摘 要

实际工业生产中，有很多常见的变量，压力变化、温度变化、流量变化和液位变化是最常见的变量，温度的变化是本课题所要研究的变量。在各种温度控制中，PLC是拥有精度高，成本低，温度控制功能更优秀，可以利用PID算法对窑炉内的温度进行恒温控制。

本为主要介绍了以窑炉为研究对象，主要被控参数是焊接衬垫在烧结过程的温度，不同加热器的开关也作为PLC控制的对象，使用PLC为控制器与其他的一些硬件设施构成完整的窑炉控制系统，利用PID算法得到的结果，利用PWM脉宽调节，使用三菱PLC梯形图编程语言，最终能够实现窑炉内温度以及整体的控制。

关键词：温度控制；三菱PLC；窑炉

Abstract
In actual industrial production, there are many common variables, pressure change, temperature change, flow change and liquid level change are the most common variables, and temperature change is the variable to be studied in this project. Among all kinds of temperature control, PLC has high accuracy, low cost and better temperature control function, and can use PID algorithm to control the temperature in the kiln at constant temperature.
This paper mainly introduces the kiln as the research object, the main controlled parameter is the temperature of welding liner during sintering, and the switches of different heaters are also the objects controlled by PLC. PLC is used as the controller and some other hardware facilities to form a complete kiln control system, and the results obtained by PID algorithm are used, PWM pulse width adjustment is used, and Mitsubishi PLC ladder programming language is used, which can finally realize the temperature and overall control in the kiln.

Key words：temperature control；Mitsubishi PLC；kiln

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究内容及意义 2

第2章 PLC基础 4

2.1 可编程控制器的产生及应用 4

2.2 可编程控制器的组成以及工作原理 4

2.3 可编程控制器（PLC）的分类和特点 5

第3章 PLC控制系统硬件设计 7

3.1 PLC控制系统设计的基本原则和一般步骤 7

3.2 I/O点分配表 8

3.3 PLC的选型与硬件设施 8

3.3.1 PLC型号的选择 8

3.3.2 模拟量模块 FX2N-8AD 9

3.3.3 热电传感器 9

第4章 PLC窑炉整体控制方案及PID调节 11

4.1 PLC窑炉温度控制方案 11

4.2 PID控制及参数整定 11

4.3 其他窑炉内所需要进行控制的参数 12

4.4 窑炉控制的整体方案 12

第5章 PLC控制系统软件设计 14

5.1 PLC程序设计方法 14

5.2 编程软件GX works2概述 15

5.3 PLC程序编写 15

第6章 PLC的仿真 19

6.1仿真调试的步骤 19

6.2 PLC程序的仿真结果 19

第7章 结论 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

• 1. 课题背景及研究目的和意义

陶质焊接衬垫在钢结构焊接中得到广泛应用，是一种重要的焊接材料，陶质焊接衬垫是由衬垫块和铝箔组装而成，衬垫块是陶质材料，有一个烧结过程，研究一种适合陶质块产品特征，节能环保，效率高的烧结窑炉具有实际意义。由于国外对窑炉这方面的先进的技术向我国进行了一些封锁，导致了我国对于这项技术还和发达国家相比较有很大差距。对于如何改进我国窑炉控制系统这一问题，其目的不仅在于提高工厂中产品生产的数量，更是可以保障生产的产品质量。

在焊接衬垫生产中，窑炉煅烧过程是一个很重要的环节，焊接衬垫在这一过程中的煅烧程度是否充分，就会直接影响到最终产品的质量。窑炉的控制系统是对窑炉煅烧过程进行控制的，所以最终控制系统的好坏，是影响整个产品质量的重要因素。虽然窑炉是一个在产品煅烧系统占核心地位的工业装备，但是一直以来人们都难以确定它精确的模型，原因在于受干扰的因素很多、带有滞后性、各种变量之间相互影响和非线性，增加了人们对其进行控制的难度。就影响到技术人员设计出完美的控制系统来解决这个问题。为了攻克这方面的难关，国内外相关的技术人员对于这个问题也研究了很多年。

