基于PLC的采暖炉系统的自动控制.pdf

、 I 生 lI8 化 基于P L C 的采暖炉系统的自动控制 Au t ocont r ol of h eat i ng boi l er s y st em b ased on PLC t echnol ogy 武冬梅 W U Do n g ． me i 内蒙古建筑职业技术学院 市政与路桥学院，呼和浩特 0 1 0 0 7 0 摘要本文以单片机S T C 8 9 C5 2 R O、D S1 3 o 2 B I 钟芯片、D S 1 8 B 2 0 温度传感器构成。选取炉出口温度 位主被控参数，选取炉膛温度为副被控参数，把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器 的给定值。控制部分采用P ID 算法，经过P ID 运算产生的控制信号是数字信号，将其送人D ／ A 转 换， 最终实现对炉温的高精度控制。 关键词 P L C；采暖炉；控制 中图分类号T H 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 1 0 上 一0 1 4 8 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 } ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 1 0 上 ． 4 7 0 引言 在 中国，采用锅炉取暖主要 以煤为燃料 ，不 仅 是锅炉取 暖，我 国能源 的供应也是 以煤为主。 燃 气代替燃煤采暖是改善北 方地 区冬季环境质量 的重要措施。我国北方城市 多年来一直采用集中 供 热方式，国 内外的运行情 况说明，这种供热方 式 技术上成熟 ，也是 比较经济 的。但近年来随 着经济的发展和体制 的改革，使 集中供热面临着 一 些社 会矛盾 ，主要是包烧 费收缴 困难及 因此带 来 的供热质量得 不到保证。因此，家庭燃气采暖 方式越来越受到家庭用户的青睐而得到发展。 在锅炉汽 包燃烧系统 中安全是首要指 标，在 安全体现 中温度 是核心 因素 ，温 度过高或者过低 都不利于锅炉汽 包燃烧 系统的正常运行。温度过 高则会引起管壁 结垢从而传热量效率变低，过低 则会影响部分水 冷壁的水循环 ，严重时还会 引起 爆炸 ，所 以在锅炉运行 中，保证温 度在正 常范 围 是非常重要的。 1 系统逻辑设计 1 ． 1采暖系统逻辑结构设计 如 图 1中主要加热系统主要有 电暖器、电 锅炉、大型热泵、家用热泵。 1 ． 2 温度控制系统 系统结构如 图 2所示。温度采 集器 中炉出 口 温 度调节器输 出的温度值 传给炉膛温 度调节器 ， 炉膛温度调节器把把该输入值作为把本省调节器 温度设 定值值 皿 】 ，同时在这个系统架构中炉 出口 厂弋 整 厂 堕匠] _ _ 亘 锅 炉 L _ L L区 亘 巫 L 1 誓 ／ ／ L 一家用热泵 J 温度为主被控 参数 ，炉膛 温度为副被控参数 。温 度信号可输入温度信号采集 电路，进入到计算机 控制系统 ，其系统内部设置有 A ／ D和 D／ A转换器。 系统采用温度 串联控制结构以及在材料上采用 了 高精度的铂电阻传感器进行温度测量与控制，且 以单片机作为核心进行温度控制 ，在软件控制 中 采用通用 P I D算法，由 P I D运算进行数字信号和 模拟信号的转换。最有通过模型信号进 行可控硅 控制，最终实现对炉温的高精度控制 。 温度控制部分采用数字式温度传感器 D S 1 8 B 2 0 ， 它能够将温度直接转换成数 字信号 ，可以通过一 温 温 度 度 信 控 号 计 算机控制 制 果 接 集 口 电 电 路 路 图2 温度控制系统逻辑框图 收稿日期2 0 1 2 - 0 8 -1 9 作者简介武冬梅 1 9 6 4 一，女，辽宁人，高级工程师，研究方向为采暖、通风和空调。 [ 1 4 8 ] 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 1 0 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 化 根数据线与单片机进行通信 ，而且它不需要外部 元件 ，在 ． 