PLC在化学反应装置中的应用.doc

PLC在化学反应装置中的应用摘要随着社会的不断进步和各种轻工业的飞速发展，化学化工厂已经成为不可缺少乃至对国民经济产生至关重要的一门行业。在化学化工厂中有各种化学装置，可以说化学装置的应用是很普遍的，并且在工业中占有非常重要的地位。本文主要设计一种用可编程控制器用于化学反应装置过程中的系统，可编程控制器是一个智能控制器，他有自己的CPU和控制软件，主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警和控制等功能。我们所设计的这个系统，有两种状态一种是自动状态，另一种是手动状态，在这里我们主要对自动进行研究。系统可以对温度进行及时显示；一旦温度超出给定范围就报警；而且温度的给定值是可以预置，这就给于各种化学物质的反应提供了条件。整个系统充分利用了现代先进技术，提高了劳动生产率，改善了劳动条件，减轻了工人劳动强度，不仅可以克服人为的不稳定因素，而且可以吸收人为调节的优点，为现代化的生产管理提供了强有力的物质条件，为社会的发展和进步服务。关键词：PLC 化学反应装置 PID 数码显示Abstract Along with social progress and the rapid development of a variety of light industry, chemical, chemical plants have become indispensable to the national economy as well as generate critical to a business. There are a variety of chemical chemical chemical devices, can be said that the application of chemical plant is very common, and in industry occupies a very important position. In this paper, design a programmable controller used for the chemical reaction device in the process of the system, programmable controller is an intelligent controller, he has his own CPU and control software, mainly to complete the field data acquisition, conversion, storage, alarm and control functions. We designed this system, there are two states is automatically a state, the other is the manual states, where we mainly study the automatic. System can display the temperature in time; once the temperature exceeds a given range on the alarm; and temperature can be pre-given value, which gives a variety of chemical substances to provide the conditions for the reaction. The whole system made full use of modern advanced technology, to improve labor productivity, improved working conditions, reducing the labor intensity, not only can overcome the human factors of instability, but also can absorb artificially adjust the advantages of a modern production and management provides a strong strong