過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計玻璃爐窯溫度控制、玻璃進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計

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1、 ——自動化工程系 過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計 題目：玻璃爐窯溫度控制、玻璃進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名： 專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器 班級學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計時間：2010-7-14 玻璃爐窯溫度控制、玻璃進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要：對于鋼化爐，為滿足工藝要求，鋼化爐溫度控制是保證鋼化質(zhì)量的關(guān)鍵因素，同時要求裝料平穩(wěn)、供熱分布均勻、可提供較大的供熱負(fù)荷變化。按工藝流程，將鋼化爐分成四段，即加熱段(加熱至600~650℃)，保溫段(玻璃往復(fù)擺動)，急冷段(往復(fù)急冷)，緩冷段(冷卻風(fēng)機吹風(fēng))。為獲得較好

2、的控制效果，采用PLC控制技術(shù)配合工控機進(jìn)行系統(tǒng)的檢測及自動控制。在控制算法方面，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的PID基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計了三種控制器(模糊自適應(yīng)PID控制器，神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制，模糊免疫PID)，并對這三種控制器進(jìn)行仿真對比分析，確定最適合鋼化爐溫度系統(tǒng)的控制器，最后利用監(jiān)控界面進(jìn)行實時監(jiān)控。具體工作如下： 1、設(shè)計玻璃爐窯溫度控制控制工藝，畫出控制工藝流程圖。 2、寫出溫度控制、進(jìn)給控制的工作過程，繪出系統(tǒng)框圖。 3、用PLC控制進(jìn)給過程，設(shè)計出PLC進(jìn)給控制接線圖，給出輸入輸出端子號。 4、編制PLC進(jìn)給控制梯形圖，寫出語句表。（機種不限）。 5、采用單片機對爐溫進(jìn)行檢測控制。

3、 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。 要求單片機采用89S51，晶振在6MHZ以上。數(shù)據(jù)存儲器采用串行存儲器。（如24C系列、93C系列）顯示器電路設(shè)計采用MAX7219串行驅(qū)動方案，共陽極數(shù)碼管。擴展8255矩陣鍵盤或分立式鍵盤。A/D轉(zhuǎn)換采用AD7705，設(shè)計采集電路。熱電偶檢測溫度。多路轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)多點檢測?？煽毓铚囟瓤刂齐娐凡捎霉虘B(tài)繼電器方案。 編制溫度控制系統(tǒng)各模塊流程圖。（數(shù)據(jù)采集、處理；數(shù)據(jù)存儲；爐溫控制；鍵盤、顯示等） 附加：1、采用智能調(diào)節(jié)器、熱電偶溫度變送器、可控硅溫度控制模塊等組成溫度控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)控制框圖及接線圖。說明各種儀表結(jié)構(gòu)及工作原理。 2、溫度控制采用PLC及A/

4、D、I/O、D/A接口卡，設(shè)計硬件線路及軟件框圖。 3、學(xué)習(xí)組態(tài)軟件，嘗試?yán)L制玻璃爐溫控制系統(tǒng)流程圖。 關(guān)鍵詞：鋼化玻璃；ＰＬＣ；ＰＩＤ；  目錄 第1章：課題概述 1.1：選題背景與研究意義。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 1.2：溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2 1.3：課題主要工作。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2 第2章：鋼化玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)概述 2.1：鋼化玻璃

5、生產(chǎn)系統(tǒng)總體設(shè)計。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2 第3章：基于PLC的進(jìn)給控制 3.1：進(jìn)給系統(tǒng)要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 3.2：鋼化玻璃進(jìn)給過程控制。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 3.3：PLC的選型與概述。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 3.4：硬件電路設(shè)計。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

6、。。。。。。。。。。。。。。。6 第4章：基于AT89S51單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1：系統(tǒng)功能及實現(xiàn)原理。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10 4.2：主體設(shè)計部分。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11 4.3：溫度控制系統(tǒng)各部分具體選型與設(shè)計。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。13 參考文獻(xiàn)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。19 附錄 附錄1：PLC控制過程具體聯(lián)線

