基于PLC温度控制系统设计定稿

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1、 编号: 毕业论文(设计)题 目 基于PLC温度控制系统的设计 指导教师 学生姓名 学 号 专 业 自动化 教学单位 机电工程学院 二O一四年四月二十五日德州学院毕业论文（设计）开题报告书2013年12月20日院（系）机电工程学院专 业自动化姓 名学 号论文（设计）题目基于PLC温度控制系统的设计一、选题目的和意义在各种控制领域中，温度控制在电子业、机械业、冶金业等工业领域应用非常广泛。由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。

2、可编程控制器（PLC）在控制中还能够根据设计要求的需求进行一定的扩展输入输出模块，尤其是对于一些控制的智能控制模块进行扩展，从而最终能够组成不同的控制系统，并且可以最终将模拟量输入输出的控制和现代控制的方法互相融为一体，实现各种功能一体的综合控制。现代社会的发展可编程控制器（PLC）正在以集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定受到广大社会的普遍欢迎，在各种的工业的现代化控制中发挥着其独有的重要作用,并且对温度控制尤其适合。相信在不久的未来，可编程控制器（PLC）会有更为广阔的发展前景和市场。二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势目前，在我国的工业控制自动化领域中，可编程控制器（PL

3、C）则在社会的发展中以其拥有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等各种优点获得了广大的好评，因此被各种自动控制设计者应用于现代工业的自动控制之中。对于我国的国内温度控制系统的发展方面，也有了重大的突破。当然相对于在自适应、参数自整定等方面面对一些发达国家还是有很大的差距，在这几个方面，则以美国、德国、瑞典等国的技术比较领先，都自主的生产出了一批性能优越，操作简便的温度控制器及仪器仪表,并在世界的各行有了广泛的应用。随着社会生活的高速的发展，人们在生活和生产中对温度控制系统的要求也变得越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。三、课

4、题设计方案 本文介绍基于可编程控制器（PLC）的温度控制系统的设计，在这里面共有包括A/D转换、标度变换、温度检测环节、积分分离PID算法以及过零数字触发电路的设计。主要内容：实际温度经温度传感器检测，得到模拟电压值，模拟量再经A/D转换和标度变换后得到实际炉温。数字控制器根据恒温给定值与实际温度的偏差e（k）按积分分离PID控制算法，得到输出控制量u（k），控制可控硅导通时间，调节炉温的变化使之与给定恒温值一致,达到恒温控制目的。四、计划进度安排 毕业论文（设计）的进度计划： 2013.9.20-2013.12.20 收集资料、文献，在教师指导下选题和构思论文，完成开题报告。2013.12.

5、21-2014.3.30 严格整理资料，确定论文内容，并且完成论文初稿。2014.4.1-2014.4.15 完成中期检查表，并且根据导师意见对论文做进一步的修改和完善。2014.4.16-2014.4.30 根据导师提出的定稿意见，做最后完善。2014.5.1-2014.5.10 准备设计（论文）答辩。五、主要参考文献1 袁任光.可编程序控制器技术与实例M.广州：华南理工大学出版社，2013.2 刘敏.可编程控制器技术M. 北京：机械工业出版，2010.3 邱公伟.可编程控制器网络通信及应用 M. 北京：清华大学出版社，2011.4 陈宏.可编程控制器 ( PLC) 的选型J.化工进展，20

6、13.5 胡学芝.可编程控制器的选择J.机械制造与自动化，2010.指导教师意见及建议： 签名： 年 月 日教学单位领导小组审批意见： 组长签名： 年 月 日德州学院毕业论文（设计）中期检查表院(系)：机电工程学院 专业： 自动化 2014 年 4月 7日毕业论文（设计）题目：基于PLC温度控制系统的设计学生姓名学 号指导教师职 称计划完成时间：2014年4月29日 毕业论文（设计）的进度计划：2013.9.20-2013.12.20 完成毕业设计（论文）开题报告。2013.12.21-2014.3.30 确定论文内容，并且完成论文初稿。2014.4.1-2014.4.15 完成中期检查表，根

7、据导师意见对论文做进一步的修改和完善。2014.4.16-2014.4.30 根据导师提出的定稿意见，做最后完善。2014.5.1-2014.5.10 准备设计（论文）答辩。完成情况：到目前为止，我通过各种途径学到了很多关于可编程控制器（PLC）的知识，并且初步掌握了设计课题需要注意的事项和必要准备，现在我正在进一步的学习和论证。并且开始有了明确的思路和设计的方案，现在正在分析整理中，将按照设计的要求清理设计思路，进行最后的硬件和软件设计，并开始撰写论文。指导教师评议 签 名： 年 月 日目录1引言11.1课题背景以及研究的目的、意义11.2温控系统的现状11.3项目研究内容22系统硬件设计3

