基于PLC温度控制系统的设计论文

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1、 . . . 题目： 基于PLC温度控制系统的设计 专 业： 测控技术与仪器 摘 要本文介绍基于PLC的温度控制系统的设计,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ek按积分分离PID控制算法,得到输出控制量uk,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。本系统对温度检测和调节环节做了进一步的优化设计,使该系统更实用、易行和可靠,同时也提高了产品质量和减轻人工劳力负担。它在实际应用中

2、具有一定参考价值。关键词：温度检测；温度传感器；A/D转换；PID. . . . ABSTRACTThe introduction of temperature-based PLC control system design, including A/D conversion, scaling transformation, temperature checking links, scoring a zero separation PID algorithms and digital triggering circuit design. Main elements : the actual t

3、emperature of the test temperature sensors, analog voltage is the value, volume via simulation A/D after his conversion and scaling practical furnace temperature. Digital signal controllers will be under constant temperature to the value and the actual temperature deviations e by scoring separation

4、PID control algorithms, with the volume of export control u , lead-time silicon-controlled rectifier control, regulate furnace temperature changes to the current agreement with the given constant temperature. Achieve thermostatic control purposes. Temperature of the system to do further testing and

5、regulatory aspects of the design optimization, enabling the system more practical and easy OK and reliable, while also raising product quality and reducing the burden of manual labor. It must have practical application in reference value. Keywords：temperature testing;Temperature sensors; A/D convers

6、ion; PID目 录前言1第一章 系统总体方案2第二章 系统硬件设计42.1 PLC选择42.1.1 FX2N-48MR-001PLC4 2.1.2 FX2N-4AD特殊功能模块5 2.2 硬件电路设计7 2.2.1 温度值给定电路8 2.2.2 温度检测电路8 2.2.3 过零检测电路10 2.2.4晶闸管电功率控制电路10 2.2.5 脉冲输出通道13 2.2.6报警指示与显示电路13 2.2.7 复位电路14第三章 系统软件设计15 3.1 编程与通信软件的使用15 3.2 程序设计16 3.3 系统程序流程图17 3.4 控制系统控制程序的开发18 3.4.1 温度设计18 3.4.

7、2 A/D转换功能模块18 3.4.3 标度变换程序20 3.4.4 恒温控制程序20 3.4.5 数字触发器程序设计24 3.4.6 显示程序26 3.4.7 恒温指示程序27 3.4.8 报警程序27第四章 总结与展望28 4.1 总结28 4.2 展望28致29参考文献30附录一：三菱FX系列PLC指令一览表31附录二：热电偶温度传感器和信号放大器33附录三：系统程序梯形图36前 言随着时代的发展,当今的技术日趋完善,竞争也愈演愈烈;传统的人工的操作已不能满足于目前的制造业前景,也无法保证更高质量的要求和提升高新技术企业的形象。在生产实践中,自动化给人们带来了极大的便利和产品质量上的保证

8、,同时也减轻了人员的劳动强度,减少了人员上的编制。在许多复杂的生产过程中难以实现的目标控制、整体优化、最佳决策等,熟练的操作工、技术人员或专家、管理者却能够容易判断和操作,可以获得满意的效果。人工智能的研究目标正是利用计算机来实现、模拟这些智能行为,通过人脑与计算机协调工作,以人机结合的模式,为解决十分复杂的问题寻找最佳的途径。可编程序控制器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。在工业生产过程中,加热炉温度控制是十分常

9、见的。温度控制的传统方法是人工仪表控制。其重复性差,工艺要求难以保证,人工劳动强度大。目前大多数使用微机代替常规控制。以微机为核心控制系统虽然成本较低,但微机的可靠性和抗干扰性较差而使其硬件设计较复杂。而以PLC为核心的控制系统,虽然成本较高,但PLC本身就有很强的抗干扰性和可靠性,因而系统的硬件设计也简单得多。所以,相比较于微机控制,PLC控制在过程控制方面更具有优势。这种系统控制精度高、重复性好、自动化程度高,可以大大提高产品质量和减轻工人的劳动负担。本文介绍了以PLC为核心实现PID算法的温度控制系统的设计方法。第一章 系统总体方案根据设计任务和要求,采用常规PID控制的温度控制系统结构

