基于PLC的触摸屏温度控制系统

PLC 技术应用项目说明书 设 计 题 目 学 院 机械工程学院 2015 年 1 月 9 日 课 程 设 计 任 务 书 兹发给 2011 级机电 X 班 班学生 张 XX 课程设计任务书 内容如下 1 设计题目 基于 PLC 的温度控制系统 2 应完成的项目 1 选题的背景和意义 2 明确设计任务 拟定总体设计方案 有机械结构的要进行结构设计 三 维软件建模 3 硬件设计 传感器 PLC 和电机 选型 设计信号采集 转换电路 画出 PLC 端口分配图 接线控制端子连接图 4 软件设计 编写控制程序流程图 或重要程序 设计人机界面 5 课程设计说明书 1 份 3 参考资料以及说明 1 金发庆 传感器技术与应用 第二版 M 北京 机械工业出版社 2004 2 钟肇新 可编程控制器原理及应用 M 广州 华南理工大学出版社 2003 3 常晓玲 电气控制系统与可编程控制器 M 北京 机械工业出版社 2004 4 盖超会 阳胜峰 三菱 PLC 与变频器 触摸屏综合培训教程 M 北京 中国电力出版社 2011 5 濮良贵 陈国定 吴立言 机械设计 M 北京 高等教育出版社 2013 4 本设计任务书于 2014 年 12 月 19 日发出 应于 2015 年 1 月 9 日前完成 然后进行答辩 指导教师 签发 2014 年 12 月 19 日 课程设计评语 课程设计总评成绩 指导教师签字 年 月 日 目 录 前 言 2 第 一 章 系 统 总 体 方 案 3 第二章 系统硬件设计 5 2 1 PLC 选择 5 2 1 1 FX2N 48MR PLC 5 2 1 2 FX2N 2AD 特 殊 功 能 模 块 6 2 1 3 FX2N 2DA 特 殊 功 能 模 块 7 2 2 硬 件 电 路 设 计 8 2 2 1 温 度 值 给 定 电 路 8 2 2 2 温 度 检 测 电 路 11 2 2 3 过 零 检 测 电 路 12 2 2 4 晶 闸 管 电 功 率 控 制 电 路 13 2 2 5 脉 冲 输 出 通 道 14 2 2 6 报警指示电路 15 2 2 7 复位电路 15 第 三 章 系 统 软 件 设 计 16 3 1 程 序 设 计 16 3 2 系 统 程 序 流 程 图 17 3 3 控 制 系 统 控 制 程 序 的 开 发 18 3 3 1 温度设定 18 3 3 2 A D 转 换 功 能 模 块 的 控 制 程 序 18 3 3 3 标 度 变 换 程 序 19 3 4 4 恒温控制程序 PID 设计 20 3 4 6 显 示 程 序 26 3 4 7 恒温指示程序 26 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 参 考 文 献 29 附 录 系 统 程 序 梯 形 图 30 摘 要 在 工 业 生 产 过 程 中 加 热 管 温 度 控 制 是 十 分 常 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 本 设 计 以 工 业 水 温 加 热 为 背 景 设 计 以 三 菱 FX2N 48MR PLC 为 控 制 器 使 用 电 热 偶 为 温 度 传 感 器 的 温 度 控 制 系 统 本 文 主 要 内 容 包 括 PLC 选 择 温 度 控 制 电 路 设 计 分 析 加 热 管 控 制 电 路 设 计 分 析 PLC 程 序 编 写 采 用 PID 控 制 关 键 词 加 热 温 度 控 制 PLC PID 第 一 章 绪 论 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 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 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 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 管 温 度 控 制 是 十 分 常 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 二 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 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 触 摸 屏 主 要 功 能 是 设 定 和 显 示 相 应 的 温 度 值 以 及 停 止 和 开 始 功 能 2 PLC 主 要 完 成 PID 调 节 功 能 以 及 数 据 变 换 3 测 温 电 路 和 A D 模 块 主 要 功 能 是 0 10V 温度测量信号经 FX2N A D 转换成数字信号输入 PLC 处理 4 输 出 调 节 电 路 主 要 功 能 是 把 PLC 处理运算发出的控制信号通过脉 宽调制装置输出脉冲信号对加热管进行加热 系 统 工 作 原 理 温 度 变 送 器 将 加 热 管 温 度 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 加 热 管 温 度 数 字 控 制 器 根 据 恒 温 给 定 值 Q0 与 实 际 加 热 管 温 度 Q 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 晶 闸 管 导 通 时 间 调 节 加 热 管 温 度 的 变 化 使 之 与 给 定 恒 温 值 一 致 达 到 恒 温 控 制 目 的 当 达 到 恒 温 值 输 入 错 误 或 系 统 发 生 故 障 时 系 统 发 出 报 警 信 号 同 时 用 GT1040 QBBD C 触 摸 屏 对 加 热 管 温 度 进 行 实 时 显 示 和 温 度 给 定 输 入 第二章 系统硬件设计 2 1 PLC 选择 根 据 设 计 方 案 的 分 析 系 统 设 计 需 要 使 用 A D 转 换 