最近几年，在温度测控领域中发生了翻天覆地的变化，刚开始测控设备由许多分离的元件组成，缺点也很明显，体积大并且对温度测量的准确度也低，可靠性也很差^[1]。到现在与计算机技术相结合，代替了传统系统的电子线路，成为新时代的微机化测控系统。其中基于PLC的温度控制有了突飞猛进的发展，可编程控制器（PLC）具有诸多优点，比如工作的可靠性高，对干扰的抵抗能力强，技术上也比较成熟，对于各种工况都可以适应，学习以及使用上的门槛也比较低，所以深受工程技术人员欢迎。在系统的设计方面、编程上所需要的工作量也比较少，硬件上也有维护方便，在需要改变的时候也易于改造，相比传统的测控装置体积要小的多，重量也比较轻，能耗低等等各种优点，已经成为各国控制领域研究和发展的主要对象。现代社会可编程控制器已经朝着集成度更高，准确度更高，功能更强的方向发展，由于可编程控制器（PLC）的优点颇多，深受广大社会的普遍欢迎，所以可编程控制器（PLC）已经在各种工业控制领域占有了极为重要的地位，尤其以温度控制最合适。

1.2 国内外研究现状

在我国早期的制陶工艺中，人们采用肉眼观火、吐痰入窑观测、钩照子观测等古老而原始的方法检测陶瓷窑炉的温度。由于人们对温度测量的要求越来越高，伴随着科学技术的迅猛发展，温度的测量方法也在进步^[2]。按照直接、间接的测量方法可将其分为接触式和非接触式测量^[3]；按照测温具体的物理原理划分，又可分为利用物体热胀冷缩的原理测温，利用热电、热阻效应测温和利用热辐射、声学、红外原理测温。而对于陶瓷窑炉的测温装置中以热电偶的各项指标更加适合，热电偶测温有如下优点，对于测量的温度比较准确，测量温度的范围也比较宽，工作中的性能稳定并且可能够对距离较远的温度也可以进行测量，所以应用得最为广泛。

在传统的陶瓷生产过程控制中，一般都是车间内的或者岗位上的操作人员集中注意力，注意测量表上的数值进行对窑炉内的温度监控。目前，对于陶瓷生产的生产过程控制的水平来说，世界先进的水准，都已经开始摆脱靠人力去控制，进入了由电子计算机的全面接管人为控制的阶段，窑炉的温度控制也己普遍采用计算机控制。由于国内技术上没有国外先进的水平。对于窑炉的控制还处于人工为主的阶段，由经验丰富的工人凭借工作经验来判断窑炉内情况，并由开关控制来对窑炉内部进行一系列的调整及控制。这种控制的方式不仅落后浪费很多人力物力，并且还不准确。对工业生产的产品质量以及效率都有很大的影响，不仅仅是产品工艺上有很大的缺陷，还对资源有很大的浪费，热效率极低。随着我国加入WTO组织，已经认识到这种差距，也开始对这方面加强了研究。建立了一些国家，企业的研究中心，但是由于国外技术的对我们保密，国内技术起步较晚，而且相关方面的人才也比较少，短时间内肯定还是无法与发达国家相比较的。不过这种技术落后也在慢慢的改善，还是有很大发展空间的。

国外一些发达国家已经在PLC温度控制领域已经在智能化，自适应，参数自整定的方向取得了一些成果，并且朝着高精度，小型化，智能化发展。美国，德国，日本等一些发达国家都已经有了成熟的产品，但还是难以对变量的滞后性，温度的时变，各种变量之间复杂的影响有根本性的处理，主要还是以“点位”控制为主。所以PLC温度控制对于大部分温控领域都还是非常适合的，也已经在各行各业开始发挥着重要的作用。

随着科学技术的发展，人们对温度控制的精度也会有着更高的的要求，所以PLC温度控制肯定会朝着高精度，小型化，智能化发展。

1.3 课题研究内容及意义

本课题主要对陶质焊接衬垫烧结窑炉研究（控制系统），也就是窑炉温度控制。窑炉主要采用是推板窑，以窑炉为被控对象，以窑炉内陶质焊接衬垫温度为主要被控参数，以加热装置为被控参数，以PLC为控制器，构成窑炉温度控制系统。采用日本三菱公司开发的PLC梯形图编程语言对本系统进行编程，实现窑炉内的温度自动控制。

可编程控制器（PLC）是集计算机技术，自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置^[4]。人们对于可编程控制器（PLC）也开发出了越来越多的功能，所以这项技术在工业控制领域中也占有极为重要的地位。已经成为工业领域自动化的三大支柱之一（PLC，工业机器人，CAD/CAM）^[5]。

本论文通过日本三菱公司的GX works2编程软件，温度传感器将采集到的温度转化为电流信号，经过模拟量输入模块转化为数字信号最后送到PLC中进行调节^[6]，实现温度的自动控制。通过亮灯指示，来判断窑炉内温度是否在正常工作，或者到达危险温度，并且进行报警处理。

