄存器判断标志位是否为1NY标志位置0计算PID子模块标志位加1中断返回 T0中断子程序

4.2.2 T1中断子程序

T1定时中断用于调制PWM信号，优先级低于T 0中断,其定时初值由PID算法子程序提供的输出转化而来，T1中断响应的时间用于输出控制信号。其流程图如下:

进入中断取反标志位,表示该输出高电平或低电平输出高电平?Y设置高电平脉宽N输出口置高电平设置低电平脉宽Y输出低电平?N输出口置低电平中断返回 T1中断子程序

4.3运算控制模块

运算控制模块涉及标度转换、PID算法、以及该算法调用到的乘法子程序等。

4.3.1标度转换子程序

该子程序作用是将温度信号(00H~FFH)转换为对应的温度值,以便送显示或与设定值在相同量纲下进行比较。所用线形标度变换公式为：

式中,Ax： 实际测量的温度值;Nx：经过A／D转换的温度量； Am =90；Ao=40；Nm =FEH;No=01H；

单片机运算采用定点数运算，并且在高温区和低温区分别用程序作矫正处理。

4.4 控制算法：PID算法

积分分离控制的基本思路是：当偏差e(k)绝对值较大时。取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当偏差e(k)绝对值小于某一设定值M时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度，PID算法的表达式为：

u(t)Kp[e(t)式中u(t)：调节器的输出信号；

e(t)：偏差信号；

1TIt0e(t)dtTDde(t)]dt

Kp：调节器的比例系数；

TI：调节器的积分时间； TD：调节器的微分时间。

在计算机控制中，为实现数字控制，必须对上式进行离散化处理。用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程。设系统的采样周期为T，在t=kT时刻进行采样，e(t)dtTe(i)0i0tk

式中e(k)：根据本次采样值所得到的偏差；

e(k-1)：由上次采样所得到的偏差。将上面的三个式子代入，则有

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为采样时间，项为积分项的开关系数

01e(k)e(k)

积分分离PID控制算法程序流程图如图10所示。

开始参数初始化采入r(k)及y（k）yPID控制E(k)<ß？nPD控制控制器输出参数更新返回

积分分离PID控制算法程序流程图

参考文献

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单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社

[9]刘洪恩.利用热电偶转换器的单片机温度测控系统[J]仪表技术,2005.2: 29-30。[10]孙凯, 李元科.电阻炉温度控制系统[J].传感器技术,2003.2:50-52.。

附录

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

清暂存单元

清显示缓冲区

T0为计数器方式2，T1为方式1

T0赋初值

T0为低中断优先级 T0工作 T0中断 CPU中断

；；清本次越限标志；清上次越限标志；清累加器；；；；；；；；；；；；；；设；；；令；启动；允许；开；调用显示程序；调用扫描程序；等待中断T0中断服务程序 ORG 000BH AJMP CT0 ORG 0100H CT0: PUSH ACC ；

PUSH DPL ；保护现场 PUSH DPH ；

SETB D5H ；置标志

ACALL SAMP ；调用采样子程序 ACALL FILTER ；调用数字滤波程序

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

MOV 5FH,C ； 5EH送5FH CLR 5EH ；清5EH单元 ACALL UPL ；转上限处理程序 POP DPH POP DPL POP ACC RETI ；中断返回

TPL: JNC TPL1 ；若Ui（k）大等Umax，则TPL1 CLR 5FH ；清上次越限标志

CJNE A,43H,MTPL ；若Ui（k）不等于Umin，则MTPL HAT: SETB P1.1 ；若温度不越限则令绿灯亮 ACALL PID ；调用计算PID子程序 MOV A,2FH ；PID值送A CPL A ；

