基于PLC可控硅的温度闭环控制系统设计(共37页)

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要在许多现代工业生产中，温度控制都是要解决的问题之一，对于无需人力控制的领域，我们需要自动控制。随着电子技术的发展, 可编程序控制器(PLC)已经由原来简单的逻辑量控制, 逐步具有了计算机控制系统的功能。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。本文提出了采用可编程控制器和可控硅组成一个比较简单、通用的温度控制系统。PLC是温度控制的主控核心，采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现温度的自动控制。可编程控制器的一个优势就是可以很方便的改

2、写其中的程序以满足不同的控制系统，尤其在控制系统需要改进时优势更加明显。文章分别就控制系统的基本工作原理，特殊模块的选型、PLC配置、等几方面进行阐述。通过提高温度控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高、控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。关键词: 温度控制 PLC PID 可控硅 闭环系统AbstractIn many modern industrial production, temperature control is one of problems to solve, without human control on the field, we need automatic con

3、trol. With the development of electronic technology, programmable logic controller (PLC) have by original simple logical quantity control, gradually with a computer control system function. PLC has strong commonality, use convenient, wide adaptability, high reliability, strong anti-jamming capabilit

4、y, programming of simple features. PLC in industrial automation control especially the status of sequence control in the foreseeable future, is irreplaceable.This paper proposes using the programmable controller and SCR form a relatively simple, general temperature control system. PLC is the main co

5、ntrolling of temperature control, PID algorithm, core using PLC ladder-diagram programming programming language, realize temperature automatic control. One of the strengths of the programmable controller is very convenient rewrite the program to meet different control system, especially in the contr

6、ol system that needs to improve more obvious when advantage.Articles respectively basic working principle of the control system, special module selection, PLC configuration, wait a few aspects. By raising the temperature control system has a fast response, good stability, high reliability, control p

7、recision is good wait for a characteristic, and the industrial control have realistic significance.Keywords : temperature-control PLC PID SCR closed-loop system目 录专心-专注-专业1 绪 论1.1 课题背景及研究目的温度控制的应用领域是很广泛的，大到工业生产、航空航天，小到我们的日常生活。目前温度控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。PLC的快速发展发生在上世纪80年代至90年代

8、中期。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力等得到了很大的提高和发展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以能被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期、比例系数 、积分系数、微分系数。因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在

9、此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。1.2 国内外的研究状况自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下几个特点：1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温

10、度控制体统的控制。2）能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3）能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。5）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发

11、展水平仍然不高，同日本、美国、德国、其他等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，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的趋势。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了P

12、LC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.3 课题研究内容PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。论文通过对三菱FX系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为高低电平的信号输入控制过零触发板触发可控硅（SCR）按一定的占空比导通，控制了热电阻丝两端的通电时间，实现温度的闭环控制。温度

13、控制系统基本结构，它由电热丝、温度检测模块、PLC主控系统、触发模块、可控硅（SCR）五部分组成。PLC是温度控制的主控核心。温度检测模块采集的电热丝的温度信号，通过信号采集电路处理和A/D模块，将模拟电压信号转化为数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行处理，通过过零触发模块，触发可控硅（SCR）按一定的占空比导通，控制了发热电阻丝两端的通电时间，实现温度的闭环控制。1.4 课题研究方法 1、温度数据采集原理。用PLC的A/D温度扩展模块来进行，温度模块中，测量输出一个010V的温度线性电压,通过设置PLC的温度扩展A/D模块，把这个电压成数字量，程序周期地读取这些数字量，

14、并将所读的这些数，与设定值进行比较。2、数据处理部分用三菱公司生产的FN2X型的可编程控制器。主要负责数据处理和储存的工作。通过编制软件，对采集到的温度信号与设定值进行比较处理，对有关操作信号进行联机操作。在用PLC和被控对象构成一个控制系统时，通常以下面几个步骤进行：根据生产的工艺过程分析控制要求。如需要完成的动作（动作顺序、动作条件、必须的保护和连锁等），操作方式（手动、自动、连续、单周期、单步等）。根据控制要求确定所需要的用户输入输出设备。选定PLC；确定PLC的点数；分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。此外，系统用到的计数器、定时器等也要进行分配。进行PLC的程序设计。对于复杂的控

