恒温箱智能控制系统.docx

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恒温箱智能控制系统

编号

毕业设计（论文）

恒温箱智能控制系统

IntelligentControlSystemofConstantTemperatureBox

学院名称

电气工程学院

专业名称

自动化

学生姓名

学号

指导教师

教授

2016年6月26日

摘要

恒温箱是当今各个企业生产中的重要组成的部分，其温度控制不仅直接关系着产品质量，而且关系到系统能否安全有效的运行和人身财产安全。

因此，为了保证产品质量，防止由温度控制问题引发的事故，对恒温箱智能控制系统进行有效的温度控制是非常必要的。

本设计首先对系统进行设计与构建。

选择合适的器件，在熟悉各器件原理和构造的基础上，搭建以ControlLogix系统为中心，以DeviceNet为纽带，以ControlLogix5561为控制器，以温度为控制对象，以变频器为执行机构，以温度传感器为检测机构，通过EtherNet/IP上的上位机进行远程监控的系统。

系统设备间的通讯是利用网络实现控制数据的传输与交换，通过RSLinx软件建立通讯通道，RSNetWork对DeviceNet进行组态和配置，RSLogix5000对控制器进行逻辑编程，在系统中加入PID控制算法，用MCGS设计人机监控画面，实现了不同网络上各设备的相互通讯。

本设计成功的实现了温度的智能控制。

此系统开放灵活，易于扩展和改造，可以将其广泛地应用到实际工业场合，具有很好的应用价值。

本文的创新之处采用三层网络进行控制，将智能控制算法应用于网络控制系统，考虑了温度场对温度测量精度的影响。

关键词：

罗克韦尔PLC；温度控制系统；变频器；PID控制

Abstract

Thermostatisnowadayseveryenterpriseintheproductionofanimportantcomponentpartof,thetemperaturecontrolnotonlydirectlyrelatedtothequalityoftheproducts,butalsorelatedtothesafeandeffectiveoperationandthepersonalandpropertysafetysystemcan.Therefore,inordertoensurethequalityoftheproductstopreventbythetemperaturecontrolproblemcausedtheaccident,effectivetemperaturecontroloftheconstanttemperatureboxintelligentcontrolsystemisverynecessary.

Thedesignofthefirstdesignandconstructionofsystem.Selecttheappropriatedevice,basedontheprincipleandstructureofthefamiliardevice,tobuildtheControlLogixsystemasthecenter,takeDeviceNetasthelink,withControlLogix5561asthecontroller,inordertocontrolthetemperatureoftheobject,theinverterasactuators,withthetemperaturesensorforthedetectionmechanism,systemforremotemonitoringbycomputerontheEtherNet/IPsystem.Thecommunicationbetweendevicesisrealizedtocontrolthedatatransmissionandexchangethroughthenetwork,theestablishmentofacommunicationchannelbyRSLinxsoftware,RSNetWorkconfigurationandconfigurationofDeviceNetandRSLogix5000onthecontrollerlogicprogramming,PIDcontrolalgorithmisadoptedinthesystem,computermonitorscreenMCGShostmachinedesign,realizesthecommunicationbetweenthedifferentdevicesonthenetwork.

Thisdesignsuccessfullyrealizestheintelligentcontrolofthetemperature.Thisisopenandflexible,easyexpansionandtransformationcanthewidelyappliedtopracticalindustrialapplications,hasaverygoodapplicationvalue.Theinnovationofthispaperadoptsthreelayersnetworkcontrol,intelligentcontrolalgorithmfornetworkcontrolsystem,consideringtheeffectoftemperatureonthetemperaturemeasurementprecision.