7、圖。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。20 附錄2：各器件的具體選擇型號一覽表。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。20 緒論 第一章：課題概述 1.1選題背景及研究意義 玻璃是一種常見的、普遍使用的建筑裝飾材料，能有效地減輕建筑物本身的自重，增強建筑物的裝飾美感。隨著人們生活水平的提高、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對玻璃的要求越來越趨于多樣化、功能化、綠色化。各種功能的玻璃深加工產(chǎn)品，如蒙砂玻璃、彩釉玻璃、鍍膜玻璃、低輻射玻璃、壓花玻璃等逐漸受到人們的青睞。 然而玻璃屬于脆性材料，破碎時易危及人

8、身安全，特別是高層建筑的玻璃更具危險。平板玻璃鋼化一般采用優(yōu)質(zhì)浮法玻璃為原料，將普通平板玻璃經(jīng)物理或化學(xué)的方法處理，使其表面形成壓應(yīng)力，內(nèi)部形成張應(yīng)力。在承受外力時，首先抵消表層應(yīng)力，從而提高承載能力，改善玻璃抗拉強度。所以鋼化玻璃又稱安全玻璃。它不僅具有熱穩(wěn)定性好以及光潔、透明、可切割等特點，而且安全性能明顯提高。第一，鋼化玻璃強度較之普通玻璃提高數(shù)倍，抗彎強度是普通玻璃的3~5倍，抗沖擊強度是普通玻璃5~10倍，提高強度的同時亦提高了安全性。第二，鋼化玻璃的承載能力增大改善了易碎性質(zhì)，即使鋼化玻璃破壞也呈無銳角的小碎片，極大地降低了對人體的傷害。第三，鋼化玻璃的耐急冷急熱性質(zhì)較之普通玻璃有

9、2~3倍的提高，一般可承受150℃以上的溫差變化，對防止熱炸裂有明顯的效果。 在鋼化玻璃生產(chǎn)過程中，鋼化玻璃的爐溫控制是生產(chǎn)過程的一個重要環(huán)節(jié)，由于傳統(tǒng)方案不能準(zhǔn)確的控制鋼化爐的爐溫，所以實際生產(chǎn)中還主要是以工人的經(jīng)驗來判斷和控制爐溫時間，這樣就影響了鋼化玻璃控制系統(tǒng)的自動化程度以及控制控制精度。為了彌補以上不足，有必要研究一種檢測方案，對比經(jīng)典控制與智能控制的優(yōu)缺點，結(jié)合鋼化爐溫度控制的特性，建立對應(yīng)鋼化爐爐溫控制系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)學(xué)模型，將最優(yōu)的控制理論算法研究成果融入到控制系統(tǒng)中，進(jìn)一步提高工業(yè)自動化的水平。 1.2溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 對于溫度控制，主要有兩類算法，即包括模

10、糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的智能控制形式的算法和包括自整定PID控制和Smith預(yù)估計在內(nèi)的經(jīng)典控制形式的算法。 1智能控制 智能控制是一類無需人的干預(yù)就能獨立地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制。包括專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制、遺傳算法等。但在眾多智能控制方法當(dāng)中，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及二者的結(jié)合—模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在溫度時滯系統(tǒng)控制中應(yīng)用較為廣泛。 智能控制方法雖然克服了Smith預(yù)估計器和自適應(yīng)控制的缺陷，但它們本身也并不完美，普遍存在控制精度不高等缺點。所以智能控制方法經(jīng)常與Smith預(yù)估計及自適應(yīng)相結(jié)合，這也是目前研究的方向。在國內(nèi)，技術(shù)人員努力把各種時滯過程控

11、制方法應(yīng)用到實際，并且大部分采用PID控制、Smith預(yù)估控制及其改進(jìn)型。 2經(jīng)典控制 所謂經(jīng)典控制及方法是針對時滯系統(tǒng)控制伺題提出并應(yīng)用得最早的控制策略。主要包括自整定PID控制、Smith預(yù)估控方法。這些方法雖理論上較簡單，但在實際應(yīng)用中卻能收到良好的控制效果,因而在工業(yè)生產(chǎn)實踐中獲得了廣泛的應(yīng)用. 1.3課題主要工作 對于鋼化爐，為滿足工藝要求，鋼化爐溫度控制是保證鋼化質(zhì)量的關(guān)鍵因素。同時要求裝料平穩(wěn)、供熱分布均勻、可提供較大的供熱負(fù)荷變化。按工藝流程，將鋼化爐分成四段，即加熱段(加熱至600一650℃)，保溫段(玻璃往復(fù)擺動)，急冷段(往復(fù)急冷)，緩冷段(冷卻風(fēng)機吹風(fēng))。