10、如图1-1所示。图1-1 常规PID温度控制系统的结构对应图1-1的系统结构,确定总体设计方案如图1-2所示：图1-2 总体设计方案该总体方案主要由以下几个部分组成1温度值给定电路：主要功能是在给定值输入允许的情况下,接收十进制温度值给定。给定值围为280700。2PLC：主要完成PID调节功能以及数据变换。3电源同步信号产生电路：主要功能是产生与电源同步的周波信号。电源周波信号用作数字触发电路的输入信号。4数字触发电路：主要功能是输出晶闸管触发脉冲,触发晶闸管导通,根据数字控制器的输出值,控制晶闸管的导通周波个数,以达到电功率控制功能。5温度检测电路：主要功能是将温度传感器的输出信号进行放大

11、,并进行A/D转换。6温度显示与报警指示电路：主要功能是完成电阻炉温度的实时显示以及故障报警和恒温指示。7复位电路：完成系统的运行/停止。系统工作原理：温度传感器将炉温变换为模拟信号,经低通滤波器滤掉干扰信号后送放大器,将信号放大后送A/D模块转换为数字量送PLC,数字量经标度变换,得到实际炉温。数字控制器根据恒温给定值与实际炉温Q的偏差ek按积分分离PID控制算法,得到输出控制量uk,控制晶闸管导通时间,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。当恒温时间到、输入错误或系统发生故障时,系统发出报警信号,同时用三个数码管对电阻炉温度进行实时显示。第二章 系统硬件设计2.1 PLC选

12、择根据设计方案的分析,系统设计需要使用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。在课程学习中,我们学习了三菱的FX系列PLC,因此,选择三菱FX2N-48MR-001基本I/O点数为24和FX2N-4AD特殊功能模块。2.1.1 FX2N-48MR-001 PLCFX2N系列PLC是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。它由基本单元、扩展单元、扩展模块等构成。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 PLC,为继电器输出类型,其输入、输出点数皆为是

13、24点,可扩展模块可用的点数为4864,附8000步RAM。其部资源如下：1输入继电器XX0X27,24点,八进制2输出继电器YY0Y27,24点,八进制3辅助继电器MM0M8255通用辅助继电器M0M4994状态继电器S0S9995定时器TT0T255T0T245为常规定时器6计数器CC0C2557指针P/I见表2-1和表2-28数据寄存器DD0D8255D0D199为通用型表2-1 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1099的整数。I610为每10ms执行一次定时器中断M8056I7XXM8057I8XXM8058表2-2 输

14、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：M8050M8058=0表允许；M8050M8058=1表禁止。2.1.2 FX2N-4AD 特殊功能模块FX2N-4AD为模拟量输入模块,有四个模拟量输入通道分别为CH1、CH2、CH3和CH4,每个通道都可进行A/D转换,将模拟量信号转换成数字量信号,其分辨率为12位。其模拟量输出性能如表2-3所示。表2-3 模拟量输出性能表项 目电压输入

15、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围1%对于-20+20mA围转换速度15ms/通道常速6ms/通道高速所有数据转换和参数设置的调整可通过FROM/TO指令完成。同时在编程过程中重点用到了BFM数据缓冲存储器,具体分布情况如表2-4所示。表2-4 BFM数据缓冲存储器分布表B

16、FM编号容#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转换速度设0,则选择正常速度,15ms/通道缺省设1,则选择高度,6ms/通道BFMB7B6B5B4B3B2B1B0#16#19保留#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,

