本科毕业设计论文自动控制系统课程设计基于组态王的炉温控制系统设计.docx

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本科毕业设计论文自动控制系统课程设计基于组态王的炉温控制系统设计

基于组态王的炉温控制系统设计

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摘要

温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。

温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。

最为常见的就是工业上使用电阻炉处理和生产工业产品，最基本的要求是要保持炉内温度的恒定，并且在一定的扰动下，炉内的温度经过一定的调节时间能自动恢复正常值，从而保证所生产的产品质量。

本设计基于单回路控制系统和PID控制器，使用计算机、铂电阻Pt100、控制箱、加热炉体和组态王设计电烤箱的炉温控制系统，使炉内温度基本保持在155℃不变，还建立了闭环和开环控制系统的数学模型，完成了系统所用到的设备的选型和组装接线，利用“组态王”软件编制上位机监控软件对炉内温度的采集和显示。

文中首先介绍了设计的背景和要求，接着对单回路控制系统做了简单的介绍，大致描述了通过组态王编制采集并绘制温度与时间曲线的步骤，并且完成了系统模型的建立，介绍了整定PID控制器参数的步骤和结果，最终完成了利用单回路控制系统中的一阶时延环节设计电烤箱的炉温控制系统，使其炉内温度经过一定的过渡过程始终维持在132℃。

关键词：

PID、电烤箱、炉温控制、单回路控制系统、凑试法

第一章引言

1.1设计目的

通过过程控制系统课程设计这一教学实践环节，使学生能在学完自动检测技术及仪表、过程控制仪表、过程控制系统等课程以后，能够灵活运用相关基本知识和基本理论模拟设计一个过程控制系统，以期培养学生解决实际问题的能力。

通过课程设计，掌握过程控制系统的组成和工作原理、基本概念和分析方法、并具备构造、调试和工程设计自动控制系统的能力；了解闭环系统的静、动态特性分析方法及工作原理；掌握基于一阶时延、二阶典型系统的工程设计方法，掌握工作原理与工程设计方法，并熟悉掌握PID参数的整定方法和利用上位机监控电烤箱的炉温控制系统；培养团队精神，科学的、实事求是的工作方法，提高查阅资料、语言表达能力和理论联系实际的技能。

1.2设计背景及意义

锅炉在石油、化工、热力、电力等工业生产领域应用非常广泛，锅炉温度的控制效果在发电、供热、炼油、炼铁、炼钢等工业及民用部门中是非常重要的技术指标，锅炉控制系统的工作质量直接影响着锅炉的正常生产，它决定了电厂等工业基地能否安全、经济、高效的进行生产。

随着我国工业生产和科学技术的快速发展，企业对过程自动化控制水平的要求也不断提高。

电热锅炉的应用领域相当广泛，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。

目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。

锅炉温度控制的被控对象是一个具有大延迟性、大惯性的非线性系统。

但目前很多锅炉仍靠人工加常规仪表，利用传统PID控制方法对锅炉温度控制系统进行操作和实时监控。

锅炉温度被控对象滞后时间比较长，滞后时间越长控制就越难，且影响滞后时间的因素很多，这样就造成了工人劳动强度增大，生产效果欠佳，也很难保证生产安全。

因此，锅炉温度控制系统一直是工业技术人员研究的重点及热点。

近年来大部分自动化类专业学生在工厂、企业等的过程生产领域从事过程控

制和自动化仪表操作等方面的工作。

因此，让学生进一步了解计算机控制技术和

智能控制理论及其具体应用是至关重要的，这是自动化专业学生必须掌握的专业

知识。

1.3设计任务及要求

在基本掌握过程控制常规控制方案的工作原理及参数整定步骤的基础上，针对一个电烤箱设计炉温控制系统。

具体要求：

（1）电烤箱控制系统的工作方案设计、设备选型及其连线；

（2）炉温控制系统的对象-传递函数确定；

（3）单回路PID炉温控制的实现；

（4）利用组态王软件编制上位机监控软件；

（5）撰写规范化的说明书一份。

第二章单回路控制系统

2.1单回路控制系统简介

单回路控制系统又被称为简单控制系统。

在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。

它由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象所组成。

控制器是根据被控变量与给定值的偏差来进行控制的。

系统结构简单，所需自动化技术工具少，投资比较低，操作维护也比较方便，一般情况下都能满足控制质量的要求,因此在生产过程中70%以上的控制系统是单回路控制系统。

单回路系统的结构框图如图2.1所示。

图2.1单回路控制系统方框图

2.2单回路控制系统的设计

在设计单回路控制系统时，应该充分了解具体的生产工艺、生产过程和控制要求，正确选择被控变量和操作变量，正确选择控制阀的特性，正确选择控制器的类型及其正反作用，正确选择测量变送装置，深入研究上述过程的特性对系统控制质量的影响情况的重要性。