第2章 PLC基础

可编程控制器（PLC）是一种工业控制计算机，它使用了可编程程序的记忆以及储存指令，用来执行一些指令，诸如逻辑，运算，顺序，计时，计数等^[7]。并通过数字模拟的输出和输入来控制工业上的各种机械设备。

2.1 可编程控制器的产生及应用

20世纪60年代，计算机技术开始应用于各种工业领域，但是由于投资大，编程难以满足需求，最后没有能推广。但是人们都意识到了类似计算机技术来控制机械设备的好处。所以，美国通用公司为了不断突破和寻求更好的工业控制器，提出了工业控制器的各种要求，最后引发了工业控制器的开发热潮。

1969年美国数字设备公司按照通用公司的各种要求制作出了历史上第一台可编程控制器（PLC），通用公司经过装配到设备生产流水线上经过试用后，反响剧烈，从此，可编程控制器这项技术开始迅速发展。

随着可编程控制器（PLC）这门技术的不断发展及完善，性价比也越来越低，深受大众喜爱，现在可编程控制器（PLC）已经广泛应用于各种领域，钢铁，石油，化工，汽车，交通控制，环保以及文化娱乐都有它的身影。

2.2 可编程控制器的组成以及工作原理

可编程控制器（PLC）主要有CPU模块，输入模块，输出模块和编程器组成^[8]。各部分由总线连接使用，部分PLC还可以添加特殊模块执行一些特殊指令。

可编程控制器（PLC）基本结构如图2.1所示

存储单元

输入模块

输

入

摸

块

中央处理单元

CPU

电源

2.1 PLC基本结构图

1） CPU中央处理单元

CPU模块在PLC里的作用就和人类的大脑一般，属于PLC中的核心位置。对采集来的信息不断的进行分析以及计算，运行用户之前所编好的程序，对输出不断地进行更新。

1. I/O接口

可编程控制器（PLC）是通过I/O模块与与外面的设备或者工艺过程进行信息的交换，根据工艺过程呢过或者设备的输入和输出数量来确定模块的类型，I/O模块数量有多有少，按照用户以及系统需求来进行选择使用^[9]。尽量选择小型PLC，准确度更高。

除了通用的I/O接口，实际工业控制中还有很多特殊的I/O接口，如热电阻，热电偶，温度控制，中断控制等等一系列更加适合于特殊工作场所的模块，越来越多的各色各样的特殊模块，让系统的灵活性和适应性也越来越高。

1. 存储器

存储单元的作用就是提供程序和数据的储存，是PLC中重要的一环。一般有两个部分组成，系统程序存储器和用户程序存储器[7]。系统程序存储器大多数采用只读存储器（ROM）,拥有断电不丢失信息的功能。用户程序存储器是用来储存根据所要求的工艺过程或者所控制设备的控制要求编写的程序。

1. 电源

编程控制器（PLC）为整个工作的模块所提供能量，为各个模块提供工作电源。。电源可分为交流电源和直流电源^[10]。交流一般输入220AC或者110AC，直流大多数采用24V的电压。

2.3 可编程控制器（PLC）的分类和特点

根据结构形式可分为整体式和模块式两类，还可以按照I/O点数的数量来分类，大致分为小型，中型，大型和超大型四类

1. I/O点数在256点一下是小型PLC
2. I/O点数在256到1024点之间的是中型PLC
3. I/O点数在1024之上的是大型PLC
4. I/O点数在4000以上是超大型PLC

可编程控制器（PLC）具有以下特点

1. 可靠性高，抗干扰能力强

在工业制造领域中，产品的质量与设备或者工艺过程的控制系统息息相关，所以要求很高。对于这些设备就要求有对干扰有很高的抵抗性，并且也要十分可靠，能够对环境不挑剔，任何环境都可以正常的工作，并且这些设备的故障率低，在产生故障后，修复也比较简单，对生产影响小。这些都是PLC控制要比微机控制要好的地方。就比如日本三菱公司之前推出的两个系列F1和F2，一般在工作30万小时时才会出现故障，而他们最新推出的A系列PLC在这方面要比之前的两个系列更加优秀。

2）编程简单，使用方便

在这编程难度方面，PLC控制也比微机控制更好。在PLC的编程中，很多PLC程序都是运用梯形图编程语言，不仅仅继承了传统真实控制线路的清晰直观，而且很适合很多熟悉继电器控制人员的读取信息的方式和计算机应用水平，对于这些人，这种方式好接受也好学习。所以，梯形图编程语言与计算机中的汇编语言相比较，更加受人们的喜欢。随着PLC的发展，PLC还对于一些具体的特殊的问题设计了相关的指令，功能性更强。