17、增益调整G4O4G3O3G2O2G1O1#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CH1,最高位数字控制CH4,各位数字的含义如下：X=0时设定输入围为-10V+10V；X=1时,设定输入围为+4mA+20mA；X=2时,设定输入围为-20mA+20mA；X=3时,关断通道。 另外,BFM#29的状态信息设置如表2-5所示。表2-5 BFM#29的状态信息设置#29缓冲器位ONOFFB0：错误当b1b4为ON时,b0=ON若b2b4任意

18、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14096B12：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0,12.2 硬件电路设计根据系统总体方案,设计系统的I/O地址分配如表2-6所示。表2-6 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X

19、0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X10X21SB2SB11Y6温度给定超出围报警Y10Y2312位8421三组BCD码输出2.2.1 温度值给定电路按设计要求,共设计了十个开关按键,作为温度给定值的输入端口,接收十进制数。给定值围为280700,若输入值超过给定值围,系统会发出报警信号亮红灯。设计电路如图2-1所示：SB1为温度值输入允许,SB2SB11分别表示十进制数09。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,

20、先后按下开关SB5、SB2和SB2,则表示给定温度值为300,并送PLC数据寄存器保存。图2-1 温度值给定电路2.2.2 温度检测电路温度检测是温度控制系统的一个很重要的环节,直接关系到系统性能。在PLC温度控制系统中,温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换还要将电压转换为数字量送PLC。其一般结构如图2-2所示。图2-2 温度检测基本结构温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压,其值一般为mA级,需要放大为满足A/D转换要求的电压值。然后送PLC的A/D转换模块进行A/D转换,得到表示温度的电压数字量,再用软件进行标度变换与误差补偿,得到测温点的实际温度值。本系统利用热电偶完成炉温检测热

21、端检测炉温,冷端置于0温度中、FX2N-4AD模块一个通道实现A/D转换。炉温检测与放大电路由热电偶、低通滤波、信号放大和零点迁移电路四部分组成。其电路如图2-3所示。热电偶和放大器原理及参数详见附录二。图2-3 炉温检测与放大电路图中,R1、C1完成低通滤波,R2、RP、2CW51组成零点迁移电路,炉温检测元件采用镍铬镍铝热电偶,分度号为EU-2,查分度表可得,当温度为0700时,输出电势为029.13mV。检测信号经二级放大后送FX2N-4AD模块,第一级放大倍数为50,第二级放大倍数为11.2,第二级放大还完成零点迁移,其输出电压为式中,为零点迁移值。根据设计要求,恒温值为400600,

22、本系统选取测温围为280700,将280作为测温起点零点。调整多圈电位器RP,使=50*11.38=569mV,当炉温为280时,=11.38mV,=569mV,于是=0。经零点迁移后,炉温为280700时,=11.3829.13mV,=09.94V,A/D转换后的数字量为02047。2.2.3 过零检测电路按设计要求,要求过零检测电路在每个电源周期开始时产生一个脉冲,作为触发器的同步信号,其设计电路如图2-4a所示。图2-4a 过零检测电路图中,GND为+5V电源地,LM339为过零比较器.LM339集成块部装有四个独立的电压比较器,共模围很大；差动输入电压围较大,大到可以等于电源电压。二极

23、管用作LM339输入保护。电路的工作波形如图2-4b所示。图2-4b 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是晶体闸流管的简称,也叫可控硅。它是一种半控型器件,是一种可以利用控制信号控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。它的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。也即说,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有两种方法,一是采用移相触发控制输入电压的大小,二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,因此采用过

24、零触发控制。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,电源的通断由二个晶闸管反并控制,如图2-5所示。图2-5 电功率控制电路这种控制方法的原理是：各晶闸管的触发角恒为0,使得一个周期电源均加在电热元件上,通过控制一个控制周期晶闸管导通周波数,就可控制电热元件消耗的电能。根据电热炉的数字模型可知,温度的增量与它消耗的电能成正比,而电热炉消耗的电能与晶闸管导通周波数成正比,因此,晶闸管导通周波数n与控制输出控制量uk的关系为n=K*u式中,K=/ 为比例系数约为1,为一个控制周期的电源周波数,温度偏差不同,则uk、n不同,电热炉消耗的电能亦不同,达到了根