8、2.1 PLC选择32.2 硬件电路设计63 系统软件设计123.1 编程与通信软件的使用133.2 程序设计133.3 系统程序流程图143.4 控制系统控制程序的开发154系统的仿真和运行测试244.1 组态王的运行244.2 实时曲线的观察254.3 分析历史趋势曲线264.4 编辑数据的报表264.5系统稳定性测试及最终评估26参考文献28谢辞30附录一 三菱FX系列PLC指令一览表31附录二 系统程序（梯形图）32德州学院 机电工程学院 2014届 自动化专业 毕业论文（设计）基于PLC温度控制系统的设计（德州学院机电工程学院，山东德州 253023）摘要：本文主要介绍了基于日本三菱

9、公司FX2N系列的可编程控制器从而进行硬件设计和软件设计，进而完成了一个完整的关于炉温控制系统的设计方案。该设计编程时调用了PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。在软件上，则是通过利用比较新型的三菱专用软件三菱（PLC）GX Developer 8.86Q，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。关键词：温度控制；可编程控制器；三菱FX2N；PID控制模块1引言1.1课题背景以及研究的目的、意义进入21世纪后，我国社会的各项发展突飞猛进,世界的技术更是日新月异，竞争也愈演愈烈,传统的人工的操作已不能满足于

10、目前的制造业前景,也无法保证高质量的要求，更不能提升高新技术企业的形象。在各种控制领域中，温度控制在电子业、机械业、冶金业等工业领域应用非常广泛。由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。目前,仍有部分工业和企业生产线，存在着控制精度不高、炉内温度均匀性差等问题,造成工艺要求不达标、装备运行成本费用高、产品品质低下，严重影响企业的经济效益，急需进行技术的改造。 目前，在我国的工业控制自动化领域中，可编程控制器（PLC）则在社会的

11、发展中以其拥有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等各种优点获得了广大的好评，因此被各种自动控制设计者应用于现代工业的自动控制之中。在现代的各种工业控制中,设计者通常会选用可编程控制器（PLC）作为自动设备的控制系统,用该系统进行相应的数据采集与处理、逻辑判断、输出控制等。可编程控制器（PLC）在控制中还能够根据设计要求的需求进行一定的扩展输入输出模块，最终能够组成不同的控制系统，并且可以最终将模拟量输入输出的控制和现代控制的方法互相融为一体，实现各种功能一体的综合控制。现代社会的发展可编程控制器（PLC）正在以集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定

12、受到广大社会的普遍欢迎，在各种的工业的现代化控制中发挥着其独有的重要作用,并且对温度控制尤其适合。1.2温控系统的现状 在我国，自改革开放以来，我国的工业由于飞速的发展，各种工业过程控制急需发展，同时，面对世界的控制发展，尤其是在电子技术和计算机技术的迅猛发展下，对自动控制和自动设计的方面都有了重大的推动。对于我国的国内温度控制系统的发展方面，也有了重大的突破。当然相对于在自适应、参数自整定等方面面对一些发达国家还是有很大的差距，在这几个方面，则以美国、德国、瑞典等国的技术比较领先，都自主的生产出了一批性能优越，操作简便的温度控制器及仪器仪表,并在世界的各行有了广泛的应用。 目前,我国发展的比

13、较成熟的产品其实主要以“点位”控制及很普通的PID控制器为主,这种控制系统的性能很低，在一些温度控制中，其只能适应很普通的温度控制。对于一些复杂、控制滞后、时变温度系统的控制，我国的产品就会感觉很乏力。在许多的工业控制中，更需要一些智能化，自适应控制仪表等高性能的控制器。但是随着我国经济的快速发展，控制能力的不足已经引起了我国政府及一些大企业的重视，并不断地进行自主更新，并且取得一些良好的产品效应。通过一系列的有力措施，目前看来我国在一些温度仪表，温度控制等重要的工业中已经得到了比较迅速的发展。随着社会生活的高速的发展，人们在生活和生产中对温度控制系统的要求也变得越来越高，因此，高精度、智能化

14、、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。1.3项目研究内容 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等三种不同的但有关联的技术为一体的自动控制装置。可编程控制器(PLC)性能非常的优越，现在已经被广泛的应用到工业控制的多种领域，并且已经成为了工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。可编程控制器(PLC)的应用已成为工业潮流中不可缺少的一员，随着社会的发展，相信可编程控制器(PLC)技术在我国将得到更为全面的推广和应用。本篇的论文研究的就是可编程控制器(PLC)技术在锅炉的温度监控系统上的一种比较先进的自动控制应用。该论文是从整体上分析了、研究了控

