计算机控制课程设计(电阻炉温度控制系统)

第一篇：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

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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

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第三篇：氧化铝焙烧温度控制系统课程设计-精品

氧化铝焙烧温度控制系统课程设计

摘要：氧化铝是电解铝生产的主要原料，针对我国矿石特点，我国氧化铝的生产工艺主要采用的是拜尔法和烧结法以及混联法，在拜尔法中焙烧工序是氧化铝生产必不可少的一个过程，并且是整个氧化铝生产的最后一道工序，该生产过程的主要任务是将来自分解或平盘的带有附着水的氢氧化铝物质在焙烧炉中高温煅烧，脱除附着水和结晶水，从而生成物理化学性质符合电解要求的氧化铝。氧化铝焙烧的主要工艺参数是灼烧温度．灼烧温度的高低与稳定与否直接决定着氧化铝的出厂质量，所以稳定控制氧化铝灼烧温度是保证氧化铝生产质量 的主要途径。本文以氧化铝焙烧生产过程控制系统为背景，开展了氧化铝焙烧生产过程控制策略的研究和控制系统的设计以及器件的选型。

关键词：氧化铝焙烧；器件选型；串级控制系统；PID参数整定

一、氧化铝生产工艺

生产氧化铝的方法大致可分为四类：碱法、酸法、酸碱联合法与热法。目前工业上几乎全部是采用碱法生产。碱法有拜耳法、烧结法及拜耳烧结联合法等多种流程。

目前，我国氧化铝工业采用的生产方法有烧结法，混联法和拜耳法三种，其中烧结法占20.2％，混联法占69.4％，拜耳法占10.4％。虽然烧结法的装备水平和技术水平在今年来有所提高，但是我国的烧结技术仍处于较低水平。而由于拜耳法和烧结混合法组成的混联法，不仅由于增加了烧结系统而使整个流程复杂，投资增大，更由于烧结法系统装备水平和技术水平不高，使得氧化铝生产的能耗增大，成本增高，降低我国氧化铝产品在世界市场上的竞争力。拜耳法比较简单，能耗小，产品质量好，处理高品位铝土矿石，产品成品也低。目前全世界90％的氧化铝是用拜耳法生产的。

拜耳法的原理是基于氧化铝在苛性碱溶液中溶解度的变化以及过氧化钠浓度和温度的关系。高温和高浓度的铝酸钠溶液处于比较稳定的状态，而在温度和浓度降低时则自发分解析出氢氧化铝沉淀，拜耳法便是建立在这样性质的基础上的。

下面两项主要反映是这一方法的基础：

Al2O3xH2O2NaOH(3x)H2O2NaAl(OH)4

NaAl(OH)4Al(OH)3NaOH

前一反映是在用循环的铝酸钠碱溶液溶出铝土矿时进行的。铝土矿中所含的一水和三水氧化铝在一定条件下以铝酸钠形态进入溶液。后一反映是在另一条件下发生的析出氢氧化铝沉淀的水解反应。铝酸钠溶液在95-100度不致水解的稳定性可以用来从其中分离赤泥，然后使溶液冷却，转变为不稳定状态，以析出氢氧化铝。

拜耳法生产过程简介：原矿经选矿、原矿浆磨制、溶出与脱硅、赤泥分离与精制、晶种分解、氢氧化铝焙烧成为氧化铝产品。

1破碎后进厂的碎高矿经均化场均化后，用斗轮取料机取料入输送机进入铝矿仓，石灰石经煅烧后输送到石灰仓，然后与循环母液经调配后按比例进入棒磨机、球磨机的两段磨和旋流器组成的磨矿分级闭路循环系统。分级后的溢流经缓冲槽和泵进入原矿浆储槽，用高压泥浆泵输送矿浆进入多级预热和溶出系统，加热介质可用溶盐也可用高压新蒸气，各级矿浆自蒸发器排出的乏气分别用来预热各级预热器中的矿浆。溶出设备可用套管加热与高压釜组成溶出器组。溶出后的矿浆经多级降压自蒸发器降压后，与赤泥一次洗液一同进入矿浆稀释槽。末级自蒸发器排出的乏气，用来预热赤泥洗水，洗水由循环水和不合格的冷凝水组成。稀释矿浆进入分离沉降槽，其溢流经过叶滤和降温后送去晶种搅拌分解，分解后的氢氧化铝浆液经分离后，大部分氢氧化铝返回种分槽作为晶种使用，其余部分送去洗涤，洗水用纯净的热水，洗净后的氢氧化铝送去焙烧，焙烧后的氧化铝即为成品氧化铝。分离后的种分母液送去蒸发，加入少量盐类晶种以诱导盐类晶种析出，其溢流与滤液、补充新的液体苛性钠后组成循环母液，送去调配制备原矿浆。

