电烤箱温度控制系统.docx

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1、电烤箱的炉温控制系统设计作者姓名：王维洲作者学号：20123509指导教师：孟红记鲍艳学院名称：信息科学与技术学院专业名称：测控技术与仪器东北大学2016年1月摘要随着科学技术和生产的开展，对温度控制的要求也越来越高，本设计主要是实现单回路PID炉温的控制。单回路温度控制系统主要由计算机，采样板卡，控制箱，加热炉体组成。是由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。控制箱装有温度显示与变送仪表，控制执行机构，控制量显示，手控电路等。加热炉体由烤箱改装，较为美观适合实验室应用。计算机控制系统一般由控制计算机、A/D与D/A接口、执行机构、被控对象、检测元件和变送器组成。本实验控

2、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。本设计通过调节PID参数来实现炉温系统的控制。关键词：单回路温度控制系统，PlD控制，加热炉体，智能控制仪表，温度变送器，热电阻，可控硅目录摘要I第1章课程设计目的与任务11.1 课程设计目的11.2 课程设计任务与要求1第2章炉温控制系统的组成22.1 设计所需设备及参考资料2设备2参考资料22.2 炉温控制系统硬件组成2实验设备2设备通讯3智能控制仪表CD901简介32.3 试验装置连线步骤42.4 炉温控制系统硬件工作原理5前向通道工作过程5

3、反响通道工作过程5第3章人机界面制作63.1 软件设计目标63.2 人机界面制作6建立新工程6画面的制作63.3 画面的制作63.4 建立数据词典73.5 建立动画连接83.6 调试运行8第4章PID控制作用及参数整定104.1 PID的作用104.2 PlD控制器参数的整定104.3 一般PlD控制算法104.4 工程整定方法介绍11建立新工程11临界比例带入法12经验法13电烤箱传递函数开环响应切线法参数整定13PID参数调节控制14结论15心得体会16参考文献18第1章课程设计目的与任务1.l课程设计目的本课程是隶属于实践性教学环节。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

4、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，能够灵活运用相关根本知识和根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。1.2课程设计任务与要求在根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根底上，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)撰写标准化的说明书一份。第2章炉温控制系统的组成2.1 设计所需设备及参考资料2.1.1 设备电烤箱：1个；控制装置：1套；组态王软件：1套；温

5、度测量元件：1个；双向可控硅调压元件：1个。2.1.2 参考资料 过程控制系统 组态王培训教程 相关设备元件的说明书2.2炉温控制系统硬件组成2.2.1 实验设备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。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

6、测输入热电阻信号连接至温度控制器反响端。其原理结构如图2.1所示。双温室实验对象将烤箱用隔板隔成两局部，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。图2.1温度试验系统功能结构图图2.2控制箱面板（单套控制系统）本实验的检测元件为热电阻Ptl00。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0300度之间，为了留有余地，我们要将温度的范围选在0400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。交流固态继电器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

7、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2.3所示，电压数显表如图2.4所示。图2.3固态继电器2.4电控数显表2.2.2 设备通讯实验装置采用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2.5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

8、前在IBMPC机上的COMKCOM2接口，就是RS-232C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。B两端为CD901的通讯端，为标准的RS485接口。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MODEMo 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

9、号地信号线，无方向。 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2.6所不O图2.5通讯转换器图2.6二线制RS-485智能控制仪表的前部外观如下列图2-8所示。2.2.3智能控制仪表CD901简介1智能控制仪表CD901的规格型号说明： PV：输入值（如：读入烤箱的温度值）或程序热侧）却侧） SV：设定值（如：手动给定给定值） AT：自整定（绿 0UT1：第一控制输出（加 OUT2：第二控制输出（冷 A1.M1：第一报警端 A1.M2：第二报警端 SET：设置各种命令 RS:位移及运行/停止图2.7