material conditions for social development and progress. Key words: PLC chemical reaction device PID digital display目 录第一章 绪 论21.1 系统介绍1.2 系统方案论证1.3可编程序控制器的发展及应用1.4系统设计方法和步骤第二章 系统硬件设计92.1 系统总电路图2.2 PLC的型号选择以及硬件配置2.3系统的I/O点地址分配以及外部接线图2.4温度采集处理2.4.1 热电偶的基本知识2.4.2 EM231模块2.4.3 报警电路2.5 数码管显示温度值2.6 拨码盘给定温度值2.7 温度控制触发电路第三章 系统软件设计213.1化学反应过程的主程序设计3.1.1 工艺流程图设计3.1.2系统主程序3.2 PID闭环控制系统设计3.2.1 PID程序设计方法3.2.2数字PID控制原理与参数确定3.2.3 系统中断程序设计3.3 数码显示的程序设计3.4 程序清单3.5 系统调试参考文献29附录A 系统梯形图30附录B 系统程序清单.37致 谢.42第一章 绪 论随着社会的不断进步和各种轻工业的飞速发展，化学化工厂已经成为不可缺少乃至对国民经济产生至关重要的一门行业。在化学化工厂中有各种化学装置，可以说化学装置的应用是很普遍的，并且在工业中占有非常重要的地位。下面我设计一种用可编程控制器用于化学反应装置过程中的系统，可编程控制器是一个智能控制器，他有自己的CPU和控制软件，主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警和控制等功能。我们所设计的这个系统，有两种状态一种是自动状态，另一种是手动状态，在这里我们主要对自动进行研究。系统可以对温度进行及时显示；一旦温度超出给定范围就报警；而且温度的给定值是可以预置，这就给于各种化学物质的反应提供了条件。整个系统充分利用了现代先进技术，提高了劳动生产率，改善了劳动条件，减轻了工人劳动强度，不仅可以克服人为的不稳定因素，而且可以吸收人为调节的优点，为现代化的生产管理提供了强有力的物质条件，为社会的发展和进步服务。在系统中我们主要对温度的控制进行比较详细的介绍，由于温度对化学物质来说是个比较重要的参数，在这里必须引起重视！因此在我们所选择方案中也对温度的控制进行了比较多的讨论。1.1 系统介绍我们所研究的这个化学反应过程的装置有四个容器组成，容器之间用泵连接，以此来进行化学反应。每个容器都装有检测容器空满的传感器，2#容器还带有加热器和温度传感器，3#容器带有搅拌器。该化学反应过程的工作过程是：1#、2#容器分别用泵P1、P2从各自原料库中将其抽到指定液位。抽完之后传感器发出信号，泵P1、P2关闭，2#容器化学物质需要加热，因此给2#容器加热到给定温度值，当温度到达给定温度时，温度传感器发出信号，关掉加热器。泵P3、P4分别将1#、2#容器中的化学物质送到3#反应器中，同时启动搅拌器，搅拌时间为60S。一旦3#已经满即1#、2#容器抽完的时候。则泵P3、P4停止并等待。当搅拌时间到，P5将混合液抽到产品池4#容器，直到4#容器满即3#容器抽完时。成品用泵P6抽走，直到4#容器空。至此，整个过程结束，再次按动启动按钮，新的循环开始。化学反应过程示意如图1.1，图中SL2、SL1是指各个容器指定的液位，SL1指容器中化学物质被抽完的时候，SL2指容器中化学物质满。图1.1 化学装置示意图1.2 系统方案论证根据我们所说的化学过程，可以得到三个方案。在三个方案中，由于需对2#容器的物质进行加热，必须还设计一个温度控制系统，对温度进行调节。方案一的硬件组成有：单片机；液位传感器；温度传感器；加热装置；泵P1、P2、P3、P4、P5、P6；A/D转换器；D/A转换器；驱动电路；LED数码管；晶闸管触发电路等。基本的工作原理是：液位传感器、温度传感器检测到液位和温度，传给单片机，而后单片机通过控制泵P1、P2、P3、P4、P5、P6来控制液位；再通过触发电路来调节温度。温度是一个模拟量需要经过A/D转换之后才能被单片机接受处理，而温度对于化学物质来说是一个重要的参数，需要进行PID调节，因此单片机处理完数据后，还需要进行D/A转换来控制触发电路，对加热装置进行加热。方案一原理框图如图1.2所示：图1.2 方案一原理框图在我们的应用中假如用单片机来进行控制，不仅电路设计过程非常麻烦，而且编程也复杂，抗干扰的能力也很差劲。