器 和 D A 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 基 本 I O 点 数 为 24 和 FX2N 2AD 特 殊 功 能 模 块 2 1 1 FX2N 48MR PLC FX2N 系 列 PLC 是 FX 系 列 中 最 先 进 的 系 列 具 有 高 速 处 理 及 可 以 扩 展 大 量 满 足 单 个 需 要 的 特 殊 功 能 模 块 等 特 点 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 FX2N 48MR 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 RAM 其 内 部 资 源 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 2 1 和 表 2 2 8 数 据 寄 存 器 D D0 D8255 D0 D199 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 M8056 I7XX M8057 I8XX 在 指 针 名 称 的 XX 部 分 中 输 入 10 99 的 整 数 I610 为 每 10ms 执 行 一 次 定 时 器 中 断 M8058 表 2 2 输 入 中 断 标 号 指 针 表 指 针 编 号输 入 编 号 上 升 中 断 下 降 中 断 中 断 禁 止 特 殊 辅 助 继 电 器 X0 I001 I000 M8050 X1 I101 I100 M8051 X2 I201 I200 M8052 X3 I301 I300 M8053 X4 I401 I400 M8054 X5 I501 I500 M8055 注 M8050 M8058 0 表 允 许 M8050 M8058 1 表 禁 止 2 1 2 FX2N 2AD 特 殊 功 能 模 块 FX2N 2AD为 模 拟 量 输 入 模 块 有 两 个 模 拟 量 输 入 通 道 分 别 为 CH1 CH2 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 电 流 输 入 模 拟 量 输 入 范 围 DC 0 10V 输 入 电 阻 200K 绝 对 最 大 输 入 0 5V 15V DC 4 20mA 输 入 电 阻 250 绝 对 最 大 输 入 2mA 60mA 数 字 输 出 12位 二 进 制 分 辨 率 2 5mV 10V 4000 1 25mV 5V 4000 4 A 20mA 4000 总 体 精 度 1 满 量 程 0 10V 1 满 量 程 4 20mA范 围 转 换 速 度 2 5ms 通 道 与 顺 空 程 序 同 步 动 作 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 FX2N 2AD缓 冲 存 储 器 的 功 能 及 分 配 BFM 内 容 编 号 b15 b8 b7 b4 b3 b2 b1 b0 0 保 留 输 入 数 据 的 当 前 值 低 8位 1 保 留 输 入 数 据 的 当 前 值 高 4位 2 16 保 留 17 保 留 模 拟 到 数 字 转 换 开 始 模 拟 到 数 字 转 换 通 道 18 保 留 BFM 说 明 1 BFM 0 存 储 由 BFM 17 指 定 通 道 的 输 入 数 据 当 前 值 低 8 位 数 据 当 前 值 数 据 以 二 进 制 存 储 2 BFM 1 存 储 由 BFM 17 指 定 通 道 的 输 入 数 据 当 前 值 高 4 位 数 据 当 前 值 数 据 以 二 进 制 存 储 3 BFM 17 b0 指 定 由 模 拟 到 数 字 转 换 的 通 道 CH1 CH2 b0 0 指 定 CH1 b0 1 指 定 CH2 b1 由 0 1 时 A D 转 换 过 程 开 始 2 1 3 FX2N 2DA 特 殊 功 能 模 块 FX2N 2DA为 模 拟 量 输 入 模 块 有 两 个 模 拟 量 输 出 通 道 分 别 为 CH1 CH2 每 个 通 道 都 可 进 行 D A转 换 将 数 字 量 信 号 转 换 成 模 拟 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 出 电 流 输 出 模 拟 量 输 入 范 围 DC 0 10V 输 入 电 阻 200K 绝 对 最 大 输 入 0 5V 15V DC 4 20mA 输 入 电 阻 250 绝 对 最 大 输 入 2mA 60mA 数 字 输 出 12位 二 进 制 分 辨 率 2 5mV 10V 4000 1 25mV 5V 4000 4 A 20mA 4000 总 体 精 度 1 满 量 程 1 满 量 程 4 20mA范 围 0 10V 转 换 速 度 2 5ms 通 道 与 顺 空 程 序 同 步 动 作 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 FX2N 2DA缓 冲 存 储 器 的 功 能 及 分 配 内 容 BFM 编 号 b15 b8 b7 b4 b3 b2 b1 b0 0 保 留 输 入 数 据 的 当 前 值 低 8位 1 保 留 输 入 数 据 的 当 前 值 高 4位 2 16 保 留 17 保 留 模 拟 到 数 字 转 换 开 始 模 拟 到 数 字 转 换 通 道 18 保 留 BFM 说 明 4 BFM 0 存 储 由 BFM 17 指 定 通 道 的 输 入 数 据 当 前 值 低 8 位 数 据 当 前 值 数 据 以 二 进 制 存 储 5 BFM 1 存 储 由 BFM 17 指 定 通 道 的 输 入 数 据 当 前 值 高 4 位 数 据 当 前 值 数 据 以 二 进 制 存 储 6 BFM 17 b0 指 定 由 模 拟 到 数 字 转 换 的 通 道 CH1 CH2 b0 0 指 定 CH1 