15、制系统的硬件的设计、电路图的设计、程序的设计，以及控制算法的选择和参数的整定等各种具体详细的设计。本篇的论文就是通过三菱FX2N PLC控制器，运用这种温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，然后会经过模拟量的输入模块转换成为数字量信号并送到PLC中进行PID调节，然后PID的控制器输出量会转化成占空比，通过固态继电器控制炉子的加热的通断来实现对炉子最终的温度的控制。同时，在通过串行口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面的监控，从而会让使用的用户操作更为方便。2系统硬件设计2.1 PLC选择 我们设计方案的要求，可以分析得出:该设计以开关量控制为主，同时具有部分模拟量控制的应用系统。系统

16、设计需要使用13个输入端口和17个输出端口，另外还需要一个A/D转换器来完成温度采样,所以应该选用一个控制系统功能比较稳定的控制器。经过多重考虑和比较，我们最终决定选用三菱的FX系列可编程控制器中的FX2N-48MR-001（基本I/O点数为24），同时还选用了一个A/D转换器来完成温度采样系统。因为三菱的FX系列可编程控制器既是我们所学所用的PLC，同时三菱FX系列可编程控制器中的FX2N-48MR-001的性价比很高，实施起来也比较方便。2.1.1三菱的FX系列PLCFX系列PLC具有庞大的发展体系。主机系列就有：FX0、FX 0S、FX 0N、FX1、 FX2、 FX2C、 FX2N、F

17、X2NC共9个系列。在这9个系列中又分为多种不同的机型。其中FX2N PLC是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。根据FX2N系列可编程序控制器的型号和相关数据，我们最终决定选择FX2N-48MR-001型号的控制器。我们所选用的FX2N系列可编程控制器中的FX2N-48MR-001，它由基本单元、扩展单元、扩展模块等构成。该用户存储器容量可扩展到16K步。I/O点最大可扩展到256点。它有27条基本指令，其基本指令的执行速度超过了很多大型PLC。三菱FX2N48MR-D PLC，为继电器输出类型，其输入、输出点数皆为是24点，可扩展模块可用的点数为48-64,内附8000步RA

18、M。三菱FX2N48MR-D PLC内部构造数据如下：（1）输入继电器X（X0-X27，24点，八进制）（2）输出继电器Y（Y0-Y27，24点，八进制）（3）辅助继电器M（M0-M8255）通用辅助继电器（M0-M499）（4）状态继电器（S0-S999）（5）定时器T（T0-T255）（T0-T245为常规定时器）（6）计数器C（C0-C255）（7）指针（P/I）见表1和表2（8）数据寄存器D（D0-D8255）（D0-D199为通用型）表1 定时器中断标号指针表输入编号中断周期（ms）中断禁止特殊辅助继电器I6XX在指针名称的XX部分中，输入10-99的整数。I610为每10ms执行一

19、次定时器中断M8056I7XXM8057I8XXM8058表2 输入中断标号指针表输入编号指针编号中断禁止特殊辅助继电器上升中断下降中断X0I001I000M8050X1I101I100M8051X2I201I200M8052X3I301I300M8053X4I401I400M8054X5I501I500M8055注：M8050-M8058=“0”表允许；M8050-M8058=“1”表禁止。2.1.2 FX2N-4AD 特殊功能模块FX2N-4AD是作为模拟量输入模块, FX2N-4AD有四个模拟量输入通道（分别为CH1、CH2、CH3和CH4），每个通道都可独立进行A/D转换，将模拟量信号

20、转换成数字量信号，其分辨率为12位。其模拟量输出性能如表3所示。表3 模拟量输出性能表项 目电压输入电流输入电压或电流输入的选择基于对输入端子的选择，一次可使用4个输入点模拟量输入范围DC ：-10+10V（输入电阻200K）（注意：若输入电压超过15V，单元会被损坏）DC ：-20+20mA（输入电阻250）（注意：若输入电流超过32mA，单元会被损坏）数字输出12位的转换结果以16位二进制补码方式存储（-2048-+2047）分辨率5mV20A总体精度1%（对于-10+10V范围）1%（对于-20+20mA范围）转换速度15ms/通道（常速）6ms/通道（高速）所有这些数据的转换和参数设置

21、的调整都是可以通过FROM/TO的指令进行的完成。除此之外的，我们还同时在编程过程中很注意的用到了BFM数据缓冲存储器，具体分布情况如下表4所示。表4 BFM数据缓冲存储器分布表BFM编号内容#0通道初始化，缺省值=H0000#1通道1存放采样值（14096），用于得到平均结果。缺省值设为8（正常速度），高速操作可选择1#2通道2#3通道3#4通道4#5通道1缓冲器#5#8独立存储通道CH1CH4平均输入采样值#6通道2#7通道3#8通道4#9通道1这些缓冲区用于存放每个输入通道读入的当前值#10通道2#11通道3#12通道4#13-#14保留#15选择A/D转换速度BFM#16-#19保留#

