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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
11、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
12、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
13、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
14、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20300 C，正好适合热器系统设计0250 C的测温范围。A2TPMI 334-L5.5 OAA 300的传感器TO39，6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；引脚表示电源，通常接稳定的5V电压；引脚表示目标输出电压，需接一个一阶或二阶低通滤波器；引脚表示环境输出电压；SCLK引脚表示时钟线；SDAT引脚表示数据线。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
15、,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
16、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/ O4 。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 图5.2 PLC I/O接线图温度传感器420 mA 的电流信号经EM231 传入PLC 中,经CPU 的处理运算,通过EM232 输出420 mA 的电流控制信号。人机界面采用Text Display200 ( TD200) 。TD200 是S72200 系列PL
17、C 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420 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PLC5.2.1 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
18、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PLCInformation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；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,
19、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: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
20、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，20052.廖常初.大中型PLC应用教程M，北京：机械工业出版社，20053.秦益霖.西门子S7-200PLC应用技术M，北京：电子工业出版社，2007.44.侯志林主编. 过程控制与自动化仪表M. 机械工业出版社. 2004.85.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. 2004.56.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. 2004.87.侯志林主编. 过程控制与自动化仪表M. 机械工业出版社. 2004.88.廖常初.S7-200/300 PLC应用技术，北京：机械工业出版社，2005.19.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