毕业设计（论文）-基于PLC实现的水温控制.doc

陕西理工学院毕业设计 基于基于 PLC 实现的水温控制实现的水温控制 XXX （陕西理工学院 电气工程系 自动化专业，2007 级 2 班，陕西 汉中 723003） 指导教师：XXX 摘要摘要 针对工农业生产中现有的水温控制系统可靠性低、控制精度差、成本高等缺点。我们利用三菱 FX0N60-MR 型 PLC 构建了一个水温控制系统对这一问题进行了研究。在整个控制系统中以电阻炉作为被控对象， 以水温为被控变量，以三菱 FX0N60-MR 型 PLC 为控制器，输入部分外加光电耦合器，并用按键和数码管构建了人 机接口设置目标温度；控制算法的选择经过对模糊控制和 PID 算法的实验对比，最终选择采用 PID。PLC 程序利用 梯形图编程语言进行编写。在系统搭建完成后我们利用试凑法，通过大量实验对 PID 控制器的参数进行了优化，进 过测试系统能够达到设计要求。除此之外该系统还具有硬件结构简单、系统可靠性高、制作成本低廉、控制器参数 易于调试等优点。能够利用小型 PLC 实现对水温较高精度的控制。 关键词关键词PLC 温度控制 PID 陕西理工学院毕业设计 PLC-based temperature control to achieve Liao zhong lin (Grade 07,Class2,Major Automation ，Department of Electrical Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi) Tutor: Liu pei Abstract According to the existing water temperature in the industry and agriculture production control system reliability, low cost, high control precision poor shortcomings. We use mitsubishi FX0N60-MR type PLC has constructed a water temperature control system for this problem is studied. In the whole control system to resistance furnace as controlled object to water temperature as controlled variables, the mitsubishi FX0N60-MR type PLC as the controller, input part plus photoelectric couplers, buttons and digital tube and constructing the man-machine interface set target temperature; The choice of control algorithm based on fuzzy control and PID algorithm experimental, finally choosing PID. PLC program use ladder diagram programming language to write. After the completion of the structures in the system we use trail-and-error, through a large number of experiments of PID controller parameters are optimized, the test system can meet the design requirements. Besides this system also has the hardware structure is simple, system reliability high, production cost is low, and the controller parameters is easy to debug, etc. Can use small PLC to control the water temperature higher accuracy. Key words PLC temperature control PID 陕西理工学院毕业设计 目 录 绪论 1 1设计方案的论证 2 1.1 PLC 的选型2 1.1.1 常用 PLC 的特点比较.2 1.1.2 本设计 PLC 的选型.3 1.2 控制方案的选择3 1.2.1 采用模糊控制的温度控制3 1.2.2 采用 PID 算法的温度控制 .3 1.2.3 控制方案的选择.4 2硬件电路的设计 5 2.1 PLC 硬件资源分配设计5 2.2 温度传感器 .8 2.2.1 利用温度变送器采集.8 2.2.2 利用 DS18B20 采集.8 2.3 输入部分电路设计 .10 2.3.1 设置输入部分电路设计.10 2.3.2 AD 转换结果输入部分电路设计10 2.4 输出部分电路设计10 3系统软件的设计 13 3.1 PLC 编程语言简介 .13 3.2 输入部分程序设计15 3.3 显示部分程序 .15 3.4 PID 运算部分程序设计.15 4系统的调试 19 4.1 硬件调试19 4.2 软件调试19 4.1 软硬件联合调试19 4.3 实验数据19 参考文献 20 英语科技文献翻译 21 陕西理工学院毕业设计 附录 34 附录 A：源程序34 附录 B：元器件清单37 附录 C：电路总图38 附录 D：实物图39 致 谢 40 陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 40 页 绪论 温度控制系统在各行各业的应用虽然很广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平 仍然不高。工农业生产中现有的温度控制系统存在着可靠性低、控制精度差、成本高等缺点。同美 国、日本、欧洲等先进国家和地区相比仍然有着很大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于很 落后水平，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。