22、20复位到缺省值和预设，缺省值=0#21禁止调整偏差、增益值，缺省值=（0，1）允许#22偏移，增益调整#23偏移值，缺省值=0#24增益值，缺省值=5000#25-#28保留#29错误状态#30识别码#31不能使用 通道的选择：在BFM#0中写入十六进制4位数字HXXXX进行A/D模块的初始化，最低位数字控制为CH1，最高位数字控制为CH4，在该通道中的各位数字的具体含义如下：X=0时设定输入范围为-10V+10V；并且当X=1时，设定输入范围为+4mA+20mA；X=2时，设定输入范围为-20mA+20mA；X=3时，关断通道。 另外，BFM#29的状态信息设置如表5所示。表5 BFM#2

23、9的状态信息设置#29缓冲器位ONOFFB0：错误当b1-b4为ON时，b0=ON若b2-b4任意一位为ON，A/D转换器的所有通道停止无错误B1：偏移量与增益值错误偏移量与增益值修正错误偏移量与增益值正常B2：电源不正常24VDC错误电源正常B3：硬件错误A/D或其他硬件错误硬件正常B10：数字范围错误数字输出值小于-2048或大于+2047数字输出正常B11：平均值错误数字平均采样值大于4096或小于0（使用8位缺省值）平均值正常（1-4096）B12：偏移量与增益值修正禁止#21缓冲器的禁止位（b1,b0）设置为（1，0）#21缓冲器的（b1,b0）设置为（0，1）2.2 硬件电路设计根

24、据这个系统总体设计的方案，设计系统的I/O地址具体的分配如下表6所示。表6 输入、输出信号I/O地址表输入地址功能说明输出地址功能说明X0电源周波信号输入端Y0VT1触发脉冲（电源正半波）Y1VT2触发脉冲（电源负半波）X1温度给定允许Y4恒温完成指示信号X2启动/关闭Y5断偶报警X10-X21SB2-SB11Y6温度给定超出范围报警Y10-Y2312位8421（三组）BCD码输出2.2.1 温度值给定电路按系统总体设计的方案设计要求，一共设计了十个开关按键，这十个开关按键都可以作为温度给定值的输入端口，接收十进制数。这些温度给定值范围为280-700，如果输入值超过给定值范围，该系统会自动发

25、出报警信号（即亮红灯）。该设计的电路如图1所示：SB1为温度值输入允许，SB2-SB11分别表示十进制数0-9。先按下温度值给定允许开关SB1，然后再输入给定温度值，先按下的数字为高位上的数值，后按下的数字为低位上的数值。比如，先后按下开关SB6、SB4和SB2，则表示给定温度值为420，并将该值送可编程控制器（PLC）数据寄存器中保存。图1 温度值给定电路2.2.2 温度检测电路在该设计的整体结构中，温度检测系统是温度控制系统的一个非常重要而必须的环节，这将会直接关系到系统的性能。在可编程控制器（PLC）温度控制系统中，该温度的检测不仅仅要完成温度到模拟电压量的转换，同时还要将电压转换为数字

26、量送往可编程控制器（PLC）。该温度检测系统其一般结构如下图2所示。图2 温度检测基本结构温度传感器会先将需要测量的测温点的温度转换为模拟量的电压，其电压值一般为mA级，该数据一般会过小，不能满足系统的需要，所以我们需要将其放大为满足A/D转换要求的电压值。然后再将放大后的模拟量电压送到可编程控制器（PLC）的A/D转换模块进行A/D转换，这样就可以得到表示温度的电压数字量，这时候就可以再利用软件进行标度变换与误差补偿，从而最终能够得到测温点的实际温度值。该设计的温度控制系统是利用热电偶的传感器完成炉温检测（热端检测炉温，冷端置于0温度中），同时利用FX2N-4AD模块中的一个通道实现A/D转

27、换。炉温检测与放大电路则是由热电偶、低通滤波、信号放大和零点迁移等电路共四个部分组成。其具体的电路如图3所示。图3 炉温检测与放大电路在这个上面的图形中的R1、C1是用来完成这个的低通滤波，而由R2、RP、2CW51组成的系统则是用来组成零点迁移的电路，对于这个炉温检测元件事统一采用的镍铬镍铝热电偶，这个他们的分度号分别都为EU-2，进一步在分度表可查得，当该测量温度为0-700的时候，输出的电势即为0-29.13mV。检测的信号则会经过二级放大之后会将其运送到FX2N-4AD的模块，这个系统的第一级放大倍数是为50，而相对于第二级放大倍数则为11.2，同时第二级放大还会将进一步去完成对于零点

28、的迁移，其输出电压的计算即为 (1)该式子中，为零点迁移值。根据该设计的要求，恒温值将为400-600，本系统选取测试的温度的范围则为280-700，该设计将280作为测温起点（零点）。通过调整多圈电位器RP，使=50*11.38=569mV，如果当炉温为280时，=11.38mV，=569mV，于是=0。经零点迁移后，炉温为280-700时，=11.38-29.13mV，=0-9.94V，A/D转换后的数字量即为0-2047。2.2.3 过零检测电路根据该设计的要求，过零检测电路在每个电源周期开始时都会产生一个脉冲，该脉冲作为触发器的同步信号，该设计的电路如图4所示。图4 过零检测电路图中，

