基于PLC的电阻炉温度闭环控制系统设计

SJ005-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目： 基于PLC的电阻炉温度闭环控制系统设计 二级学院： 电子信息与电气工程学院 专 业： 自动化 班级： 10自二 学生姓名： 倪佳巍 学号： 10020621 指导教师： 高敏 职称： 讲师 评阅教师： 职称： 2014年 5月SJ005-1摘要温度控制系统在国内各行各业虽然已经得到十分广泛的应用，但是国内生产的温度控制器总体来说发展水平仍然不高，同国外的美国、德国、日本等先进国家相比，仍然有着十分大的差距。加热炉的温度控制已经广泛的应用在许多领域。其中的应用大多都是基于单片机来进行PID 控制, 然而单片机控制的DDC 系统硬件和软件的设计较为复杂, 特别是有关逻辑控制的方面更不是其长处, 而PLC 在这方面是公认的最优选择。加热炉的温度系统是一个大惯性系统，一般使用PID调节来进行控制。随着PLC功能模块的扩充，在许多PLC控制器中都添加了PID 控制功能, 所以在逻辑控制与PID控制同时应用的场所中采用PLC控制是更为合理的。本设计是利用三菱PLC控制加热炉温度的闭环控制系统。首先介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了三菱PLC和系统硬件及软件设计的具体过程。最后实现组态的人机界面。关键词：三菱FN2X PLC，PID，温度传感器，固态继电器常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书AbstractTemperature control system is widely used in industrial control field, such as steel mills, chemical plants, coal-fired power plant boiler temperature control system, temperature control system of electric welding machine and so on. Temperature control of reheating furnace is widely used in many fields. This aspect of the application of PID control is mostly based on single chip microcomputer, however, single-chip microcomputer control of DDC system software and hardware design is relatively complex, especially involves the logic control more than its strengths, PLC in this regard is recognized as the best choice. Heating furnace temperature is a big inertia system, generally USES the PID control. As the PLC function expansion in many of the PLC controller has expanded the function of PID control, thus in the logical control and PID control mixed application of PLC control is relatively reasonable in place. Keywords: mitsubishi FN2X PLC, PID, temperature sensors, solid state relay目录第一章 绪论11.1课题来源及现状11.2 国内外研究现状2第二章 系统总体设计32.1 系统设计要求32.2控制原理与数学模型32.2.1 PID控制原理32.2.2 PID指令的使用注意事项62.3 系统设计思路7第三章 硬件设计83.1 可编程控制器83.1.1 PLC的特点83.1.2 PLC的选型93.2 三菱FX2N PLC简介93.2.1 三菱FX2N PLC概述93.2.2 三菱FX2N PLC功能93.3 温度传感器103.4固态继电器113.4.1 概述113.4.2 固态继电器的组成123.4.3 固态继电器的优点123.5 输入输出点配置123.6 PLC接线图13第四章 软件设计144.1 GX DEVELOP编程软件简介144.2系统流程图154.3 程序设计174.3.1 系统的启动/停止控制174.3.2 继电器输出启动,执行PID程序174.3.3 PID参数设定184.3.4 报警上限和下限设定19第5章 组态人机界面205.1组态王简介205.2制作人机界面21总结28致谢29参考文献30附录132I第1章 绪论第一章 绪论1.1课题来源及现状温度的检测和控制与人们的日常生活、工业生产等方面息息相关。