Keywords：

RockwellPLC;temperaturecontrolsystem;frequencyconverter;PIDcontrol

目录

第1章绪论1

1.1课题的研究背景及意义1

1.2国内外研究现状与发展2

1.3PID控制器的作用4

第2章恒温箱智能控制系统总体方案6

2.1概述6

2.2系统方案设计6

2.3恒温箱总体结构7

第3章恒温箱智能控制系统硬件设计9

3.1ControlLogix系统9

3.2PLC的选型及参数10

3.2.1机架11

3.2.2电源模块12

3.2.3控制器模块12

3.2.4I/O模块15

3.2.5通信模块15

3.3I/O分配表16

3.4传感器17

3.5温度变送器20

3.6电炉21

3.7工控机21

3.8变频器22

3.9PLC硬件设计22

3.10控制器及各模块接线图24

第4章恒温箱智能控制系统软件设计27

4.1通讯网络组态27

4.1.1EtherNet/IP网络组态28

4.1.2DeviceNet网络组态29

4.2控制器硬件组态31

4.3控制程序流程设计35

4.4PID控制器设计37

第5章恒温箱监控画面与仿真结果40

5.1组态画面的设计40

5.2系统的仿真运行44

第6章结论46

参考文献47

致谢49

附录Ⅰ50

附录Ⅱ53

第1章绪论

课题的研究背景及意义

多年来，我国电子产业经历了缓慢一快速—爆炸式的发展过程。

随着产业规模不断扩大已经在核心技术、生产制造、市场开发、安装与服务等方面形成了具有一定的自主知识产权的产业链。

欧美金融危机爆发后，很多行业陷入大幅下滑状态，有一些厂家看到电子领域发展迅速且回报率较高，便在技术设备等条件不完备的情况下仓促进入电子领域，并引发了电子产品价格战，随之出现产品质量下降，客户投诉增多，赔偿不断上升的情况。

随着各行各业对产品质量要求的提高，产品生产线中的工艺指标也越来越严格。

工艺指标包括温度、压力、湿度、流量等都能对工业生产造成影响，一旦某项指标失控将会对工业生产造成巨大的损失。

而生产工艺本身具有危险性，特别是化工企业处于高温高压、连续反应状态，所使用的原料和生产过程的中间产品以及最终产品都具有较大的危险性本身的不稳定因素和工艺的过于复杂、高度连续化使得工艺指标失控，最终造成安全事故。

随着社会发展的需求，国内外对于恒温箱的研究越来越深入，恒温箱的用途也越来越广泛，在日常生活当中，人们对恒温箱的需求也逐渐增大，工业生产和实验室中电热恒温箱的应用随处可以见到。

在生活中我们保存食物用到恒温箱；工业生产中一些生产原料的保存用到恒温箱；在实验室里，特别是生物的培育实验，恒温箱的应用更是普遍。

温度控制在生产和生活中具有重要的意义，过高的温度偏差都会导致最后检测结果的不准确，影响对实际情况的判断，得到错误的结论，延误控制过程，甚至发生事故。

因此，在生产检测过程中需要精确控制温度，使被测物体始终处于所要求的温度环境中。

另外，温度是国际单位制中七个基本量之一，在科学研究和生产实践的诸多领域都占有极为重要的地位。

因此，对温度进行测量和控制也是科学实验和工业生产中经常需要解决的重要问题。

随着计算机技术和控制理论的发展，以及对产品质量要求的提高，人们对高精度的温度测量和控制的要求也越来越高。

温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，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，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。

温度控制系统是当今化工企业生产工艺中的重要组成部分，其温度控制不仅直接关系着产品质量，而且关系到系统能否安全有效的运行和人身财产安全。

因此，为了保证产品质量，防止由温度控制问题引发的事故，对电加热系统进行有效的温度控制是非常必要的。

按照国际标准，恒温箱要配备一套完整的温度控制系统。

在冶金行业、化工生产、电力工工程、机械制造和食品加工等到许多领域中，需要对各类设备中的温度进行监测和控制。

因此，温度控制系统是工业控制中比较常见的控制系统。

其中有些被控对象的应用场合很复杂，多具有较强的非线性、耦合因素和滞后等特点，因而对控制器和控制算法的要求也相应也较高。

恒温箱也带有一些上述特点，因此，采用PLC控制器和相关的控制策略来构成它的温度控制系统。

PLC控制器具有组合简单方便的特点，在采用各种控制算法方面也很灵活。

由于PLC控制器是面向工业环境的，所以它的抗干扰能力和抗环境的能力都很强，具有很高的可靠性。

控制策略需要以知识和经验为基础进行智能控制，要将人工智能中的专家系统理论与控制技术相结合来进行控制，不需要建立精确的数学模型，利用行业专家对被控对象的各种知识来设计控制规则，通过对这些规则的选用及推理得到控制输出，实现对被控对象的控制。