如果能把电路设计的更简单点；使编程也通俗易懂些；抗干扰能力变强些；这时我们可以采用可编程控制器进行控制。PLC比单片机优化在于它的可靠性高，抗干扰能力强；编程简单，易于掌握；功能完善，灵活方便；体积小，质量轻，功耗低；外部电路简单。方案二的硬件组成是：PLC；热电偶；变送器；A/D转换模块；加热装置；固态继电器；液位传感器；拨码盘；泵P1、P2、P3、P4、P5、P6等。基本的工作原理是：PLC从液位传感器那里得到信号，来控制泵P1、P2、P3、P4、P5、P6，利用拨码盘预置给定温度值。通过一个热电偶温度传感器采集到温度数据，通过变送器将其进行放大、冷端补偿、线性化等处理，变成通用A/D转换模块要求的规范的05V模拟电信号，该温度信号经过模/数转换，变成PLC能接收和处理的数字信号。把采样的温度和设定值进行比较，当采样值大于设定值时，可编程控制器输出低电平，固态继电器不通，断电降温，反之，通电升温1。方案二如图1.3所示：图1.3 方案二原理框图但是对于一个化学反应的装置，对温度的精度要求是比较高的，所以必须采用PID控制实现，必须设置一个模拟量调节单元。方案三如图1-4所示： 图1.4 方案三原理框图方案三的硬件组成是：PLC；拨码盘；化学装置；模拟量输入输出、数字量输入输出扩展模块；热电偶；触发电路；泵P1、P2、P3、P4、P5、P6等。基本的工作原理：利用PLC的软件对化学装置中的各个容器中液位进行控制，然后对温度进行PID调节，得到偏差来控制加热装置的功效。用一个加热装置进行加热时，选定热电偶作为温度传感器，通过PLC的模拟量扩展模块热电偶模块对采集到温度数据，模块本身将线性化处理，冷端补偿，它不需要任何外部的变送器或外部电路，一个模块就能完成全部数据采集及数据处理功能1。由PID运算之后，得到一个差值来对晶闸管的功效进行调节。利用LED显示管显示采集到的温度值，为了方便对各种化学物质的反应进行控制，决定把给定的温度值可以进行修改。通过一个拨码盘把数据输入PLC中进行控制。1.3可编程序控制器的发展及应用可编程序控制器简称PLC（Programmable Logic Controller）。自1969年第一台可编程序控制器面世以来，经历了30多年的发展，可编程序控制器已经成为一种最重要最普及应用场合最多的工业控制器。1969年美国的DEC公司制成了第一台可编程控制器，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了极满意的效果，从此开创了可编程控制器的新纪元。1971年日本开始生产可编程控制器；1973年欧洲开始生产可编程控制器；1974年我国也开始研制编程控制器。随着电子技术计算技术通信技术容错控制技术数字控制技术的飞速发展，可编程控制器的数量型号品种以异乎寻常的速度发展。PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性体积小功能强程序设计简单通用灵活维护方便等一系列的优点，因而在电力机械冶金能源化工交通信息等领域中有着广泛的应用，已成为现代工业控制的三大支柱之一。根据PLC的特点，可以将其应用形式归纳为以下几种类型：（一）开关量逻辑控制PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。这是PLC的最基本最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器接触器的控制。（二）模拟量控制 PLC中配置有A/D和D/A转换模块。其中A/D模块能将现场的温度压力流量速度等这些模拟量经过A/D转换变为数字量，再经过PLC中的微处理器进行处理（微处理器处理的是数字量）去进行控制或者经D/A模块转换后，变成模拟量去控制被控对象，这样就可实现PLC对模拟量的控制。（三）过程控制 现代大中型的PLC一般都配有PID控制模块，可进行闭环过程控制。当控制过程中某一个变量出现差错时，PLC能按照PID算法计算出正确的输出去控制生产过程，把变量计算保持在整定值上。目前，许多小型PLC也具有PID功能。（四）定时和计数控制PLC具有很强的定时和计数功能，它可以为用户提供几十甚至上百个上千个定时器和计数器。其计时的时间和计数值可以由用户在编写程序时任意设定，也可以由操作者在工业现场通过编程器进行设定，实现定时和计数的控制。如果用户需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数模块。