在许多地方，及时准确的取得目标温度信息是十分重要的，近些年来，温度的检测和控制领域得到迅速发展，由于科学技术的发展，各种控制器也相继出现在温度控制系统的历史舞台，广泛的应用于工业、农业等各种领域。可以使用的控制器有很多，如单片机、PLC、通用PC机工控机等。控制器之间可以通过局域网或现场总线控制器之间可以进行信息之间的交换，使温度控制系统更加自动化以及智能化。随着如今电子技术的发展，可编程序控制器已经由起来简单的逻辑量控制逐步拥有了计算机控制系统的功能。PLC在现代工业控制中占有了很重要的位置，它可以和计算机组成控制功能更为完善的控制系统。温度控制在许多行业的工业控制系统中都是急需解决的问题之一。因此，设计出一些较为通用的温度控制系统有着十分重要的意义。其可根据各行业的不同要求来进行调整具体的系统参数和器件。比如由时间或位式比例式温度调节器控制工业加热炉的温度控制系统中，其由接触器控制的主回路因为不能快速反应，因此控制的温度的精度都比较低，大都在几度甚至十几度以上。随着当今元器件以及电力电子技术的发展，主回路中的接触器可以用固态继电器代替，加上模糊逻辑控制或PID的调节器组成的温度控制系统，其控制的温度精度得到大大提高，通常在2以内。例如加热炉就是个大惯性系统，在使用PID调节控制时，他的参数会跟着投入物料的物理特性和质量而改变，参数整定要求较高的专业性知识以及丰富的经验，如果参数配置不好就难以获得好的效果，因此使用比较复杂。在有些较大的系统中，也许还有其它控制目标的情况也常常采用工业控制机、PLC以及相应的温度转换摸块来组成温度控制系统，它们基本也是采用PID控制模型。迄今为止最常用的控制方法之一就是PID控制。其可算法简单、靠性高、鲁棒性好，因此在过程控制中有着广泛的应用，特别是可以建立精确的数学模型的确定性系统更适用。PID控制的结果完全由其中的四个参数决定，即采样周期、比例系数、积分系数以及微分系数。因此，PID参数的整定与优化一直都是自动控制领域研究的重要课题。1.2 国内外研究现状自20世纪70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是随着自动控制理论和设计方法以及电子技术的迅猛发展，国外温度控制系统迅速发展，并且在智能化自适应参数自整定等方面获得重大成果。在这方面以美国、德国、日本、瑞典等国的技术领先，并且都生产出了一批性能优异的商品化的温度控制器及仪器仪表，广泛应用于各个行业。 目前，国外温度控制系统及仪器仪表正朝着小型化、高精度智能化等方面快速发展。温度控制系统在国内虽然已经十分广泛的运用于各行业，但就以国内目前生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍就不高，同国外的美国、德国、日本等先进国家相比，仍然有着很大的差距。目前，我国在温度控制领域的总体技术水平处于20世纪80年代中后期水准。成熟产品主要以“点位”控制和常规的PID控制器为主，它只能适应常规温度系统控制，而滞后复杂时变温度系统就难以控制，而且适用于较高控制场合的自适应智能化控制仪表国内技术还不够成熟，形成广泛应用的商品化控制仪表较少。现在，我国在温度控制仪器仪表业与国外还有着不小的差距。温度控制系统大体可分别用3种方法实现，一种是以仪器仪表来控制温度，这种方法的控制精度不高。另一种是基于单片机进行PID控制，但是单片机控制的DDC 系统软硬件设计比较复杂，特别是在逻辑控制方面更不擅长，而PLC 在这方面却是公认的最好选择。27第2章 系统总体第二章 系统总体设计2.1 系统设计要求本课题的主要目标是采用闭环控制方案，主副控制器采用PID控制算法，手动整定或自动整定PID参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度保持在某一值，并能实时显示当前温度值并具有温度上下限声光报警、与PC机通讯等功能。对加热器加热温度调整范围为0200，温度控制精度小于1，2.2控制原理与数学模型2.2.1 PID控制原理1. PID控制器基本概念PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量以进行控制。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不能采用时，系统控制器的结构与参数必须用经验与现场调试来确定，这时使用PID控制技术最方便。也就是当我们不了解一个系统与被控对象，或者不能通过有效测量的手段来获取系统参数的时候,采用PID控制技术比较适合。（1）比例（P）控制比例控制是种最为简单的控制方式，该控制器的输入与输出误差信号成比例关系，当仅有比例控制的时候系统输出存在着稳态误差（Steady-state error）。（2）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”。