25、据温度偏差调节输入电能,保证炉温按要求变化的目的。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。在这段时间里,晶闸管元件流过反向电流,接近终止时,很大,它与线路电感共同作用产生的电压L*可能损坏晶闸管,必须采取保护措施,在晶闸管两端并联阻容吸收装置。设计电路中的元器件的选择如下：1R和C的选择阻容吸收装置的参数按晶闸管ITN根据经验值选取为：R=80 C=0.15F 电容C的交流耐压为： 电阻R的功率应满足： 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,其熔体电流按下式选取：式中,5/6为

26、修正参数,为保证可靠与选用方便,一般取。实选熔体额定电流为20A的RLS-50螺旋式快速熔断器二只,分别与二只晶闸管串联,其额定电压为500V。3晶闸管的选择电阻炉的额定功率为4KW,电源电压为220V,故负载电流IL=18.2A。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,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：额定电压应为：根据以上计算,主回路的二只晶闸管选择为KP20-102.2.5 脉冲输出通道由于PLC有很强的抗干扰性和可靠性,且FX2N-48MR-001为继电器输出2A/1

27、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的输出点能可靠地触发晶闸管导通,而无须设计光电隔离和功率放大。脉冲输出通道电路如图2-6所示。图2-6 脉冲输出通道图中,初始时,Y0和Y1都为低电平,当系统检测到从X0输入的同步信号为高低电平时,Y0Y1由低电平变高电平,输出电流值为2A的触发电流,去触发晶闸管VT1VT2导通；当X0从高电平变低电平从低电平变高电平时,Y0Y1脉冲结束,电路恢复为初态。2.2.6 报警指示与显示电路按设计要求,报警指示电路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,完成指示、报警功能。显示电路由Y10Y2

28、3经过三个BCD-七段共阴数码管译码器74LS248,外接三个七段LED数码管带完成显示功能。设计电路如图2-7所示。图2-7 报警指示与显示电路2.2.7 复位电路复位电路由一个开关SB12完成开/关功能,当按下开关SB12时系统启动,正常运行,执行任务；当断开SB12时,系统停止运行,不执行任何任务。设计电路如图2-8所示。图2-8 复位电路第三章 系统软件设计PLC程序输入可以通过手持编程器、专用编程器或计算机完成。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；专用编程器价格高,通用性差,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

29、算机进行PLC编程和通信更具优势。本次软件设计即是利用计算机编程,在三菱PLC编程软件Fxgpwin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Fxgpwin,它供对FX0/FX0S、FX1、FX2/FX2C、FX1S、FX1N和 FX2N/FX2NC系列三菱PLC以及监控PLC中各软元件的实时状态。它的运行环境为MS-window3.1或window95以上的版本,其具体应用说明如下。1编程双击图标,即可进入编程环境。首先打开File文件菜单下的New新文件子菜单,选择FX2N PLC型号,进入程序编制环境。若想打开已有文件,打开File文件菜单下的Op

30、en打开子菜单,选择正确的文件和PLC型号后,按回车键即可。采用梯形图编写程序：打开View视图菜单,选中Ladder view梯形图子菜单。然后选择View视图菜单中的Tool bar工具栏、Status状态栏、Function bar功能键和Palette功能图四栏。梯形图中的软元件的选择既可通过以上Function bar功能键和Palette功能图完成,也可通过Tool bar工具栏完成。使用Edit编辑菜单下的Cut剪切、Undo撤消键入、Paste粘贴、Copy复制和Delete删除等栏目,可对软元件进行剪切、复制和粘贴等操作。2程序检查。双击Option选项菜单下的Program