15、制系统，需要绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件，对于简单的控制系统，也可省略。要设计好梯形图，这是关键的一步。根据梯形图编制程序清单，用编程器将程序键入到PLC用户存储器中，并检查键入的程序正确与否。检查程序是否能正确完成逻辑要求，是否能完成得很好。如果不合要求，对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。保存程序。2 PLC控制系统的硬件组成可编程控制器是是一种工业控制计算机，简称PLC（Programmable logic Controller),它使用可编程序的记忆以存储指令，用来执行逻辑、顺序、计时、计数、和演算等功能，并通过数字或模拟的输入输出，以控制各种机械或生产过程。

16、2.1 可编程控制器基础2.1.1 可编程序控制器的概述随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛应用在所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场这一需求迅速做出反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。可编程控制器就是顺应这一需要出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。编程控制器不仅可以按事先编好的程序进行各种逻辑控制，还具有随意编程、自动诊断、通用性好、体积小、可靠性高的特点。因此，可编程控制器正逐步取代着继电器接触器控制系统。国际电工委员会（IEC）于 1982年11月和 1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器（PLC）

17、是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。可编程序控制器（PLC）主要由CPU模块、输出模块和编程器组成。PLC的特殊功能模块能完成某些特殊的任务。从使用方式PLC分为： 1）整体式PLC（又称单元式或箱体式）整体式PLC是将电源、CPU、I/0部件都集中装在一个机箱内。一般小型PLC采用这种结构；2）模块式PLC，将PLC各部

18、分分成若干个单独的模块，模块式PLC由框架和各种模块组成。模块插在插座上。一般大、中型PLC采用模块式结构3）PLC将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。2.1.2 可编程控制器的组成和工作原理可编程控制器的组成:PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。1CPUCPU是PLC的核心，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括

19、外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 2.I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24V

20、DC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 3.编程器编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又

21、称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。4.电源PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。可编程控制器的工作原理:PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。PLC工作的全过程可用图 2-1 所示的运行框图来表示。 图

22、2-1 可编程控制器运行框图2.1.3 可编程控制器的分类及特点(一)小型PLC小型PLC 的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。(二)中型PLC中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024点之间，I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫

23、描速度更快。(三)大型PLC一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC，大型PLC的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化，大型PLC还可以采用冗余或三CPU构成表决式系统使机器的可靠性更高。3 PLC控制系统的硬件设计本章主要从系统设计结构和硬件设计的角度，介绍该项目的PLC控制系统的设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计参数的整定。3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则1充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。2在满足控制要求的前

24、提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。3保证控制系统安全可靠。4应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、IO点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：1熟悉

25、被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。2确定I/O设备根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的I/O点数。3选择PLC选择时主要包括PLC机型、容量、I/O模块、电源的选择。4分配PLC的I/O地址根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入/输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I/O接线图和编制程

26、序。5设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。6联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。3.1.3 PLC程序设计的一般步骤 1绘制系统的功能图。2设计梯形图程序。3根据梯形图编写指令表程序。 4对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。PLC控制系统的设计步骤可参考图 3-1 ： 图 3-1 PLC控制系统的设计步骤3.2 PLC的选型和硬件配

27、置PLC的选型与配置可分为：编程器选型、开关量I/O模块的选择、编程器与外部设备的选择和通信功能的选择。3.2.1 PLC型号的选择本温度控制系统采用日本三菱FX2N型PLC。FX2N是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。FX2N系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此FX2N系列具有极高的性能和价格比。FX2N系列是三菱公司的小型应用PLC，在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。FX系列PLC为单元型，内含CPU、电源和固定搭配的输入/输出。 Q4AR系列为