二、氧化铝生产焙烧过程工艺

氢氧化铝焙烧是氧化铝生产工艺中的最后一道工序。焙烧的目的是在高温下把氧化铝的附着水和结晶水脱除，从而生成物理化学性质符合电解要求的氧化铝。(1)焙烧原理

氢氧化铝经过焙烧炉的干燥段，焙烧段和冷却段使之烘干，脱水和晶形转变而变成氧化铝产品其化学变化可分为以下几个阶段。

（a）脱除附着水

CAl(OH)3H2O100Al(OH)3H2O 当温度高于100C时氢氧化铝中的附着水被蒸发，此反应发生在闪速干燥器。(b)脱除结晶水

结晶水的脱除分两步进行，250-300度时，失去两个结晶水，在500-600度的温度下它失去最后一个结晶水。而成为rAlO。

23300CAl2O33H2O250Al2O32H2O 600CAl2O3H2O500Al2O3H2O (c)晶型转变

氢氧化铝在脱水过程中伴随着晶体转变，rAl2O3在950度时开始进行晶型转变，逐渐由rAl2O3转变为a-Al2O3。

(2)氧化铝焙烧过程生产过程流程介绍

流态化焙烧是世界上最先进的氢氧化铝焙烧技术与装置，流态化是一种固体颗粒与气体接触而变成类似流体状态的操作技术。而固体物料在流态化状态下与气体或液体的热交换过程最为强烈。(a)此炉型采用了在干燥段设计热发生器这一新颖措施，当供料氢氧化铝附着水含量增大时，不需象其它炉型那样采取增加过剩空气的方式来增加干燥能力，仅需启动干燥热发生器来增加干燥段热量，避免了废气量大增而大量损失热量，因此，与前二种炉型相比，气体悬焙烧炉热耗和电耗要低。

(b)整套装置设计简单。一是物料自上而下流动，可避免事故停炉时的炉内积料和计划停炉时的排料；二是设备简单，除流化冷却器外无任何流化床板，没有物料控制阀，方便了设备维检修：三是负压作业对焙烧炉的问题诊断和事故处理有利。这些都有利于故障后生产的快速恢复，给生产组织带来方便。

(c)控制回路简单，气体悬浮焙烧炉虽有多条自动控制回路，但在生产中起主要作用的仅有2条，一条是主燃烧系统的主炉温度控制回路，另一条是O2含量控制回路。

三、焙烧炉温度控制方案设计

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。一个控控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控 制器。

(1)对于焙烧过程而言，主要控制焙烧炉出口温度。而影响焙烧炉出口温度的因素主要就是燃料的流量，而流量又决定于主燃烧器的流量阀门的开度。因此，我们引入中间点信号，即最能反应焙烧炉出口温度的进入主燃烧器中的燃料流量，作为调节器的补充信号，以便快速反应影响焙烧炉出口温度变化的扰动，引入该点作为辅助被调量，通过调节管道上流量阀的开度调整燃料的流量，组成了流量．温度串级调节系统，从而调节焙烧炉的出口温度，来保氧化铝的产量和质量口”。焙烧炉温度控制回路流程图如图所示：

