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基于PLC的微波加热器温度控制系统设计

基于 PLC 的微波加热器温度控制系统设计

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基于 PLC 微波加热器温度控制系统的设计
摘要:设计了一套 PLC 控制的微波加热器温度控制系统。以工业高功率微波加热 器为研究对象,用 S7-200PLC 及模拟量输入、 输出模块组成基本控制单元,使加热 器内温度保持恒定。针对微波加热器内温度系统的大惯性、非线性特征,采用模 糊控制算法来对温度进行处理,克服了传统 PID 算法参数调整复杂、超调量大的 缺点。实验结果表明,对温度采用模糊控制能获得较好的稳态精度和动态特性, 能够满足工业领域恒温加热的要求。
关键词:西门子 S7-200PLC 微波加热器 控制系统设计 温度控制系统

1.1 微波加热的现状
近年来, 微波加热器温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统, 温度是工业生产 过程中重要的被控参数之一, 冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各 种微波加热器﹑热处理炉﹑反应炉,对工件的处理均需要对温度进行控制。因此,在工业生 产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。 由于许多实践现场对温度的影响是多方面 的,使得温度的控制比较复杂,传统的电气控制系统普遍采用继电器控制技术,由于采用固 定接线的硬件实现逻辑控制,使控制系统的体积增大,耗电多,效率不高且易出故障,不能 保证正常的工业生产。 随着计算机控制技术的发展, 传统继电器控制技术必然被基于计算机 技术而产生的 PLC 控制技术所取代。而 PLC 本身优异的性能使基于 PLC 控制的温度控制系 统变的经济高效稳定且维护方便。 这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性 意义。

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2 微波加热器整体结构
2.1 磁控管控制系统主结构分析
磁控管是一种谐振型正交场振荡器, 是微波技术中的一种高功率微波源, 以松下 2M210M1 磁控管为例进行分析,其电源系统如图 2.1 所示。 磁控管发射微波时阴极需得到 3.3V 的灯丝电压,阳极相对阴极具备 4200V 高压而形成 强电场。这样阴极得到灯丝电压向外发射电子。在电场作用下,电子从阴极飞向阳极。在磁 控管中还存在磁场,方向与电场方向垂直,在磁场和电场共同作用下,电子延螺旋轨迹作轮 摆式运动。同时,在阳极谐振腔内还存在高频电场,在高频电场作用下,电子绕阴极轴心旋 转,当旋转速度与高频电场同步时,电子的直流能量交给高频电场,维持高频振荡。这些高 频能量以微波的形式输出,用于各种工业用途。
单相 灯丝变压器 扼流电路 励磁 电流 灯丝电压、 电流 磁 控 管 阳极 直流电压

~

单相

自耦变压器

桥式整流

三相 高压变压器 AC/DC

图 2.1 微波炉电源控制系统

由上述分析可知,磁控管发出微波必须具备加热灯丝、阳极直流高压、激励恒定磁场三 个主要的工作条件。因此,磁控管电源也必须根据不同的要求分别进行设计。

2.2 微波炉电路原理图
灯丝电源 初级保护 开关 保险丝 交流磁 固态功率 接触器 控制 监 测 开 关 电容C1 二极管D R1 (10M) 分压器 R2 (10K) 电流取样点 磁 控 管

AC220V 次级保护 开关

计时器

高压漏磁变压器

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3 可编程序控制技术
3.1 PLC 的定义及特点

3.1.1 PLC 的定义
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统, 专为在工业环境下应用而设计, 它采 用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算 等操作命令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。

3.1.2 PLC 的特点
PLC 是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的, 这就使 PLC 具有许多其他控制器所无法相比的特点。 1)可靠性高,抗干扰能力强 2)通用性强,使用方便 3)采用模块化结构,使系统组合灵活方便 4)编程语言简单、易学,便于掌握 5)系统设计周期短 6)对生产工艺改变适应性强 7)安装简单、调试方便、维护工作量小

3.2

PLC 的应用和发展前景

3.2.1 PLC 的应用
PLC 是以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一 种通用的工业自动控制装置,它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、 维护方便等一系列的优点,因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中有着广泛的应用, 成为现代工业控制的三大支柱(PLC、机器人和 CAD/CAM)之一。