29、GND为+5V电源地，LM339作为过零比较器.可知由于LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，所以共模范围比较大；同时差动输入电压范围也较大，大到可以等于电源电压。该系统的二极管是用作LM339输入保护。电路的工作波形如图5所示。图5 过零检测电路的工作波形图2.2.4 晶闸管电功率控制电路晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅。晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电

30、路中。晶闸管的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。也可以说，若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加反向电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近零的某一数值以下。晶闸管控制电热元件消耗的电能主要有两种方法，一种是采用移相触发控制输入电压的大小，第二种是采用过零触发控制输入电压加到电热元件上的周波数。由于移相触发控制会产生较大的谐波干扰信号“污染”电网，因此会采用过零触发来进行控制。同时又由于本电路所控制的电阻炉只有一根电阻丝，功率也不大，因此，本系统采用单相电源供电，电源的通断则由二个晶闸管反并控制，如图6所示。图6 电功率控制电路这种控制方法的基本原理是：各晶闸管的触发角恒为0

31、，可使得一个周期内电源均加在电热元件上，即通过控制一个控制周期内晶闸管导通周波数，即可控制电热元件消耗的电能。通过电热炉的数字模型可知，温度的增量与它消耗的电能是成正比的，而电热炉消耗的电能与晶闸管导通周波数也成正比，因此，可知晶闸管导通周波数n与控制输出控制量u（k）的关系为 n=K*u(k) (2)式中，K=/ 为比例系数（约为1），为一个控制周期内的电源的周波数，由于温度偏差不同，则u（k）、n会不同，电热炉消耗的电能也会不同，即可根据温度偏差调节输入电能，这样就会保证炉温按要求变化的目的。当晶闸管由正向导通到关断时，由于空穴积蓄效应，晶闸管反向阻断能力的恢复需要一段时间来完成。在这段恢

32、复的时间里，晶闸管元件流过反向电流，当接近终止时，会变的很大，这时候它与线路电感共同作用产生的电压L*可能会对晶闸管造成损坏，必须采取一定的保护措施，即在晶闸管两端并联阻容吸收装置。设计电路中具体的元器件的选择如下：（1）R和C的选择阻容吸收装置的参数按晶闸管ITN根据经验值决定选取为： R=80 C=0.15F (3) 电容C的交流耐压为： (4) 电阻R的功率应满足： (5) 实选电容0.15F/630V一只，电阻80/0.5W一只。（2）快速熔断器FU的选择快速熔断器是专门用来保护晶闸管的，其熔体电流按照下式选取： (6)式中，5/6为修正参数，为保证设计的可靠与选用方便，一般取。实选熔

33、体额定电流为20A的RLS-50螺旋式快速熔断器二只，分别与二只晶闸管串联，其额定电压则为500V。（3）晶闸管的选择因为电阻炉的额定功率设定为4KW，电源电压为220V，故负载电流IL=18.2A。而且由于每个晶闸管只导通半个电源周波且本系统采用过零触发（=0），则可以知道流过每个晶闸管的平均电流为9.1A。关断时，承受正反向峰值电压则为，考虑到晶闸管的过载能力小及环境温度的变化等因素，晶闸管的额定电流应为： (7) 额定电压应为： (8)根据以上计算，主回路的二只晶闸管最终决定选择为KP20-10(参数为：20A，1KV，0.1A，3V)2.2.5 脉冲输出通道由于PLC有很强的抗干扰性和

34、可靠性，且FX2N-48MR-001为继电器输出2A/1点（KP20-10晶闸管的触发电流和电压分别为0.1A和3V），因而FX2N-48MR-001的输出点可以靠地触发晶闸管导通，而不再需要设计光电隔离和功率放大。所以脉冲输出通道电路如图7所示。图7 脉冲输出通道由图中，可以得知初始时，Y0和Y1都是为低的电平，当系统检测到从X0输入的同步信号为高（低）电平时，这时候Y0（Y1）会由低电平变成高电平，这时输出电流值为2A的触发电流，会去触发晶闸管VT1（VT2）导通；而当X0从高电平变为低电平（从低电平变高电平）时候，这时候Y0（Y1）脉冲结束，电路恢复为初态。2.2.6 报警指示与显示电路