图1 焙烧炉温度控制回路流程图 焙烧炉温度控制回路设计为串级控制回路，主回路为温度控制回路，其输入为焙烧炉的出口温度的设定值，控制器输出为副回路的输入，测量仪表为一体化热电偶；副回路为流量控制回路，其输入为主控制器的输出或主燃烧器的流量设定，控制器输出为主燃烧器V19流量调节阀的百分比开度，执行机构为流量电动调节阀，测量仪表为电磁流量计。从方框图可以看出，串级调节系统有两个闭环的调节回路：

图2 温度控制回路结构图

a）由PID控制器、调节阀、主燃烧器、流量计构成了副环回路。b）由PID控制器、副环回路、焙烧炉、温度计构成了主环回路。

副环回路为流量调节系统，选用标准PID控制器来控制该系统。主环回路为温度调节系统，也选用标准PID控制器来控制该系统。

主调节器出的的信号不是直接调节温度，而是作为副调节器的可变给定值，与燃料流量信号比较，再通过副调节器去控制电动阀动作，以调节燃料流量，保证焙烧炉出口温度能较快的跟踪设定值并最终保持在设定值附近不变。

(2)从动态特性的角度考虑，优化控制器性能与结构，提高系统的响应速度。在对控制系统进行设计时，尽量根据被控制对象选择一组较为合适的控制器参数，提达到更好可控制效果。而通过对系统建立数学模型，根据模型特性，通过设定某种性能指标，在实现最优指标的前提下，对控制器参数进行寻优可谓是个好的优化控制器性能的办法。对于串级控制系统来说，有两个控制器，因此需要分别对两个控制器的参数进行整定，整定的顺序先调节副回路，待副回路调节达到要求后，在调节主回路。

(3)如果测量元件的延迟和惯性比较大，就不能及时反映温度的变化，就会造成系统不稳定，影响控制质量。因此，在系统的仪表选型上尽量使用快速的测量元件，安装在正确的位置，保证测量信号传递的快速性，减小延迟和惯性。

四、焙烧炉温度回路对象模型的建立与验证

建立数学模型的方法有许多种，像机理建模、系统辨识等。机理建模有较大的普遍性，但是多数工业过程的机理较为复杂，其数学模型很难建立，虽然在建模过程中作了一些具有一定实际依据的近似和假设，但是逼近不能完全反映过程的实际情况，有时甚至会带来一些估计

4不到的影响。因此，在工程目前主要采用试验建模一过程辨识和参数估计的方法。建模的方法我们采用响应曲线法，响应曲线法主要用于阶跃响应曲线和矩形脉冲响应曲线。

图3 阶跃响应法 图4 矩形脉冲响应法(1)阶跃响应曲线的试验测定：

将被控过程的输入量作一阶跃变化，同时记录其输出量随时间而变化的曲线，则称为阶跃响应曲线。

阶跃响应曲线能直观，完全描述被控过程的动态特性。实验测试方法易于实现，只要是阀门的开度作一阶跃变化即可，实验时必须注意：

(a)合理选择阶跃扰动量，既不能太大，以免影响正常生产，也不能太小，以防被控过程的不真实性。通常取阶跃信号值为正常输入信号的5％一15％，以不影响生产为准。(b)试验应在相同的测试条件下重复做几次，需获得两次以上的比较接近的相应曲线，减少干扰的影响。

(c)试验应在阶跃信号作正，反方向变化时分别测出其相应曲线，以检验被控过程的非线性程度。

(d)试验前，即在输入阶跃信号前，被控过程必需处于稳定的工作状态。在一次试验完成后，必须是被控过程稳定一段时间后再施加测试信号作第二次试验。

考虑到实际工程的方便，对主炉温度控制我们采用阶跃响应曲线试验建模法。根据 控制理论来分析，设计或改进一个过程控制系统，只有过程的阶跃响应曲线显然是不够的，还必须有阶跃响应曲线来辨识被控过程数学模型，如微分方程、传递函数、频率特性、差分方程等。在确定模型参数时，首先分析阶跃响应曲线的形状，选取一种模型结构，然后进行参数估计。由阶跃响应曲线辨识数学模型的方法很多，一阶惯性环节是一种常用的估计方法。