（五）顺序控制在工业控制中，可采用PLC步进指令编程或用移位寄存器编程实现顺序控制。（六）数据处理现代的PLC不仅能进行算术运算数据传送顺序查表等，而且还能进行数据比较数据转换、数据通信、数据显示和打印等，它具有很强的数据处理能力。（七）通信和联网现代PLC一般都有通信功能，它可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC，PLC与计算机之间的通信，这样用PLC可以方便的进行分布式控制2。1.4系统设计方法和步骤化学反应过程装置控制系统其实相对来说是一个简单的控制系统。系统具有自动和手动两种工作方式，正常停机时，系统停在初始状态上，即个执行器停，产品池容器空，有紧急情况，能实现急停。系统还具有故障的检测、显示、报警功能。在温度的控制过程中，温度给定在099度。系统基本设计步骤如下：（1）深入了解和分析化学装置中的工艺条件和控制要求。如控制的基本方式，需要完成的动作（动作顺序、动作条件等）、操作方式（手动、自动、连续、单周期和单步）。（2）根据化学装置对PLC控制系统的功能要求和所需要的I/O信号的点数等，选择合适的PLC类型。（3）根据控制要求所需要的用户I/O设备，确定PLC的I/O点数，并设计I/O端子的接线图。（4）根据工艺的生产要求画出状态流程图。a（5）由流程图设计梯形图。设计梯形图是编制程序的关键一步，也是比较困难的一步。（6）要设计好梯形图，首先应熟悉控制要求，同时还要有电器设计的实践经验。根据梯形图写程序。（7）用PLC编程器将程序键入PLC的用户程序存储器，并检查键入的程序是否正 确。系统设计流程框图如1.6：图1.6 系统设计流程图第二章 系统硬件设计由我们的设计步骤可见，本系统可以作硬件设计和软件设计两个部分来描述。我们的硬件部分主要是对各个硬件装置进行介绍，根据化学反应的控制及要求，对PLC进行选型和对硬件配置的简单介绍。型号选好之后，我们来对系统的I/O点地址进行分配画出硬件电路图。接着把温度的采集处理以及温度的显示、报警，用拨码盘对温度值的给定和用一个触发电路来控制温度的调节作说明。2.1系统总电路图2.2 PLC的型号选择以及硬件配置化学装置是一个要求比较严格的系统装置，因此对于PLC的选择要求也是很高的。我们采用的S7-200系列PLC，它的出色表现在以下几个方面： 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特性 强劲的通讯能力 丰富的扩展模块 S7-200系列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。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。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。首先我们选取一个液位传感器，对液位进行检测。由于化学物质腐蚀性大，一般不采用接触式的液位传感器，而应该用非接触式的传感器来测量。这里我们可以采LB-352液位计来测量1#、2#、3#、4#容器的液位。LB一352液位计是利用物质吸收射线原理研制而成的。安装在各容器中一侧的钴一60放射源，稳定放射出射线，这射线通过放射源防护铅罐面向各容器中开设的辐射通道射向对面的闪烁探测器。一部分射线被容器中的化学物质吸收，剩余部分照射到闪烁探测器上。各容器中化学物质越多，吸收射线越多，照射到探测器上的射线就越少，反之则越多3。闪烁探测器检测出射线强度的变化，LB-352把这种强度变化转换成各容器中液面高度的变化，将信号送到R盘显示器上为手动控制时提供液位变化情况，并将信号送到三笔记录仪。当检测到各容器中液位达到SL2或SL1时，将信号送到PLC控制器、模糊控制液压伺服泵进而控制接触器动作。调节泵的打开和关闭，达到控制的目的。化学反应过程控制装置的系统有一个启动按钮（输入）；四个容器液位满（即达SL2）检测信号（输入），一个温度传感器（输入）；四个容器空（即达SL1）检测信号（输入）；试灯和试铃按钮（输入）；六个电机启动信号（输入），消铃电铃（输入）；外加拨码盘的8个开关量（输入）；六个泵的接触器（输出）；一个加热器接触器（输出）和搅拌器接触器（输出）；报警灯显示（输出）；报警电铃（输出）；LED数码管的11个输出接口（输出）。S7-200CPU22*系列PLC共有5种CPU模块。