3.2.2 PLC 的发展前景
为了适应市场的各方面的需求,各生产厂家对 PLC 不断进行改进,推出功能更强、结构 更完善的新产品。这些新产品总体来说,朝两个方向发展:一个是向超小型、专用化和低价

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格的方向发展,以进行单机控制;另一个是向大型、高速、多功能和分布式全自动网络化方 向发展,以适应现代化的大型工厂、企业自动化的需要。

3.3 PLC 的基本组成及工作原理
3.3.1 PLC 的基本组成

CPUU

输入模块

用户输入设备

EPROM 总线 RAM

输出模块

用户输出设备

I/O 接口

外围设备

电源模块

通信接口

计算机或其他 PLC

主机
图 3.1 PLC 硬件系统结构框图

在图 3.1 中,PLC 的主机由微处理器(CPU) 、存储器(EPROM、RAM) 、输入/输出模块、 外设 I/O 接口、通信接口及电源组成。对于整体式的 PLC,这些部件都在同一个机壳内。而 对于模块式结构的 PLC,各部件独立封装,称为模块,各模块通过机架和电缆连接在一起。 主机内的各个部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。根据实际控 制对象的需要配备一定的外部设备, 可构成不同的 PLC 控制系统。 下面分别介绍 PLC 各组成 部分及其作用: 处理单元 CPU 是 PLC 的控制中枢,PLC 在 CPU 的控制下有条不紊的工作,从而实现对现 场的各个设备进行控制。 1)CPU 的具体作用如下: (1) 接收、存储用户程序。 (2) 以扫描方式接收来自输入单元的数据和状态信息,并存入相应的数据存储区。

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(3) 执行监控程序和用户程序。 (4) 响应外部设备的请求。 2) 存储器 可编程控制器有两种存储器,即系统存储器(EPROM)和用户存储器(RAM) 。 系统存储器用来存放系统管理程序, 用户不能访问和修改这部分存储器的内容。 用户存 储器用来存放编制的应用程序和工作数据状态。 存放工作数据状态的用户存储器部分也称为 数据存储区。它包括输入、输出数据映像区,定时器/计数器预置数和当前的数据区,存放 中间结果的缓冲区。 3) 输入/输出模块 PLC 的控制对象是工业生产过程,实际生产过程中的信号电平是多种多样的,外部执行 机构所需的电平也是各不相同的, 而可编程控制器的 CPU 所处理的信号只能是标准电平, 这 样就需要有相应的 I/O 模块作为 CPU 与工业生产现场的桥梁,进行信号电平的转换。

3.3.2 PLC 的基本工作原理 PLC 是一种存储程序的控制器。 用户根据某一对象的具体控制要求, 编制好控制程序后, 用编程器将程序键入到 PLC 的用户程序存储器中寄存。PLC 的控制功能就是通过运行用户程 序来实现的。 PLC 扫描工作方式主要分三个阶段:输入采样、程序执行、输出刷新。 1) 输入采样 PLC 在开始执行程序之前,首先扫描输入端子,按顺序将所有输入信号,

读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中, 这个过程称为输入采样。 在本工作周期内这个采 样结果的内容不会改变,只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。 2) 程序执行 PLC 完成了采样工作后, 按顺序从 0000 号地址开始的程序进行扫描执行, 并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处 理。 再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。 但这个结果在全部程 序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。 3)输出刷新 在执行到 END 的命令时,即执行完用户所有的程序后,PLC 将输出映像 寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出,驱动用户设备。

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温度控制系统设计

温度是生活及生产中最基本的物理量, 它表征的是物体的冷热程度。 自然界中任何物理、 化学过程都紧密地与温度相联系。 在很多生产过程中, 温度的测量和控制都直接和安全生产、 提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此,温度的测量在 国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。