控制系统也可以通过在线测试来修改控制规则，使控制系统性能得到提升。

从过程控制系统分类出发，工业过程控制系统有不同的分类。

按系统的功能分为压力控制系统、流量控制系统、位置控制系统、温度控制系统等；按系统的性能可以分为非线性系统和线性系统、离散系统和连续系统、时变系统和定常系统。

本课题主要研究过程控制系统中的温度控制系统：

温度是化工业在生产过程需要时刻注意的一项指标，因为它变化频率高、超调量大、滞后大。

且为确保温度控制安全有效，采用电加热为主要加热手段，电加热是现在工业中主要的升温方法，应用范围较广，普及率较高。

温度控制系统是现代化工业生产工艺中的重要组成部分，其温度控制不仅直接关系着产品质量，而且关系到系统能否安全有效的运行和人身财产安全。

因此，为了保证产品质量，防止由温度控制问题引发的事故，对恒温箱进行有效的温度控制是非常重要的。

国内外研究现状与发展

社会工业的发展，对控制系统的要求越來越多，越来越严格，同时电子技术的发展为控制元件提供了新的方向，微型计算机技术的功能增强为先进的控制算法提供载体，神经网络控制、PID控制、模糊控制、遗传算法等先进的控制理论推动着国内外温度控制系统的快速发展，并在多个方面取得累累硕果，在温度控制技术这一方面，美国、德国、日本和瑞典的控制技术处于世界前沿地位，都研发出了一批稳定度高、温控性能优越的温度控制器及仪器仪表，并广泛的应用在各行各业。

从过程控制系统的控制方法出发，现在对过程控制系统主要采取的控制方法包括传统的PID控制，简单开闭控制和智能控制。

PID控制现在是主流的控制方法，并且还会长久存在下去，最主要的是它简单易操作，而且符合某些对精度、质量要求不高的企业要求。

但是其自动化程度不高，不利于企业长久发展，而智能控制的发展刚好能弥补这些缺点。

虽然智能控制出现的较早，且研究也有一定时间，例如模糊控制在1965年就已经被人发现，但是这些智能控制大部分都是在欧美发现并经过一段时间的发展，而且有些已经被运用在外国企业的产品中。

国内对这一方面起步较晚，且大部分企业对自带智能控制的生产流水线负担不起，因此在现有的生产线上进行改造，提升其自动化和智能化是解决现有企业遇到瓶颈的好方法。

现在化工企业所使用的仪表大部分都能进行智能化设置，只需对其进行二次开发，进行智能控制系统的建设和完善就能减少误差，提高工业生产的经济效益。

虽然在国内各行各业温度控制使用十分广泛，但是以国外的温度控制产品居多。

国内生产的温度控制器总体水平仍然不高，稳定性能和精准性还有待提高，与欧美先进国家有一定的差距。

现阶段我们国家的温度控制技术水平基本处于21世纪初期，比较成熟的能够商品化的产品以开关量控制以及常规的PID控制器为主，仅仅适用于一般对温度控制要求不高的场合，而对于误差要求小，精准度要求比较高，控制对象有严重的滞后时间等情况则不适合，难以控制。

对于采用智能控制、自适应控制、纯滞后补偿控制等先进控制理论设计的自适应控制仪表，国内的技术尚处于研究阶段，技术成熟度暂时不能适应大规模应用，同时在软件方面也没有能够形成性能可靠的稳定的自整定软件，绝大多数的系统参数的设定依靠调试人员个人经验在现场进行调节确定。

随着社会的进步，需求的提升，科技的不断进步，各种应用对温度控制精度的要求不断提高，各种新的控制理论和经典的控制方法在温度控制中的研究与应用也不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。

如何将新的控制方法应用于温度控制领域成为研究的热点之一。

由于传热问题的复杂性，一般的加热设备都具有纯滞后和不对称性等特点，高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境需要不同的控制策略。