b0 1 指 定 CH2 b1 由 0 1 时 A D 转 换 过 程 开 始 2 2 硬 件 电 路 设 计 2 2 1 温 度 值 给 定 电 路 为 了 能 同 时 使 用 触 摸 屏 和 开 关 按 键 实 现 温 度 给 定 值 输 入 触 摸 屏 程 序 利 用 GT Designer3 设 计 触 摸 屏 温 度 给 定 值 输 入 触 摸 屏 温 度 显 示 触 摸 屏 启 动 控 制 触 摸 屏 停 止 控 制 以 及 指 示 灯 指 示 如 下 图 所 示 本 系 统 还 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 触 摸 屏 程 序 和 开 关 按 键 电 路 分 别 如 下 图 所 示 给 定 值 范 围 为 0 100 若 输 入 值 超 过 给 定 值 范 围 系 统 会 发 出 报 警 信 号 亮 红 灯 触 摸 屏 温 度 给 定 输 入 右 图 第 一 行 数 字 即 为 温 度 给 定 输 入 触摸屏启动控制 左图第一个方形图形 触摸屏停止控制 左图第二个方形图形 触摸屏指示灯指示 恒温完成指示信号 Y0004 当前温度大于给定温度 Y0005 给定温度超出范围报警 Y0006 按 键 设 计 电 路 如 图 2 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 SB5 SB2 和 SB2 则 表 示 给 定 温 度 值 为 300 并 送 PLC 数 据 寄 存 器 保 存 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 变 送 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 加 热 管 温 度 检 测 热 端 检 测 加 热 管 温 度 冷 端 置 于 0 温 度 中 FX2N 2AD 模 块 一 个 通 道 实 现 A D 转 换 加 热 管 温 度 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 温度变送器 图 2 3 加 热 管 温 度 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 加 热 管 温 度 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 0 100 时 输 出 电 势 为 0 4 095mV 检 测 信 号 经 二 级 放 大 后 送iu FX2N 2AD 模 块 第 一 级 放 大 倍 数 为 50 第 二 级 放 大 倍 数 为 11 2 零 点 迁 移 其 输 出 电 压 为0 2 1 621uuKu 式 中 为 零 点 迁 移 值 根 据 设 计 要 求 给 定 温 度 值 为 0 100 本 系 统2u 选 取 测 温 范 围 为 0 100 将 0 作 为 测 温 起 点 零 点 调 整 多 圈 电 位 器 RP 使 50 11 2 560mV 当 加 热 管 温 度 为 0 时 0mV 560mV 2 iu1 于 是 0 经 零 点 迁 移 后 加 热 管 温 度 为 0 100 时 u 0 4 095mV 0 9 94V A D 转 换 后 的 数 字 量 为 0 4000 i u 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 4 a 所 示 图 2 4 a 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 内 部 装 有 四 个 独 立 的 电 压 比 较 器 共 模 范 围 很 大 差 动 输 入 电 压 范 围 较 大 大 到 可 以 等 于 电 源 电 压 二 极 管 用 作 LM339 输 入 保 护 电 路 的 工 作 波 形 如 图 2 4 b 所 示 图 2 4 b 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 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 内 电 源 均 加 在 电 热 元 件 上 通 过 控 制 一 个 控 制 周 期 内 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 u k 的 关 系 为 n K u k 式 中 K 为 比 例 系 数 约 为 1 为 一 个 控 制 周 期 内 的 电 源maxntumaxn 周 波 数 温 度 偏 差 不 同 则 u k n 不 同 电 热 炉 消 耗 的 电 能 亦 不 同 达 到 了 根 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tid tid 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 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 选 取 为 R 80 C 0 15 F 电 容 C 的 交 流 耐 压 为 VUmCN4672 5 1 电 阻 R 的 功 率 应 满 足 WXRPC 08 15 03 808 10 2622 实 选 电 容 0 15 F 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 FUITNFII57 16 式 中 5 6 为 修 正 参 数 为 保 证 可 靠 与 选 用 方 便 一 般 取 实 选 熔TNFUI 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V20 定 电 流 应 为 TNI AIILTN2 18 7 32 5 1 额 定 电 压 应 为 TUVT 960 根 据 以 上 计 算 主 回 路 的 二 只 晶 闸 