分别是：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU226XM。从以上的分析中可找出满足我们要求的型号，即选择CPU224主机，CPU224运算功能强大，性能好，可靠性高。本机数字量输入14点，数字量输出10点。最大可扩展I/O模块2个，最大可扩展智能模块2个，内置8路PID回路，1个RS-485通信接口，为以后远程监控做好准备。A/D、D/A转换模块各一个。还要扩展一个数字量输入输出模块EM223，它是一个16输入16输出的模块。有一个温度的模拟量输入，因此需要选择一个模拟量输入模块。EM231模拟量输入模块，具有4个模拟量输入通道，16位A/D转换器，转换时间小于250s，数据字格式可单极性也可双极性，单极性032000，双极性-32000+32000。经过PID调节之后，有一个模拟量的值要输出，于是我们可以选择EM232模拟量输出模块，其模拟量输出点数为2点，数据字格式与EM 231模块类似。系统模块连接方式如图2.2下，具体的模块地址如表2.1： 图2.2 系统模块连接方式表2.1 CPU及扩展模块的地址2.3系统的I/O点地址分配以及外部接线图 PLC控制系统最重要的其实还是外部电路，也就是要画出外部接线图。表2.2是本系统的I/O地址分配表，它是根据系统的功能和前面所选的CPU的模块型号以及扩展模块的型号来进行分配的。表2.2 输入输出分配表符号名称功能I/O地址SB0开关自动启动I0.0SQ1液位传感器1#容器满检测I0.1SQ2液位传感器1#容器空检测I0.2SQ3液位传感器2#容器满检测I0.3SQ4液位传感器2#容器空检测I0.4SQ5液位传感器3#容器满检测I0.5SQ6液位传感器3#容器空检测I0.6SQ7液位传感器4#容器满检测I0.7SQ8液位传感器4#容器空检测I1.0SQ9温度传感器超出温度标定范围I1.2SB1按钮检测试灯、试铃好坏I1.4SB2按钮消铃I1.5BCD拨码盘输入温度给定I2.0I2.7KM1接触器1#电机运行Q0.0KM2接触器2#电机运行Q0.1KM3接触器3#电机运行Q0.2KM4接触器4#电机运行Q0.3KM5接触器5#电机运行Q0.4KM6接触器6#电机运行Q0.5KM7接触器搅拌电机运行Q0.6HL8指示灯报警时闪烁Q0.7电铃报警时响Q1.0本系统的外部接线如图2.3所示，CPU224的传感器电源24V（DC）可以输出600mA电流，通过核算在本系统中满足要求，CPU224的输出继电器触点容量为2A，电压范围为530V（DC）或5250V（AC），在PLC的输入输出中要采取保护措施。对于数字量输入输出扩展模块223，输入接两个拨码盘，作为温度值的控制，而输出只是对LED数码管进行连接；模拟量输入模块是接一个热点偶，模拟量输出模块接一个触发电路进行温度调节，这在后面的几节中已经画出，这里就不再画了。图2.3 系统外部接线图2.4温度采集处理在这一节中，我们主要介绍热电偶与热电偶智能模块EM231，然后对EM231模块与EM235模块进行了比较，最终选择EM231作为我们的温度采集处理模块。当温度超过标定范围，系统要采取报警，因此还需要设计一下报警电路。2.4.1 热电偶的基本知识热电偶温度计在工业生产过程中极为广泛。它具有测温精度高，在小范围内热电动势与温度基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好，测温范围宽，响应时间较快等特点。所以采用热电偶来检测温度是再理想不过了。任何两种金属，其连接处都会形成热电偶。热电偶产生的电压与连接点温度成正比。这个电压很低，可能代表若干温度值。测量从热电偶来的电压，对外部连接点进行补偿，然后将测量值线性化。2.4.2 EM231模块在温度采集和控制系统中，温度传感器采集到的温度信号大都是微弱的模拟电信号，要经过一系列的转换，包括放大、A/D转换、冷端补偿、线性化处理、数字滤波等，才变成了计算机能够接收和处理的有效的数字信号。在PLC温度控制系统中，有很多用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。在这种系统中，由于通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，温度传感器采集到的微弱毫伏电信号不能直接送给PLC的AD转换模块，必须由外部温度变送器将温度信号进行放大、冷端补偿、线性化处理，再送到A/D 转换模块的模人通道，转换为规范的数字信号供PLC处理。