主要包括以下步骤：

（1）建立被控过程的数学模型

（2）选择控制方案

（3）选择控制设备及其确定型号

（4）工程安装

（5）仪表调试

（6）参数整定

方案设计是整个控制工程设计中最重要的一步，应注意：

（1）合理选择被控量（被控参数）和操纵量（控制参数）

（2）对象信息的获取和变送

（3）执行器的选择

（4）控制器的选择

工程设计包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、供水供电供气设计、信号系统设计、安全防爆设计等。

2.2.1被控变量的选择

被控变量的选择直接关系到：

生产的稳定操作；产品产量和质量的提高；生产安全与劳动条件的改善。

因此，被控变量的选择是控制系统设计的核心问题。

常常将工业生产中所要控制的指标分为两大类：

直接控制指标和间接控制指标。

直接控制指标指被控制的指标本身就是需要控制的工艺指标。

间接控制指标指以产品质量为控制指标，但质量信号无法检测，或检测到的信号微弱或滞后很大，这时就要选取与其有单值关系而反应又快的另一变量。

对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。

对于选择质量指标作为被控变量，若存在仪表无法测量产品成分或物性参数（密度、粘度等）时，可选择一种间接的指标、作为被控变量。

该间接指标必须与直接指标存在单值的对应关系，并具有一定的变化灵敏度。

被控变量的选择的原则：

（1）在情况的许可时，应选择质量指标参数作为被控变量。

（2）当不能选择质量指标作为被控变量时，可选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量。

（3）所选的间接指标参数必须有足够大的变化灵敏度，以便反映产品质量的变化。

（4）在被控变量选择时还需考虑到工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状

2.2.2操纵变量（控制参数）的选择

扰动作用是指由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值。

而控制作用是指由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，使被控参数尽力维持在给定值。

两者是一对互相矛盾的变量。

操纵变量是用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。

应把对被控变量影响显著的可控因素作为操纵变量。

选择操纵变量时，应尽量考虑：

（1）与被控变量的因果关系；

（2）有利于实现自动化控制；

（3）具有快速的动态响应性能；

（4）对较大的扰动具有补偿作用；

（5）能够对过程性能的不利影响进行快速的调节。

2.2.3测量变送问题和执行器的选择

测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是系统进行控制的依据。

所以，要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。

假如测量不准确，使操作人员把不正常工况误认为是正常的，或把正常工况认为不正常，形成混乱，甚至会处理错误造成事故。

测量不准确或不及时，会产生失调或误调，影响之大不容忽视。

测量变送环节对被控参数作正确测量，并将它转换成标准统一信号（0.02-0.1MPa或DC0-10mA，或DC4-20mA）输出到调节器或指示记录仪。

控制系统中的测量元件时间常数不能太大，最好选用惰性小的快速测量元件，除此之外，测量元件还要正确的安装并且及时的维护，确保其测量精度、较小的时间常数、尽量小的纯滞后和信号的传递滞后。

执行器是接收控制器的输出信号，代替手动操作的装置，是构成自动控制系统不可缺少的重要部分。

执行器在系统中作用是接受控制器的输出信号，直接控制被控介质的输出量，达到控制温度的目的，从而将被控变量维持在工艺指标要求的数值上。

第三章硬件电路设计及原理

3.1系统设计

3.1.1方案论述

实验控制系统主要由计算机、电烤箱、智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表等构成，其中智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表安装于控制箱上，计算机完成温度采样、控制算法、输出控制、监控画面等主要功能。