对于要求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。现状中的问题主要体现在以下两个方面： 位式调节器依然占主导地位。工业现场对温度控制，常用有位式调节器和 PID 控制器等。位式 调节器作为一种温度控制仪表，具有一些无法消除的缺陷，当炉温大于给定值时不加电压，会导致 超调大，常有控制精度差或出现失控【基于模糊控制的 PLC 在温度控制中的运用 J. 电气传动， 2005 年，35 卷第 8 期,54-59.】 。 稳定性差、可靠性低。随着现代传感技术与控制方法的不断革新和发展，对实时温度控制的精 度以及反应快速性的要求越来越高。温度控制广泛的应用于生产与工业控制流程的各个方面，比如 精细材料加工流程中温度的控制、锅炉供暖系统温度的控制以及化学染色系统的温度控制上。传统 的模拟式温度控制方法已经不能适用干现代工业对系统稳定性和快速性的需求，特别是当系统的温 度指令信号发生快速变化时，传统的模拟控制器固有的反应时间和器件特性使系统的反应稳定过程 较慢、而且易受干扰，不能适应现代高精度温度控制的需求。 【李国萍.基于 PLC 的温度控制系统的 设计J.科技创新导报，2010 年 7 期，86.】 。 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。 本课题主要要解决问题是通过对水温控制进行研究，实现对温度的高精度控制。在硬件实现上， 我们要解决外围电路与 PLC 的连接，解决好各种输入输出设备的协调工作。本题目以电阻炉为被控 对象，以水温为被控参数，以 PLC 为控制器，构成水温控制系统；采用 PID 算法，运用 PLC 梯形图 编程语言进行编程，实现水温的自动控制。本课题将要解决的主要问题是熟悉 PLC 的使用和编程， 并用 PLC 编程实现 PID 算法，并通过实际调试优化控制器参数，实现对水温的高精度控制。 系统设计大体如下，PLC 采用三菱 FX0N60MR，由于没有热电偶变送器及与三菱 FX0N60MR 搭配 使用的 AD 模块，我们决定采用 DS18B20 采集温度，使用 AT89C2051 单片机制作一个 PLC 输入模块， 将温度通过光电耦合器连接到 PLC 的输入节点，并设置按钮和数码管做为人机交互模块，通过 PLC 输出接点驱动继电器，调节电热炉工作的占空比。实现对炉内水温的控制。 陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 40 页 1设计方案的论证 设计水温控制的方法有多种多样，方案是多种多样的，由于 PLC 型号的多样性和控制理论的 发展，控制方法的多样性，选择不同型号的 PLC 或者采用不同的控制算法，都会产生不同的炉温 控制方案，下面从 PLC 选型和控制算法两方面进行方案的选择。 1.1 PLC 的选型的选型 可编程控制器简称 PLC（Programmable logic Controller)是一种工业控制用计算机，是继承自动 控制技术、计算机和电子及通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜， 可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此 PLC 已在 工业控制的各个领域中被广泛地使用。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。现在 PLC 的功能强大，质量优良，品牌很多，特点各异。其中著名品牌有西门子、三菱、欧姆龙、施耐德等 等。 图1.1 PLC 原理图 1.1.1 常用常用 PLC 的特点比较的特点比较 市面上最常见的是三菱、西门子、欧姆龙三家公司的 PLC，现在我对它们简单的进行一下对比 介绍。 三菱系列的 PLC 三菱 PLC 英文名又称：Mitsubish Power Line Communication， 三菱 PLC 在中国市场常见的有 以下型号： FR-FX1N FR-FX1S FR-FX2N FR-FX3U FR-FX2NC FR-A FR-Q。FX 系列 PLC 的主要 特点：编程语言。在 FX 系列可编程控制器控制器中，除基本的指令表变成方式外，还可以采用在 图形画面上进行阶梯符号作图的梯形图编程方式，以及对应机械动作流程进行顺控设计的 SFC（顺 序功能图）方式，而且，这些程序可以相互转换换。指令表及梯形图程序如果按一定的规则编写， 也可以实现到 SFC 图的逆变换。高速处理三菱系列 PLC 可以实现高速处理，FX 系列可编程控制器 内置的高速计数器，对来自特定的输入继电器的高速脉冲进行中断处理，因此与扫描时间无关，可 以进行高达 60kHz/h 的高速脉冲。在可编程控制器中设置了 C-R 滤波器，以防止输入信号的震动和 噪音的影响。可以对脉冲进行捕捉，在脉冲捕捉中可以监视来自特定输入的脉冲信号，也可以在输 入时采用中断处理设置特殊辅助继电器。FX 的 PLC 支持顺序控制。可编程控制器的扫描周期是恒 定模式，采用次模式可以以固定的周期处理和运算同步执行的指令。在设备不停机的情况下也可以 对运行过程中的程序进行改变的功能。应用指令 FX 系列 PLC 基于追求“基本功能、高速处理、便 于使用”的规范理念，FX 可编程控制器具有数据的传送和比较，四则运算及逻辑运算、数据的循环 和位移等基本指令，还有输入输出刷新、中断、高速计算器专用比较指令、高速脉冲输出等高速处 理指令，以及在 SFC 控制方面，将机械控制的标准动作封袋化的状态初始化指令等。此外，还提 供了可适应更复杂的控制的浮点运算及 PID 运算等。 陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 40 页 西门子系列 PLC 西门子 SIAMTIC 模块化控制器有着很大的优势，它可以即买即用，长期兼容性和可用性， 可以在恶劣环境下工作，模块还可以扩展和升级。西门子的产品十分的抗震动，通过集中式和 分布式 I/O 控制。所以西门子在最近的一些年内能够很有力的打进中国的市场并能在中国的市 场牢牢的扎根。这和西门子产品的质量和性能有着十分大的关系. 其中就有 S7-200、S7- 300、S7-400。S7-200 它适用于一系列机械设备的制造或用作独立的解决方案，微型自动化系统 的组成部分，STEP 7 Micro/WIN 工程组态软件应用于它， ，应用于性能要求较低的自动化任务。