在S7200PLC中可以扩展通用AD转换模块EM235，它是一个4输入l输出的模拟量混合模块，可以通过DIP配置开关组态为单极性或双极性，设置不同的输入信号，其AD转换为12位。显然，用这种通用AD转换模块构成的温度采集和处理系统有两个方面的不足，一是要增加外部变送器，二是12位AD转换精度不是太高。S7200PLC的扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块-EM231热电偶模块。在模块中集成有16位AD转换器(15位数据加1位符号位，分辩率达01 )，数据格式为二进制补码形式，能自动进行线性化处理，有冷端补偿功能其使用非常方便，只要将热电偶接到EM231的接线端子上，不再需要任何外部变送器或外部电路，一个模块就能完成数据采集及数据处理功能。EM231热电偶模块可以同时输入4路温度数据。可以连接7种不同类型的热电偶(J、K、E、N、S、T、R)。对我们使用的K型热电偶(镍铬一镍硅或镍铝)，模块标定的有效温度范围为一2000+1300、0 ，其数字量对应为一200013000(F830H32C8H)此外，还标定了一个超出范围，当采集到的信号超出该范围时，模块向PLC报告上溢出(7FFFH)或下溢出(8000H)EM231热电偶模块有8个DIP组态开关SW1 SW8，向上为1，向下为0。SW1SW3是热电偶类型选择，K 型热电偶设为001。SW4保留，SW5为断线检测方向，设为0，SW6为断线检测使能，设为0，Sw7为摄氏或华氏度选择，选摄氏度为0，SW8为冷端补偿选择，用模块具有的冷端补偿功能SW8=0。用DIP开关对模块组态后，必须对PLC或用户电源重新上电，设置才会生效。一路温度采集与控制时的热电偶模块及PLC接线如图2.4所示。热电偶模块通过扁平电缆接到PLC，构成数据通道。同时热电偶模块还必须外接+24V 直流电源，接到M、L+接线端，可以接到PLC的+24V直流电源的输出端M、L+，由PLC向热电偶模块提供+24V工作电源，接上电源后模块上的+24VDC指示灯亮。当设置了断线检测时，4个热电偶输入通道中未使用的通道必须短接，或者并接到其它通道上，否则模块上的SF指示灯闪烁，模块不能工作。主机PLC用的是继电器输出型，PLC输出点输出的控制信号应与外部触发电路需要的触发信号相匹配，即高电平“1”应是+5V，低电平“0”为地。因此PLC输出端外接电源不能用自身能够提供的+24VDC，必须接外部+5V 电源，与外部双向晶闸管的触发电路共+5VDC，共地。其接线方法一般采用PLC输出公共端1L接+5V，输出点Q0.1等通过一个大电阻接地。PLC读取热电偶采集到的温度数据是按地址访问的，每个连接到PLC的热电偶输入通道都有一个固定的地址，该地址的确定按PLC扩展输入输出模块地址分配的规定，一个模块4个模拟量输入通道以2字节递增的方式分配地址分别是A1W0、A1W2、AIW4、A1W6，PLC按此地址读数据4。 图2.4 热电偶模块及PLC接线图2.4.3 报警电路报警是电气自动控制中不可缺少的重要环节，标准的报警功能应该是声光报警。当EM231智能模块采集到的温度信号超出标定范围时，向PLC发出信号，PLC报警指示灯闪烁，报警电铃或蜂鸣器响。操作人员知道故障发生后，按消铃按钮，把电铃关掉，报警指示灯从闪烁变为长亮。故障消失后，报警灯熄灭。另外还应设置试、试铃按钮，用于平时检测报警指示灯和电铃的好坏。与PLC的电路如图2.5所示：图2.5 报警电路与PLC的输出2.5 数码管显示温度值对2#容器中化学物质进行温度检测、控制、显示。系统采用3位LED数码管显示器进行显示，显示范围在0.0到99.0。数码显示以其字体清晰、醒目（0.3到0.4英寸）的特点，在许多场合，尤其是在一些光线较弱的车间环境，能够发挥其独特的优势。本系统用输出扩展模块EM223的Q2.0到Q3.2共11个输出点对3位LED数码管进行控制。硬件原理如图2.6所示。系统由CPU224、扩展模块EM223、八D锁存驱动器TPIC6273、共阳极七段数码管和电阻组成。PLC将所需要显示的数据转换成段码，经晶体管输出口（Q2.0Q2.7）送数据总线，相应的位码用Q3.0Q3.2分别控制各数据锁存驱动器的CLK端，将段码送入相应的锁存器，锁存器驱动数码管显示数据。硬件电路采用数码、位码相配合的输出控制方式。