28、双机热备系列，最大输入输出点数为8192点。 A系列PLC的最大输入输出点数为2048点。F系列程控器的最大输入输出点数为256点。三菱小型 FX2N系列程控器的输入输出点最大不超过256点。每台主机可连模入、模出、高速记数、定位等特殊功能模块，不超过8个。FX系列在日本三菱的姬路制作所生产。三菱姬路制作所累计已生产超过三百万台 FX系列 PLC。目前FX系列PLC为中国内地销量最多的小型PLC。FX2N系列PLC是该系列中功能最强、速度最快的微型PLC。有RAM, EPROM和EEPROM。 FX2N系列PLC的特点超高速的运算速度0.08微秒、比FX2的0.48微秒快六倍。容量极大8K步(

29、最大16K步)、比FX2大四倍、机体小型化比FX2小50% 。兼容FX2的编程设计，备有多种不同的FX2N扩展单元及特殊模块。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。3.2.2 FX2N的功能简介 控制规模：16256点 内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K CPU运算处理速度0.08/基本指令 在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块 基本单元内置2轴独立最高20kHz定位功能(晶体管输出型）3.2.3 温度检测模块FX2N-4AD-TC在工业控制中，某些输入量（例如压力、温度、

30、流量、转速等）是连续变化的模拟量，某些执行机构要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换成标准的电流和电压。其中，D/A转换器将PLC的数字输出量转换成模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I/O模块的主要任务就是完成A/D转换和D/A转换。根据设计要求，本次设计选用模拟量输入模块FX2N-4AD-TC，该模块用4个12位模拟量输入通道，输入量程为DC-10V +10V和420MA，转换速度为15MS/通道或6MS/通道（高速）。FX2N-4AD-PT模块将来自四个温度传感器（PI100,3线100欧铂电阻）的输入信号放大，并将数据转换成12位的可

31、读数据，存储在主单元中。摄氏度和华氏度的数据都可以读取。读分辨率是0.2到0.3、0.36到0.54所有的数据传输和参数设置都可以通过软件来调整，由FX2N系列PLC的 TO/FROM应用指令来完成。如果输入有电压波动或外部电气电磁干扰的影响，可在模块的输入口中加一个平滑电容（ 0.1 0.47uf/45V）。 FX2N-4AD-PT性能指标如图3-2所示：项目摄氏度华氏度通过读取适当的缓冲区，可以得到和两种可读数据模拟输入信号铂温度T100传感器（100），3线，4通道（CH1，CH2，CH3，CH4),3850PPM/（DIN43760，JSC1604-1989)传感器电流1mA：100P

32、T-100补偿范围-100+600-148+1112数字输出-10006000-1480+1112012位转换11位数据+1符号位最小可测温度0.20.30.360.54总精度全范围1%（补偿范围）转换速度4通道15ms图3-2 FX2N-4AD-PT性能指标此外，智能型热电偶用于将温度设定值和热电偶温度反馈值进行比较,生成温差电压。可适配K、S、E、J 、T 等型号的热电偶,以适应多种场合和不同温度值的控制要求。本设计用FX2N-4AD-TC中的K型热电偶，来进行温度检测。FX2N-4AD-PT的缓冲器分配被平均的采样值次数被分配给BFM#1和BFM#4。只有1到4096的范围是有效的，溢出

33、的值将被忽略，缺省值是8。最近转换的一些可读值被平均后给出的稳定平均值保存在BFM#5到BFM#8和BFM#13到BFM#16中。这个值也是我们用于显示的值。BFM#9到BFM#12和BFM#17到BFM#20保存输入数据的当前值，这个值以0.1或0.1位单位。FX2N-4AD-PT的缓冲器分配表BFM内容*#1-#4将被平均值的CH1到CH4的平均温度可读值（1到4096）缺省值=8*#5-#8CH1到 CH4在0.1单位下的平均温度*#9-#12CH1到 CH4在0.1单位下的当前温度*#13-#16CH1到 CH4在0.1单位下的平均温度*#17-#20CH1到 CH4在0.1单位下的当