管 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 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 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 Y0 Y1 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 VT1 VT2 导 通 当 X0 从 高 电 平 变 低 电 平 从 低 电 平 变 高 电 平 时 Y0 Y1 脉 冲 结 束 电 路 恢 复 为 初 态 2 2 6 报警指示电路 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 及 给 定 温 度 值 均 由 GT1040 QBBD C 触 摸 屏 完 成 设 计 电 路 如 图 2 7 所 示 图 2 7 报 警 指 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 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 GTDESINER 下 完 成 程 序 编 写 和 通 信 3 1 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 内 存 分 配 如 表 3 1 所 示 表 3 1 内 存 分 配 表 储 存 器 特 定 意 义 储 存 器 特 定 意 义 D0 A D 转 换 数 字 量 结 果 D30 u k D4 温 度 给 定 值 Q0 D31 u k 1 D5 加 热 管 温 度 Q D32 e k D25 触 发 周 波 数 n D33 e k 1 D26 晶 闸 管 允 许 触 发 标 志 D34 e k 2 D27 采 样 周 期 计 数 器 D35 pK D100 D121 数 据 缓 冲 区 D36 d D29 断 偶 计 数 器 D37 i D38 十 键 输 入 指 定 存 储 元 件 3 2 系 统 程 序 流 程 图 Y N Y N 初始化 温度给定 输入值错误 错误报警 A D 转换 转换值 4000 断偶报警 标度变换 实际温度显示 给定值与实际温度比较 Y N Y N 图 3 1 系 统 程 序 流 程 图 3 3 控 制 系 统 控 制 程 序 的 开 发 针 对 本 系 统 要 求 控 制 系 统 实 现 恒 温 控 制 的 功 能 温 度 在 0 100 范 围 内 任 意 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 有 恒 温 指 示 和 断 偶 报 警 信 号 指 示 特 编 写 以 下 控 制 程 序 总 程 序 见 附 录 二 3 3 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 差值 e k 0 差值 e k 10 n 240 数字调节器 保存 n 晶闸管触发准 备 等待中断 恒温指示 等待中断 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 0 100 范 围 内 时 将 给 定 值 D38 再 送 D4 保 存 否 则 输 入 出 错 报 警 Y6 1 3 3 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 CH1 完 成 加 热 管 温 度 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 2AD 模 块 1 通 道 CH1 根 据 三 菱 公 司 的 用 户 手 册 中 的 模 块 编 号 规 则 FX2N 2AD 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 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 ON 4 8s 计 时 到 同 时 将 控 制 周 期 计 数 器 D27 清 0 3 3 3 标 度 变 换 程 序 另 外 针 对 本 次 设 计 所 选 择 的 功 能 模 块 FX2N 2AD 的 输 入 输 出 特 性 有 0 100 经 零 点 迁 移 后 所 对 应 的 数 字 量 为 0 4000 0 10V 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 模 拟 量 应 该 为 数 字 量 占 4000 的 百 分 比 即 实 际 温 度 100 数 字 量 4000 数 字 量 1 40 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 约 等 于 20 进 行 比 较 如 果 大 于 20 则 将 D5 中 的 数 加 一 反 之 则 不 变 如 此 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 加 热 管 温 度 是 否 到 达 恒 温 值 只 有 恒 温 段 需 要 控 制 与 检 测 加 热 管 温 度 用 于 恒 温 控 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 1 dteTdtteKtuip 式 中 e t 为 t 时 刻 给 定 的 恒 温 值 Q0 与 实 际 加 热 管 温 度 Q 之 差 将 其 离 散 化 得 2 1 2 1 1 kekeTkeku dip 式 中 T 分 别 为 采 样 周 期 微 分 时 间 常 数 积 分 时 间 常 数 和 比diPK 例 时 间 常 数 e k 为 本 次 采 样 时 Q0 与 Q 之 差 令 3 1 iPiT TKdpd 则 有 式 3 2 2 2 1 1 kekekeKku dip 式 中 