基于PLC的微波加热器温度控制系统设计.doc
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1、基于PLC的微波加热器温度控制系统设计 11 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
2、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
3、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。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2M210- M1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
4、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。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
5、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
6、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输出模块用户输出设备 总线外围设备 RAM I/O接口
7、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
8、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。(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,
9、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
10、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。4 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
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