如图3.1所示，加温炉体由民用烤箱改装，较为美观适合实验室应用。

双温室实验对象将烤箱用隔板隔成两部分，控制装置同样设置配置完全相同两套、安装于统一的控制箱上，控制箱面板布置图如图2.2所示。

温度控制器采集此时烤箱内温度，根据算法控制固态继电器的通断，从而产生占空比不同的脉冲信号，来改变烤箱的加热功率，实现温度的控制。

监控计算机用组态王等软件为平台，在485网络联接下，与温度控制器构成计算机集散控制系统，能方便地模拟工业现场环境和被控对象。

图3.1加热炉体

图3.2控制箱面板

3.1.2系统原理图及工作原理

监控计算机通过串行通讯与温度控制器（单回路控制器）连接，实现数据采集、操作和记录的功能。

温度对象由烤箱改造而成，增设风扇冷却装置，加热由烤箱原加热部件实现。

由温度控制器输出一路控制信号连接至固态继电器，驱动电烤箱加热单元；另一路控制信号连接至风扇用于冷却。

设计热电阻检测烤箱内温度，检测输入热电阻信号连接至温度控制器反馈端。

其系统功能如图3.3所示。

图3.3系统功能图

根据单回路控制系统的方框图，本控制系统的方框图如图3.4所示。

图3.4系统方框图

3.2智能控制仪表设计

温控器，即根据工作环境的温度变化，在开关内部发生物理形变，从而产生某些特殊效应，产生导通或者断开动作的一系列自动控制元件，也叫温控开关、温度保护器、温度控制器，简称温控器。

或是通过温度保护器将温度传到温度控制器，温度控制器发出开关命令，从而控制设备的运行以达到理想的温度及节能效果，其应用范围非常广泛，根据不同种类的温控器应用在家电、电机、制冷或制热等众多产品中。

智能控制仪表则是在普通温控器基础附加以下功能：

采用微电脑全自动仿智逻辑设计，可编程定时/温度选择；带数位式，大液晶显示屏幕，轻触式按键使您易于操作，可设定日期、时间显示；内置六至九个程式，用户还可自行编程，用户可根据自己的喜好选择一星期中不同时段的温度；过热保护：

当加热设备温度超过预置的过热保护温度时，温控器自动切断加热设备电源；防结霜功能，可将温度保持为5℃不变。

本次实验采用的是智能控制仪表CD901，下面进行详细介绍。

3.2.1规格型号说明

智能控制仪表的前部外观如图3.4和图3.5所示：

表上面各符号简介：

PV：

输入值（如：

读入烤箱的温度值）

SV：

设定值（如：

手动给定或程序给定值）

AT：

自整定（绿）

OUT1：

第一控制输出（加热侧）OUT2：

第二控制输出（冷却侧）

ALM1：

第一报警端ALM2：

第二报警端

SET：

设置各种命令

位移及运行/停止

图3.4CD901面板图3.5电压数显表

3.2.2技术数据说明

热电阻：

Pt100

电压：

0~5V,1~5V电流：

0~20mA,4~20mA

通讯：

RS-232/RS-485转换器控制类型：

4种

F：

PID动作及自动演算（逆）D：

PID动作及自动演算（正）

W：

加热/冷却动作及自动演算（水冷）A：

加热/冷却动作及自动演算（风冷）

设定数据：

测定值（PV）：

来自被控对象的当前值设定值（SV）：

与输入范围同样

加热侧比例带（P）：

1~全距0.1~全距冷却侧比例带（Pc）：

为P的1~1000%

积分时间（I）：

1~3600秒微分时间（D）1~3600秒

加热侧比例周期（T）：

1~100秒冷却侧比例周期（t）：

1~100秒

限制积分动作生效范围（ARW）：

加热侧比例带（P）的1~100%

3.2.3工作原理

CD901系列仪表可配置数字通讯接口，其接口为RS485，仪表与上位机通讯为被动方式，采用上位向仪表发出读写命令，仪表才会动作，通讯采用ASCII码的形式。

CD901具有PID控制、自动演算、自主校正、设定数据帧、加热/制冷控制、数字通讯、正动作、逆动作、温度报警（加热器断线报警、控制环断线报警）等功能，可进行热电偶、热电阻输入，采样周期为0.5秒，过程值偏置为-1999~9999℃或-199.9~999.9℃（温度输入）±全量程（电压/电流输入）全量。