12、為獲得較好的控制效果，采用PLC控制技術(shù)配合工控機進(jìn)行系統(tǒng)的檢測及自動控制。在控制算法方面，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的PID基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計了三種控制器(模糊自適應(yīng)PID控制器，神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制，模糊免疫PID)，并對這三種控制器進(jìn)行仿真對比分析，確定最適合鋼化爐溫度系統(tǒng)的控制器。最后利用監(jiān)控界面進(jìn)行實時監(jiān)控 。 設(shè)計部分 第二章．鋼化玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)概述 2.1鋼化玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)總體設(shè)計 鋼化玻璃自動化生產(chǎn)設(shè)備主要有加熱爐、冷卻風(fēng)柵、玻璃傳送給進(jìn)裝置及控制系統(tǒng)等組成。對5mm厚度的玻璃加熱時間在2分2秒至2分10秒之間。加熱溫度為680~685攝氏度。玻璃呈水平由給進(jìn)裝置中的輥道輸送，以6

13、米/分鐘左右的速度加入加熱爐內(nèi)加熱，玻璃有加熱爐出來后移到開度為100mm，風(fēng)壓為650水柱的風(fēng)柵中急速冷卻1分40秒左右進(jìn)行鋼化。圖2.1為設(shè)備工作原理示意圖。圖中左部位爐前玻璃進(jìn)給裝置，中部為加熱爐，右部為冷卻風(fēng)柵部分。 鋼化玻璃生產(chǎn)的工藝流程如圖2.1所示，生產(chǎn)過程可概括為上片，自動往復(fù)加熱，往復(fù)急冷，往復(fù)吹風(fēng)，取片五個工藝階段。 圖2.1 鋼化玻璃系統(tǒng)部分說明圖 1,.進(jìn)料區(qū)2.前門3.加熱區(qū)4.后門.5速冷6.出料口.7進(jìn)料電機 8.主傳電機I9主傳電機II 基于水平鋼化玻璃生產(chǎn)線示意圖，我們得出系統(tǒng)的總框圖 圖2.2 系統(tǒng)總體框

14、圖 第三章．基于PLC的進(jìn)給控制 3.1進(jìn)給系統(tǒng)要求 ① 進(jìn)給裝置運動方式和傳動方式的確定 進(jìn)給裝置由三部分組成：爐前進(jìn)給部分、爐內(nèi)進(jìn)給部分和出爐風(fēng)柵部分。玻璃的進(jìn)給右進(jìn)給裝置上的若干根平行排列的輥子的旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)，即輥子旋轉(zhuǎn)時，玻璃在輥子摩擦力的帶動下水平運動。 ②電氣傳動控制系統(tǒng) 考慮到進(jìn)給裝置的速度和運動精度不高。為簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用三相交流電機，經(jīng)減速器和鏈條驅(qū)動與輥子連接的鏈輪作旋轉(zhuǎn)運動。由于風(fēng)機產(chǎn)生的空氣壓力需要根據(jù)生產(chǎn)工藝情況而變化，所以風(fēng)機電機應(yīng)能調(diào)速。因此，采用交流變頻調(diào)速器實現(xiàn)風(fēng)機的變頻調(diào)速。在進(jìn)給裝置中，有PLC控制電機。 3.2鋼化玻璃進(jìn)給過