34、前温度*#21-#27保留*#28数字范围错误锁存*#29错误状态*#30识别号K2040*#31保留 图3-3 FX2N-4AD-PT的缓冲器分配表3.2.4 电加热控制器本设计的电加热控制器是由一个触发电路和可控硅组成。可控硅（又称晶闸管）及其触发控制电路用于调整负载功率的盘装功率调整单元。在电子设备中起重要作用的晶闸管（也称可控硅，英文缩写SCR）被广泛用于各类生产部门，正在成为自动化、高效化不可缺少的装置。在最新的温度控制中晶闸管的利用明显的普及起来。但在国内对其有不同的叫法，如晶闸管调整器、可控硅调整器、晶闸管控制器、可控硅控制器、晶闸管调压器、晶闸管调功器、调压器、调功器、晶闸管交

35、流电力控制器、可控硅交流电力控制器 、电力调整器、电力控制器、电压调整器、电压控制器等。晶闸管的触发方式有移相触发和过零触发两种。常用的触发电路与主回路之间由于有电的联系，易受电网电压的波动和电源波形畸变的影响，为解决同步问题，往往又使电路较为复杂。MOTOROLA公司生产的MOC3061器件可以很好的解决这些问题。MOC3061系列光电双向可控硅驱动器是一种新型的光电耦合器件, 它可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。该器件用于触发晶闸管，具有价格低廉、触发电路简单可靠的特点。下面以MOC3061为例介绍其工作原理和应用。MOC3061内部结构及主要性能参数：MOC3061的内部结

36、构及管脚排列见图3-4，它采用双列直插6脚封装。主要性能参数：可靠触发电流5-15mA；保持100A；超阻断电压600V；重复冲击电流峰值1A；关断状态额定电压上升率 。 MOC3061的管脚排列如下图所示：1、2脚为输入端；4、6为输出端；3、5脚悬空。 图3-4 MOC3061内部结构晶闸管是目前比较理想的交流开关器件。本设计采用双向可控硅（晶闸管）控制。PLC的控制端输出一个脉宽调制信号作用于MOC3061的导通控制信号端2脚，其输出端加到可控硅的控制极，可直接控制可控硅的导通时间，从而控制加热平均功率。MOC3061是带过零触发的光电耦合器，用于防止电气干扰、吸收尖峰干扰信号等，可控硅

37、上并联阻容吸收电路：电容C两端电压不能突变，可吸收可控硅关断时引起的反向尖峰电压。控制电路如下图： 图3-5 驱动控制电路图3-5中R1为限流电阻,使输入的LED电流为15mA (MOC3061 )R1，可按下式计算: 式中: 为红外发光二极管的正向电压,可取1. 21. 4V ;为红外发光二极管触发电流, 若工作温度在25 以下, 应适当增加。R2是双向可控硅的门极电阻,当可控硅灵敏度较高时,门极阻抗也很高,并上R2可提高抗干扰能力。R3是触发功率双向可控硅的限流电阻,其值由交流电网电压峰值及触发器输出端允许重复冲击电流峰值决定,可按下式选取: 3.3 系统整体设计方案和电器接线图本系统的被

38、控对象是1KW电加热管，被控制量是加热温度，PLC的模拟量输出控制调功器的输出，由电加热控制器控制电加热管的通断，被控对象为单相电热管，被控制量为加热温度。它由温度检测模块测定，再经变换为420mA的模拟量传送给PLC的模拟量输入通道。根据给定值加上dF与测量的温度值相比较的结果，PLC模拟量输出通道向晶闸管调功器发出控制信号，从而达到控制温度的目的。温度控制系统基本结构，它由电热丝、温度检测模块、PLC主控系统、触发模块、可控硅（SCR）五部分组成。PLC是温度控制的主控核心，温度检测模块采集的电热丝的温度信号，通过信号采集电路处理和A/D模块，将模拟电压信号转化为数字量，然后PLC将系统给

39、定的温度值与反馈回来的温度值进行处理，通过过零触发模块，触发可控硅（SCR）按一定的占空比导通，控制了发热电阻丝两端的通电时间，实现温度的闭环控制。整体设计方案如图： 图3-6 PLC控制系统流程图系统硬件连线图如图： 图3-7 PLC外部设备接线图3.4 PLC控制器的设计3.4.1 PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须