35、按照整体设计的要求，在报警指示电路中特意设计了一个恒温指示（绿灯）灯、故障报警（红灯）和输入出错报警（黄灯）等三个不同作用的灯，通过这些灯可以完成指示、报警等功能。显示电路是由Y10-Y23经过三个BCD-的七段共阴数码管译码器74LS248，同时外接三个七段LED数码管（带）完成显示功能。设计电路如下图8所示。图8 报警指示与显示电路2.2.7 复位电路复位电路是由一个开关SB12完成开/关功能的设计，当按下开关SB12时系统就会启动，这时会正常运行，进行执行任务；当断开SB12时，系统则会停止运行，不再执行任何任务。设计电路如图9所示。图9 复位电路3 系统软件设计三菱的可编程控制器（PL

36、C）程序输入可以通过手持编程器（FX-20P-E型 或FX-10P-E型）、专用编程器或计算机完成。手持编程器体积小，携带方便，在现场调试时更有优越性，但由于手持编程器在程序输入或阅读理解分析时比较烦琐；而相对于专用编程器则价格高，通用性还很差，而计算机除了可以进行PLC的编程外，还可作为一般计算机的用途，兼容性好，利用率高。因此，利用计算机进行PLC编程和通信已经成为一种趋势。本次软件的设计即是采用利用计算机编程，在三菱公司全系列PLC通信编程软件三菱（PLC）GX Developer 8.86Q下完成程序编写和通信。3.1 编程与通信软件的使用三菱FX系列PLC通信软件名称为三菱（PLC）

37、GX Developer 8.86Q，适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。它的运行环境为MS-window3.1或window95以上的版本。3.2 程序设计本设计系统所采用的是三菱FX2N系列PLC控制。其输入、输出地址表如表6所示。另外，内存分配如表7所示。表7 内存分配表内存器特定意义内存器特定意义D0A/D转换数字量结果D30u(k)D4温度给定值Q0D31u(k-1)D5炉温QD32e(k)D25触发周波数

38、nD33e(k-1)D26晶闸管允许触发标志D34e(k-2)D27采样周期计数器D35D100-D121数据缓冲区D36D29断偶计数器D37D38十键输入指定存储元件3.3 系统程序流程图系统程序流程图如图10所示。初始化温度给定输入值错误错误报警 Y NA/D转换转换值2047断偶报警 Y N标度变换实际温度显示给定值与实际温度比较差值e（k）=0 Y N差值e（k）10 恒温指示 Yn=240 N数字调节器保存n晶闸管触发准备等待中断图10 系统程序流程图3.4 控制系统控制程序的开发按照本系统设计任务的要求，严格要求控制系统需要实现恒温控制的功能，温度需要在（280700）范围内任意

39、设定（X10-X21输入给定值），经过积分分离PID调节，实现恒温控制，同时并对实际温度进行实时LED数码显示，同时有恒温指示和断偶报警信号指示。故按要求特编写以下控制程序。（PLC指令见附录一，总程序见附录二）3.4.1 温度设定按照本设计系统所利用的是十键数字输入指令，并设定恒温给定值。故程序如图11所示。图11 读取温度给定当温度设定允许（X1=1）时，执行十键输入指令，输入给定温度值，送D38，当给定值在280700范围内时，将给定值（D38）再送D4保存。否则输入将会出错报警（Y6=1）。3.4.2 A/D转换功能模块的控制程序该温度检测硬件电路给定的A/D转换通道号为CH2，用来完

40、成炉温的A/D转换。为了提高抗干扰的能力，程序采用的是数字滤波措施，该滤波方法是取8次输入的平均值作为检测结果。在此过程中的设定炉温的模拟量会送入FX2N-4AD模块的2#通道（CH2）。根据三菱公司的用户手册中的模块编号规则，FX2N-4AD将会直接连PLC 的为0号模块。A/D转换功能的PLC的程序如图12所示。图12 A/D转换程序当控制周期到（M331=1）和X2为ON时，将FX2N-4AD在0#位置BFM#30中的识别码（K2010）送D3，若识别码为2010，则M1=1。进而将H3330送BFM#0（A/D通道初始化），CH2为电压输入（DC ：-10+10V），CH1、CH3和C

41、H4关断，采样次数缺省为8次，正常速度）。然后再将BFM#29的状态信息分别写到M25M10（16位）中，若无错（M10=0）和数字输出值正常（M20=0），则BFM #6的内容（CH2通道的平均输入采样值）将传送到PLC的D0中。本程序设计是按照以4.8s为一个控制周期，当控制周期到才会读取A/D转换结果。控制周期计时中断服务程序（I610）如图13所示。图13 计时中断程序I610为每计时10ms便会自动执行一次中断的。当计时达到10ms时，系统将会执行I610中断服务程序，控制周期计数器则会（D27）加1，将D27与480进行比较，若相等时则M331为ON（4.8s计时到），同时将控制周