1 0 ℃ ～ 8 5 ℃范 围内可 以精确 到 0 ． 5 ℃。 完全 满足设 计要求。这 样设计就可 以不使用 A／ D 转换 器，从而使 系统 的精 度得 以提高，也能够 大 大节省单片机得系统资源 ，所 以我又加 了 DS 1 3 0 2 时钟模块电路 ，使时间能够实时显示。 2 系统硬件设计 2 ． 1 总体电路框 图 本设 计以 S T C 8 9 C 5 2 R C单片机 为主控核心设 计 的一个温度控制系统 ，低温时可控制加热设备 ， 高温 时控制风扇，超 出设 定最高温 度值 时蜂鸣器 发 出声响报警。 S T C 8 9 C5 2 R C单片机为 4 0引脚双列直插芯片 ， 有 四个 I ／ O 口P O ， P 1 ， P 2 ， P 3 ， MC S 一 5 1单 片机 共 有 4 个 8位 的 I ／ O 口 P 0 、P 1 、P 2 、P 3 ，每 一 条 I ／ O 线都能独立地作输 出或输入。 2 ． 2 温度采集设计 DS 1 8 B 2 0在恶劣环境 中具有抗干扰性的特点 ， 其 主要原因是支持一线总线 ，该技 术比较适合 在 恶劣的环境 温度测量 ． 它具 有体积小 等特点 ，在 微小体积重集成 了各类型传感器和各种转换电路 。 同时 DS 1 8 B 2 0的测量温度范 围为 一 5 5 ℃ - - 1 2 5 ℃ ， 在 一 1 0 C～ 8 5 ℃范 围内，精度为 0 ． 5 ℃，9 ～ 1 2位 分辨 率设置 ，精度为 0 ． 5 ℃。以及报警温度值设 置 固化入 E E P R O M 。 D 1 8 B2 0的主要特点 1 电源电源接入方式以及 电源范 围更灵活 与宽 ，支持数据线电源供电。 2 微 处理器与 DS 1 8 B 2 0通 信通信更加方便 支持通过单线链接实现双 向通信的功能； 3 组 网方式更加灵活 支持 多点组 网，可以 实现 对点监控与测温度。在 网络 结构上只需要采 用多个设备并联在三线上即可。 4 高 度集成 DS 1 8 B 2 0体积小 ，但其 内部 已 经集成 了各类型的传感器和转换器。在于外界链 接时候 ，不在需要单独加入其它转换器设备。 在温度控制范围以及可编程分别率范围更宽， 可以满足高精度测温的要求。 在可编程分别率中 9位分别率和 1 2位分别率 在温 度转换 为数字速率可 以达到 9 3 ． 7 5 ms 和 7 5 ms 就可 以实现温度值转换为数字。 结果显示更直观 和在抗干扰、纠错 能力上更 强劲。直接进行数字温度信号输出与 C R C校验码。 5 负压特性 电源极性接反时 ，芯片不会 因 发热而烧毁 ，但不能正常工作 】 。 D S 1 8 B 2 0中的 VDD引脚可 以解决电源电流不 足的问题 ，可以保 证设备的转换精度 ，但需要注 意的是在这种模式下 G ND引脚不能为空 ，负责会 影响到设备的转换 。 在温度数据采集过程 中，设备 间数据传输分 为并行传输和 串行传输 ，在本 系统设 计中主要采 用并行数据传输 ，以字或字节为单位 ，这 样可以 保证数据传输 的速度。 3 系统软件设计 3 ． 1总体软件框图 总体软件框图如图 3所示。 图3 总体软件框 图 3 ． 2 温度数据采集 单 片机 控 制 DS 1 8 B 2 0完 成温 度 转换 需 要 进 行 三个 操 作 ，第 一个 是 复位 操 作，然 后是 发 出 R O M 指 令 ，最 后进 行 RA M 指令 。 当设 备 发 出 6 O～2 4 0微秒低脉冲后表示复位成功 。 3 ． 3 PI D控制程序设计 P I D控制技术是在模拟量闭环控制工业领域 中 是最历史悠久，最成熟的技术。其 内容包含 P 比 例控制 、I 在积分控制 、D 微分控制 。 1 比例 控制 P 其具有能快速 反应的特 点 ， 虽误差不能 消除，但可 以减少到最低 ，在 内容上 控制器的输 出误差与输入误差信号成正比。 