40、依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有

41、差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落

42、后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。3.4.2 PID控制的参数整定 1.PID控制器的组成PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为：Error! No

43、bookmark name given.(1) 比例系数对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。偏大，振荡次数加多，调节时间加长。太大时，系统会趋于不稳定。太小，又会使系统的动作缓慢。可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况的符号就一定要取反。 Error! No bookmark name given.(2) 积分控制对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。 Error

44、! No bookmark name given.(3) 微分控制对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，偏大时，超调量较大，调节时间较短。偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有合适，才能使超调量较小，减短调节时间。2、 PID控制算法 FX2N 系列PLC的PID集成软件采用的是位置式PID控制算法, PID控制算法离散化的周期采用公式为:由此可得到常用转换后的增量式:其中:PID运算输出量 :其中： ：本次采样时的偏差 ：一个周期钱的偏差 ：目标值 ：本次采样时的测定值 ：1个周期前的测定值 ：2个周期前得测定值 ：输出变化量 ：本次的操作量 ：本次的微分项 ：1个周期前得微分项

45、：比例增益 ：采样周期 ：积分常数 :微分常数 ：微分增益采样时间于PLC的扫描周期；若小于扫描周期，则出PID运算错误，并以等于扫描周期执行PID运算。若如果是这种情况，应在定时器中断中使用PID指令。输入滤波常数能使当前值变化平滑，而微分增益有缓和输出值急剧变化的效果。为了使PID控制得到良好的结果，需求得PID得三个常数、的最佳值，常用的方法是单位阶跃法。3. 采样周期的分析采样周期越小，采样值就越能反应温度的变化情况。但是，太小就会增加CPU的运算工作量，相邻的两次采样值几乎没什么变化，将是PID控制器输出的微分部分接近于0，所以不应使采样时间太小。，确定采样周期时，应保证被控量迅速变

46、化时，能用足够多的采样点，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。因为本系统是温度控制系统，温度具有延迟特性的惯性环节，所以采样时间根据设计要求而确定，本系统采样为3s。经过上述的分析，该温度控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器的参数整定。常用的整定方法可归纳为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，经过理论的计算（微分方程、根轨迹、频率法等），求得最佳的整定参数。这类方法比较复杂，工作量大，而且用于分析法或实验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动态特征，整定的结果精度不是很高，因此

47、未在工程上受到广泛的应用。对于工程整定法，工程人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所学的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛的应用常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法整定控制器的参数值。整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。（1） 整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。（2）整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分

48、时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。（3） 整定微分环节若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间=0，逐渐加大，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。 4 PLC控制系统的软件设计PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分本在硬件基础上，详细介绍本项目的软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法、编程软件FXGP_WIN-C的介绍以及本项目的程序设计。4.1 PLC程序设计的方法PLC程序设计常用的方法：主要有经验设

49、计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。1.经验设计法：经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。 2.继电器控制电路转换为梯形图法：用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。3.顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。4. 逻辑设计法：通过中间量把输入和输

50、出联系起来。实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。4.2 编程软件FXGP_WIN-C概述与简介FXGP_WIN-C编程软件是基于Windows的应用软件，由三菱公司专为FX系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。FXGP_WIN-C编程软件的主要功能：(1)可以用梯形图(L),指令表(I)和SFC(S)语言来输入,编辑三菱PLC的程序,可以给梯形图的编程元件和程序块加上注释.可将程序保存为文件,或用打印机将程序打印出来。(2)可以将用户程序和数据寄存器中的值通过串行口通信下载到三菱PLC,可以读出未设置口令的PLC中的用户

