电阻炉温度控制系统设计

2022-09-29

1 控制系统总体结构

电阻炉温度控制系统基本构成如图1所示, 它由电阻炉、传感器、信号处理、A/D模块、PLC主控系统、触发模块、可控硅 (SCR) 七部分组成。

PLC是电阻炉温度控制的主控核心。传感器采集的电阻炉加热对象的温度信号, 通过信号采集电路处理, A/D模块, 将模拟电压信号转化为数字量, 然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行处理, 通过过零触发模块, 触发可控硅 (SCR) 按一定的占空比导通, 控制了电阻炉电阻丝两端的通电时间, 实现电阻炉温度控制。

2 硬件系统

2.1 温度采集和处理电路

本设计采用美国模拟器件公司生产的单片集成温度传感器AD590。AD590为双端集成温度传感器产品, 其工作温度为-55℃+150℃, 工作电源为+4~+30V。AD590可以将温度信号变为与绝对温度成正比的电流信号, 比例因子为1μA/K, 在其测量的范围内具有良好的线性度, 不需要进行温度补偿。

由于AD590产生的是电流信号, 因此必须通过电阻网络将其转化为电压信号, 作为A/D转换的输入信号, 如图2。图中A1运放采用高增益、低零点漂移的运算放大器OP07, 电位器R1和R2组成电阻网络把采集的电流转化成电压, 调节R1使R1+R2为1K, 温度变化1℃输出变化1mv。反相放大和求和放大作用是使运放输出电压与被测温度之间有一个合适的对应关系。如:当温度为0℃时, 调节R1、R7、R11使U4输出为0V;当温度为60℃时, 调节R7和R11运放输出U4为6V。模拟量转换使用FX2N系列PLC的特殊功能模块FX2N_4AD, 本身有4个模拟量输入通道 (可以是电压信号或是电流信号) , 输入是0~10V时对应的数字量0~2000。如果输入有电压波动或外部电气电磁干扰的影响, 可在模块的输入口中加一个平滑电容 (0.1~0.47uf/45V) 。

2.2 显示电路

本设计采用LED的动态扫描显示, 显示码由PLC的输出数据经CD4511译码得到。

位控信号是由PLC的输出端直接控制。

2.3 驱动控制电路

晶闸管是目前比较理想的交流开关器件。本设计采用双向可控硅 (晶闸管) 控制。PLC的控制端输出一个脉宽调制信号作用于MOC3061的导通控制信号端2脚, 其输出端加到可控硅的控制极, 可直接控制可控硅的导通时间, 从而控制加热平均功率。MOC3061是带过零触发的光电耦合器, 用于防止电气干扰、吸收尖峰干扰信号等, 可控硅上并联阻容吸收电路:电容C两端电压不能突变, 可吸收可控硅关断时引起的反向尖峰电压。控制电路如图3。

3 控制算法

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用容易产生饱和, 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ξ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。

在PLC控制系统中, 系统通过PID控制指令实现的。进入PLC的连续时间信号, 必须经过采样和整量化后, 变成数字量, 方能进入存贮器和寄存器, 而在PLC中的计算和处理, 不论是积分还是微分, 只能用数值计算去逼近。当采样周期相当短时, 用求和代替积分, 用差商代替微商, 使PID算法离散化, 将描述连续时间PID算法的微分方程, 变为描述离散时间PID算法的差分方程。PID子程序流程图如图5所示, 根据实际检测到的温度值和设定温度比较, 求出相应的温度偏差值E, 根据E与ξ的比较判断采用PID算法或是PD算法, 随后进行算法处理, 求出控制值。

PID控制根据指令特定单元确定动作方向, 执行运算。