15、程控制 (1) 進(jìn)給控制的工作過程 鋼化玻璃進(jìn)給行程控制是借助于行程開關(guān)來實現(xiàn)的。當(dāng)輥子的玻璃撞壓到行程開關(guān)后，行程開關(guān)的觸點動作。此信號有可編程控制器檢測，控制電機的轉(zhuǎn)、停和正反轉(zhuǎn)，以達(dá)到行程開關(guān)的控制的目的。 進(jìn)給裝置的工作流程如下： 玻璃原料被工人用吸盤放到進(jìn)給部分1的輥子上——>玻璃壓下行程開關(guān)sw1、sw2——>延時10s——>進(jìn)給部分電機1啟動，輥子帶動玻璃進(jìn)給，使玻璃在加熱爐被加熱，出爐——> 玻璃完全運動到風(fēng)柵冷卻區(qū)內(nèi)，玻璃壓下行程開關(guān)sw21、sw22——>進(jìn)給停止，開啟風(fēng)柵，對玻璃進(jìn)行冷卻淬火，冷卻時間為1分40秒——>啟動進(jìn)給部分2，是玻璃離開風(fēng)光柵，由操作人員

16、用吸盤吸走。如圖所示為進(jìn)給部分流程圖： 圖3.1 進(jìn)給部分系統(tǒng)流程圖 3.3 PLC的選型與概述 本課題選用西門子的S7一300控制器，負(fù)責(zé)從現(xiàn)場設(shè)備接收數(shù)據(jù)、檢測各狀態(tài)量、對實時數(shù)據(jù)按算法處理、向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)布命令、與上位機通訊、各PLC協(xié)調(diào)工作等。SIMATIC S7-300是一種通用型的PLC，能適合自動化工程中的各種應(yīng)用場合，尤其是在生產(chǎn)制造工程中的應(yīng)用。模塊化、無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、易于實現(xiàn)分布式的配置以及易于掌握等特點，使得S7-300在各種工業(yè)領(lǐng)域中實施各種控制任務(wù)時，成為一種既經(jīng)濟(jì)又切合實際的解決方案。SIMATIC S7-300的大量功能能夠支持和幫助用戶進(jìn)行編程、啟動和

17、維護(hù)。 1.上位機及PLC系統(tǒng)配置 S7-300的特點是高效率的組態(tài)和編程，從而大幅度地降低工程成本。現(xiàn)能提供符合IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的SIMATIC工程工具。此外，集成的高性能系統(tǒng)診斷功能可保證控制器的更高可用性，能夠顯著提高生產(chǎn)率。為了減少停機時間，增加產(chǎn)量，提供可組態(tài)的過程診斷，以用于分析和排除過程故障。控制站的配置與整個生產(chǎn)過程中檢測點的類型及其數(shù)量密切相關(guān)。在鋼化玻璃生產(chǎn)線控制過程中，所有的FO點類型分為四種，即模擬量輸入(AD、模擬量輸出(AO)、開關(guān)量輸入(Dl)、開關(guān)量輸出(DO)等四種。 S7一300的模擬量輸出模塊用于將CPU送給它的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為成比例的電流

18、信號或電壓信號，對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)或控制，其主要組成部分是D/A轉(zhuǎn)化器。 圖3.2 S7-300系列PLC系統(tǒng)構(gòu)成框圖 3.4硬件電路設(shè)計 ① PLC型號電路確定 西門子的S7一300控制器 ②．進(jìn)給驅(qū)動電機 進(jìn)給裝置分為2個部分，需要2臺電機分別驅(qū)動。爐前和爐內(nèi)進(jìn)給部分的進(jìn)給運動由1臺電機驅(qū)動，出爐和在風(fēng)柵下的進(jìn)給運動由另1臺電機驅(qū)動，選取電機型號為J02-21-6三相交流異步電機，極對數(shù)為3，功率為0.8KW，額定電壓380V，額定轉(zhuǎn)速n=970r/m。電機上帶電磁鐵，在電機斷電時，可以迅速制動電機，由于在某些工況下，要有反向進(jìn)給運動，因此，要求能

19、控制電機的正反轉(zhuǎn)。電機到輥子的傳動比為:ζ=n電機/n輥子=970/31.85=30.455，采用1級齒輪傳動即可實現(xiàn)。 ③．PLC控制電路連線圖及I/O端子號分配 PLC控制電路連線圖如圖3. I/O端子號分配如表1. 輸入端流入的電路很小，采用直流匯點式接線，其中SW3接通為自動方式，斷開為手動方式。當(dāng)設(shè)置為手動狀態(tài)時，PB1～PB4按鈕為手動點動按鈕，操作人員點動的對應(yīng)按鈕控制電機的正反轉(zhuǎn)，從而完成手動控制進(jìn)給量。輸出端4個端子為一組，每組有一個公共端(COM)，每個端子允許流過的額定電流為1A，由于輸出端與接觸器的線圈相接，電流小于1A，這種接法完全可行。輸出外接220V交流電。