积分项对误差的运算取决于时间的积分，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，采用比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）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的惯性组件（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。2. 闭环控制系统特点 控制系统一般有开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统(Open-loop Control System)是表示控制器(controller)的输出不受被控对象的输出(被控制量)影响。闭环控制系统(Closed-loop Control System)的特点是系统控制器的输出会受被控对象的输出反送回来的影响，形成一个甚至多个闭环。闭环控制系统有负反馈以及正反馈，如果系统的给定值和反馈信号相反，就称为负反馈( Negative Feedback)；若果极性相同，就称为正反馈。通常闭环控制系统都采用负反馈，也称负反馈控制系统。由此可见，闭环控制系统性能远远高于开环控制系统。PID就是得到最广泛应用的闭环控制器。例如用于加热炉温度控制系统的PID串级控制系统，其期望的加热炉温度就是系统目标的设定值，闭环控制器反馈值由温度传感器获得，并且经过A/D变换变换成数字量；将目标的设定值减去温度传感器反馈信号的差值送给PID控制器，通过比例，积分，微分运算，获得一个叠加的数字量；该数字量经过下限、上限限位处理之后再经过D/A变换，传出一个电压信号来控制固态继电器，进而控制加热炉的温度。该系统的PID控制器一般使用PLC提供的专用模块，也可以采用编程的方法（例如高级语言编程、PLC编程及组态软件编程等）形成一个数字PID控制器。同时，其它功能如A/D、D/A全由PLC实现，PLC直接采集加热炉的反馈信号，同时也送出控制固态继电器的电压信号，达到控制加热炉的温度的目的。 3. PID控制器的参数整定控制系统设计的核心内容就是PID控制器的参数整定。PID控制器的微分时间、积分时间和比例系数的大小是由被控过程的特性来确定的。有很多种方法可以整定PID的参数，总的来说有以下两大类：（1）理论计算整定法：其控制器的参数主要根据系统的数学模型以及理论计算最后确定控制器的参数。这种方法所获得的计算数值不一定能够直接的使用，还必须通过工程实际来进行整改。（2）工程整定法。其主要依赖于实践的经验，在控制系统试验中进行，而且方法简便、容易掌握，广泛应用于工程实际。PID控制器参数的工程整定的方法主要分为临界比例法，反应曲线法与衰减法。这三种方法各有各的特点，但是共同点都是通过试验，然后根据工程经验公式对控制器参数进行整定。但不管采用何种方法所得到的控制器参数，都需要经过实际运行来进行最后的调整与完善。现在大都采用的是临界比例法。通过此方法进行PID控制器参数整定有以下几步：(1)首先提前选择一个较短的采样周期使系统工作；(2)只加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应有临界振荡，记下此时的比例放大系数以及临界振荡周期；(3)在一定的控制度下经过公式计算获得PID控制器的参数。4. PID控制器的主要优点 PID控制器成为使用最广泛的控制器，它拥有以下优点：（1）PID算法包含了动态控制过程中的将来、现在和过去的重要信息，并且其配置基本是最佳。其中，比例（P）代表了现在的信息，起到纠正了偏差的作用，让过程的反应更为迅速。微分（D）在信号发生变化时起超到了前控制作用，表示将来的信息。在过程起始的时候强迫过程的进行，克服过程结束时克服的振荡，减小超调，使系统的稳定性提高，系统的过渡过程更快。积分（I）表示过去积累的信息，它能消除静差，使系统的静态特性得到提高。此三种作用配合适当，可使动态过程收到快速、平稳、准确的效果。（2）PID控制适应性强，有很强鲁棒性，都可在不同的程度上应用在各种工业的应用场合，特适于“一阶惯性环节+纯滞后”与“二阶惯性环节+纯滞后”的过程控制对象。（3）PID放算法简单且明了，各控制参数都相对比较独立，参数选定比较简单，构成了完整的设计和参数的调整方法，很容易被工程技术人员所掌握。 （4）PID控制根据不同的条件，针对自身的缺陷进行了很多改进，生成了一系列改进的PID算法。比如，为克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制，为克服大偏差时出现超调和饱和的PID积分分离控制，为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等。这几个改进算法在一些应用场合获得了非常不错的效果。由于当今智能控制理论的发展，又有许多新的智能PID控制方法出现。2.2.2 PID指令的使用注意事项1. PID控制器的选取PID控制器的性能以及处理速度只和所采用的CPU的性能有关。