INC A ； 对PID值求补，作为TL1值 NM: SETB P1.3 ；令p1.3输出高电平脉冲 MOV TL1,A ；

MOV TH1,#0FFH ； T1赋初值 SETB PT1 ；T1高优先级中断 SETB TR1 ；启动T1 SETB ET1 ；允许T1中断

ACALL TRAST ；调用标度转换程序 LOOP: ACALL DISPLY ； 显示温度 JB D5H,LOOP ；等待T1中断 POP DPH ；

POP DPL ； 恢复现场 POP ACC ；

RETI ；中断返回

MTPL: JNC HAT ；若Ui（k）大于Umin，则HAT SETB P1.0 ；否则越下限声光报警 MOV A,45H ；取PID最大值输出 CPL A ；

INC A ； 对PID值求补，作为TL1 AJMP NM ；转NM执行

TPL1: SETB 5EH ；若Ui（k）大于Umax，则5EH单元置位 JNB 5FH,WL ；若上次未越限，则转WL INC 44H ；越限计数器加1 MOV A,44H CLR C SUBB A,#N ；越限N次？

JNZ WL ；越限小于N次，则WL SETB P1.2 ；否则，越上限声光报警 CLR 5EH CLR 5FH POP DPH POP DPL POP ACC RETI

T1中断服务程序 ORG 001BH AJMP CT1 ORG 0200H CT1: CLR D5H CLR P1.3 RETI ；

； 清越限标志 ；

； 恢复现场 ；

；中断返回

p1.3变为低电平；中断返回 ；清标志；令

第四篇：PLC在铣床控制系统中的应用

PLC在铣床控制系统中的应用

谢保鸡

摘要：介绍用PLC取代X62W万能铣床的继电器控制电路，阐述了PLC的设计方案；根据控制要求，确定PLC的输入输出点数，进行PLC型号选择，对I/O地址进行了分配，并画出了I/O接线图；根据控制原理，画出了梯形图。

关键词：可编程控制器(PLC)；铣床；控制；

1引言

PLC是将计算机技术应用于工业控制领域的产品，它具有高可靠性、编程简单、体积小功耗低等优点，在短短的几十年里得到了迅猛发展，已成为当代工业自动化的主要支柱之一目前，部分中小型企业及高校仍广泛使用传统的继电器控制机床，这些机床经历了比较长的历史，虽然它能在一定范围内满足单机和自动生产线的需要，但由于它的电控系统是以继电器、接触器的硬连接为基础的，技术上比较落后，特别是其触点的可靠性问题，直接影响了产品质量，生产效率和生产成本。而用PLC对它进行技术改造，便能取得很好的效果。X62W铣床的电气控制要求

图1是X62W铣床控制系统的主电路图，其中M1是主轴电动机，M2为冷却泵电动机，M3为进给电动机，FR1—FR3为热继电器，FU为熔断器。

具体控制要求如下：

(1)主轴电动机M1采取空载直接起动，且要求实现正、反转控制，但由于铣床在加工过程中主轴方向的改变并不频繁，因此采用了电源相序转换开关SA3来实现正、反转。

(2)为防止铣削时，系统发生振动，在主轴传动系统中装有惯性轮，但在高速切削后，停车很费时间，故采用电磁离合器YC1制动。

(3)工作台的纵向、横向和垂直三个方向的进给运动由进给电动机M 3拖动，三个方向的选择由操纵手柄改变传动链来实现，每个方向有正、反向运动。要求M3能正、反转，同时，一个时刻只允许工作台向一个方向移动，所以三个方向的运动之间应有联锁保护装置。

(4)为了防止刀具和机床的损坏，要求只有主轴旋转后，才允许有进给运动，而为了减小加工件表面的粗糙度，停车时要求先停进给，然后停主轴。但由于主轴本身具有惯性，因此可 以采用主轴和进给同时停止的方式。