分 别 为 调 节 器 的 比 例 积 分 微 分 系 数 待 定 参 数 pid 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 T 0 1 s 0 5i 0 125ds 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sTPiK51 pd4 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p 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 加 热 管 温 度 Q 大 于 给 定 恒 温 值 10 时 系 统 全 速 升 温 令 u k 240 240 为 一 个 控 制 周 期 4 8s 的 工 频 电 源 周 波 数 当 e k 10 u k 240 计算 PD 项 u k u k 1 kp e k e k 1 kd e k 2e k 1 e k 2 e k u k 1 e k 1 e k 2 e k e k 1 保存 u k 结束 图 3 6 数 字 控 制 器 流 程 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 控 制 量 控 制 输 送 给 加 热 管 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 u k 变 换 为 晶 闸 管 的 导 通 周 波 数 n 且 当 n 0 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 sgn 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 sgnku 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 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 内 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 u k 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 u k 的 关 系 为 n u k 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 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 u k 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 Y0 Y1 输 出 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 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 GT1040 QBBD C 触摸屏显 示 温 度 本 系 统 设 定 温 度 范 围 为 0 100 显 示 程 序 如 图 3 12 所 示 触 摸 屏 温 度 显 示 右 图 第 二 行 数 字 即 为 温 度 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 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 4000 比 较 若 连 续 两 次 检 测 到 A D 转 换 的 数 字 量 大 于 4000 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 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 或 由 触 摸 屏 实 现 温 度 设 定 具 备 实 时 显 示 和 报 警 功 能 人 机 界 面 良 好 2 PLC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 通过此次课设 让我了解了 plc 梯形图 指令表 顺序功能图有了更好的了解 也让我了解了关于 plc 设计原理 有很多设计理念来源于实际 从中找出最适合 的设计方法 虽然本次课程设计是要求自己独立完成 但是 彼此还是脱离不了集体的力量 遇到问题和同学互相讨论交流 多和同学讨论 我们在做课程设计的过程中要不 停的讨论问题 这样 我们可以尽可能的统一思想 这样就不会使自己在做的过 程中没有方向 并且这样也是为了方便最后设计和在一起 讨论不仅是一些思想 的问题 还可以深入的讨论一些技术上的问题 这样可以使自己的处理问题要快 一些 少走弯路 多改变自己设计的方法 在设计的过程中最好要不停的改善自 己解决问题的方法 这样可以方便自己解决问题 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 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 参 考 文 献 1 朱江主编 可编程控制技术 M 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 2013 2 康华光主编 模拟电子技术基础 M 第五版 北京 高等教育出版社 2006 3 阎石主编 数字电子技术基础 M 第五版 北京 高等教育出版社 2006 4 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 2001 5 三菱公司编 三菱可编程序控制器应用 101 例 1994 6 三菱触摸屏用户使用手册 7 王本琪 基于组态王的 PLC 锅炉温度控制系统的设计 青岛 中国海洋大学 2012 8 王振 基于 PLC 的锅炉供热控制系统的设计 大连 大连海事大学 2008 附 录 系 统 程 序 梯 形 图