42、期计数器（D27）进行清0。3.4.3 标度变换程序此外还需要针对本次设计所选择的功能模块FX2N-4AD的输入输出特性，有280700经零点迁移后所对应的数字量则为02047（010V对应的数字量），通过模数转换将会得到的温度的数字量存入D0，根据此特性，输入数据对应的模拟量大约应该为数字量占2047的百分比，即实际温度=（700-280）*数字量/2047+280数字量*21/102+280。从而得到实际的温度的数值而进而会被送入D5，同时将所计算得到的余数与0.5所对应的数字量(约等于2)进行比较，如果结果大于2，则将D5中的数进行加一，反之则不会改变。所得结果将再加上280，从而这样就

43、会完成了对采样温度值的标度变换。标度变换功能的PLC程序如图14所示： 图14 标度变换程序3.4.4 恒温控制程序（PID）设计（1）PID算法根据本次设计给定的设计的要求，此次的温度控制将会被分为三段：自由升温段、恒温段和自然降温段。自然降温是指不需要控制和检测温度，自由升温则只需监视炉温是否到达恒温值，即只有恒温段需要控制与检测炉温。用于恒温控制的调节器有许种形式，例如大林算法、PD调节、PID调节、开关调节等，本系统最终决定选用实际中切实可行的积分分离PID调节，因为它能够有效地减小系统的超调和稳态误差。PID调节器的位置式控制方程为： （9）式中，e（t）为t时刻给定的恒温值Q0与实

44、际炉温Q之差。将其离散化，得 （10）式中，T、分别为采样周期、微分时间常数、积分时间常数和比例时间常数；e（k）为本次采样时Q0与Q之差。令 （11） 则有 式（12） （12）式中，、分别为调节器的比例、积分、微分系数(待定参数)。为了减少在线整定参数的数目，常常假定约束条件，以减少独立变量的个数，本次设计选取 T0.1 （13） 0.5 （14） 0.125 （15）其中，为纯比例控制时的临界振荡周期。即有 （16） （17）因此，对四个参数的整定便简化成了对一个参数的整定。因而使调试较为简单方便。（2） 恒温控制程序本次设计为了减少超调现象和消除振荡现象，当自由升温小于所给定的恒温值1

45、0，系统就会开始进行具体的恒温控制，恒温控制则会将采用积分分离PID调节。系统的控制算法如下：每当炉温值Q大于给定恒温值10时，系统将会进行全速升温，令u（k）=240，240指的是作为一个控制周期（4.8s）的工频电源周波数。每当e（k）10Y计算PD项u（k）=u(k-1)+kpe(k)-e(k-1)+kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)Ne(k)u(k-1)e(k-1)-e(k-2)e(k)-e(k-1)保存u(k)结束图15数字控制器程序 .图16数字控制器程序3.4.5 数字触发器程序设计（1）数字触发器组成与原理数字触发器会按照调节器输出的控制量将控制输送给电阻炉的能量。由于

46、晶闸管移相触发存在很大的谐波干扰将会“污染”电网，本系统将采用过零触发，触发器的具体组成如图17所示。图17 过零数字触发器组成工作原理具体如下：首先，数字触发器的准备程序将会进行把控制量u（k）变换为晶闸管的导通周波数n，且当n0时，置晶闸管允许触发标志就会相应的会成为1。准备的程序则在每个控制周期会执行一次。而当电源正半波到来时（由低电平变高电平），若晶闸管允许触发标志的为1，则在Y0的端产生一个触发脉冲，经光电隔离和功率放大后触发晶闸管VT1会导通，使电源正半波加到电阻丝上。当电源负半波到来的时候（会由高电平变低电平），若晶闸管允许触发标志为1，则在Y1端产生一个的触发脉冲，经光电隔离和

47、功率放大后触发晶闸管VT2的导通，使电源负半波加到电阻丝上，使负载得到一个完整的电压波形。程序还完成晶闸管已导通周波数计数的工作，当已导通周波数等于n时，表示本控制的周期内向电阻丝输送的能量已达到控制的要求，将晶闸管允许触发标着志清0，Y0、Y1不会再输出触发脉冲。（2） 数字触发器程序数字的触发器程序由两部分组成：准备程序和触发程序其程序框图如图18和图19所示。电源在一个控制周期（4.8s）有240个周波，而u（k）的最大亦也为240，因此，晶闸管在一个控制周期的导通周波数为n与控制量u（k）的关系即为 n=u（k） （18）脉冲输出通道要求PLC输出的触发脉冲必须为正脉冲，所以程序应该先

48、使Y0（或Y1）由0变1，延时约为0.01s后（半个周波时间），再将Y0（或Y1）置为0，则会在Y0的（或Y1）端形成一个宽约0.01s的正脉冲。图18 晶闸管触发准备程序 图19 数字触发程序数字触发器功能的PLC程序如下图20所示。当X2为ON时，将u（k）送到D25作触发周波数n，将其与0比较，若当n大于0，则置位D26（触发允许标志）的允许触发并将Y0和Y1置为1。X0即为电源周波信号输入端，当允许晶闸管触发时候，当X0的上升沿（下降沿）到时Y0（Y1）输出即为1，延时半个周波时间后Y0（Y1）输出0，即在Y0（Y1）端口产生正脉冲去触发晶闸管导通。同时每完成一个周波触发，将D25减为