20、 輸入器件及符號 輸入端子號 輸出器件及符號 輸出端子號 啟動按鈕1SB X0 電機正轉(zhuǎn)接觸器 Y30 總停按鈕2SB X1 線圈KM1 行程開關(guān)SW11 X2 電機1反轉(zhuǎn)接觸器 Y31 行程開關(guān)SW12 X3 線圈KM2 行程開關(guān)SW21 X4 電機2正轉(zhuǎn)接觸器 Y32 行程開關(guān)SW22 X5 線圈KM3 自動/手動 電機2反轉(zhuǎn)接觸器 Y33 切換開關(guān)SW3 X400 線圈KM4 電機1正轉(zhuǎn)PB1 X401 風(fēng)柵接觸器 Y35 電機1反轉(zhuǎn)PB2 X402 線圈KM5 電機2正轉(zhuǎn)PB3 X4

21、03 工作指示燈 Y36 電機2反轉(zhuǎn)PB4 X404 報警指示燈 Y37 表1 ④．模擬輸入輸出單元的配置 從加熱爐出來的玻璃需急冷淬火，急冷淬火除需要控制溫度外，還有一個重要的參數(shù)是空氣壓力?？諝鈮毫赏ㄟ^對空氣壓縮機電機變頻調(diào)速來實現(xiàn)。實現(xiàn)的方法是PLC通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制電壓給變頻器，來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)空氣壓力，PLC配置的模擬量單元為FX2-6A-E。其配置如圖3.3 圖 3.3 PLC控制過程具體連線圖（見附錄1） 具體控制程序 第四章 基于AT89S51單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 溫度是工業(yè)控制中

22、主要的被控參數(shù)之一特別是在冶金化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低范圍不同、精度不同，則采用的測 溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方法也將不同；產(chǎn) 品工藝不同、控制溫度的精度不同、時效不同，則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對溫度的測控方法多種多樣。隨著電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用微機對溫度進(jìn)行測控的技術(shù)，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。本設(shè)計即用微機對溫度進(jìn)行實時檢測與控制。 4.1系統(tǒng)功能及實現(xiàn)原理 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo) 單片機對溫度進(jìn)

23、行實時檢測和控制，以解決工業(yè)及常生活中對溫度的及時自動控制問題；用共陽極數(shù)碼顯管顯示實際溫度值，方便人工監(jiān)視；用鍵盤輸入溫度控制范圍值便于在不同應(yīng)用場所設(shè)置不同溫度范圍值。當(dāng)實際溫度值不在該范圍時，系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)溫度，以保持設(shè)定的溫度基本不變，達(dá)到自動控制的目的。系統(tǒng)的溫度最小區(qū)分度為 1℃。在環(huán)境溫度變化時，溫度控制的靜態(tài)誤差小于等于0．5℃。 系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點 在達(dá)到對溫度的檢測和控制的基礎(chǔ)上，達(dá)到一定的測控精度，并盡量使系統(tǒng)的可靠性高、穩(wěn)定性好、性價 比高、速度快、使用靈活、實現(xiàn)容易、便于擴充。 設(shè)計原理 本設(shè)計采用 89S51單片機應(yīng)用系統(tǒng)來實現(xiàn)設(shè)計要求，因89C51在片內(nèi)

24、含4kb的EEPROM，不需外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單。利用 89S51串行口輸出工作方式，使 89C51的利用率大大提高，外部電路得以簡化。89C51可直接對鍵盤進(jìn)行掃描讀數(shù)，可直接用串／并轉(zhuǎn)換模塊74LS104驅(qū)動LED顯示溫度值因其利用率高，負(fù)載重 ，后向電路只需加一塊同向驅(qū)動器即可正常工作。在串行 傳輸數(shù)據(jù)時，頻率可達(dá)到1MHz，對溫度的顯示完全達(dá)到測控精度要求。1．4具體方案硬件電路由單片機、顯示器、溫度采集電路、執(zhí)行部件等構(gòu)成，框圖見圖1。 A/D轉(zhuǎn)換 溫度檢測 玻璃窯 電阻絲 可控硅控制電路 AT89S51 給定值 圖