31、 Check程序检查,进入程序检查环境,即可对程序进行检查,包括三项：检查软元件有无错误、检查输出软元件和检查各回路有无错误。3PLC程序下载正确连接好编程电缆,打开编程界面的PLC菜单下的Ports选择正确的串行口、传送频率后,按OK。打开PLC菜单下的transfers-write,输入程序步数,按确定即可下载程序到PLC上。4PLC运用和停止 下载完程序,把PLC机上的开关拨向RUN/STOP,或打开PLC菜单下的Remote Run/Stop栏目,即可运行/停止PLC。5软元件监控打开Monitor/Test监控/测试菜单下的Entry device monitor进入元件遥控,选择所

32、要的监控的软元件,即可监控各软元件。6程序打印打开File文件菜单下的Page Setup页面设置子菜单即可进行编程页面设置。打开File文件菜单下的Printer Setup打印机设置子菜单即可进行打印设置。7退出主程序打开File文件菜单下的Exit退出子菜单或按右上角的X按键,即可退出主程序。3.2 程序设计本设计系统采用三菱FX系列PLC控制。其输入、输出地址表如表2-6所示。另外,存分配如表3-1所示：表3-1 存分配表存器特定意义存器特定意义D0A/D转换数字量结果D30uD4温度给定值Q0D31uD5炉温QD32eD25触发周波数nD33eD26晶闸管允许触发标志D34eD27采

33、样周期计数器D35D100D121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3-1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ek=0 Y N差值ek10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3-1 系统程序流程图3.4 控制系统控制程序的开发针对本系统任务书的要求,要求控制系统实现恒温控制的功能,温度在280700围任意设定X10X21输入给定值,经过积分分离PID调节,实现恒温控制,并对实际温度进行实时LED数码显示

34、,同时有恒温指示和断偶报警信号指示。特编写以下控制程序。PLC指令见附录一,总程序见附录三。3.4.1 温度设定本设计系统利用十键数字输入指令,设定恒温给定值。程序如图3-2所示。图3-2 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围时,将给定值D38再送D4保存。否则输入出错报警Y6=1。3.4.2 A/D转换功能模块的控制程序温度检测硬件电路给定的A/D转换通道号CH2,完成炉温的A/D转换。为了提高抗干扰能力,程序采用了数字滤波措施,滤波方法是取8次输入的平均值作为检测结果。在此过程中设定炉温的模拟量送入FX2N-4AD模块的

35、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直接连PLC 的为0号模块。A/D转换功能的PLC程序如图3-3所示：图3-3 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#0A/D通道初始化,CH2为电压输入DC ：-10+10V,CH1、CH3和CH4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M25M1016位中,若无错M10=0和数字输出值正常M20=0,则BFM #6的容CH2通道的平均输入采样值将

36、传送到PLC的D0中。本程序设计以4.8s为一个控制周期,当控制周期到才读取A/D转换结果。控制周期计时中断服务程序I610如图3-4所示。图3-4 计时中断程序I610为每计时10ms便自动执行一次中断。当计时10ms到,系统执行I610中断服务程序,控制周期计数器D27加1,将D27与480比较,若相等则M331为ON4.8s计时到,同时将控制周期计数器D27清0。3.4.3 标度变换程序另外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为02047010V对应的数字量,通过模数转换得到的温度的数字量存入D0,根据此特性,输入数据对应的

37、模拟量应该为数字量占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送入D5,同时将所得的余数与0.5所对应的数字量进行比较,如果大于2,则将D5中的数加一,反之则不变。所得结果再加上280,就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3-5所示： 图3-5 标度变换程序3.4.4 恒温控制程序PID设计3.4.4.1 PID算法根据给定的工艺要求,温度控制分为三段：自由升温段、恒温段和自然降温段。自然降温无需控制和检测温度,自由升温只需监视炉温是否到达恒温值,只有恒温段需要控制与检测炉温。用于恒温控

38、制的调节器有多种形式,如大林算法、PD调节、PID调节、开关调节等,本系统选用实际中切实可行的积分分离PID调节,它能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：式中,et为t时刻给定的恒温值Q0与实际炉温Q之差。将其离散化,得式中,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；ek为本次采样时Q0与Q之差。令 3-1则有 式3-2 式中,、分别为调节器的比例、积分、微分系数。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T0.10.50.125其中,为纯比例控制时的临界振荡周期。将它们代入式3-1。即有因此,对四个参数的整