在过程输入阶跃信号x0的瞬时，其响应曲线的斜率最大，如图5所示。

5图5 阶跃响应曲线

此时，其数学模型可用一阶惯性环节来近似，即

w(s)sK1

式中参数K、的求法如下：(1)过程的静态放大系数

y()y(0)x0K(2)过程的时间常数

对于上式所示的过程模型，在阶跃信号x0作用下的时间特性为：

y（t）Kx0(1e)

式中，K为过程的放大系数，可由上式可确定。

图3．20描绘该方程的曲线图，表明一阶过程对输入的突然变化不能瞬时做出响应。事实上，当时间间隔等于过程时间常数是（t）过程响应应仅为完全值得63.2％。从利用上讲，除了t，过程输出总不会达到新的稳态值；当（t5）时，相应近似为最终稳态值。

t

五、设备及控制仪表的选型

（1）温度变送器的选择

选用JCJ100G温度变送器，JCJ100G温度变送器将热电热偶所测的温度变化通过电路处理，经信号放大后转化成标准的电压或电流信号。信号可以供数字仪表、记录仪、模拟调节器、DCS系统，广泛用于工业生产过程检测与控制系统。本温度变送器采用优质电子器件，性能远高于其他同类产品，物美价廉。（2）控制器选型

按照设计要求，本设计选用一个KSW-6-16型温度控制器为1300℃电炉的配套设备，与铂铑—铂热电偶配套使用，可对电炉内的温度进行测量、显示、控制，并可使炉膛内的温度自动保持恒温。以硅碳棒为加热元件的高温电阻炉，其加热元件的冷态与热态时的电阻值相差较大，在长期使用中硅碳棒的电阻值将逐渐变大。所以必须与调压设备配套使用，KSW-6-16型号的温度控制器具有温度控制和电压调节二种功能，该温度控制器的温度显示有数字显示

6和指针显示二种，其中尤以固态继电器为执行元件并配以数字显示的控制器性能更为优越。结构及工作原理：温度控制器的外壳由钢板冲压折制成型并采用铝合金框架结构，外壳表面采用高强度的静电喷涂，漆膜光滑牢固。控制器的前部装有温度控制仪表、电压表、电流表和电源开关。控制器的内部装有可控硅、线路板及螺旋保险和接线端子等电器元件。该温度控制系统采用了优质电子集成元件，控温灵敏、性能可靠、使用方便。

其工作原理：热电偶将电炉内部的温度转换为毫伏电压值，经过集成放大器的放大、比较后，输出移相控制信号，有效地控制可控硅的导通角，进而控制硅碳棒的平均加热功率，使炉膛内的温度保持恒温。（3）执行器的选择

PID系统的执行机构为电动调节阀、排料阀。电动阀使用电机作动力，气动阀使用压缩空气作动力，电动阀对液体介质和大管道径气体效果好，不受气候影响，电动调节阀要求电动调节装置和阀体间隙精密，能够准确地控制阀门开度，阀芯则根据重油黏度系数选用V型半球阀，使其过油能够连续通顺，并使调节与开度尽量满足线性关系。为了解决排料的连续性，选择了气动控制排料阀，执行机构为I／P定位器。I／P定位器是二位三通电磁阀。此装置通过阀门开关来控制气缸带动活塞运动。（4）气开气关选择

气动调节阀气开或者气关，通常是通过执行机构的正反作用和调节阀结构的不同组装方式实现。气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑的。在本设计中，沸腾焙烧炉的温度控制，调节阀安装在燃料气管道上，根据炉膛的温度或被加热物料在加热炉出口的温度来控制燃料的供应。根据生产过程的工艺特点和安全要求，保证人身安全原则、系统与设备安全原则，保证产品的质量原则，减少原料和动力浪费原则，基于介质特点的工艺设备安全原则，本设计选用气开阀更安全些，因为一旦气源停止供给，阀门处于关闭比阀门处于全开更适合。如果气源中断，燃料阀全开，会使加热过量发生危险。（5）调节器正负作用选择

副调节器作用方式的选择，确定副被控过程的Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以 Ko2 >0。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为正，所以副调节器 K 2>0，副调节器作用方式为反作用方式。主调节器作用方式的选择，炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程 Ko1 > 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器的放大系数 K 1> 0，主调节器作用方式为反作用方式。