25、2單片機控制電路 4.2主體設(shè)計部分 可控硅控制電路 PLC進(jìn)給電路 LED共陽極數(shù)碼顯示管 電源 鍵盤電路 溫度采集及A/D轉(zhuǎn)換 AT89S51 單片機 本系統(tǒng)采用比較流行的AT89S51作為電路的控制核心,使用8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,控制電路部分采用PWM控制可控硅的通斷以實行對鍋爐溫度的連續(xù)控制,此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度。系統(tǒng)整體設(shè)計具體方案 圖3溫度控制系統(tǒng)具體設(shè)計方案框圖 根據(jù)溫度變化慢,并且控制精度不易掌握的特點,我們設(shè)計了以AT89

26、S51單片機為檢測控制中心的電熱鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進(jìn)的PID數(shù)字控制算法,顯示采用8位LED靜態(tài)顯示。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單,控制算法新穎,控制精度高,有較強的通用性。所設(shè)計的控制系統(tǒng)有以下功能： 溫度控制設(shè)定波動范圍小于1%,測量精度小于1%,控制精度小于2%,超調(diào)整量小于4%; 實現(xiàn)控制可以升溫也可以降溫; 實時顯示當(dāng)前溫度值; 按鍵控制：設(shè)置數(shù)字鍵、設(shè)置鍵、確認(rèn)鍵; 越限報警。 圖 4具體系統(tǒng)連線圖 綜上所述，給出溫度控制系統(tǒng)的流程圖： 4.3溫度控制系統(tǒng)各部分具體選型與設(shè)計 硬件電路主

27、要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分：從功能模塊上來分有：主機電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路。 （1） LED硬件顯示電路 根據(jù)要求，本系統(tǒng)采用共陽極數(shù)碼管共陽極是低電平有效時有效輸入。在C51單片機要使發(fā)光二極管點亮,數(shù)碼管是共陽極的就要讓I/O口的電位變?yōu)榈碗娢?，因些不同的器件會有不同的?shù)碼值。另外引腳信號與碼位的對應(yīng)關(guān)系也會影響碼值,即引腳可以由高到低排列(7-1),也可以由低到高排列(1-7)。本實驗的數(shù)碼管為共陽極,采用由高到低的排列 P1口用來輸出數(shù)據(jù)，即為寫鎖存。經(jīng)過74LS138譯碼，分別片選到數(shù)碼管的個、十、百三位。上數(shù)碼管顯示設(shè)定值，下數(shù)碼管顯示熱

28、電偶測試的溫度，直觀的顯示了系統(tǒng)所測溫度與設(shè)定溫度之差。為下面的PID的參數(shù)提供依據(jù)。硬件電路圖如下所示： （2） 鍵盤電路 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，可以構(gòu)成44=16個按鍵。 1、44矩陣鍵盤的工作原理 矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是用4條I/O線作為行線，4條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點上，設(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個數(shù)是44個。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能夠有效地提高單片機系統(tǒng)中I/O口的利用率。 圖1為ME300B矩陣鍵盤

29、電路圖，行線接P1.4－P1.7，列線接P1.0－P1.3。 圖1 矩陣鍵盤電路 圖2 按鍵排列 （3） A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 本系統(tǒng)選取比較熟悉的ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器，ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模—數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。 1．主要特性 　　1）8路輸入通道，8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 　　2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕? 　　3）轉(zhuǎn)換時間為100μs 　　4）單個＋5V電源供電 　　5）模擬輸入電壓范圍0～

30、＋5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。 　　6）工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度 7）低功耗，約15mW。 2．內(nèi)部結(jié)構(gòu) 　　ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖13．22所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 3．外部特性（引腳功能） 　　ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖13．23所示。下面說明各引腳功能。 　　IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。 　　2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。 　　ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路

31、　　ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 　　START： A／D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 　　EOC： A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 　　OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 　　CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 　　REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 　　Vcc：電源，單一＋5V。 　　GND：地。