1. 控制程序可变，具有很好的柔性

工厂生产中，产品并不是一成不变，当改变所生产的产品，或者对产品生产工艺上有了新的要求时，传统的继电器控制时必须要重新设计并且要在重新购进一批新的继电器来适应新工艺，但是PLC就不需要更改硬件设备，只需要用户重新将程序更改成新工艺的程序即可，所以最终PLC控制代替了传统的继电器控制。

1. 功能完善

PLC技术已经经历了半个世纪的发展，相关的功能都被开发出来了。现代PLC控制具有工作的可靠性高，对干扰的抵抗能力强，技术上也比较成熟，可以不间断的监控整个控制过程，对于异常情况可以进行报警，对于各种工况都可以适应，学习以及使用上的门槛也比较低，所以深受工程技术人员欢迎，满足了各行各业，各种各样的人的使用要求

5）体积小、重量轻

基于PLC控制集上述优点于一身，完美融合了计算机控制和传统继电器控制的优点，缺点也在发展过程中一点一点被完善，所以PLC控制在国内外工业生产的控制领域起到了极其重要的作用。不仅把传统生产的很多机械产品进行了优化成为了新时代的产品，在设备控制中也极为适合，实现了工业生产中的产品质量更好，产量也有所提高，能量损耗也降低了，成本也进一步的降低。

第3章 PLC控制系统硬件设计

在了解了PLC控制相关的硬件构成，PLC的工作原理，指令系统和编程环境后，就可以使用PLC作为主要控制器来构造自己的PLC控制系统了^[11]。

3.1 PLC控制系统设计的基本原则和一般步骤

当掌握了PLC控制的工作原理和PLC的梯形图编程语言的指令系统之后，就可以开始实用于一些简单的工程项目中去了。当设计PLC控制程序的时候，我们所设计的一切不论是硬件和软件都是为了满足产品在生产过程中的工艺要求，满足用户所要求的，为了能够将产品生产效率提高并且对产品最后的质量也要有所保证。所以，在实际设计PLC控制程序的时候，设计的原则要考虑到方方面面，其中一些基本的原则可以参考下列四项原则：

1. 对PLC控制器的功能一定要尽可能的利用，设计出的程序要对工艺要求严格执行，最大限度的满足用户需求。

2）在可以对被控对象进行满足控制要求的前提下，也要对设计的控制系统进行优化，使其更加简洁，实用，投入较少并且维修简单。

3）所设计的PLC控制系统一定要有对危险情况的应对

4）考虑到生产产品之后可能会有工艺创新以及其他的改变，在选择相关PLC控制系统所需要的硬件时，对PLC的型号、I／O点数和存储器容量要大一些，留有一些在工艺更新或者需要添加输入输出点数时可以不需要更换硬件设施就可以将进行更新。

可编程控制器（PLC）控制系统的设计包括两大部分硬件设计和软件设计，硬件部分就是PLC外部相关设备的设计，而软件的设计就是PLC应用程序部分的设计，所以整个系统的设计分成下面几个步骤

1. 在对我们所需要去控制的对象（设备或者工艺过程）进行一系列的了解之后，再去根据用户和系统的一些要求制定如何去控制，做出控制方案。根据控制的对象（设备或者工艺过程）如何工作以及一些其他的要求，确定控制中所需要去控制哪些地方。

2)对I/O设备进行选择型号 由用户的需求和PLC控制系统的要求同时来考虑，确定用户所要求设计的控制系统需要的输入设备（开关或者按钮等）和输出设备（接触器或者信号指示灯等）的数量，根据上述条件再来选择PLC的I/O点数，确定程序所需要的I/O设备的型号
3）选择所用PLC控制器的时候，一定要按照用户对此提出的要求，再来选择适合程序所需要的PLC机型，存储器，I/O模块和电源。
4）分配PLC的I/O地址 对整个的产品生产过程和现场情况进行了解之后，按照过程中的需求，来确定I/O设备的如何去分配和布置。之后就根据已经确定下来的I/O设备类型和数量，列出与PLC相互对应的对照表，简称I/O分配表，对接下来编写PLC程序很有帮助。
5）在PLC控制系统的设计过程中，PLC软件设计和硬件设计可以在同一时间进行，所以在设计PLC控制系统的周期就可以比传统控制方案要快得多。

3.2 I/O点分配表