(5)主轴运动和进给运动采用变速盘来进行速度选择，为保证变速时齿轮进入良好的啮合状态，两种运动都要求变速时电机作瞬时点动。

(6)为操作方便，主轴电动机的起动与停止，工作台快速移动均采用两地控制。

(7)冷却泵由电动机M2拖动，只要求实现正转控制。

(8)为了加工螺旋槽，在X62W铣床上安装了圆工作台，但要求圆工作台的旋转与工作台的上下、左右及前后进给运动之间有联锁保护装置。PLC控制电路

3.1 I/O地址分配、机型选择及I/O端口接线图为实现上述铣床的控制要求，现选择三菱公司生产的FX2N－48MR型PLC，其I/O地址分配如附表所示。

图2是X62W铣床的PLC输入输出接线图，需注意的是，图中对输入的常闭触点进行了处理，即常闭按钮改用常开按钮，热继电器的常闭触点改用了常开触点。

3.2 PLC梯形图

图3是X62W铣床的PLC梯形图，其中，回路6控制主轴起动和变速，回路7控制主轴制动，回路11控制工作台分别作纵向、横向、垂直、变速等运动以及圆盘运动，回路8控制工作台快速进给。PLC梯形图控制分析

4.1主轴控制电路分析(1)主轴电动机起动

起动前先合上电源开关QF，再把主轴转换开关SA3扳到所需的旋转方向，然后按起动按钮SB1（或SB2)，X0（或X1)闭合，Y0得电，KM1工作，主轴电动机运转。

(2)主轴电动机的停车制动

按主轴停止按钮SB5（或SB6)，这时X4（或X5)常闭断开，M5失电，Y0失电，KM1断开，主轴电动机失电作惯性运动，接着X4（或X5)常开闭合，Y3得电，电磁离合器YC1工作，对主轴进行制动，待主轴停车后，松开SB5（或SB6)。

(3)主轴换铣刀控制

SA1是主轴换铣刀开关，需换刀时，将SA1扳到“换刀”位置，这时X14常闭断开，使Y0失电，KM1断开，主轴电动机失电作惯性运动，接着X14常开闭合，Y3得电，电磁离合器YC1得电工作，对主轴进行制动，使机床无法运行，保证了人身安全。(4)主轴变速冲动控制

主轴变速时的冲动控制是利用变速手柄与冲动行程开关SQ1，通过机械上的联动机构进行控制，变速时，扳操纵手柄使SQ1动作，这时X6常闭断开（断开自锁回路)，X6常开闭合，使Y0得电，KM1工作，主轴电动机实现点动控制。

4.2进给控制电路分析

转换开关S A 2是控制圆工作台的，在不需要圆工作台工作时，转换开关SA2扳到“断开”位置。此时，X15常闭闭合，常开断开；当需要圆工作台工作时，转换开关SA2扳到“接通”位置，此时X15常闭断开，常开闭合。(1)工作台左（右)控制

主轴电动机启动后，将操纵手柄向左（右)扳，其联动机构压动位置开关SQ5（SQ6)，使X12（X13)常闭断开（联锁保护)，X12（X13)常开闭合，Y1（Y2)得电，KM2（KM3)工作，进 给电动机实现正（反)转，通过相应传动装置拖动工作台向左（右)运动。(2)工作台下、前（上、后)控制

主轴电动机启动后，将操纵手柄分别向下、前（上、后)扳，其联动机构压动位置开关SQ3（SQ4)，使X10（X11)常闭断开（联锁保护)，X10（X11)常开闭合，Y1（Y2)得电，KM2（KM3)工作，进给电动机实现正（反)转，通过相应传动装置拖动工作台向下、前（上、后)运动。(3)进给变速冲动控制

与主轴变速原理一样，变速时只需将变速盘往外拉，使进给齿轮松开，待转动变速盘选择好速度后，将变速盘向里推，在推进时，档块压动位置开关SQ2，使X7常闭断开（断开自锁回路)，X7常开闭合，Y1得电，KM2工作，进给电动机实现点动控制。(4)工作台快速移动控制

按下快速点动按钮SB3（或SB4)，X2（或X3)接通，M9得电，它的一个常开触点接通进给控制电路，另一个则接通快速进给电磁离合器YC3，常闭触点切断正常进给电磁离合器YC2，让工作台实现快速进给。松开SB3（或SB4)，X2（或X3)断开，M9失电，此时YC3失电，YC2得电，工作台快速移动停止，仍按原方向作正常进给运动(5)圆工作台的控制