4.1 温度测量方法的选择
温度测量方法的分类很多, 从测量时传感器中有无电信号可以划分为非电测量和电测量 两大类; 从测量时传感器与被测对象的接触方式可划分为接触式和非接触式。 图 4.1 表示温 度传感器的分类。 最简单的温度测量系统由温度传感器及显示表组成; 较完善的系统是由传 感器、温度显示仪表和温度记录仪表组成,或者还将温度信号经变送器转换为同一电信号。 在进行测温时选择哪一种温度测量系统,主要考虑四个问题:温度范围、使用场合、温度响 应、传输方式。本加热系统就在设计时就充分考虑了这四个问题,设计出符合微波加热器的 温度传输系统。

4.2 传感器的选择
近年来,温度的检测在理论上发展比较成熟,但在实际测量证快速实时地进行采样,确 保数据的正确传输, 并能对所测温仍然是目前需要解决的问题。 温度控制技术按照控制目标 的不态温度跟踪与恒值温度控制。 动态温度跟踪实现的控制目标是值按预先设定好的曲线进 行变化。 在工业生产中很多场合需要实如在发酵过程控制, 化工生产中的化学反应温度控制, 冶金工度控制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某其波动幅度(即稳态误 差)不能超过某一给定值。本课题所研制要实现恒值温度控制的要求,故以下仅对恒值温度 控制进行讨由于微波属于超高频电磁波,存在着强电磁场。在微波场下是一个技术难题。在

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强电磁场下, 温度传感器的金属部分和下产生感应电流, 由于集肤效应和涡流效应使其自身 温度升高严重干扰,使温度示值产生很大误差或者无法进行稳定的温度感器的选择至关重 要。 红外温度传感器就可以很好的解决这个感器在图 4.1 中属于光学温度传感器中的部分辐 射光学温度传温度传感器是一种非接触式测温的传感器, 因此不会破坏温度热溶样, 而且具 有快速的响应时间等优点,很适合微波场内的。 如图 4.1 所示:A2TPMI 334-L5.5 OAA300 传感器是由标准 TPS 334-L5.5 传感器带集成 A2TPMI 专用集成电路以及 5.5m 镜光学系统构成, 有 5 视角, 目标温度测量范围为 20~300 C, 正好适合热器系统设计 0~250 C 的测温范围。 A2TPMI 334-L5.5 OAA 300 的传感器 TO-39,6 脚封装,如图 4.2 所示:

图 4.2 A2TPMI 334-L5.5 OAA300 传感器封装

其中 6 个引脚分别表示:GND 引脚表示接地; 压;

VDD 引脚表示电源,通常接稳定的 5V 电 VTamb 引脚表示环境输

VTobj

引脚表示目标输出电压,需接一个一阶或二阶低通滤波器;

出电压;SCLK 引脚表示时钟线;SDAT 引脚表示数据线。

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5 微波加热 PLC 控制设计
微波加热本质上是一种介质加热,其能量产生于加热物质的内部。 与普通加热相比,微波 加热具有升温速率快,热效率高,加热均匀,易于实现自动控制等优点 。 本文设计了一套频率 为 2450 MHz 的微波加热温度控制系统,其主要任务是实现加热器内温度的采集和控制。温 度传感器置于微波场中,将温度信号转化为电信号后送与 PLC 进行数据处理,通过控制算法 计算出输出控制信号来调节微波发生器的电能供给,从而实现加热器内的恒温控制。

5.1 系统硬件设计
微波加热器内温度的自动控制是将测温仪表和自动化装置组成一个闭环的系统来实现, 其硬件结构如图 5.1 所示。 系统以西门子公司生产的 S7-200 系列 PLC 作为控制的核心。S7-200PLC 包括一个单独 的 S7-200CPU 和各种可选择的扩展模块, 可以组成各种规模的控制器。设计中以 CPU224 作 为 PLC 的基本模块。CPU224 集成了 14 点输入/ 10 点输出,共有 24 点数字量 I/ O ,最大扩 展至 168 点数字量 I/ O 或模拟量 I/ O[4 ] 。扩展模块使用 EM231 模拟量输入模块(4 路 输入) 和 EM232 模拟量输出模块(2 路输出) 。PLC 输入输出接线如图 5.2 所示。