10、CD901面板 V:下移减小数字 A:上移减大数字CD901反面接线柱如下列图2,8所示。图2.8CD90I背部接线图2CD901的技术数据说明： 热电阻：Pt100:电压：05v电流：020mA, 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）：l3600秒微分时间（D）l3600秒加热

11、侧比例周期（T）：l100秒冷却侧比例周期（t）：l100秒限制积分动作生效范围（ARW）：加热侧比例带（P）的N100%3CD901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：0.5秒，过程值偏置：-19999999或-199.9999.9C（温度输入）全量程（电压/电流输入）全量。2.3

12、试验装置连线步骤按照实验装置面板上的连线原理图将系统运行时的线路连接上，连线原理图如下列图2.9。图2.9面板上的连线原理图 硬手动（手动给定）连线：硬手动时分别连接至调压模块接线柱、； OUTl连线：非硬手动时分别连接至调压模块接线柱、； OUT2连线：当使用风扇制冷时使用。 TC连线：当使用检测元件作为反响值时使用。2.4 炉温控制系统硬件工作原理主机电源箱、多功能检测实验装置、光电转速传感器-光电断续器（已装在转动源上）、转动源。2.4.1 前向通道工作过程前向通道有两中工作方式，自动和手动，即可控硅模块的输入可以由计算机通过数据采集卡的D/A通道自动给定，也可以在控制面板上手动调节,两

13、种方式只能选择一种。可控硅输入Uk为15伏电压，01伏为死区，死区内输出为0,15伏电压输入对应0-220伏电压输出Ud,对应关系为近似线性关系，如图2.10所示。图2.10可控硅输入输出关系可控硅输出电压Ud加在加热炉上，使炉温上升。加热炉也有两种工作方式，二加热体加热和四加热体加热,功率分别为600瓦和1200瓦,其温度范围分别为0220度和0-300度，每台加热炉因保温效果和加热体实际功率不同，其温度范围也不尽相同，本文使用第二种方式测定数学模型参数并进行设计。2.4.2 反响通道工作过程反响通道首先由热电阻PtlOO的检测炉温，温度变送器将热电阻的阻值变化转换放大为两路输出信号，一路为

14、0300度的温度信号，通过数码显示管在温度控制装置上显示出来,另一路为05伏的电压信号,通过数据采集卡PCII711的A/D通道送入计算机，两路信号近似线性比例约为60。计算机经过计算处理,得到新的控制量,输出给可控硅。第3章人机界面制作3.1 软件设计目标软件系统的开发要到达以下功能要求： 采集温度变送器的电压输出，其范围为05V,即实现A/D功能； 输出控制量Uk,其范围也为05V,即实现D/A功能； 设计方便清晰的人机画面； 可以进行开环实验，并绘制加热炉升温曲线； 编程实现对采集到的数据进行滤波； 编程实现采用一般PlD控制。3.2 人机界面制作3.2.1 建立新工程点击进入组态王工程

15、管理器，如图3.1所示：图3.1组态王工程管理器点击“新建”或在文件菜单中选择“新建工程”，出现如下提示：图3.2新建工程向导之一点击“下一步”出现如下窗口，输入将建立的工程路径：图3.3新建工程向导之二点击“下一步”，输入所建新工程的名称：图3.4新建工程向导之三点击“完成”，并选择“是”，将新建的工程设为当前工程：图3.5组态王工程管理器双击新建的工程，由于未安装加密狗，所以会有以下提示，只能在演示方式下进入开发环境，开发环境连续使用两个小时后自动关闭，必须重新启动组态王。图3.6进入开发环境提示按照相应的提示操作后，弹出工程浏览器窗口、画面制作开发系统和组态王信息窗口，然后就可以进行下一步的工作了。3.2.2画面的制作3.3画面的制作(1)制作“进入系统”画面，画面内容主要包括标题、系统简要说明、系统实物示意图和画面选择。选中工程浏览器左侧的画面，在右侧窗口中双击“新建”，出