当需要加工螺旋槽时，应将工件安装在圆工作台上，调整好铣刀和工件之间的位置，主轴电动机启动后，将开关SA2扳到“接通”位置，X15常闭断开（联锁保护)，X15常开闭合，Y得电，KM2工作，进给电动机通过相应传动装置拖动圆工作台开始工作值得注意的是，当圆工作台在运转过程中，既不要求调速，也不要求反转

5结束语

用PLC改造后的X62W铣床通过实际使用，生产效率得到了很大提高并能很好的保证其加工精度，自运行以来，系统运行稳定、可靠，完全满足生产工艺的要求，对同类设备的技术 改造有较大的参考价值。参考文献：

[1]李秀忠.PLC在X62W铣床电气控制电路中的应用 [J].自动化技术与应用,2004,08（23）：29-31.[2]胡俊达.PLC在专用双面铣床电气控制中的应用 [J].组合机床与自动化加工技术,2003,12（05）：35-37 [3]姚道如,汪功明.变频器和PLC在龙门铣床控制中的应用[J].常熟理工学院学报(自然科学),2008,04(04):97-99 [4]俞鸿斌.PLC在龙门刨铣床数控化改造中的应用[J].机电工程, 2007,(7): 97-99.[5]阎占文.PLC在铝锭铣床自动控制上的应用[J].电器时代, 2004,(11): 80-83.[6]余雷声.《电气控制与ＰＬＣ应用》[M].机械工业出版社,2002.6.

第五篇：PLC在恒压供水变频调速控制系统中的应用

PLC在恒压供水变频调速控制系统中的应用

引言

恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

基于上述情况对某生活区供水系统进行了改造，采用plc作为中心控制单元，利用变频器与pid相结合，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的，提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果。2 系统结构与工作原理

供水系统由主供水回路、备用回路、储水池及泵房组成，其中泵房装有1#~3#共3台150kw泵机。另外，还有多个电动闸阀或电动蝶阀控制各供水回路和水流量。由于该供水网较大，系统需要供水量每小时开2台泵向管网充压，供水量大时开3台泵同时向管网充压。要想维持供水网的压力不变，在管网系统的管道上安装了压力变送器作为反馈元件为控制系统提供反馈信号，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用pid调节器进行控制，而应采用plc参与控制的方式来实现对控制系统起调节作用。选择frn160g7p-4变频器实现电动机的调速运行，可编程序控制器选择日本松下fp1-c40型，且配有a/d和d/a模块，其原理框图如图1所示。

图1 恒压供水系统原理图

控制系统主要由plc、变频器、切换继电器、压力传感器等部分组成。控制核心单元plc根据手动设定压力信号与现场压力传感器的反馈信号经plc的分析和计算，得到压力偏差和压力偏差的变化率，经过pid运算后，plc将0~5v的模拟信号输出到变频器，用以调节电机的转速以及进行电机的软启动;plc通过比较模拟量输出与压力偏差的值，通过i/o端口开关量的输出驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整电机组中投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使动力系统的工作压力稳定，进而达到恒压供水的目的。3 系统程序设计和plc的i/o分配

系统程序包括启动子程序和运行子程序，其流程图如图2所示。运行子程序又包括模拟调节子程序(其流程图如图3所示)和电机切换子程序(流程图略)，电机切换子程序又包括加电机子程序和减电机子程序(程序设计略)。plc的输入、输出端子分配情况如附表所示。