因此，对温控方案的深入研究意义深远。

PID控制器的作用

本设计需搭建恒温箱智能温度控制系统，包括加热冷却装置的设计、上位机监控系统和PLC控制系统。

通过该系统可以实时反应系统温度变化并及时传回到PLC和系统监控界面，同时PLC根据编好的程序做出判断，输出控制信号。

利用RSLogix5000软件编制PLC程序，主要完成数据采集、控制算法、信号输出等功能。

同时利用人机接口软件RSView32实现上位机监控界面，完成主控界面、报警界面、趋势曲线、数据查询四个方面的操作。

PID控制作为一种常见智能控制方法，已经多次成功的运用在实验系统中，并取得理想的结果。

而传统实验系统是在单片机或者简单控制器中进行PID控制算法的编译，模拟实际系统环境，最终通过控制器本身或者上位机得到结果。

这种方法简单易于理解，但得出最终的温度控制指标较难符合实际要求。

本文以恒温箱的温度控制过程为参考对象，选取其温度变化为主要研究参数，设计系统并选用罗克韦尔PLC作为主要控制器。

直接用其自带的编程语言，实现PID控制算法的编程，完成对系统的控制，提高系统的温度控制指标。

PID控制是比例积分微分调节器的简称。

在自动控制的发展过程中，PID调节是历史最悠久的、控制性能最强的基本调节方式。

也是迄今为止应用最广泛的一种控制算法，且其还在不断变化完善，出现了非线性PID控制、自适应PID控制算法以及最近几年的智能PID控制器。

PID控制原理简单、易于整定、适用性强，PID的调节性能指标对于受控对象特性的稍许变化不敏感，这就极大地保证可调节的有效性。

PID调节可用于补偿系统使之达到大多数品质指标的要求，当我们对一个系统和被控对象了解较少时，或者无法直接通过现有的测量手段来获得有效的系统参数时，就会采用PID控制技术。

电加热设备温度特性复杂，其温度的测量和控制亦显得尤为重要。

多年来，研究人员一直不断地把各种新方法和新技术应用于电加热设备温度的测量和控制中，并获得了许多的经验和一定的成果。

随着计算机、智能控制理论技术的飞速发展，加热设备参数的测量和控制已进入微机化、智能化的新时代。

工业生产过程中使用到加热升温方法有很多种，常用的有以下几种：

电阻加热、蒸汽加热、导热油加热、红外线加热、感应加热等方式。

电阻加热是指通过电阻元件来加热反应容器，分为直接电阻加热和间接电阻加热：

直接电阻加热是被加热体两端直接加上电压，电路闭合之后，其直接发热升温。

因此被加热体必须是导体，且电阻率越大，发热量越大，热效率相应也越高；间接电阻加热是发热体产生热量，通过热传递的三种方式：

热传导、对流和辐射传到被加热物体。

间接电阻加热分为发热体和被加热物体两部分。

相比直接电阻加热，间接电阻加热的被加热体不一定是导体，可以是多种类型，适用范围更广。

电阻加热具有热响应快、控温精度高、综合热效率高等优点。

另一方面电阻加热具有功率较大、耗电量大；对电阻丝的均匀度要求较高，否则会造成局部温度过高现象；电阻丝的电阻随温度变化而变化等缺点。

本设计采用直接电阻加热。

综上所述，本系统选择PID控制算法为主要控制算法。

时刻监控温度的变化值，并在临近50℃时在最短的时间内做出反馈，控制温度在50±2℃内。

同时结合分段控制方式，减少系统的上升时间，确保整个温度控制系统的自动化和智能化较传统控制系统得到提高。

整套系统的成功实现可以为其它的过程控制系统提供参考，为进一步推广到其它控制系统提供技术支撑。

本设计以恒温箱智能控制系统为出发点，提出简单有效的过程控制方案。

目前有关智能控制的理论研究和实例仿真都较完善，但是应用于实验当中还是较少。

这其中有智能控制较复杂，不易操作，达不到预期效果的原因，但最主要还是没有考虑到实验的可实践性，没有将复杂的系统进行简化。

本文以典型的纯滞后、参数时变特性的温度控制系统为主要研究对象，对其进行PID控制，在最短的时间内达到增加控制精度，减少超调量的目的。

第2章

恒温箱智能控制系统总体方案

概述

随着PLC功能的扩充，在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能，因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单、灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

因此，PLC对温度的控制是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。

系统设计时，必须先弄清恒温控制系统的操作过程和工作过程，系统通过罗克韦尔三层网络连接。

加热器开始时处于停止状态，首先设定温度，显示器显示温度，温度设定后则可以启动加热。

温度检测系统不断检测并显示系统中的实时温度，当达到设定值后停止加热，此时启动变频器，对鼓风机进行控制，控制温度下降。

当温度下降到下限时再自动启动加热，这样不断的循环，使温度保持在设定范围之内。

启动加热以后就不能再设定温度，因为温度的设定可以根据实验要求改变。

若要改变设定的温度，可以先按启动/停止键再重复上述过程。

系统方案设计

本课题设计的恒温箱为大型恒温箱，供精密工业设备使用，由于所需的输入输出量较多，控制精度要求较高，单片机不能满足设备的需求，根据恒温箱控制器的功能要求，并结合对PLC的资源分析，即PLC软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制，所以采用PLC作为系统的控制核心。