51、程序,可以核对计算机和PLC中的用户程序是否相同。(3)可以实现各种监控和测试功能,如元件监控,梯形图监控,元件强制ON/OFF，T，C，D当前值的修改等。4.3 程序设计4.3.1 PLC编程指令程序中使用到的指令1.MOV 指令 传送指令 MOV S1 S2MOV指令是指将S1中的内容存入S2中2.LD 指令 触电比较指令 LD S1 S2 触点比较指令运算开始，S1S2时导通3.FROM指令 读特殊功能模块指令FROM M1 M2 D NFROM指令是从编号为M1的特殊功能模块中读取以M2为首址的连续N个数据缓冲寄存器的数据，并将读取的数据一次存入PLC内以元件D为首址的连续n个字元件中

52、。比如，指令FROM K0 K5 D0 K4就是指，当该指令执行时，就将编号为0的特殊功能模块中地址号为58的4个数据寄存器读取数据，并将数据依次存入PLC的4个数据寄存器D0D3中。4.TO指令 写特殊功能模块指令TO M1 M2 S NTO指令是将PLC内由源数S指定的N个数据写入编号为M1的特殊功能模块中地址号为M2的N个连续缓冲数据寄存器中。比如，指令TO K2 K5 D10 K4就是指，当该指令执行时，就将D10D13中的数据写入编号为2的特殊功能模块中地址编号为58的数据缓冲寄存器中。5.PID控制指令 比例积分微分控制指令PID S1 S2 S3 S4PID控制在PLC中既可用P

53、ID硬件模块实现，也可用软件实现。软件方法就是根据PID算法编制控制程序或直接调用PID指令，后者较方便，但不是所有PLC都支持。三菱FX2N系列PLC提供了PID控制指令，且其参数设置灵活，使用方便。其中S1表示设定值所在的数据寄存器；S2表示测量值所在的数据寄存器；S4表示输出值所在的数据寄存器；S3S3+6表示PID指令中控制参数设置所需的数据寄存器，其分配如图4-1所示:自动调节中PID控制中目标值 S1500-500 参数采样时间（） S33000ms500ms输入滤波（） S3+270%70%微分增益（） S3+50%0%输出值上限 S3+222000（2s）2000输入值下限 S

54、3+2300动作方向（ACT）输入变化量报警 S3+1bit1无无输入变化量报警 S3+1bit2无无输出值上下限设定S3+1bit5有有输出值 D1800根据运算图4-1 PID 指数参数设定参考表为了得到最优PID控制，系统运行开始时设定S3+1(ACT)的第4位为ON，启动PID参数的自整定过程。自整定就是根据开始时容器压力变化的情况自适应地调整PID控制的主要参数(比例增益、微分时间、积分时间等)。当自整定开始时的测定值到目标值的变化量变化1/3时，自整定过程结束，系统进入PID控制。6.PLS 指令 上升沿检测指令PLS M0 如果PLS指令前面出现一个上升沿，也就是说他前面的触点出

55、现了从低电平到高电平的变化。则目标元件M0将在这条指令执行后变成高电平，并且一直维持一个扫描周期也就是到第二次执行这条指令的时候才恢复低电平。7.CMP 指令 两数比较指令 CMP S1 S2 D该指令是将源数S1和S2进行比较，结果由3个地址连续的目标位元件的状态来表示。S1和S2均为16位或32位二进制数，最高位为符号位。比如,指令CMP K100 D10 M0就是指：若100D10种的值，则M0置1；若100=D10中的值，则M1置1；若100D10中的值，则M2置1。4.3.2 控制程序的编写1.程序流程图： 图4-2 程序流程图其中，打开特殊功能模块、数据输入、PID控制以及数据输出

56、部分均由PLC控制。2. 程序梯形图： 图4-3图4-3，初始化程序：分别为温度目标值设定、输入滤波常数设定、微分增益设定、输出上下限设定。由PID指令格式可得：D500中的内容为设定的目标值D512中的内容为设定输入滤波常数（），此处设定为70%D515中的内容为设定微分增益（），此处设定为0%D532中的内容为输出上限值设定，此处设定为2sD533中的内容为输出下限值设定，此处设定为0s 图4-4 图4-4，使M0得电，使用自动调谐功能是为了得到最佳PID控制，自动调谐不能自动设定的参数必须通过指令设定，在第29步47步之间用MOV指令将自动调谐用的参数（自动调谐采用时间、动作方向自动调谐