它 是低成本的微型系统。西门子 S7-300 它设计紧凑，安装在 DIN 导轨上，在 CPU 中集成了许多功 能，通过在微型存储器上保持数据实现免维护， PROFIBUS 上的等时模式，属于故障安全类型。 西门子 S7-400 具有多种机架类型的机架系统，优异的高速处理能力和通讯性能，可以在运行中更 改组态，PROFIBUS 上的等时模式(图 1)，还支持 PROFIBUS 连接分布式 I/O(如图 2)，属于故障安 全和容错类型，热插拔。S7-400 的 三个 H CPU，支持硬件同步, 功能强大的解决方案，不会发生 任何信息损失，且可对工程任务提供高级支持，无需额外的编程费用, 可以为安全应用轻松扩展 H 系统。西门子 plc 现在不仅全面使用 16 位、32 位高性能微处理器，高性能位片式微处理器， RISC(reduced instruction set computer)精简指令系统 CPU 等高级 CPU，而且在一台 PLC 中配置多个 微处理器，进行多通道处理，同时生产了大量内含微处理器的智能模块，使得第四代 PLC 产品成 为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其 实的多功能控制器 欧姆龙 PLC 欧姆龙 PLC 包括微型机，中型机，大中型机三种。CPM1A 微型机属于结构紧凑、成本较低的 PLC，在 CPU 单元中装配了 1040 点的输入输出端子，为一体化组建型的 plc。增加了实现平稳输 入输出动作的输入滤波器功能、外部输入中断功能、快速响应输入功能、高速计数器功能，模拟设 定定时器功能等采用快速山村，无电池的内存支持得以实现，维护简单化。 1.1.2 本设计本设计 PLC 的选型的选型 由于硬件环境的限制学校实验室现仅有三菱 FX0N60MR 和西门子 S7-200 两种型号的 PLC，由 于在此之前对三菱 PLC 进行过系统的学习，而且三菱系列的 PLC 配有手持编程器，易于在现场对 PID 参数进行整定所以选择了三菱 FX0N60MR 型 PLC 为控制器。 1.2 控制方案的选择控制方案的选择 采用不同的控制算法，产生的控制结果也会大不相同，根据现有的知识，初步决定从经典控制 理论和智能控制理论中选取了 PID 和模糊控制两种控制方案。现将两种控制方案大致介绍如下。 1.2.1 采用模糊控制的温度控制采用模糊控制的温度控制 这个设计方案控制算法采用模糊控制，根据以往的经验，根据实测温度与设定的温度计算偏差 大小，根据偏差划分偏差隶属度区间，设定规则库，控制时根据偏差和相应的规则库调节控制量的 大小。运用 PLC 编程时，数据运算处理比较繁琐，但是 PLC 内部具有比较指令和区间比较指令， 用其实现模糊推理相对容易，所以该方案在编程实现上具有一定优势。 1.2.2 采用采用 PID 算法的温度控制算法的温度控制 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 ts、比例系数 Kp、积分系数 Ki、微分系数 Kd。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 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 40 页 问题成为关键问题。运用该方案最大的优点就是控制精度要高方案一。 1.2.3 控制方案的选择控制方案的选择 第一种方案采用模糊控制的温度控制设计其优点是，控制原理简单、思路清晰，能够满足一般 的控制精度。但对控制精度要求较高场合的不适应，切组建模糊规则需经过长时间大量实验修改确 定。而第二种方案采用 PID 算法的温度控制不仅能够继承上一种方案的各种优点，还能改进上一种 设计方案设计不灵活，隶属度函数组建困难，调试耗时，控制精度低等缺点。所以本设计选择了第 二种方案。 陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 40 页 2硬件电路的设计 2.1 PLC 硬件资源分配设计硬件资源分配设计 本设计中选用是三菱公司的 FX0N-MR60 型 PLC。M 表示是基本模块，R 表示是继电器输出。 FX 系列 PLC 是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原 F、F1、F2 系列 PLC 产品。其中 FX2 是 1991 年推出的产品，FX0 是在 FX2 之后推出的超小型 PLC 三菱 PLC。其具有系统配置即固定又灵活；编程简单；备有可自由选择，丰富的品种外设； 令人放心的高性能；高速运算；可使用于多种特殊用途等特点。 图 2.1 三菱 FX0N-60MR 型 PLC 外形图 三菱 FX 系列 PLC 常数（K、H） K 是表示十进制整数的符号，主要用来指定定时器或计数器的设定值及应用功能指令操作数中 的数值；H 是表示十六进制数，主要用来表示应用功能指令的操作数值。 三菱 FX 系列 PLC 指针（P、I） 在 FX 系列中，指针用来指示分支指令的跳转目标和中断程序的入口标号。分为分支用指针、 输入中断指针及定时中断指针和记数中断指针。 分支用指针（P0P127） FX2N 有 P0P127 共 128 点分支用指针。分支指针用来指示跳转指令（CJ）的跳转目标或子 程序调用指令（CALL）调用子程序的入口地址。 中断指针（I0I60） 中断指针是用来指示某一中断程序的入口位置。执行中断后遇到 IRET（中断返回）指令，则 返回主程序。中断用指针有以下三种类型。 输入中断用指针（I00I50）共 6 点，它是用来指示由特定输入端的输入信号而产生中断的中 断服务程序的入口位置，这类中断不受 PLC 扫描周期的影响，可以及时处理外界信息。 定时器中断用指针（I6I8）共 3 点，是用来指示周期定时中断的中断服务程序的入口位置， 这类中断的作用是 PLC 以指定的周期定时执行中断服务程序，定时循环处理某些任务。处理的时 间也不受 PLC 扫描周期的限制。表示定时范围，可在 1099ms 中选取。 计数器中断用指针（I010I060）共 6 点，它们用在 PLC 内置的高速计数器中。根据高速计数 器的计数当前值与计数设定值之关系确定是否执行中断服务程序。它常用于利用高速计数器优先处 理计数结果的场合。 三菱 FX 系列 PLC 数据寄存器（D） 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 40 页 PLC 在进行输入输出处理、模拟量控制、位置控制时，需要许多数据寄存器存储数据和参数。 