PLC输出控制采用晶体管输出模块，开关速度快（0.4ms），适应数据实时动态显示特性。TPIC6273数据锁存器具有漏源电压高（50V）、驱动电流大（150mA）)和输入兼容性好的特点，当段码被锁存至驱动器后，静态数据显示，占用PLC扫描周期的时间可大大减少。提拉电阻兄 用于电平匹配。当PLC输出为1时晶体管输出口导通，数据线为低电平，驱动器输出断开，数码管对应段灭。当PLC输出为0时，晶体管输出口断开，数据线为高电平，驱动器输出导通，驱动数码管对应段点亮。R2为限流电阻，其阻值依据电源 VC及数码管型号进行选取。硬件电路为负逻辑5。 图2.6 数码显示硬件电路图 2.6 拨码盘给定温度值为了使系统更加好的对各种化学物质进行温度控制，在系统中我们可以设定温度值。对于温度的预置，可以采用多种方法：（1）利用PLC本身的电位器实现。在PLC机身一般都有两个左右的模拟电位器，在其内部一般使用A/D转换器采样电位器的调整值，可以通过数据传送指令读取该值作为温度的预置值。（2）利用微动开关实现修改温度值。在前一个方法的应用中，调整电位器不太方便，若将电位器引出又不容易操作。利用微动开关占用极少的输入口也可以方便地作到温度预置值的调整。（3）利用BCD拨码盘实现。我们在本系统中就可以采用这种方法。BCD拨码盘在电子技术中经常被用于数值的预置，它具有占用的输入口少、调整和观察直观、安装使用方便的特点。所以在PLC的应用中也可以使用BCD拨码盘来作为温度值的预置6。BCD 码数据拨盘是计算机控制系统中广泛采用的十进制数码拨盘数据输入装置。拨盘共有0 9 十个位置, 可通过齿轮型圆盘拨到所需位置, 每一位置都有相应数字指示，盘后有五根接线, 其中一根为输入公共线, 另四根为相互独立的输出线, 分别代表8、4、2、1。拨码盘处于不同数字时，控制端A分别与四根BCD码输出线中的相应位接通，输出对应BCD码，控制端A可以接+5V电源，也可以接地。A接+5V电源时，输出8421BCD码正逻辑。A端接地时，输出8421BCD码反逻辑。我们采用前面的方法。一个拨盘可代表一位十进制数据, 若需输入多位数据, 可以用多片BCD 码拨盘并联安装使用。本系统有一个两位可变参数, 只需将两片BCD 码拨盘的输出线依次接到PLC 的输入端, 通过拨盘及相应读入软件, 即可完成数据输入。与PLC的连接如图2.7：图2.7 BCD拨码盘与PLC接线图2.7 温度控制触发电路本设计中的触发电路的是利用电压控制信号Vi进行移相来控制的。该电路由同步电源（包括整流、限幅）脉冲形成，放大和移相控制等环节组成。交流电源经同步变压器T1、桥式整流电路，以及由R1和D3组成的限幅电路，形成梯形电压，用它作为触发电路的同步电源，同时也作为电路中放大器的电源。脉冲形成电路由单结晶体管BT和半导体三极管T2等组成。Vi增大，T2的基极电位减小使其集电极电流增大，C1电容充电的速度加快，相当于充电电阻减小，于是触发脉冲前移，可控硅的导通角加大，Vi减小, T2的基极电位增加使其集电极电流减小，C1电容充电的速度变慢，相当于充电电阻增大，于是触发脉冲后移，可控硅的导通角减小，这样通过控制Vi的大小就可以达到控制发热装置功率的目的7。主电路和触发电路见图2.8。图2.8 温度控制触发电路第三章 系统软件设计根据系统设计的要求，系统的两种工作方式为手动和自动。我们主要设计系统自动工作程序。由于工作量的关系，手动工作程序在这里就不介绍，而直接可以进行手动调节。对于本系统可以采用三个模块进行设计：化学反应过程主程序、采用定时器中断功能实现PID控制的采样、计算和输出以及数码管显示程序。3.1化学反应过程的主程序设计 对按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法编程。顺序控制设计法规律性很强，虽然编出的程序很长，但程序结构清晰、可读性强。所谓顺序控制，就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有序地进行操作。顺序控制设计法就是根据系统的工艺过程，然后根据顺序功能图画出梯形图。有的PLC为用户提供了顺序功能图语言，在编程软件中生成顺序功能图后便完成了编程工作。可见顺序功能图是设计PLC系统顺序控制程序的有力工具，但顺序功能图基本上等同于梯形图，因此在本文中，我们只是画出了主程序的顺序功能图。3.1.1 工艺流程图设计根据前面介绍的化学反应生产过程，我们可以得到系统的工艺流程图。