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 1 0 上 [ 1 4 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 訇 化 2 在积分控制 I 它具有消除余 差的功 能， 但 同时具有滞后性。其 在控制关 系上控制器的输 出与输入误差信号的积分成正比。 3 在微分 控制 D 中，具 有误差预 测功 能， 但无法消除余差，其控制关系与输 入、输 出误差 信号微分成正比。 P I D控制，中 I ， D 三者相互作用 ，只有 当找 到 I ， D合理的平衡点，才可以发挥其最好搞的质 量控制。 3 ． 3 ． 1 P I D 控制算法 在本控制 系统 中，出口温度传感器的出 口水 温度信号转化为 电流信号提供给炉膛温度传感器 ， 同时炉膛温 度传感器 的温度传输给 DS 1 8 B 2 0进行 相关转换。然后将两路模拟信 号经通过 P I D模块 进行 P I D调节控制。 P I D控制器通过回路输 出控制使系统达到稳定 值 。偏差 e 和输入量 r 、输 出量 c的关系 e t - r t - c t 1 控制器的输出为 f [ P 1 1 O a t T ] 2 “ f 为 P I D 回路输出 为比例系数 P ； 为积分系数 I ； 乃为微分系数 D。 P I D调节的传输函数为 [1 去 3 系统 在处理这 类函数 时候 ，首先必须做到先 把连 续函数 进行离散化 ，然后进行对离散化结果 偏差进行周期性采样 ，最后得出其结果。所以 P I D 输 出经过离散化后 ，它的输出方程为 { P ， z - ∑P [ P n 一 P 一 1 】 “- U p n u f ， z 甜 o 4 式中， u n K p e n 为比例项 ； “ ∑e i 为积分项； 一m P I d [ e n -e n -1 】 为微分项。 从上面 的式子可 以看出积分项 已经包含 了所 有采样周期 的误差 累积值 ，所 以当进行计算 时， 1 1 5 O 1 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 -1 0 上 所有误 差项不再使用 ，只需要保 留积分累积项即 可。所 以在本系统中可以利用单片机 中的 P I D指 令实现位置式 P I D控制算法量 。 3 ． 3 ． 2回路输入输出变量的数值转换方法 在本 自动控 制中，由于温度信号和标准温度 信号不是一个级别 ，所以首先要先将测量的稳定 信号转换为标 准温度值，这一个过程 叫 P V过 程 变量 ，过程变量主要和 P I D回路输出有直接关系。 所以温度传感器输入电压信号后经过 A ／ D， D ／ A转 换器后转换为整数值。以此 同时 由于 P I D执行指 令需要的是实数值 ，所 以还需要通过 DT R吧这个 整数值转换为实数型 ，在本设计 中主要通过 I W0 读入温度读入改实数值 ，其转换程序如下 M oVW AI W 0 ACO DTR AC0 AC0 M OVR AC0 VD 1 00 3 ． 3 ． 3实数归一化处理 由于 P I D对参数输入值范 围要求很严格 ，除 了 P I D中采用时间和 P，I ，D参数外 ，其他输 入 参数必须在 0 ． 0 ～ 1 ． 0之间，必须对 P V、S P结果值 进行归一化数据处理。其单极性的归一化的公式 R 。 “ R , o w ／ 3 2 0 0 0 5 3 ． 3 ． 4 P I D 参数整定 P I D参数整定是指确定调节器 的比例 系数 P 、 积分 时 间 T i 和 和微分 时 间 T d三者 指标 的调 整。 其 P ， I ， D数学表达式为 f [P f 毒 f f f 】 6 I t , 41 , 在显示生活中一般 采用，经验法 、衰减曲线 法、临界比例带法和反应曲线法进行参数整定。 在本论文系统设计中采用经验法，其原理就是 根据对具体控制对象的具体要求，从典型控制电路 程序 的总结经验中进行选择、调试、修改梯形图， 以及通过反应曲线进行参数调整 ，并 总结 出新规 律。此种方法最大优点就是不需要预先计算。 3 ． 3 ． 