数据寄存器为 16 位，最高位为符号位。可用两个数据寄存器来存储 32 位数据，最高位仍为符号位。 数据寄存器有以下几种类型。 通用数据寄存器（D0D199） 共 200 点。当 M8033 为 ON 时，D0D199 有断电保护功能；当 M8033 为 OFF 时则它们无断 电保护，这种情况 PLC 由 RUN STOP 或停电时，数据全部清零。 特殊数据寄存器（D8000D8255） 共 256 点。特殊数据寄存器的作用是用来监控 PLC 的运行状态。如扫描时间、电池电压等。 未加定义的特殊数据寄存器，用户不能使用。具体可参见用户手册。 变址寄存器（V/Z） FX2N 系列 PLC 有 V0V7 和 Z0Z7 共 16 个变址寄存器，它们都是 16 位的寄存器。变址寄 存器 V/Z 实际上是一种特殊用途的数据寄存器，其作用相当于微机中的变址寄存器变，用于改变元 件的编号（变址），例如 V0=5，则执行 D20V0 时，被执行的编号为 D25（D20+5）。变址寄存器 可以象其它数据寄存器一样进行读写，需要进行 32 位操作时，可将 V、Z 串联使用（Z 为低位，V 为高位）。 三菱 FX 系列 PLC 定时器（T） PLC 中的定时器（T）相当于继电器控制系统中的通电型时间继电器。它可以提供无限对常开 常闭延时触点。定时器中有一个设定值寄存器（一个字长），一个当前值寄存器（一个字长）和一 个用来存储其输出触点的映象寄存器（一个二进制位），这三个量使用同一地址编号。但使用场合 不一样，意义也不同。 FX2N 系列中定时器时可分为通用定时器、积算定时器二种。它们是通过对一定周期的时钟脉 冲的进行累计而实现定时的，时钟脉冲有周期为 1ms、10ms、100ms 三种，当所计数达到设定值时 触点动作。设定值可用常数 K 或数据寄存器 D 的内容来设置。 通用定时器 通用定时器的特点是不具备断电的保持功能，即当输入电路断开或停电时定时器复位。通用定 时器有 100ms 和 10ms 通用定时器两种。 100ms 通用定时器（T0T199）共 200 点，其中 T192T199 为子程序和中断服务程序专用定 时器。这类定时器是对 100ms 时钟累积计数，设定值为 132767，所以其定时范围为 0.13276.7s。 10ms 通用定时器（T200T245）共 46 点。这类定时器是对 10ms 时钟累积计数，设定值为 132767，所以其定时范围为 0.01327.67s。 积算定时器 积算定时器具有计数累积的功能。在定时过程中如果断电或定时器线圈 OFF，积算定时器将保 持当前的计数值（当前值），通电或定时器线圈 ON 后继续累积，即其当前值具有保持功能，只有 将积算定时器复位，当前值才变为 0。积算定时器有 1ms 和 100ms 积算定时器两种。 1ms 积算定时器（T246T249）共 4 点，是对 1ms 时钟脉冲进行累积计数的，定时的时间范 围为 0.00132.767s。 100ms 积算定时器（T250T255）共 6 点，是对 100ms 时钟脉冲进行累积计数的定时的时间 范围为 0.13276.7s。 三菱 FX 系列 PLC 内部计数器 内部计数器是在执行扫描操作时对内部信号（如 X、Y、M、S、T 等）进行计数。内部输入信 号的接通和断开时间应比 PLC 的扫描周期稍长。16 位增计数器（C0C199）共 200 点，其中 C0C99 为通用型，C100C199 共 100 点为断电保持型（断电保持型即断电后能保持当前值待通 电后继续计数）。这类计数器为递加计数，应用前先对其设置一设定值，当输入信号（上升沿）个 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 40 页 数累加到设定值时，计数器动作，其常开触点闭合、常闭触点断开。计数器的设定值为 132767（16 位二进制），设定值除了用常数 K 设定外，还可间接通过指定数据寄存器设定。 三菱 FX 系列 PLC 辅助继电器（M） 辅助继电器是 PLC 中数量最多的一种继电器，一般的辅助继电器与继电器控制系统中的中间 继电器相似。 辅助继电器不能直接驱动外部负载，负载只能由输出继电器的外部触点驱动。辅助继电器的常 开与常闭触点在 PLC 内部编程时可无限次使用。 辅助继电器采用 M 与十进制数共同组成编号（只有输入输出继电器才用八进制数）。 通用辅助继电器（M0M499） FX2N 系列共有 500 点通用辅助继电器。通用辅助继电器在 PLC 运行时，如果电源突然断电， 则全部线圈均 OFF。当电源再次接通时，除了因外部输入信号而变为 ON 的以外，其余的仍将保持 OFF 状态，它们没有断电保护功能。通用辅助继电器常在逻辑运算中作为辅助运算、状态暂存、移 位等。 根据需要可通过程序设定，将 M0M499 变为断电保持辅助继电器。 断电保持辅助继电器（M500M3071） FX2N 系列有 M500M3071 共 2572 个断电保持辅助继电器。它与普通辅助继电器不同的是具 有断电保护功能，即能记忆电源中断瞬时的状态，并在重新通电后再现其状态。它之所以能在电源 断电时保持其原有的状态，是因为电源中断时用 PLC 中的锂电池保持它们映像寄存器中的内容。 其中 M500M1023 可由软件将其设定为通用辅助继电器。 特殊辅助继电器 PLC 内有大量的特殊辅助继电器，它们都有各自的特殊功能。FX2N 系列中有 256 个特殊辅助 继电器，可分成触点型和线圈型两大类。触点型其线圈由 PLC 自动驱动，用户只可使用其触点。 例如： M8000：运行监视器（在 PLC 运行中接通），M8001 与 M8000 相反逻辑。M8002：初始脉冲（仅 在运行开始时瞬间接通），M8003 与 M8002 相反逻辑。M8011、M8012、M8013 和 M8014 分别是 产生 10ms、100ms 、1s 和 1min 时钟脉冲的特殊辅助继电器。线圈型由用户程序驱动线圈后 PLC 执行特定的动作。例如：M8033：若使其线圈得电，则 PLC 停止时保持输出映象存储器和数据寄 存器内容。M8034：若使其线圈得电，则将 PLC 的输出全部禁止。M8039：若使其线圈得电，则 PLC 按 D8039 中指定的扫描时间工作。 状态器（S） 状态器用来纪录系统运行中的状态。是编制顺序控制程序的重要编程元件，它与后述的步进顺 控指令 STL 配合应用。