本系统采用顺序控制设计的方法来进行设计。系统工艺流程图如图3.1所示：3.1.2 系统主程序在这个主程序的功能图中，关键是进行并行分支的合并处理，在一些并行分支合并时，由于各分支不一定同时结束，所以设计一些等待状态是必须的，也是合理的。对这些等待状态的复位处理要使用复位指令。并行分支合并后转移到新的状态可以有转移条件，但有时看不到转移条件，其实这时的转移条件就是永远为“真”。即只要所有合并的分支最后一个状态都为ON时就可以转移。永远为“真”的条件在功能图上可以写出图3.1工艺流程图来，也可以不写出来。系统的主程序功能图如图3.2所示，梯形图见附录B：图3.2 系统主程序功能图3.2 PID闭环控制系统设计在化学反应中，温度控制是一个关键。在这里我们利用PID来进行调节。PID 代表 Proportional-Integral-Derivative，即比例积分微分，指的是一项流行的线性控制策略。在 PID 控制器中，错误信号（受控系统期望的温度与实际温度之间的差值）在加到温度控制电源驱动电路之前先分别以三种方式（比例、积分和微分）被放大。比例增益向错误信号提供瞬时响应。积分增益求出错误信号的积分，并将错误减低到接近零的水平。积分增益还有助于过滤掉实测温度信号中的噪音。微分增益使驱动依赖于实测温度的变化率，正确运用微分增益能缩短响应定位点改变或其它干扰所需的稳定时间。PLC作为整个系统的核心控制部件，完成模拟量的采样、运算和输出，并完成控制系统各种检测、判断、处理和报警等任务。本系统可以采用S7-200系列PLC配套的EM235或EM231或EM232扩展模块，来实现被测温度信号的模拟量输入和控制晶闸管的导通角的模拟量输出。3.2.1 PID程序设计方法用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下三种方法：（1）使用PID过程控制模块，用户在使用时只需要设置一些参数，一个模块可以控制几路甚至几十路闭合回路，但这种这种模块价格昂贵，一般用于大型复杂控制系统。（2）用自编的程序实现PID闭环控制。（3）使用PID功能指令，如S7-200的PID指令。实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，价格便宜。我们就采用这种方法来控制。3.2.2数字PID控制原理与参数确定典型的数字PID控制系统如图3.3所示，图中SP(t)是给定值PV(t)为反馈量，c(f)为输出值，PID控制器的输入输出关系可表示为： （1）图3.3 数字PID控制系统在PLC中实际的PID算法算式为： （2） 输出=比例项+积分项+微分项其中：、为PID的比例、积分、微分系数。确定PID参数的方法很多，然而大多数方法确定的参数控制效果不太好，并且调整耗费时间又很大，因此本文采用基于幅值相位裕量的调整方法，具体方法如下：首先对被控对象进行继电器和继电器加积分实验，利用奈魁斯特曲线的和两个频率点，确定对象模型为： （3）其次，设PID模型为使其零极点对消得到系统模型。 这时，只要确定K值就可以确定KP、KI、KD了，而K值取决于的幅值裕度和相位裕度，从的幅相频率特性中可以知道只要满足幅值裕量或相位裕量即可，这时取其相位裕量西其相应的穿越频率为，则有： （4）解之得： （5）一般推荐的相位裕量为，可确定其参数为： 在实际应用中KI，可比上述确定参数略小。用上述方法得到的电阻炉数学模型为： 其相应的PID控制参数为： 在实验系统中KI取的是1.3，采样周期取1.7S。PID回路有2个输入量即SP(给定值)和PV (过程变量)。SP通常是固定值，PV则要经过扩展模块经AD转换后得到。SP与PV是实际值，由于PLC考虑到系统的通用性，对不同系统的数字大小、范围与工程单位的区别，故在PID运算之前要将他们转换成标准化浮点数，即转换为0.00.1之间的标准化实数，这可通过指令运算来完成。与之相对应回路的输出，要将运算后的标准化实数(0.00.1之间)转换成16 b的二进制数，再通过DA转换输出。S7200的PID指令没有设置控制方式，执行PID指令时为自动方式，不执行PID指令时为手动方式。PID指令如图3.4：图3.4 PID指令TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路的编号，PID指令有一个能流记忆位，用该位检测到EN输入端从0到1正跳时，指令执行一系列操