温度控制系统在涂布行业的应用.doc

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1、摘要温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。烘干箱温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。本文首先介绍温度传感器的使用和横河PLC，然后对PID控制器的基本概念进行简单介绍，并结合本生产线烘干箱温度控制系统的实例，简单介绍横河PLC中PID控制器的应用。关键词 温度控制系统 横河PLC PID第一章 绪论温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中，温度控制占有着极为重要的地位，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对

2、于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。可编程控制器(PLC)是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，可靠性强等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC 已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，但就其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的PID 控制。PID 控制结构简单、稳定性好、工作可靠。温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型

3、化等方面快速发展。第二章 温度控制系统由PLC控制的烘干箱温度控制系统构成如图2-1所示，系统工作过程：一是给定值通过触摸屏输入PLC主机，再由PLC主机传递给数字量输出模块，控制固态继电器的开关状态，从而控制烘干箱的加热情况；二是通过温度检测装置热电阻检测到的变换为电流信号的温度值通过模拟量输入模块读入PLC主机，由PLC主机内部PID的程序与温度给定值相比较，对数字量输出模块进行下一度的控制。其中PLC是整个系统的主控核心。PLC主机触摸屏PID调节风机单元热电阻 Pt100图2-1 电阻炉温度控制系统图实际温度烘干箱2.1热电阻温度采集和压力、流量等一样，是一种工业控制中最普及的应用，它

4、可以直接测量各种生产过程中液体、蒸汽、气体介质和固体表面的温度。常用的有热电阻、热电偶两种方式，此外还有非接触型的红外测温等产品，一个典型的应用例子是钢铁厂中的红外测温设备。这里我们主要介绍热电阻。 热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件。热电阻是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。当电阻值变化时，二次仪表便显示出电阻值所对应的温度值。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的。铂热电阻根据使用场合的不同与使用温度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作为测温元件，它具有良好的传感输出特性，通常和显示仪、记录仪、调节仪以及其它智能模块或仪表配套

5、使用，为它们提供精确的输入值。若做成一体化温度变送器，可输出4-20mA标准电流信号或0-10V标准电压信号，使用起来更为方便。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。根据使用场合的不同，热电阻也有铠装式热电阻、装配式热电阻、隔爆式热电阻等种类，与热电偶类似。铂电阻的工作原理是，在温度作用下，铂热电阻丝的电阻值随温度变化而变化，且电阻与温度的关系即分度特性符合IEC标准。分度号Pt100的含义为在0时的名义电阻值为100，目前使用的一般都是这种铂热电阻。此外还有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等铂热电阻，Cu50、C

6、u100的铜热电阻等。本论文将要介绍的烘干箱温度控制系统，传感器采用Pt100铂热电阻，测量温度范围0-300。表2-1列出了范围为0-100的Pt100铂热电阻的温度和电阻值的对应关系。表2-1铂电阻电阻值与温度的对应关系表（仅列出0-100测量范围）2.2 PID调节典型的数字P1D控制系统如图2-2所示，图中SP(t)是给定值PV(t)为反馈量，C(t)为输出值，PID控制器的输入输出关系可表示为：图2-2 数字PID控制系统PV(t)C(t)M(t)(n)eSP(n)PIDD/A执行机构被控对象测量机构A/DSP(t)由于每次处理工件的温度、外型及重量不同，PID的参数会发生变化，不能

7、再程序中一次确定。所以在这里采用简易PID控制，通过自调谐功能，自动计算出社和的PID常数，解决了PID控制中参数确定难的问题。选择快速响应时，容易发生过调：选择慢速响应，没有过调产生，响应速度慢。在反馈控制部分的软件程序设计上主要采用PID控制算法，由于过早地引入积分作业容易产生饱和，产生过大的超调量，为了克服这一缺点，可以采用积分分离的PID控制算法，这样既保持了积分的作用，又减少了超调量，使控制性能有较大的改善。在偏差大时不进行积分，仅当偏差的绝对值小于一预定的门限值a时才进行积分累加。这样既防止了偏差大时有过大的控制量，也避免了过积分现象。PID指令通常用于闭环控制。它从模拟量输入通道

8、采集信号，经过PID运算后，提供一个模拟量输出信号作为反映，一是一个过程量稳定在一个期望点。PID方程决定了输出和输入信号的关系为式中，E为输出信号对期望点的偏移量；Kc为比例系数，也叫开环增益；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；Output为PID运算输出；Bias为给输出加上的一个偏移量。当输入信号偏移期望点越大，这个Bias偏移量值越大。另外，可再加上一个Bias偏移量（可看作偏移Offset）作为运算的结果输出，它使得被控过程量快速、平滑、超调量小的向期望点靠近（只要PID参数选择合适）。2.3横河PLC日本横河（YOKOGAWA）电机公司的FA-M3系列PLC是横河公司基于DC

9、S技术基础经过多年专业研发于1992年推出的高性能产品，作为日本最大的产业控制团体，横河FA-M3系列PLC自诞生起便始终引领着日本PLC业界的发展潮流，短短几年便跃居日本中大型PLC市场占有率的第二位。 车间采用的横河PLC型号为PU20-50，有四个PID控制模块。具有以下优点1.横河PLC电路高集成优化设计：低功耗、少部件（如容性、感性元件）、少接点、长寿命部件的设计选材原则从结构上保证了高可靠性。2高响应/高重复性：100ms/2ch的独立PID回路控制，不受主CPU扫描时间影响。 3高可靠性: 内置CPU独立运行，即使主CPU故障时也能保证正常运行。 4丰富强大的软件控制功能：可软件

10、设定温度补偿、滤波等多种功能，独占的Super自动PID控制功能可以最大限度地抑制超调，缩短稳定时间。（见下图）5专用ToolBox温控软件：Window界面，填表式输进，参数设定不再需要梯形图编程；实时监视调节PID或自整定，可同时观察通道，实现同时调节；数据记录功能，记录结果可以Excel形式保存。使操纵、参数设定及监视十分方便。干燥箱温度自动控制系统程序流程图如图2-3所示Y干燥箱加热采集温度值，读入PID源地址检测是否有偏差PID控制图2-3干燥箱温度自动控制系统程序流程图控制参数读入目的地址，驱动执行器结束开始使用ToolBox温控软件对干燥箱温度进行设定，如图2-4所示为动作监视画

11、面， 采样状态显示 绿：数据发送中 橙：数据接收完毕 红：非访问中 采样周期 刻度显示 记录开始或结束 时间轴扩大或缩小 画面分别显示 图形区 记录对象的显示 操作监视条件的设定 监视结束图2-4动作监视画面总结本文介绍了温度控制系统的组成及其基本原理，结合生产线的实际情况，以生产线烘干箱加热为实例，对温度进行自动调节，试验结果表明采用PLC进行温度控制工作可靠、快捷、安全、精度高。此种技术也适用于其他温度控制系统。参考文献：1 李凤阁 佟为明主编，电气控制与可编程控制器应用技术，机械工业出版社，2007.82 FA-M3 ToolBox 温度调节监视模块说明书 2004年3月3 吴波 张静，PLC在热处理电阻炉温度控制系统设计中的应用，China Academic Journal Electronic Publishing House，2006，27（6） 侯俊杰 新材料事业部11、12#线 2012-11-26 .