状态器有五种类型：初始状态器 S0S9 共 10 点；回零状态器 S10S19 共 10 点；通用状态器 S20S499 共 480 点；具有状态断电保持的状态器有 S500S899，共 400 点； 供报警用的状态器（可用作外部故障诊断输出）S900S999 共 100 点。 在使用用状态器时应注意：状态器与辅助继电器一样有无数的常开和常闭触点；状态器不与步 进顺控指令 STL 配合使用时，可作为辅助继电器 M 使用。 三菱 FX 系列 PLC 输出继电器（Y） 输出继电器是用来将 PLC 内部信号输出传送给外部负载（用户输出设备）。输出继电器线圈 是由 PLC 内部程序的指令驱动，其线圈状态传送给输出单元，再由输出单元对应的硬触点来驱动 外部负载。 每个输出继电器在输出单元中都对应有维一一个常开硬触点，但在程序中供编程的输出继电器， 不管是常开还是常闭触点，都可以无数次使用。 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 40 页 FX 系列 PLC 的输出继电器也是八进制编号其中 FX0N60MR 编号范围为 Y00Y27（24 点）。 与输入继电器一样，基本单元的输出继电器编号是固定的，扩展单元和扩展模块的编号也是按与基 本单元最靠近开始，顺序进行编号。 三菱 FX 系列 PLC 输入继电器（X） 输入继电器与输入端相连，它是专门用来接受 PLC 外部开关信号的元件。PLC 通过输入接口 将外部输入信号状态（接通时为“1”，断开时为“0”）读入并存储在输入映象寄存器中。 输入继电器必须由外部信号驱动，不能用程序驱动，所以在程序中不可能出现其线圈。由于输 入继电器（X）为输入映象寄存器中的状态，所以其触点的使用次数不限。 FX 系列 PLC 的输入继电器以八进制进行编号，FX2N 输入继电器的编号范围为 X000X267（184 点）。注意，基本单元输入继电器的编号是固定的，扩展单元和扩展模块是按与 基本单元最靠近开始，顺序进行编号。例如：基本单元 FX0N-64MR 的输入继电器编号为 X000X037（32 点）。 SWOPC-FXGP/WIN-C 是与电脑相连的三菱 PLC 的编程软件，它可以将写好的梯形图直接下载 到 PLC 里，但需要下载线 RS232，由于没有下载线，所以用编程器进行编程。 经过对 PLC 内部资源的了解，我们对 PLC 端口资源作如下分配。输入部分： 2.2 温度传感器温度传感器 温度采集开始想的是用热电偶测温，通过对变送器送出来的是 1-5V 的电压信号进行 AD 转换 得到对应温度。起初方案是采用 ADC0809 做转换芯片，NE555 做 08009 的时钟源，做出来是 78.9KHZ，用 PLC 控制 0809 的时序，但是由于这是个转换过程和数据处理都很复杂。最主要是精 度较低，所以最终还是选用了 DS18B20 做温度传感器测水温。下面将两种方案简单介绍如下。 2.2.1 利用温度变送器采集利用温度变送器采集 温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度 参数的测量和控制。 温度变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转 换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的， 因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器） ，有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总 线功能。 变送器如果由两个用来测量温差的传感器组成，输出信号与温差之间有一给定的连续函 数关系。故称为温度变送器。 变送器输出信号与温度变量之间有一给定的连续函数关系（通常为 线性函数） ，早期生产的变送器其输出信号与温度传感器的电阻值（或电压值）之间呈线性函数关 系。 标准化输出信号主要为 0mA10mA 和 4mA20mA（或 1V5V）的直流电信号。不排除具有特殊规 定的其他标准化输出信号。 Pt100 是铂热电阻温度变送是一种可选的温度变送器，Pt100 的阻值会随着温度的变化而改变。 PT 后的 100 即表示它在 0时阻值为 100 欧姆，在 100时它的阻值约为 138.5 欧姆。它的工业原 理：当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。 2.2.2 利用利用 DS18B20 采集采集 DALLAS 最新单线数字温度传感器 DS18B20 简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、 更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温 度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引 入全新概念。DS18B20、 DS1822 “一线总线”数字化温度传感器 同 DS1820 一样，DS18B20 也 支 持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C 范围内,精度为0.5C。DS1822 的精度较差为 2C 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。 适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前 一代产品不同，新的产品支持 3V5.5V 的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品 更便宜，体积更小。 DS18B20、 DS1822 的特性 DS18B20 可以程序设定 912 位的分辨率，精度 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 40 页 为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储 在 EEPROM 中，掉电后依然保存。DS18B20 的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出 色！ DS1822 与 DS18B20 软件兼容，是 DS18B20 的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分 辨率参数的 EEPROM，精度降低为2C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济 型产品。继“一线总线”的早期产品后，DS1820 开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20 和 DS1822 使电压、特性及封装有更多的选择，可以构建适合自己的经济的测温系统。 DS18B20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发 器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM 和一个非 易失性的可电擦除的 E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL 和结构寄存器。 图 2.2 DS18B20 引脚图 GND 为电源地；VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） ；DQ 为数字信号 输入/输出端。 光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码。 64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（28H）是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的 序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1） 。光刻 ROM 的作用是使 每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。 图 2.3 DS18B20 输出数据格式 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例:用 16 位符号扩展的二进制 补码读数形式提供，以 0.0625/LSB 形式表达，其中 S 为符号位。 转化后得到的 12 位数据，存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符 号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度；如 果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到实际温度。暂存存储 器包含了 8 个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 40 页 个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是 TH、TL 的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器 的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。 第九个字节是冗余检验字节。 实际运用时采用单片机，读取 DS18B20，再由单片机端口输出温度数据至 PLC 的 X10-X17 输 入结点。 2.3 输入部分电路设计输入部分电路设计 2.3.1 设置输入部分电路设计设置输入部分电路设计 输入部分主要主要完成对系统的设置启动等操作，使用了四个按钮分别实现对系统启动、开 始控制、设定值加、设定值减等设定，分别从 X0、X1、X2、X3 对应输入。 2.3.2 AD 转换结果输入部分电路设计转换结果输入部分电路设计 图 2.4 AD 转换结果输入部分电路 由于没有 FX0N 系列 PLC 专用 AD 模块，所以使用 DS18B20 与 51 单片机联合制作了一个简 易的 AD 输入模块，它能够将实时温度转换为 8 位数据送入 PLC，包括 7 位数据位，1 位符号位。 输入部分采用输入节点 X10X17。 为了提高 PLC 的可靠性，减少外界对 PLC 运行的干扰，同时根据 PLC 的输入要求，采用光耦 芯片 TLP521 制作输入电路。 2.4 输出部分电路设计输出部分电路设计 输出部分分显示电路和控制电路两部分，显示部分主要使用显示译码器 74LS48 和数码管组成， 控制电路使用节点 Y1 外接继电器控制电热杯。 陕西理工学院毕业设计 第 11 页 共 40 页 图 2.5 继电器输出单元 显示部分系统分配 X14X17 为个位，X20X23 为十位，X24X27 为百位。7448 是 7 段 显示译码器 ,输出高电平有效的译码器。工作电压为5V，用于驱动共阴极数码管， 7448 除了 有实现 8 段显示译码器基本功能的输入（ DCBA）和输出（YaYg）端外，7448 还引入了灯 测试输入端（ LT）和动态灭零输入端（ RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入 / 动态灭零输出（ BI/RBO）端，如图 2.6 所示。 Vcc 16 fgabcde 1 B CLT BI/RBO RBIDAGND 74LS48 图 2.6 7448 引脚功能图 表 2.1 7448/SN7448 译码器 0-9 真值表 LIRBID C B ABI/RBOYa Yb Yc Yd Ye Yf Yg显示 110 0 0 011 1 1 1 1 1 00 1X0 0 0 110 1 1 0 0 0 01 1X0 0 1 011 1 0 1 1 0 12 1X0 0 1 111 1 1 1 0 0 13 1X0 1 0 010 1 1 0 0 1 14 1X0 1 0 111 0 1 1 0 1 15 1X0 1 1 010 0 1 1 1 1 16 1X0 1 1 111 1 1 0 0 0 07 1X1 0 0 011 1 1 1 1 1 18 1X1 0 0 110 0 0 1 1 0 19 数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七段数码管和八 段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示） ；按能显示多少 个“8”可分为 1 位、2 位、4 位等等数码管。