32、 ADC0809的工作過程 　　首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 圖.1ADC0809引腳 圖2 ADC0809控制信號時序圖 （4） 可控硅控制電路 熱電偶工作原理 如果兩種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體形成回路，直接測溫端叫測量端，接線

33、端子端叫參比端，當(dāng)兩端存在溫差時，就會在回路 中產(chǎn)生電流，那么兩端之間就會存在Seebeck熱電勢，即塞貝克效應(yīng)。熱電勢的大小只與熱電偶導(dǎo)體材質(zhì)以及兩端溫差有關(guān)，與熱電偶導(dǎo)體的長度、直徑無關(guān)。 設(shè)計任務(wù) 設(shè)計一個溫度自動控制系統(tǒng)，控制對象為玻璃窯爐，溫度可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變，系統(tǒng)設(shè)計具體要求： l 溫度設(shè)定范圍為650℃， l 控制器為繼電器； l 用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示實際溫度。 熱電偶的選擇 本系統(tǒng)采用的K型(鎳鉻一鎳硅)熱電偶]，其可

34、測量1300℃以內(nèi)的溫度，其線性度較好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜，是目前用量最大的廉金屬熱電偶。 熱電偶是一種感溫元件，它把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路(不受大小和開頭的限制)，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就產(chǎn)生熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。熱電偶的工作原理植口下圖4.1所示。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體A和B為熱電極，溫度較高的一端T叫工作端(也稱測量端)，溫度較低的一端T。為自由端(也稱補償端)，自由端通常處于某個恒定的溫度下。

35、 溫度檢測電路 溫度檢測電路采用“傳感器－濾波器－放大器－冷端補償－線性化處理”模式，將熱電偶輸出的毫伏級電壓信號最終轉(zhuǎn)換為與溫度相對應(yīng)的數(shù)字信號與CPU通信。 本溫度控制系統(tǒng)采用通斷控制，通過改變給定控制周期內(nèi)加熱器的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。系統(tǒng)控制電路由雙向可控硅輸出型光電耦合器MOC3061和雙向可控硅BTA12組成，MOC3061是一種新型的光電耦合器件,它可用直流低電壓、小電流來控制交流高電壓、大電流。用該器件觸發(fā)晶閘管,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、觸發(fā)可靠等優(yōu)點。當(dāng)單片機的P1．7口輸出低電平時，同向驅(qū)動器7407輸出低電平，MOC3061的輸入端有電流輸入，輸

36、出端的雙向可控硅導(dǎo)通，觸發(fā)外部的雙向可控硅BTA12導(dǎo)通，加熱器通電；當(dāng)P1．7端輸出高電平時，MOC3061輸出端的雙向可控硅關(guān)斷，外部的雙向可控硅BTA12也關(guān)斷，加熱器斷電。 圖4 溫度控制電路 8031對溫度的控制是通過可控硅調(diào)控器實現(xiàn)的。 雙向可控硅管和加熱絲串聯(lián)接在交流220V，50Hz交流試點回路。在給定的周期T內(nèi)，8031只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。圖3.4示出了可控硅管在給定周期T內(nèi)具有不同接通時間的情況。 可控硅接通時間可以通過可控硅控制板上控制脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8031用軟件

37、在P1.7引腳上產(chǎn)生，受過零同步脈沖后經(jīng)光偶管和驅(qū)動器輸送到可控硅的控制極上。通常，電阻爐爐溫控制采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出史冊爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理而獲得控制信號去調(diào)節(jié)電阻爐的假熱功率，以實現(xiàn)對 電阻爐的爐溫控制。 （5） PID控制 圖3.1 PID控制回路 PID控制算法中使用增量式PID控制算法，通過對鋼化玻璃窯爐的溫度進(jìn)行PID計算，得到的結(jié)果輸出給只想結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對窯爐的溫度控制。 3.2模糊自適應(yīng)PID控制 由于鋼化爐具有時變、非線性、大時滯等特點，考