39、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。3.4.4.2 恒温控制程序为了减少超调和消除振荡现象,当自由升温小于给定的恒温值10,系统就开始进行恒温控制,恒温控制采用积分分离PID调节。系统的控制算法如下：当炉温Q大于给定恒温值10时,系统全速升温,令uk=240,240为一个控制周期4.8s的工频电源周波数。当ek10YN计算PD项uk=u+kpe-e+kde-2e+eu=240Ne5Y计算PD+I项u=u+kieu-ue-ee-e保存u结束图3-6 数字控制器程序图3-7 数字控制器程序3.4.5 数字触发器程序设计3.4.5.1 数字触发器组成与原理数字触发器按照调节器输出的

40、控制量控制输送给电阻炉的能量。由于晶闸管移相触发存在很大的谐波干扰污染电网,本系统采用过零触发,触发器的组成如图3-8所示。图3-8 过零数字触发器组成工作原理如下：数字触发器准备程序将控制量uk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为1。准备程序在每个控制周期执行一次。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为1,则在Y0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导通,使电源正半波加到电阻丝上。当电源负半波到来时由高电平变低电平,若晶闸管允许触发标志为1,则在Y1端产生一个触发脉冲,经光电隔离和功率放大后触发晶闸管VT2导通,使电源负半波

41、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工作,当已导通周波数等于n时,表示本控制周期向电阻丝输送的能量已达到控制要求,将晶闸管允许触发标志清0,Y0、Y1不再输出触发脉冲。3.4.5.2 数字触发器程序数字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3-9和图3-10所示。电源在一个控制周期4.8s有240个周波,而uk的最大亦也240,因此,晶闸管在一个控制周期的导通周波数n与控制量uk的关系为n=uk脉冲输出通道要求PLC输出的触发脉冲为正脉冲,故程序先使Y0或Y1由0变1,延时约0.01s后半个周波时间,再将Y0或Y1置0,在Y0或Y1端形

42、成一个宽约0.01s的正脉冲。图3-9 晶闸管触发准备程序图3-10 数字触发程序数字触发器功能的PLC程序如下图3-11所示：当X2为ON时,将uk送D25作触发周波数n,将其与0比较,若n大于0,则置位D26触发允许标志允许触发并将Y0和Y1置1。X0为电源周波信号输入端,当允许晶闸管触发时,当X0的上升沿下降沿到时Y0Y1输出1,延时半个周波时间后Y0Y1输出0,即在Y0Y1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1。直到D25为0止。D25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3-11 数字触发器程序3.4.6 显示程序本设计系统用

43、三个LED数码管含BCD译码器显示温度本系统设定温度围为280700,需要先将实际温度转换成BCD码,从Y10Y23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3-12所示：图3-12 显示程序将实际温度D5除以100得到百位数,存放D122中；同理,所得的余数D103除以10得到十位数存放D121中；余数D105为个位数存放D120中。D122、D121和D120中的数据分别从Y10Y13、Y14Y17和Y20Y23端口输出。经译码器译成相应的段码,送七段LED显示。3.4.7 恒温指示程序当实际温度与温度给定值相等时,系统发出恒温指示信号Y4=1,绿灯亮。

44、恒温指示程序如图3-13所示：图3-13 恒温显示程序将实际温度值D5与温度设定值D4进行比较,如果相等则令Y4为ON,恒温指示灯亮。同时令触发脉冲个数为0,系统将不对电阻炉加热。3.4.8 报警程序将A/D转换的数字量与2047比较,若连续两次检测到A/D转换的数字量大于2047,则表示断偶,系统输出断偶报警信号,Y5为ON,亮红灯。如图3-14所示。图3-14 报警程序第四章 总结与展望4.1 总结本文主要是针对基于PLC的模拟量控制的研究。PLC完成对系统现场的控制过程。通过功能模块实现了对模拟量、开关量、脉冲量的转换,从而达到了对上述变量的控制,以及显示、报警等功能。同时,控制系统现场