图5.1 系统硬件结构图

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图 5.2 PLC I/O 接线图

温度传感器 4~20 mA 的电流信号经 EM231 传入 PLC 中,经 CPU 的处理运算,通过 EM232 输出 4~20 mA 的电流控制信号。 人机界面采用 Text Display200 ( TD200) 。 TD200 是 S72200 系列 PLC 的文本显示和操作员界面,具有小巧紧凑、方便快捷的优点,可以用来显示和设定 加热器内的温度、报警的上下限、加热的时间、功率等。EM232 模块输出的 4~20 mA 的控 制信号送入晶闸管调整器去触发可控硅元件,来改变输出的电压、 电流或功率,从而实现微波 加热器内温度的调节和控制。

5.2 S7-200 系列 PLC
5.2.1 西门子 S7-200 系列 PLC 指示灯说明
S7-200 系列 PLC 指示灯通常包括 SF、RUN、STOP 指示灯和开入开出指示灯,通过 SF、 RUN 和 STOP 三个指示灯可以判断出 CPU 的当前运行状态,通过开入开出指示灯可以判断出 PLC 开入开出点的状态,具体说明如下: 1)SF 指示灯:只有 PLC 出现致命错误时点亮(红色) ,其他情况下均熄灭;故障状态下 可以通过菜单栏 PLC\Information 来查看相应故障信息及故障代码, 另 PLC 帮助文件中附有 详细的故障信息及故障代码对照表,可供排查故障时使用。 2)RUN 指示灯:CPU 处于运行状态时点亮(绿色) ,CPU 处于停止状态时熄灭; 3)STOP 指示灯:CPU 处于停止状态时点亮(绿色) ,CPU 处于运行状态时熄灭;

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4) 开入开出指示灯:位于各开入开出模块上,按位指示,该位为 1 时点亮(绿色) ,该 位为 0 时熄灭。

5.3 系统程序设计
STEP72Micro/ WIN32 是 S72200 系列 PLC 专用的编程和组态开发软件包,具有丰富的功 能指令,运用该软件开发程序,除了具有创建程序的相关功能,还具有设置 PLC 的工作方式、 参数、运行监控、管理文档等辅助功能。 软件流程如图所示:

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致谢 历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完, 在论文的写作过程中遇到了无数的困难和 障碍,都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师—XX 老师,她 对我进行了无私的指导和帮助,不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外,在校图书馆 查找资料的时候, 图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。 在此向帮助和指导过 我的各位老师表示最中心的感谢! 感谢这篇论文所涉及到的各位学者。 本文引用了数位学者的研究文献, 如果没有各位学者的 研究成果的帮助和启发,我将很难完成本篇论文的写作。 感谢我的同学和朋友, 在我写论文的过程中给予我了很多你问素材, 还在论文的撰写和排版 灯过程中提供热情的帮助。 由于我的学术水平有限,所写论文难免有不足之处,恳请各位老师和学友批评和指正! 参考文献 1.周继明,江世明. 传感技术与应用[M],长沙:中南大学出版社,2005 2.廖常初.大中型 PLC 应用教程[M],北京:机械工业出版社,2005 3.秦益霖.西门子 S7-200PLC 应用技术[M],北京:电子工业出版社,2007.4 4.侯志林主编. 过程控制与自动化仪表[M]. 机械工业出版社. 2004.8 5.陈立定, 吴玉香, 苏开才编著. 电气控制与可编程控制器[M]. 华南理工大学出版社. 2004.5 6.潘新民,王燕芳编著. 微型计算机控制技术[M]. 电子工业出版社. 2004.8 7.侯志林主编. 过程控制与自动化仪表[M]. 机械工业出版社. 2004.8 8.廖常初.S7-200/300 PLC 应用技术,北京:机械工业出版社,2005.1 9.徐滤非.PLC 在温度控制系统中的应用[J],《现代电子技术》 ,2004, 第 13 期 10.王玉琦、熊葵容.可编程序控制器在温度控制中的应用[J], 《技术与应用》 ,2003,第 26 期 11.刘美俊.PLC 在炉温自动控制系统中的应用[J],《电气开关》 ,2001, 第3期


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