1  引言
    傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù)，由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的PLC控制技術(shù)所取代。而PLC本身優(yōu)異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)方便。這種溫度控制系統(tǒng)對改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。

2  加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成
    加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成入圖1所示，它由PLC主控系統(tǒng)、移相觸發(fā)模塊整、流器SCR、加熱爐、傳感器等5個(gè)部分組成。該加熱爐溫度希望穩(wěn)定在100℃工作（其它工作溫度同樣可以照此方法設(shè)計(jì)）。

    圖1  加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本組成

    加熱爐溫度控制實(shí)現(xiàn)過程是：首先傳感器將加熱爐的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進(jìn)來的電壓信號轉(zhuǎn)化為PLC可識別的數(shù)字量，然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進(jìn)行處理，給移相觸發(fā)模塊，再給三相整流電路（SCR）一個(gè)觸發(fā)脈沖（既控制脈沖），這樣通過SCR的輸出我們控制了加熱爐電阻絲兩端的電壓，也既加熱爐溫度控制得到實(shí)現(xiàn)。其中PLC主控系統(tǒng)為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分起重要作用。

3  PLC控制系統(tǒng)
3.1 PLC控制系統(tǒng)的硬件配置
    在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中PLC采用日本三菱公司FX2N，其硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，配合了多種特殊功能模塊及功能擴(kuò)展模塊，可實(shí)現(xiàn)模擬量控制、位置控制等功能。該系列PLC可靠性高，抗干擾強(qiáng)、配置靈活、性價(jià)比高。本溫度控制系統(tǒng)中PLC我們選擇FX2N-48MR-001型，它與外部設(shè)備的連接如圖2、表1所示。

圖2  PLCI/O接線圖
表1  PLC I/O地址分配表

3.2 流程設(shè)計(jì)
    根據(jù)加熱爐溫度控制要求，本系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

圖3  加熱爐控制流程圖

3.3 控制算法
    由于溫度控制本身有一定的滯后性和慣性，這使系統(tǒng)控制出現(xiàn)動(dòng)態(tài)誤差。為了減小誤差提高系統(tǒng)控制精度，采用PID控制算法，另外考慮到系統(tǒng)的控制對象，采用增量型PID算法。
△V(n)=U(n)-U(n-1) 

+[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]}=KP{△e(n)+e(n)+[△e(n)-△e(n-1)]}
    式中e(n)、e(n-1)、e(n-2)為PID連續(xù)三次的偏差輸入?！鱡(n)、△e(n-1)為系統(tǒng)連續(xù)兩次執(zhí)行的誤差。KP為比例放大系數(shù)T、TI、TD分別為采樣周期、積分時(shí)間、微分時(shí)間。
    當(dāng)加熱爐剛啟動(dòng)加熱時(shí)，由于測到的爐溫為常溫，sp-pv＝△U為正值且較大，△U為PID調(diào)節(jié)器的輸入，此時(shí)PID調(diào)節(jié)器中P起主要作用，使SCR為最大電壓給加熱爐加熱。當(dāng)加熱爐溫度達(dá)到100℃以上時(shí)，sp-pv＝△U為負(fù)值，經(jīng)PID調(diào)節(jié)，使SCR輸出電壓減小，加熱爐溫度降低。當(dāng)溫度正好達(dá)到100℃時(shí)，△U為零PID不調(diào)節(jié)，此時(shí)SCR輸出的電壓正好平衡加熱爐消耗的熱量，系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
3.4 K型熱電偶分度電壓擬合
    （1）根據(jù)具體問題，確定擬合多項(xiàng)式的次數(shù)為n。
    （2）由公式 
    Sk=(k=0,1,2, ……2n)
    tr= yi(r=0,1,2, ……n)
    計(jì)數(shù)出Sk與Tr

    （4）解正規(guī)方程組 求出a0，a1，…，an
    （5）寫出擬合公式多項(xiàng)式Pn（X）=一次多項(xiàng)式也叫作線性擬合。由上述方法可擬合出K分度電壓隨溫度變化公式為：V=0.04T（其中V為電壓，T為溫度）。此擬合公式是在溫度從0℃到120℃之間變化的近似公式，因此正規(guī)方程只用到S0、S1、S2擬合的多項(xiàng)式次數(shù)為n＝1，電壓隨溫度的變化可近似為線性變化。如果溫度變化范圍比較大，則電壓隨溫度變化為非線性變化，上述電壓隨溫度變公式需要重新擬合，擬合多項(xiàng)式的次數(shù)也必然大于2。
3.5 系統(tǒng)調(diào)試
    系統(tǒng)調(diào)試分為兩大步驟，一是系統(tǒng)軟件調(diào)試；二是系統(tǒng)硬件調(diào)試。
    （1）系統(tǒng)軟件調(diào)試。系統(tǒng)軟件調(diào)試是在PC機(jī)上進(jìn)行，我們將PLC控制程序輸入PC機(jī)后，根據(jù)運(yùn)行要求，設(shè)定若干數(shù)字開關(guān)量，模擬量，對系統(tǒng)的每一個(gè)功能進(jìn)行檢測測試并在此基礎(chǔ)上不斷完善程序以達(dá)到系統(tǒng)要求。
    （2）系統(tǒng)硬件調(diào)試。相應(yīng)的系統(tǒng)硬件也是在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，用一個(gè)設(shè)備來摸儀控制對象。首先檢查設(shè)備的諸個(gè)單元是否合乎要求，其次將軟件和硬件結(jié)合起來進(jìn)行測試。并不斷完善PLC軟硬件的配置以達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果。

4  結(jié)束語
    加熱爐溫度控制系統(tǒng)采用成熟的PLC技術(shù)和電力電子技術(shù)，采用軟硬件結(jié)合，較好的解決了傳統(tǒng)加熱爐溫控系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題。針對我國大部分的加熱爐用戶來說本系統(tǒng)將是一個(gè)比較理想的溫控系統(tǒng)。