57、开始、自动调谐用输出值）分别传送给数据寄存器D510、D511、D502。自动调节后PID动作开始，自动调节用采样时间设定为3s，动作方（ACT）向自动调节，自动调节用输出值设定为1.8sON，通常作用时的采样时间设定为500ms。 图4-5 图4-5，程序第53步开始，对FX2N-4AD-TC进行确认、模式设定，且在PLC运行中读取来自FX2N-4AD-TC的数据送到PLC的D501中，其模式为CH2通道K型热电偶及其数据读取。CH1、CH3、CH4不使用。模块NO.0中BMF#30中的识别码送到D0，若识别码为2030，则M5为ON。 图4-6图4-6，X10为自动调节，X11为PID控制

58、。用选择开关置X10作为自动调谐控制后的PID控制，用选择开关置X11作为无自动调谐的PID控制。第106步开始，X10闭合，在自动调谐后实行PID控制，当自动调谐开始时的测定值达到目标值的变化量变化1/3以上，则自动调谐结束，程序第118步130步，自动调谐结束，转移到通常动作，M1复位。第47步，将通常动作的采样时间设定值500ms用脉冲执行型MOV指令送给D510，进行PID控制。用选择开关置X11作为无自动调谐的PID控制（当选择开关置断开位置时，将PID动作初始化，即D502清零）。 程序106步，执行PID指令。加热器动作周期T246设为2秒，当加热器动作周期2秒钟到，通过复位指令

59、将T246清零，因为M3动作，T246重新计时。通过触点比较指令，控制加热器是否工作，由于PID调节获得需要的加热时间的数据置于D502中，D502不是固定值，靠PID来调节，在PID调节过程中，M3动合触点始终是闭合的，当加热时间通过T246记录的数据小于PID传送的数据D502时，加热器加热，否则停止加热，等待加热器动作周期2秒到，T246清零并重新计时，此时加热器又加热，周而复始。通过PID控制不断调节加热器的加热时间，从而实现了恒温控制。当控制参数的设定值或PID运算中的数据发生错误时，则运算错误标志辅助继电器M8067变为ON状态，通过Y0输出给故障指示灯显示。下图为电加热器的动作规

60、律示意图： 图4-7 动作规律示意图5 系统调试系统调试分为两大步骤,一是系统软件调试;二是系统硬件调试。5.1 系统软件调试系统软件调试是在PC机上进行,我们将PLC控制程序输入PC机后,根据运行要求,设定若干数字开关量,模拟量,对系统的每一个功能进行检测测试并在此基础上不断完善程序以达到系统要求。5.2 系统硬件调试相应的系统硬件也是在实验室里进行,用一个设备来摸仪控制对象。首先检查设备的诸个单元是否合乎要求,其次将软件和硬件结合起来进行测试。并不断完善PLC软硬件的配置以达到最优的结果。5.3 温度系统特性调功控温就是控制双向晶闸管的导通时间, 从而改变加热丝的加热功率来实现温度的控制。

61、首先, 将PID运算结果转换成一个内部定时器的计时值, 以确定延时时间。本系统采用的是调功电路，控制一个调功周期中的实际导通时间，需将输出量 转换为时间值的方式。由于使用内部定时器T200，时基为10ms，又由于调功周期选为，所以实际加热时间为t:t=, 将时间值存放在数据寄存器D中, 供定时器指令调用。在PLC中, 有两种方式产生PWM输出脉冲波,一种是由PLC的PWM专用指令产生, 但PWM波输出通道有限, 如FX2N系列PLC仅有Y0和Y1两个通道；另一种是用内部定时器来组织, 经开关量通道输出。本系统采用第二种方法, 由定时器T246产生一路PWM波,T246决定调功周期,为保证晶闸管的正常导通，确保主电路正常工作，PLC输出的脉冲必须与电网频率保持严格的同步关系。为此, 将与电网电源同步并保持倍频关系的基本数字脉