六、温度控制器PID参数整定及仿真

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起

7来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

被控对象为一阶传递函数

3.98W(s)sK111.15s1

采样时间为O.2秒，输入指令为一阶阶跃信号。

温度控制器PID参数整定方法，应用Matlab计算机语言编写了算法PID参数程序，获得优化参数。

整定后的PID控制阶跃响应在Matlab环境下进行仿真，仿真控制程序如图3．31所 示。

图6 温度PID控制的Simulink仿真程序

在仿真环境下焙烧炉设定1110℃，仿真曲线图所示。

8图7 温度PID整定的阶跃响应曲线

通过仿真曲线图7可以看出通过PID参数能够使焙烧炉温度快速稳定准确的跟踪设定值，上升时间大约为8s，调节时间约为10s，超调量小，基本达到控制要求。

七、总结

所设计的回路控制策略应用到现场，能够满足现场的控制要求，而且能够提高产品的品质，实验室整定的PID参数对现场控制器有很好的指导意义，提高了控制精度；为氧化铝焙烧生产提供保障；减轻了现场工艺人员的工作强度，同时也能更加精确、严格的按照设定好的曲线烘炉，提高炉子内衬的使用寿命，为顺利生产提供前提保障。总之，焙烧过程计算机控制系统成功的应用到实际工程中，满足实际项目的工艺要求，降低了现场人员的工作量，节约了现场能量，提高了产品质量和产量。

参考文献：

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第四篇：计算机控制课程设计题目

1、64路模拟量输入通道采样电路硬件设计2、10路模拟量输入A/D中断采样程序模块编程设计3、128路开关量输入采样电路硬件设计

4、四路同步D/A输出译码电路硬件设计

5、单回路闭环反馈PID数字控制系统硬件及软件流程设计

6、大迟延对象达林控制算法MATLAB仿真，并比较振铃消除前后系统输出的变化

7、给定对象为一阶惯性加纯迟延，设计基于极点配置的全阶状态观测器线性反馈控制算法，并进行MATLAB仿真

8、现代控制理论算法分析设计

9、模糊控制理论算法分析设计

210、基于IC协议的串行通信程序设计

11、基于CAN协议的现场总线双处理器通讯程序设计

212、CAT1161－WDTEROM串行R/W程序设计

13、串行通讯中CRC循环冗余校验方法的程序设计

14、串行通讯中奇偶校验方法的程序设计

15、单回路PID控制系统中数字滤波算法的设计与MATLAB仿真

16、开关量I/O通道中抗干扰措施的分析与可实现方案设计

17、变电站微机监控系统静态数据库设计

18、变电站微机监控系统动态数据库设计

19、变电站单片微机监控器设计

20、变电站单片微机监控器串行通信设计

21、计算机控制系统接地系统设计与可靠性考虑

22、保证计算机控制系统中数据实时性的技术措施分析与设计

23、计算机控制系统容错技术分析与设计

24、提高计算机控制系统可靠性的技术措施与实现方法

25、嵌入式处理器技术及其应用发展

26、基于嵌入式处理器技术的CAN总线通信方案设计

27、基于DSP处理器的电力监控器设计

28、现场总线控制技术工程应用方案设计

29、数字控制系统中模拟量过程参数的检测与数字处理方法设计

30、基于PLC控制器的工程控制方案案例分析与设计

31、采样周期T与量化效应的关系，以及对计算机控制系统的性能影响分析

32、工程过程建模方法机理分析

33、计算机控制系统优化目标函数建立拟合方法分析

34、工程过程性能指标与系统优化目标函数之间的关系分析

35、基于模式识别技术的系统优化目标函数的建立方法分析

36、生物质直燃发电技术分析

37、生物质气化发电技术分析

38、生物质沼气发电综合利用分析

39、生物质料压缩成型过程分析

40、生物质循环流化床锅炉气化燃烧技术分析

41、生物质气化发电焦油脱除技术分析

42、太阳能光伏照明系统分析

第五篇：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.