5整定结果及分析 当锅 炉钢 启动加 热 时，处 于 常温 ，此 时 s p p v △U值很大 ，此时 P I D模块就会采用 P模式进 行控制。使锅炉不断加热，当温度超过 3 0 ℃时 由 于 s p p v -AU变为负数 ，通过 P I D调节器进行对 锅炉减压，使炉温降低 ，最终实现 s p p v --AU为 【 下转第 1 5 3 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 这 样修 正后的轮坯齿根高 、齿顶高都将产生 表1 弧齿锥齿轮主要技术参数 名称 代号 单位 小齿轮 大齿轮 齿数 Z l 7 1 7 轴交 角 ∑ 9 0 9 0 齿数 比 “ 1 1 分锥 角 4 5 4 5 大端端面模数 ， 8 ．O 3 4 4 8 3 8 ． 0 3 4 4 8 3 齿形 角 2 0 2 0 螺旋 角 B m 3 7 3 7 齿顶高 系数 h a O ． 8 5 0 _ 8 5 顶隙 系数 C ● 0 ． 1 8 8 O ． 1 8 8 齿宽 系数 0 ．3 6 2 3 8 9 9 8 3 0 ． 3 6 2 3 8 9 9 8 3 齿宽 6 mm 3 5 3 5 变化 ，修正后的各参数值此处不再进行叙述 。 5 应用实例 以某轮式车辆三桥传动箱 中的一对弧齿锥 齿 轮为例，此对齿轮的主要技术参数如表 1 所示。 经实际验证 ，此种设计方法能够满足使用 要 求，并在很大程度上提高 了生产效率，因此这种 方法可在今后的设计工作中广泛的应用。 参考文献 [ 1 】成 大 先 ． 机 械 设计 手 册 【 M】 ．北京 化 学 工业 出版 社， 2 0 0 2 ． 1 ． 【 2 】曾韬 ． 螺旋锥齿轮 设计 与加工【 M】 ． 哈尔 滨工业 出版社， 1 9 8 9 ． 【 3 】吴序堂． 齿轮啮合原理【 M】 ．北京机械工业 出版社， 1 9 8 2 ． [ 4 】朱心雄．自由曲线曲面造型技术【 M1 ． 北京 科技出版社， 2 001 童‘ I 1． 蠡● ． ‘‘ ． | I‘． {重‘毫 曩1．． {矗‘ ．毫 ．{重●I 1．．{重‘ 蠡I {矗‘ 出I 蠡● 盘‘ 国‘ {童●{矗‘ {出● 重‘ {＆‘ {国‘ 【 上接第1 5 0 页】 零时系统就达到稳定状态。 4 结束语 本论文 中单 片机按 照一 定的控制算法对采集 的温 度数据进行处理 ，得到控制量 ，以控制 电机 的功率 以及 P I D控制算法 ，从而实现风扇转速的 控制。当传感器检测出的环境温度偏低时 ， 控制继 电器 ， 实现电暖炉的开与关的状态 ；当传感器检测 出的环境温度偏高时 ， 随着温度的改变 ， 控制 电机 的转速作出相应的改变；通过时钟芯片 DS 1 3 0 2自 动控制电机 ， 使其在某个时问段不工作。当环境温 度超出了设定值时 ， 蜂鸣器发出声响报警 。 参考文献 【 1 】辛广路． 锅炉运行与操作指南【 M】 ．机械工业出版社， 2 0 0 6 年． 【 2 】邵欲森． 带先中． 过程控制工程【 M】 ． 机械工业出版社， 2 0 0 0 年 ． 【 3 】刘春胜． 王邵伯 ． 川籍P I D控制在锅炉主蒸汽温 度控制 中 的应用[ J 1 ． 工业控制计算机， 2 0 0 6 年． 【 4 】张凤珊 ， 祖龙起 ． 电气 控制及 可编程控 制器 [ M】 ． 中 国轻 工业 出版社， 2 0 0 3 年． 【 5 】宋伯生． P L C 变成理论 算法及技巧【 M】 ． 机械工业出版 社， 2 0 0 6 年 ． [ 6 】陶永华， 葛芦生． 新型P I D控制及其应用【 M】 ． 北京 机械 工业 出版社， 1 9 9 8 年． 【 7 】丁镇 生． 传感器 及传感技术应用 【 M] ． 北京 电子工业 出 版社， 1 9 9 8 ． [ 8 】王永华 ． 现代 电气控制及P L C应用技术 [ M】 ． 北京 北京 航天航空大学 出版． 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 1 0 上 I 1 5 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m