45、对变量的变换有着直观的显示作用。本文所做的主要工作:1温度设定由输入端口获得十进制输入,具备实时显示和报警功能,人机界面良好。2PLC编程实现积分分离PID算法。3基于PLC模拟量控制和过程控制实现温度控制。4过零触发晶闸管实现电功率的控制。由于本人能力尚存在不足,同时时间、条件的限制令本次系统的开发尚存在着不足,在今后的学习以及工作中会不断克服障碍4.2 展望由于PLC的诸多优点,也已经在工控领域得到了广泛引用,但是,还没有形成系统化、理论化的开发方法。随着可编程序控制器技术的发展,PLC已越来越多地应用于对模拟量的控制,所以应增加D/A,A/D转换及运算功能的仿真。同时,要尽量抑制干扰,尤

46、其是控制回路之外的干扰。过程控制系统开发工具功能的不断完善,使过程控制将具有更广阔的应用前景,对我国国民生产生活各个领域的自动化水平的提高都有着重要的意义。随着微机的软硬件技术和网络通讯技术的飞速发展,工业自动化领域发生了革命性的技术进步。而PLC及工控机作为工业控制的设备基础,通过技术的不断革新,在工业控制中的地位日益加强,并且成为工业控制技术进步的主要工具。致 本文是在夏庆观和路红老师的悉心指导下完稿的。在这几个月的学习生活中,夏老师、路老师渊博的学识,实干的作风和宽厚的师长作风,令我在生活、学习和思想上都受益匪浅。我在学习、生活、为人等诸多方面都得到了夏老师和路老师热心帮助和教导。夏老师

47、和路老师创造性的学术思想、严谨的治学态度、坚持理论联系实际的工作作风,都给我留下了深刻的印象。在这毕业设计即将结束之际,我谨向夏老师和路老师表达我由衷的意：夏老师、路老师,你们！在此,我还要感在毕业设计过程中为我提供三菱系列资料手册的尤正建同学,正是由于资料的齐备,才令我在课题设计中遇到障碍时,能尽快找到解决的方案。同时,我还要感文波同学和王江涛同学,感他们在这毕业设计的几个月的日常生活中,给予我热情的帮助和支持。正是有了夏老师、路老师和以上三位同学的帮助支持,才使我的论文顺利完成。最后,我要感我的家人,有了他们的关心和支持,我才有机会迎来这个人生重要阶段的结束,同时又开启了一扇走向崭新未来的

48、大门。衷心感所有关心、支持和帮助过我的老师和同学,大家！汪竹杰二一一年五月 于参 考 文 献1 郁汉琪主编. 电气控制与可编程序控制器应用技术M. ：东南大学,20032 永丰、祖润主编. 毕业设计指导M. ：工业大学,19963 赖寿宏主编. 微型计算机控制技术M. ：机械工业,20004 方承远主编. 工厂电气控制技术第二版M. ：机械工业,20005 王炳实主编. 机床电气控制M. ：机械工业,19996 HEWLETT-PACKARD 8175A Digital Signal Generator. Operating and Programming Guide.7 万忠主编. 可编程序

49、控制器应用技术M. ：化学工业,20028 尚雅层,朝兰主编. Electromechanical Engineering English Readings M. ：电子科技大学,19949 三菱公司编. 三菱FX系列可编程序控制器特殊功能模块用户手册,200110 三菱公司编. 三菱可编程序控制器应用101例,1994附录一 三菱FX系列PLC指令一览表一、基本指令本系统所涉及指令助记符、名称功能指令助记符、名称功能LD取触点运算开始ORB电路块或串联电路块的并联连接LDI取反触点运算开始OUT输出线圈驱动指令LDP取脉冲上升沿检测运算开始SET置位线圈接通保持指令LDF取脉冲下降沿检测运算