按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极 数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳 陕西理工学院毕业设计 第 12 页 共 40 页 极数码管在应用时应将公共极 COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字 段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 。共阴极数码管是指将所有发光二极 管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴极数码管在应用时应将公共极 COM 接到地 线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低 电平时，相应字段就不亮。 图 2.7 数码管实物图 图 2.8 显示部分电路图 陕西理工学院毕业设计 第 13 页 共 40 页 3系统软件的设计 软件设计是该系统的要解决的核心问题，经过分析结合设计要求，大致将软件划分为输入部分、 显示部分、PID 运算部分三个大模块。 是 开始 初始化数据 设定目标值 X3 闭合否 计算 U（k）max 进行 PID 运算 输出 显示实时温度 否 图 3.1 程序总流程图 3.1 PLC 编程语言简介编程语言简介 在 PLC 中有多种程序设计语言,如梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图 语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系 陕西理工学院毕业设计 第 14 页 共 40 页 列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完 成顺序控制和逻辑控制等。通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言 和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制， 数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块 图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在 PLC 中得到了广泛的应用，在集 散控制系统的编程和组态时也常常被采用。由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为 广大工程设计和应用人员所喜爱。 根据 PLC 应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言有以下几种，现做一 简单对比介绍： 梯形图(Ladder Diagram)程序设计语言 梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序 设计语言，这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关 系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。 梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在 工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉。因此，由这种逻辑控制技术发 展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。 梯形图程序设计语言的特点是: 与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于撑握和学习; 与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性; 与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是:梯形图中的能流(Power FLow)不是实际意义的电流， 内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别 对待; 与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互转换和程序检查。 布尔助记符(Boolean Mnemonic)程序设计语言 布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。布尔助记符程序设 计语言与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。 布尔助记符程序设计语言具有下列特点: 采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于撑握的特点; 在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设 计; 与梯形图有一一对应关系,其特点与梯形图语言基本类同。 功能表图(Sepuential Function Chart)程序设计语言 功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。它是近年来发展起来的 一种程序设计语言。采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，使系统的 操作具有明确的含义，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通，便于程序的分工设计和检查调试。 功能表图程序设计语言的特点是: 以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通; 常用于系统规模校大、程序关系较复杂的场合; 对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计、调试时间; 只有在活动步的命令和操作被执行，对活动步后的转换进行扫描，因此整个程序的扫描时间 较其他程序编制的程序扫描时间要短得多。 