3.3温度测量电路设计

本实验的温度传感器采用Pt100温度传感器。

Pt100温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，主要用于工业过程温度参数的测量和控制。

带传感器的变送器通常由两部分组成：

传感器和信号转换器。

传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成。

热电阻最大的特点是工作在中低温区，性能稳定，测量精度高。

本系统中电炉的温度被控制在0～300度之间，为了留有余地，我们要将温度的范围选在0～400度，它为中低温区，所以本系统选用的是热电阻Pt100作为温度检测元件。

下面对Pt100进行详细介绍。

3.3.1测温原理

当Pt100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。

但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。

对于工业用铂电阻温度计，可以用简单的分度公式来描述其电阻与温度的关系。

工业用铂电阻温度计的使用范围是-200～850℃，在如此宽的温度范围内，很难用一个数学公式准确表示，为此需要分成两个温度范围分别表示：

在-200

（3-1）

在0≤t<850℃时，

（3-2）

其中，

为t℃时的电阻值，

为0℃时的电阻值，

。

3.3.2特点

（1）优点：

1）测温范围宽，准确度高，在ITS–90的13.8033~1234.93K范围内，用作内插用标准仪器。

2）稳定性好、性能可靠以及抗氧化性很强。

3）铂很容易提纯，复现性好。

4）与其他材料相比，铂有较高的电阻率。

5）易加工成形，可制成很细的铂丝或极薄的铂箔。

（2）缺点：

1）铂电阻的电阻与温度为非线性关系。

2）电阻温度系数α比较小。

3）在还原介质中工作时易被玷污变脆。

4）价格较贵。

3.3.3接线方法

（1）两线制

1）定义：

如图3.6所示，在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形式

2）特点：

引线方式简单、费用低，引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。

3）应用场合：

两线制适用于引线不长，测温准确度要求较低的场合。

图3.6两线制接线图

（2）三线制

1）定义：

如图3.7所示，在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线的引线形式。

2）特点：

可以较好地消除引线电阻的影响；测量准确度高于两线制；应用较广，工业热电阻通常采用三线制接法；尤其是在测温范围窄、导线长、架设铜导线途中温度发生变化等情况下，必须采用三线制接法。

图3.7三线制接线图

（3）四线制

1）定义：

如图3.8所示，在热电阻感温元件的两端各连两根引线的连接方式。

2）特点：

主要用于高精度温度检测；能完全消除引线电阻对测量的影响；在连接导线阻值相同时，还可消除连接导线的影响。

图3.8四线制接线图

3.3.4非线性补偿方法

铂热电阻测温电路传统的方法是利用不平衡电桥把电阻的变化转变为电压。

该方法存在的问题是桥臂电阻和电桥输出电压之间为非线性关系。

这样，铂电阻的非线性和不平衡电桥固有的非线性电势必给温度测量带来很大的非线性误差。

因此，我们需要采取一些方法补偿非线性误差。

（1）数字补偿法。

查表法是数字补偿法中最常用的一种方法，较为简单实用。

（2）模拟补偿法。

模拟补偿法又分为简单模拟电路和集成芯片补偿法。

常用的集成芯片有XTR105和XTR106。

XTR105是美国BURR-BROWN公司生产的用于温度检测系统中的温度—电流变送器，它可将铂电阻的阻值随温度的变化量转换成电流。

XTR106是美国BB公司推出的两线制集成单片变送器，它的最大特点是可以对不平衡电桥的固有非线性进行二次项补偿。

3.4通讯部分硬件设计

配有不同标准串行接口的计算机、外部设备或智能仪器之间进行远程数据通信，需要进行标准串行接口的相互转换。

本实验装置采用RS-232/RS-485转换器来实现计算机与仪表和控制器的通讯。

RS-232/RS-485转换器如图3.9所示。

RS-232/RS-485转换器，它按RS-232规定的协议工作。

RS-232是规定连接电缆的机械、电气特性、信号功能及传送过程。

目前在IBMPC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232接口。

当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。

最简单的情况，在通信中根本不需要RS-232C的控制联络信号，只需三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信。

标准的DB9RS232接口信号定义如下：

TXD--发送数据（Transmitteddata-TXD）。

通过TXD终端将串行数据发送到MODEM。

RXD--接收数据（Receiveddata-RXD）。

通过RXD线终端接收从MODEM发来的串行数据。

SG--信号地信号线，无方向。

图3.9通讯转换器

RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。

RS-485使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图3.10所示。

图3.10二线制RS-485

3.5交流固态继电器硬件设计

交流固态继电器（SSR）是一种无触点通断电子开关,为四端有源器件。

其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端,中间采用光电隔离,作为输入输出之间电气隔离（浮空）。