50、开始RST复位线圈接通清除指令AND与串联连接MPS进栈运算存储ANDI与非串联连接MRD读栈存储读出OR或并联连接MPP出栈存储读出与复位ORI或非并联连接NOP空操作无动作ANB电路块与并联电路块的串联连接END结束顺控程序结束二、功能指令本系统所涉及指令分类功能号FNC NO.指令助记符功能程序流程00CJ条件跳转01CALL子程序调用02SRET子程序返回03IRET中断返回04EI中断许可05DI中断禁止06FEND主程序结束指令分类功能号FNC NO.指令助记符功能传送与比较10CMP比较11ZCP区域比较12MOV传送18BCDBCD转换四则逻辑运算20ADDBIN加法21SUB

51、BIN减法22MULBIN乘法23DIVBIN除法24INCBIN加一数据处理40ZRST批次复位外围设备I/O70TKY数字键输入十键73SEGD7段译码78FROMBFM读出79TOBFM写入附录二 热电偶温度传感器和信号放大器1热电偶传感器热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛的一种传感器,具有精度高、测量围广、构造简单、使用方便等优点。 热电偶是由两种不同材料的导体A和B连接在一起构成的感温元件,如图F-1所示。图F-1 热电偶测温原理图A和B的两个接点1和2之间存在温差时,回路中便产生电动势,形成一定大小的电流,这一现象称为热电效应,也叫温差电效应。热电偶就是利用这个原理测量温度的。

52、 如图F-2-1所示,热电偶的一端是将A、B两种导体焊接在一起,称为工作端,置于温度为的被测介质中；另一端称为参比端,也称自由端或冷端,该端的A、B两种导体是隔开的,放在温度为的恒定温度下。当工作端即被测介质温度发生变化时,热电偶断开处的热电势随之发生变化,将它放大后送入显示、记录仪表或A/D转换器,即可得到工作端的温度值。 热电偶两端的电势可用下式表示：=-式中：为热电偶的热电势；是温度为时的热电势；是温度为时的热电势。当冷端的温度恒定时,热电势是工作端温度的单值参数：=f。从理论上讲,只要是两种不同性质的导体都可配置成热电偶,但实际并非如此。组成热电偶时还要考虑灵敏度、精确度、可靠性、稳定

53、性等条件。热电偶的种类很多,每一种热电偶都有一个代号和分度号,以便选择和配备二次仪表。我国统一设计的几种工业常用热电偶的材料、代号、分度号及测量围如表F-2所示。表F-2 几种常用热电偶的材料成分、代号、分度号及测温围表名称材料成分代号分度号测量温度围正级负级铜康铜纯铜康铜WRCCK-200+300镍铬考铜镍铬考铜WRKEA-20800镍铬镍硅镍铬镍硅WRNKBU-201300镍铬镍铝镍铬镍铝WRNEU-201200铂铑10铂铂铑纯铂WRPSLB-301600铂铑30铂6铂铑铂铑WRPLB-201800热电偶的输出电势与工作端温度的关系是一单调非线性函数。不同分度号的热电偶,有不同的温度-电势

54、关系,分度表是冷端为0度时的工作端温度-电势关系的表格表示,分度曲线则是其图形表示,它们都是设计温度检测环节的重要依据。各分度号的分度表、分度曲线请查阅电机工程手册第二卷附录。2半导体集成IC温度传感器IC温度传感器是利用半导体PN结的电流、电压与温度有关这一特性进行温度电流或电压变换。这种传感器输出线性好,精度也比较高,而且把传感器驱动电路、信号处理电路等与温度部分一起集成在同一个芯片上,因而体积小,使用方便。如AN6701、LM134、AD590等。LM134是一种IC温度传感器。LM134的测量围为-55度125度,可为340V。IC温度传感器在PLC控制系统中,通常用于室温或环境温度检测,以便