对于任意一个CPU，每个控制器被调用的频率和控制器的数量是互相矛盾的。控制环执行的速度也就是在每个时间单元内更新操作值的频率决定了可以安装的控制器的数量。对要控制的过程类型没有要求，迟延系统（液位、温度等）和快速系统（电机转速、流量等）均可作为被控对象。过程分析时应注意：对被控过程控制器的设计、构造以及静态（比例）与动态参量（积分和微分）的维数选取很大程度上取决于控制过程的动态性能和静态性能。准确的认识控制过程的类型和特性数据是非常必要的。控制器选取时应注意：控制环的特性由被控过程和被控机械的物理特性决定，并且设计中可以改变的幅度很小。一旦采用了适合被控对象的控制器且让其适应过程的响应时间，就可以得到很高的控制质量。2. PID参数的设定 PID调节器参数是由控制对象的惯量来确定的。例如大烘房的温度控制的大惯量，一般P可在10以上，I=3-10，D=1左右。例如一个小电机带一个水泵进行压力闭环控制的小惯量，一般只用PI控制，P=1-10，I=0.1-1，D=0，这些要在现场调试时进行调整和修改，主要是根据经验以及对生产工艺的熟悉，参照对测量值的跟踪以及设定值的曲线，从而修正P、I、D的大小。下面具体说明经验法的一般步骤：（1）使调节器参数中的积分系数I=0，微分系数D=0，控制系统进行闭环运行，从小到大增大比例系数P，使得扰动信号做阶跃变化，监控控制过程，直到得到符合要求的控制过程。（2）让比例系数P为当前值再乘以0.83，从小到大增大积分系数I，同样使扰动信号做阶跃变化，直至得到符合要求控制过程。（3）保持积分系数I不变，增大比例系数P，看控制过程有没有变化，若有变化则继续修整，直到满意为止。不然则让原比例系数P增大一些，再改变积分系数I，尽量使控制过程完善。这样反复试凑，直到获得满意的积分系数I和比例系数P为止。（4）引入微分系数D，此时可适当将比例系数P和积分系数I增大。和上述步骤一样，微分系数的整定也需反复试凑，直到得到满意的控制过程为止。需要注意的是：传统的工业PID调节器和仿真系统所采用的PID调节器有所不同，仿真所采用的PID调节器各个参数之间是互相隔离的，因此互不影响，用其观察调节规律非常方便。经验法本质上是试凑法，它是在工业实践中总结出来的非常有效的方法，并在现场得到广泛使用。经验法简单可靠，但必须有一定的现场实践经验，整定时易出现主观片面性。当使用PID调节器时，因为有多个整定参数，增加了反复试凑的次数，因此提高了获得最佳整定参数的难度。2.3 系统设计思路SV加热炉固态继电器D/APID控制器- PV温度传感器A/D图 1 加热炉温度控制系统原理框图加热炉的温度进行控制过程：首先通过传感器感受炉内的温度变化，将其转换成电压信号传送至 PLC主要控制系统，在其内部A/D的处理下，此电信号转化成能够被系统识别的数字信号，同时PLC将此信息与设定好的温度信息进行比对、处理，然后给固态继电器输入端一个控制信号来控制固态继电器的输出端是否导通从而对电热炉电阻丝两端电压进行控制，即控制电热炉的温度。该过程中，PLC主控系统是加热炉温度控制系统的核心部分，起着十分重要的作用。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第三章 硬件设计 随着微处理器、数字通信和计算机技术的快速发展，计算机控制已经被广泛地应用于所有的工业领域。当今社会要求工业生产对市场需求作出快速反应，生产出小批量、多规格、多品种、高质量的产品。为了满足这一要求，自动化生产线的控制系统和生产设备必须拥有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器正是由于这一要求出现的，它是以微处理器为基本的通用控制装置。本章主要介绍三菱系列PLC以及其它硬件的组成与选型。3.1 可编程控制器3.1.1 PLC的特点编程方法简单易学：梯形图是最常使用的PLC编程语言，它的表达方式和电路符号和继电器电路的原理图类似，梯形图的语言形象而且直观，方便学习和使用。功能强，切性价比高：一台小型的PLC内有可以供给用户使用的编程元件有成百上千个，而且可以实现极为复杂的控制功能。与功能相似的继电器系统比，具有相当高的性价比。PLC可以通信联网，完成分散控制，还有集中管理。硬件齐全，用户使用起来方便，适应性强：PLC产品已经标准化、模块化、系列化，有品种齐全的硬件装置可供用户选择，用户可以灵活地进行系统配置，组成规模和功能都不同的系统。PLC的接线安装也非常方便，一般用接线端子与外部接线连接。硬件配置确定后，通过修整用户程序，就能够方便快速地适应工艺要求的变化。可靠性高，抗干扰能力强：PLC用软件代替了继电器控制系统中大量的时间继电器与中间继电器，接线的数量减少到了继电器控制系统十分之一以下，因触点的接触不良而造成的故障大大减少。PLC有极强的故障诊断能力。其采用了一系列的硬件与软件抗干扰的措施，具有极强抗干扰能力，适用于存在强烈干扰的工业生产的现场，PLC已经被公认为最可靠工业控制设备之一。