在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态（无信号时呈阻断状态）,从而控制较大负载。

整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。

固态继电器如图3.11所示。

图2.11固态继电器

3.5.1交流固态继电器的原理

以交流过零型的SSR为例，图3.12是它的工作原理框图，从整体上看，SSR有两个输入端（A和B）和两个输出端（C和D），是一种四端器件。

固态继电器的输入电路是为输入控制信号电流提供一个回路，工作时只要在A、B上加上一定的控制信号电流，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能。

固态继电器属于电流型驱动器件，输入电路多为直流输入，个别用途的为交流输入。

图3.13中耦合电路功能是把A、B端输入的控制信号传递到SSR的输出电路，同时在电气上实现输入端与输出端的高度隔离，耦合电路常用的元件是“光电耦合器”。

由于输入端的负载是驱动电流较小的发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与控制信号源相匹配。

另外，变压器也可用来作为固态继电器的耦合（隔离）器件。

固体继电器的输出电路把接收到的控制信号经过触发电路的调理、变换成开关电子器件的触发信号，然后控制开关器件的导通和截止，从而实现固态继电器的开关功能。

图3.13工作原理框图

3.5.2交流固态继电器的分类

交流固态继电器按开关方式分有电压过零导通型和随机导通型；按输出开关元件分有双向可控硅输出型（普通型）和单向可控硅反并联型（增强型）；按安装方式分有印刷线路板上用的针插式（自然冷却、不必带散热器）和固定在金属底板上的装置式（靠散热器冷却）；另外输入端又有宽范围输入（DC3～32V）的恒流源型和串电阻限流型等。

3.5.3交流固态继电器的特点

（1）优点：

1）高寿命，高可靠:

SSR没有机械零部件，由固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击、振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。

2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，固态继电器的输人电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。

3）快速转换:

固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。

4）电磁干扰小:

固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。

大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。

（2）缺点：

1）导通后的管压降大，可控硅或双向可控硅的正向降压可达1~2V，大功率晶体管的饱和压降也在1~2V之间，一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电阻大。

2）半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。

3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。

4）电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。

5）固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过载保护。

固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。

3.5.4交流固态继电器的应用场合

（1）应用于现代军事装备和武器系统；

（2）应用于各类广播、通信、雷达导航系统；

（3）应用于各类计算机及相关配套设备；

（4）应用于自动化检测仪器、工业控制设备和现代化医疗设备。

3.5.5交流固态继电器的使用注意事项

（1）期间的发热

SSR对温度的敏感性很强，工作温度超过标称值后，必须降温或外加散热器，此时，需依据实际工作环境条件，严格参照额定工作电流时允许的外壳温升（75℃），合理选用散热器尺寸或降低电流使用，否则将因过热引起失控，甚至造成SSR器件损坏。

在30A以下配散热器，可采用自然风冷；若连续负载电流大于30A时，最好采用仪器风扇强制风冷。

（2）封装和安装形式

SSR通常有卧式W型和立式L1型，体积小适用于印制电路板直接焊接安装。

立式L2型，既能适合于电路板焊接安装，也能适用于线路板上插接安装。

K型和F型，适合散热器及仪器底板安装。

大功率SSR（K型和F型封装）安装时，应注意散热器接触面应平整，并需涂覆导热硅脂。

安装力矩愈大，接触热阻愈小。

大电流的引出线需配接冷压焊片，以减少引出线接点电阻。

（3）输入端驱动

SSR按输入控制方式，可分为电阻型和恒流源。

较常用的是与5VTTL电平兼容的电阻输入型，使用其他控制电压时，可相应选用限流电阻。

SSR输入属于电流型器件，当输入端光耦晶闸管完全导通后，再触发大功率晶闸管导通。

当激励不足或斜波式的触发电压，有可能造成大功率晶闸管处于临界导通边缘，并造成主负载电流流经触发回路引起的损坏。

国外厂商提供的器件标准电流为10mA，考虑到全温度工作范围（－40～＋70℃），发光效率稳定和抗干扰能力，推荐最佳直流触发工作电流在12～25mA之间。

SSR的输入端可并联或串联驱动。

串联使用时，一个SSR应按4V电压考虑，12V电压可驱动3个SSR。

（4）过流/过压保护

较常用的过电流保护方法是快速熔断器和空气开关，快速熔断器可按额定工作电流的1.2倍选择，一般小容量可选用熔断器。

负载短路往往是造成SSR产品损