图2 启动程序流程图

图3 模拟调节流程图 系统工作过程

加上启动信号(x4)后，此信号被保持，当条件满足时，(即x2为“1”)时，开始启动程序，此时由plc控制1#电机变频运行(此时y0、y6、y7亮)，同时定时器t0开始计时(10s)，若计时完毕x2仍亮，则关闭y0、y6，(y7仍亮，)t2延时1s。延时有两方面的原因: 一是使开关充分熄弧，防止电网倒送电给变频器，烧毁变频器;二是让变频器减速为0，以重新启动另一台电机。延时完毕，则有1#机投入工频运行，2#机投入变频运行，此时y1、y2、y6、y7亮，同时定时器t1开始计时(10s)，若计时完毕x2仍未灭，则关闭y2、y6，(y1、y7仍亮，)t3延时1s，延时完毕，将2#机投入工频运行，3#机投入变频运行，(此时y1、y3、y4、y6、y7亮，)再次等待y7灭掉后，则整个启动程序执行完毕，转入正常运行调节程序，此后启动程序不再发生作用，直到下一次重新启动。在启动过程中，无论几台电机处于运行状态，x2一旦灭掉，则应视为启动结束(y7灭掉)，转入相应程序。综合整个启动过程，完成三台电机的启动最多需要22s的时间。

运行过程中，若模拟调节器节上、下限值均未达到(即x1、x2灭)，则此时变频器处于模拟调节状态(此时相应电机运行信号和y6亮)。

若达到模拟调节上限值(x1亮)，则定时器t4马上开始定时(5s)，定时过程中监控x1，若x1又灭掉，则关闭定时器，继续摸拟调节;若t4定时完毕，x1仍亮，则启动一低速(y8亮)，进行多段速调节，同时定时器t5开始定时(3s)。定时完毕，若x1仍亮，则关闭此多段速，启动一更低速(y9)，同时定时器t6定时(10s)。定时完毕，若x1仍亮，则关掉y9，此后x0很快会通，转入切换动作程序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若x0亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行切换动作，即转入切换程序，同样，若无论何时，x1灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。

若达到模拟调节下限值(x2亮)，则定时器t7马上开始定时(5s)，定时过程中监控x2，若x2又灭掉，则关闭定时器，继续摸拟调节，若t7定时完毕，x2仍亮，则启动一高速(y7、y2)，进行多段速调节，同时定时器t8开始定时(3s)，定时完毕。若x2仍亮，则关闭此多段速，启动一更高速(y8、y9)，同时定时器t9定时(10s)，定时完毕。若x2仍亮，则关掉y8、y9，此后x3很快会通，转入加电机动作程序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若x3亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行加电机动作，即转入加电机程序。同样，若无论何时，x2灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。

电机切换程序分为电机切除程序和加电机程序两部分。此程序动作的条件是:启动结束后无论何时x0亮，一旦条件满足，即由plc根据电动机的运行状态来决定相应切换哪台电机，切换时只能切换工频运行电机。

若工作状态是一台变频一台工频，则立即切除工频电机，然后计数值减1，即完成此过程，再由调节程序运行，调节至满足要求为止。

若3台电机同时工作，则应由plc来决定切除哪台工频运行电机。切除依据是3台电机对应计数器的大小，谁大切谁，切除掉一台后，要由定时器定时(5s)等待，以便变频器调节一段时间，防止连续切除动作。这主要是考虑到本系统的非线性和大小惯性因素而采取的措施。

加电机程序, 其动作程序是:启动结束后无论何时x2亮, 一旦条件满足, 立即关掉变频运行电机和变频器，延时一段时间后(原因同上), 将原变频运行电机投入工频运行，同时打开变频器和将要启动电机的变频开关, 完成加电机。

同样，若原有2台电机工频工作，则x2一亮，立即开始加另一台电机(无延时)，(加电机依据是判断计数值，谁小加谁)。但加电机完成以后，定时器要开始定时(5s)等待，让变频器调节一段时间，防止连续加电机动作。其过程分为:结束语

用变频器来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著。其优点是: 起动平稳,起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应;在锅炉和其他燃烧重油的场合,恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大地减轻了对环境的污染。参考文献

[1] 常斗南.电气控制与plc应用.北京:机械工业出版社,2003 [2] fp1型可编程控制器c24/c40/c60操作手册 [3] 变频器说明手册.富士电机有限公司

[4] 曾 毅.变频调速控制系统.济南:山东科学技术出版社,2002 作者简介

张全庄(1963-)男 讲师/硕士 主要研究方向:工业电气自动控制与plc应用。