功能表图来源于佩特利(Petri)网，由于它具有图形表达方式，能比较简单清楚地描述并发系统 和复杂系统的所有现象，并能对系统中存在的象死锁、不安全等反常现象进行分析和建模，在模型 的基础上可以直接编程，因此得到了广泛的应用。近几年推出的可编程控制器和小型集散控制系统 中也已提供了采用功能表图描述语言进行编程的软件。 陕西理工学院毕业设计 第 15 页 共 40 页 功能模块图(Function Block)程序设计语言 功能模块图程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的 功能。它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子，完成所需的 控制运算或控制功能。功能模块可以分为不同的类型，在同一种类型中，也可能因功能参数的不同 而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量、输入信号的类型等的不同使它的使用范围不 同。由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接，因此控制方案的更改、 信号连接的替换等操作可以很方便实现。功能模块图程序设计语言的特点是: 以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易; 功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较 好的易操作性; 由于每种功能模块需要占用一定的程序内存，对功能模块的执行需要一定的执行时间，因此， 这种设计语言在大中型 PLC 和集散控制系统的编程和组态中才被采用。 对控制规模较大、控制关系较复录的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，因 此，编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少; 结构化语句(Structured Text)描述程序设计语言 结构化语句描述程序设计语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。它是一 种类似于高级语言的程序设计语言。在大中型的可编程序控制器系统中，常采用结构化语句描述程 序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。它也被用于集散控制系统的编程和组态。 结构化语句描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的运算关系， 完成所需的功能或操作。大多数制造厂商采用的语句描述程序设计语言与 BASIC 语言、PASCAL 语言或 C 语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行 了简化。 结构化程序设计语言具有下列特点: 采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算; 需要有一定的计算机高级程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员的技能要求较高，普 通电气人员难以完成。 直观性和易操作性等较差; 常被用于采用功能模块等其他语言较难实现的一些控制功能的实施。 进过分析对比，由于在之前系统的学习过梯形图语言，用梯形图编程直观易懂，而且由梯形图 转化指令表较为容易，所以选择使用梯形图编程。 3.2 输入部分程序设计输入部分程序设计 输入部分主要用于处理温度控制目标值的设定，在通常的大气压条件下，水的沸点为 100 摄氏 度，所以系统设定值的范围为 50-100。在输入时采用两个键一个对温度设定值进行加操作、另一个 对温度设定值进行减操作。同时还应该在对设定值进行限制，不得小于 50，大于 100。 3.3 显示部分程序显示部分程序 在设置目标温度时系统需要显示设定值，在进行控制时系统需要显示当前的实时温度，根据需 求设计了三位数码管显示，显示时首先对要显示的数进行分解取出百位、十位、个位对应的数据， 然后逐一送出进行显示。 3.4 PID 运算部分程序设计运算部分程序设计 模拟量闭环控制较好的方法之一是 PID 控制，PID 在工业领域的应用已经有 60 多年，现在依 然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID 的研究已经到达一个比较高的程度。 所以我们选择 PID 为控制器算法。 比例控制(P)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。其特点 是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。 陕西理工学院毕业设计 第 16 页 共 40 页 在积分控制(I)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差， 但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。 在微分控制(D)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。微 分控制具有超前作用，它能猜测误差变化的趋势，避免较大的误差出现。但是容易引入干扰且不能 消除余差。 PID 控制，P、I、D 各有自己的长处和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只要合理 地选取 PID 控制器的参数值，就可以获得较高的控制质量。 + + + 比例（P） 积分（I） 微分（D） 执行部件 设定Y（t） 反馈 e（t） 图 3.2 PID 闭环控制系统 如图 3.1 所示，PID 控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。输入量 r 和偏差 e、输出量 c 的关系: （3-1）)()()(tctrte 控制器的输出为： （3-2） )( )( 1 )()( 1 0 dt tde Tdtte T teKtu d i p -PID 回路输出)(tu -比例系数 P p K -积分系数 I i T -微分系数 D d T PID 调节的传输函数为 （3-3