49、1。直到D25为0止。D25即为0而采样周期未到D26被清0，系统将不再对晶闸管输出触发脉冲。图20 数字触发器程序3.4.6 显示程序该设计的系统是用三个LED数码管（含BCD译码器）显示温度（本系统设定温度范围为280-700），需要先将实际温度转换为BCD码，即从Y10-Y23端口输出，BCD码经过BCD译码器译码，由七段LED完成显示功能。显示程序如图21所示。图21 显示程序先将实际温度（D5）除以100得到百位数，存放D122中；同样，所得到的余数（D103）将除以10得到十位数后，将其存放D121中；余数的D105为个位数存放在D120中。D122、D121和D120中的数据则将

50、会分别从Y10-Y13、Y14-Y17和Y20-Y23端口输出。然后会经译码器译成相应的段码后，最终将结果送七段LED显示。3.4.7 恒温指示程序根据该系统的设计，每当实际温度与温度给定值相等的时候，这时系统就会发出恒温指示的信号（Y4=1，绿灯亮）。恒温指示的具体的程序如图22所示：图22 恒温显示程序将实际的温度值（D5）与温度设定的值（D4）进行一定的比较，如果相等则会将令Y4为ON，恒温指示灯亮。同时会令触发脉冲个数为0，这时候系统将不对电阻炉加热。3.4.8 报警程序该报警系统是将A/D转换的数字量与2047比较，若连续的两次检测到A/D转换的数字量将大于2047，则表示进行相应的

51、断偶，系统的输出断偶报警的信号，Y5将会变为ON，此时即会亮红灯。如图23所示。图23 报警程序4系统的仿真和运行测试本次设计的仿真和运行采用的是国产的组态王。因为在该温度控制系统设计中，我们所进行选择的组态王不仅仅的能够用来完成我们的监控画面的设计。而且与其他的一些的组态软件相比，其具有的优势是它的操作很方便，能够提供简单人性化的操作主界面，还可以为我们提供了用的汉字作为关键字的脚本语言来进行运行，这对于这个的新手来说比较很容易上手。4.1 组态王的运行 首先进行打开组态王的项目工程管理器，进入主画面。进行组态王的开始系统的运行了。 组态监控启动之后，如图 24 所示。图 24监控主画面4.

52、2 实时曲线的观察进行点击自行组态画面的实时曲线按钮，可以进行实时的观察数据，在自PID参数的作用下，其实际的控制效果的情况。如图图 25所示。图 25 温度实时曲线4.3 分析历史趋势曲线下面再进行主画面上的历史趋势曲线的分析如图26。图26 温度历史曲线 通过实际检测的结果可以看到我们的控制器起到了调节作用，最后的温度也稳定在了设定的温度上，最终到达了我们预定的目标。4.4 编辑数据的报表当然也可以进行点击主画面的数据报表窗口进行查看报表的记录的数据。如图 27所示。图 27数据记录4.5系统稳定性测试及最终评估 这次的测试的系统能够保持相对的稳定性，这一次就把温度的设定在80C，从而可以

53、得控制曲线如图28所示。图28控制曲线通过上面运行的结果我们可以看到，在我们的设定的温度范围内，系统是可以比较稳定的进行运行。如果在实际的温度超过设定的数值时，则会出现报警画面，如图29所示。图29 报警画面 在设计的系统报警在工业生产和生活中都有着其非常的重要作用。此次的设计可以看到很成功的运用了FX2N-48MR型控制器设计了一个高精度的简便的温度控制系统。在最后的测试中也得到了一个反应相对比较迅速，控制精度相对比较高的温度的控制的系统。当然，在这次的控制系统设计和运行中还是有很多不足的地方的。例如，系统的本身自己的自适应能力不够强大，再运行的过程中可能出现突发问题。这很可能是因为我们的散

54、热降温的系统不够好，所以在运行中当与外界的温度环境进行密切接触时，这时候就会因为是在不同的温度的环境下，这时候的控制精度和控制能力一定会是不一样的，但总体结果是令人满意的。参考文献1 袁任光.可编程序控制器技术与实例M.广州：华南理工大学出版社，2013.215-2382 刘敏.可编程控制器技术M. 北京：机械工业出版社.2010.57-863 邱公伟.可编程控制器网络通信及应用 M. 北京：清华大学出版社，2011.112-1354 陈宏.可编程控制器 ( PLC) 的选型J.化工进展，2013，22 (12) ：1354-13565 胡学芝.可编程控制器的选择J.机械制造与自动化，2010，33(2)：65-676 姚伟.太阳能利用与可持续发展J .中国能源，2012，27(2):