恒温控制在工业生产过程中举足轻重，温度的控制直接影响着工业生产的产量和质量。

本设计是基于PLC的恒温箱控制系统，系统分为硬件和软件两部分，其中硬件包括：

温度传感器、变送器、显示、控制和报警的设计；软件包括：

控制程序设计、温度报警程序设计和监控画面设计。

编写程序结合硬件进行调试，能够实现设置和调节初始温度值，进行实时温度显示，当温度达到指定温度时立刻报警。

另外，本系统通过PID实现对温度的调整，以提高系统的安全性、可靠性和稳定性。

本设计从实际应用出发选取体积小、精度相对高的温度传感元件作为温度采集器，并且使用多点测温来提高控制精度，PLC作为主控芯片，使用监控画面显示输出，实现了对温度的实时测量与恒定控制。

通过一个温度传感器检测恒温箱的温度值，经过变送器输送到PLC主机。

PLC主机得到一个信号，经过PID运算后将输出信号输出到执行器，从而控制温度值的大小，系统结构框图如图2.1所示。

图2.1恒温箱智能温度控制系统结构框图

恒温箱总体结构

本课题所使用的恒温箱是为工业精密仪器在特定温度下工作所设计的，长×宽×高为3m×1.5m×2m，加热器采用4个电炉加热，分布在恒温箱四周，冷却装置采用鼓风机，左右两边各一个。

由于加热时恒温箱内部不同部分的温度上升不同，单独测量某一点的温度并不能代表恒温箱的真实温度，所以温度测量采用多点测温技术，4个传感器分布在恒温箱的上部，4个分布在下部，将所测得的温度取平均值计算后再进行PID的运算，这样大大提高了温度值测量的准确性，降低了误差。

恒温箱的总体结构图如图2.2所示。

图2.2恒温箱总体结构图

温度场的与我们的日常生活或工农业生产是密不可分的，例如应用在高温领域的对于工业炉温度场的监测；而对于像大气和海洋温度分布监测，海底热液温度监测以及储粮温度监测等非高温领域的方面，温度场都是存在的。

物质系统内各个点上温度的集合称为温度场。

它是时间和空间坐标的函数，反映了温度在空间和时间上的分布。

像重力场、速度场等一样，物理中存在着温度的场称为温度场，它是各时刻物体中各点温度分布的总称。

温度场有两大类，一类是稳态工作下的温度场。

这时，物体各点的温度不随时间变动，这种温度场称为稳态温度场（或称定常温度场）。

另一类是变动工作条件下的温度场，这时，温度分布随时间改变，这种温度场称为非稳态温度场（或非定常温度场）。

对于一些室内结构设计而言，良好的气流结构是必须要考虑的因素。

另外，为了实现对空调和采暖系统的经济、技术、合理的设计，对室内温度场分布特征的把握也是非常有必要的。

因此，在研究恒温箱的温度控制系统时，将温度分布情况考虑到设计中，具有现实的意义，可以避免空间温度不均匀而引起的控制误差，所以进行多点测温来提高精确度，在空间中布置多个信号采集点，完善温度检测功能。

恒温箱温度控制实现过程是：

首先将设置好的温度值传给PLC，通过监控画面显示出来。

初始温度设置好后，PLC开启输出控制模块，使电炉开始加热，同时将从温度传感器测量到的温度值实时的显示出来。

传感器将恒温箱的温度转化为电信号，通过变送器输入PLC主控系统内部，然后 PLC将设定的温度值与反馈回来的温度值进行处理，当温度超过设定温度值时， PLC控制声光报警模块，发出声光报警，进行制冷控制。

当温度下降到设定温度以下时，PLC减小鼓风机频率，如此循环反复，以达到恒温控制的目的。

其中PLC主控系统为恒温箱温度控制系统的核心部分起重要作用，温度控制回路主要包括控制器、变频器、鼓风机