38、慮采用模糊控制與PID控制相結(jié)合的方法對鋼化爐溫度進(jìn)行控制。 模糊控制有較強的適應(yīng)對象參數(shù)變化的能力，與傳統(tǒng)控制方法相比，模糊控制的主要優(yōu)點在于在設(shè)計系統(tǒng)時不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而只需要已有的相關(guān)知識和經(jīng)驗即可。因此，模糊控制特別適用于數(shù)學(xué)模型未知或不易于建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜、非線性的控制。 模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、輸入/輸出、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象和測量裝置等五部分組成。如圖3.1所示。 (1)被控對象(鋼化爐) 被控對象可以是線性的或非線性的、確定的或模糊的，有滯后或無滯后的，定常的或時變等多種情況。對于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象，更適宜采用模糊控制。

39、 (2)執(zhí)行機構(gòu) 有電氣的，如各類交、直流電動機，伺服電動機，步進(jìn)電動機等，還有氣動的和液壓的，如各類氣動調(diào)節(jié)閥和液壓馬達(dá)、液壓閥等。又如在本論文中的各溫度段步進(jìn)電機、風(fēng)柵噴嘴等。 (3)模糊控制器 控制器是各類自動控制系統(tǒng)中的核心部分，在模糊控制理論中，采用基于模糊知識表示和規(guī)則推理的語言型“模糊控制器”，這是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其它自動控制系統(tǒng)的特點所在。 (4)輸入/輸出(1/0)接口 在實際系統(tǒng)中，由于多數(shù)被控對象的控制量及其可觀測狀態(tài)量是模擬量，因此，模糊控制系統(tǒng)必須具有模/數(shù)(A/D)、數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換單元，同時在模糊控制系統(tǒng)中，還應(yīng)該有適用于模糊邏輯處理的“模糊化”

40、與“解模糊化”(或稱“非模糊化”)環(huán)節(jié)，這部分通常也被看作是模糊控制器的輸入/輸出接口。 (5)測量裝置它是將被控對象或各種過程的控制量轉(zhuǎn)換為電信號(模擬的或數(shù)字的)的一類裝置。通常由各類數(shù)字的或模擬的測量儀器、檢測元件或傳感器等組成。它在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，其精度往往直接影響整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)，因此要求其精度高、可靠且穩(wěn)定性好。 基于以上模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成，結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制，從鋼化爐時變、非線性、大時滯的特點出發(fā)，設(shè)計了自適應(yīng)模糊PID控制器用于鋼化爐溫等控制。 程序流程圖： 圖3.2 模糊自適應(yīng)PID算法程序流程圖 通過改變鋼化爐被控模型的參數(shù)，比較了PI

41、D控制、模糊自適應(yīng)PID控制、神經(jīng)元PID控制和模糊免疫PID控制方法，系統(tǒng)階躍響應(yīng)結(jié)果表明: (1)智能控制方法在被控對象發(fā)生變化時具有較好的適應(yīng)能力，具有較強的魯棒性，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生變化時均能夠穩(wěn)定工作。 (2)模糊自適應(yīng)PID控制的系統(tǒng)響應(yīng)較慢，這和最初確定的模糊規(guī)則有關(guān)，當(dāng)調(diào)整模糊規(guī)則后，系統(tǒng)性能應(yīng)該有所提高，但是，模糊控制器是二輸入三輸出系統(tǒng)，規(guī)則過多，模糊推理時間較長，不適宜鋼化爐的實時控制。 參考文獻(xiàn) [1] 陳明熒.8051 單片機課程設(shè)計實訓(xùn)教材 北京:清華大學(xué)出版社 2004 [2] 胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù) 北京:清華大學(xué)出版社 1995

42、[3] 徐淑華 程退安 姚萬生 .單片機微型機原理及應(yīng)用 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 1994 [4] At89S52 [J]姜曉霞 等 基于 單片機的智能客房控制系統(tǒng)微計算機信息 2005 21 :10-2. [5] 胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003. [6] 陶永華.新型 PID 控制及其應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002. [7] 張開生,郭國法.MCS-51 單片機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]微計算機信息,2005(7):61-69. [8] 劉大偉,李緒友.基于 DSP 的多路溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]儀表技術(shù)與傳感器,2004(8):51-54. 附錄 附錄1 PLC控制過程具體連線圖 附錄2 各器件的具體選擇型號一覽表 單片機：AT89S51 PLC：西門子的S7一300控制器 A/D轉(zhuǎn)換器：ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器 鍵盤：4*4矩陣鍵盤 顯示電路：LED共陽極數(shù)碼顯示管