系统的设计，安装，调试工作量少：PLC用软件中的功能代替了继电器控制系统中的大量的时间继电器、中间继电器、计数器等元件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC可以用顺序控制设计法来设计梯形图程序。这种设计方式极有规律，容易掌握。PLC的用户程序可以在实验室进行模拟调试，输入信号可以用小开关来表示，通过各个输出点对应的发光二极管的通断来监控输出信号的状态，调试的时间少于继电器系统。维修工作量小，维修方便：PLC发生故障的几率很低，且自带完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置以及执行机构发生故障时，根据编程软件提供的信息和PLC上的发光二极管，可以很方便地查出哪里出故障，用更换模块的方法就能快速地解决问题。3.1.2 PLC的选型全球PLC有二百多种，国内常用PLC也就二三十种，常用的有德国西门子；美国AB、ABB、GE；法国施耐德；日本欧母龙、三菱、松下；韩国三星；国产和利时、科创思等。三菱PLC相对于其他的PLC价钱比较低，有相配套的伺服系统和组态软件。而且在大学期间我所接触的也大多数是三菱公司的PLC。三菱PLC的种类分为FR-FX1N FR-FX1S FR-FX2N FR-FX3U FR-FX2NC FR-A FR-Q。由于本系统所需功能和技术要求FX2N完全能够解决，所以从经济方面考虑选用三菱FX2N系列产品。FX2N系列PLC是由日本三菱公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能满足许多自动化控制的需求，他的设计紧凑，价格低廉，而且拥有良好的可扩展性和强大的指令功能，可代替继电器用于简单的控制场所，也适用于复杂的自动化控制系统。由于具有极强的通信功能，也能在大型网络控制系统中充分发挥作用。FX2N系列可以根据对象不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架上。3.2 三菱FX2N PLC简介3.2.1 三菱FX2N PLC概述FX2N系列是功能很强大的微PLC，可扩展到多达128I/O点，并且能增加特殊功能模块和扩展板。通信和数据链接功能选项使得FX2N在体积、通信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完美。3.2.2 三菱FX2N PLC功能定位和脉冲输出功能一个PLC单元可以同时输出2点100KHZ脉冲，其具有7条特殊的定位指令，包括绝对位置读出、零返回、特殊脉冲输出控制以及绝对或相对驱动。内置型24V直流电源400mA 、24V直流电源能够用于如传感器或其他元件等外围器件。时钟功能和小时表功能在所有的FX2N PLC中均有实时时钟标准。比较指令和时间设置易于操作。小时表功能对机器维护和过程跟踪提供了有用的信息。元件注解记录功能元件注解能够记录在程序寄存器中。持续扫描功能替应用所需的持续扫描时间规定操作周期。输入滤波器调节功能能够用滤波器平整输入信号（在基本单元从x000到x007）。在线程序编辑在线改变程序不会停止生产运转或损失工作时间。远程维护远处的编程软件能够通过调制解调器通信来上载或卸载、监测程序和数据。RUN/STOP开关面板上停止/运行开关易于操作密码保护使用一个八位数密码使您的程序安全。3.3 温度传感器温度是一种常见的物理量，自然界中任何过程都和温度息息相关。温度传感器是开发的最早，应用的最广的一种传感器。美国仪器学会调查，1990年，温度传感器在市场上所占的份额远远的超过其他传感器。从17世纪初温度计由伽利略的发明开始，人们进行测量温度。而真正的把温度转换成电信号得传感器是被德国的物理学家赛贝在1822年发明的，也就是现在的热电偶传感器。50年之后，铂电阻温度计同样被德国人西门子发明了。随着半导体技术的发展，本世纪陆续研发出PN结温度传感器和半导体热电偶传感器以及集成温度传感器。与之对应的，根据物质与波的相互作用规律，相继发明了红外传感器、声学温度传感器和微波传感器。这里我们主要介绍热电偶。工业热电偶作为测量温度的传感器，通常与显示和记录仪表以及电子调节器共同使用，它能够直接测量不同生产过程中范围不同的温度。再配接温度变送器，其输出标准电流（4-20mA）、电压信号（0-10V），使用将更加方便与可靠。相对实验室这类距离短的应用场合，可以直接引入PLC进行热电偶的信号测量。热电偶工作原理为：两种不同材质的导体,两端分别焊接，形成回路。直接测量端称为工作端（热端），接线端叫作冷端，当热端和冷端形成温差，这时回路中就会形成热电流，该现象叫做热电效应；如果连接到显示仪表，仪表上会显示热电效应产生的热电动势所对应的温度值，同时电动势会随着温度的升高而增大。热电动势的大小只和热电偶材质与两端的温度有关，与热电偶的长短粗细无关。热电偶传感器的优缺点：它灵敏度相对比较低，比较容易受到环境干扰信号的影响，同样容易受到前置放大器温度漂移的影响，所以不适用于测量较小温度的变化。因为材料粗细不会影响热电偶温度传感器得灵敏度，同样制作热电偶的金属有较好延展性，此种测温元件反应速度很快，可以测量变化快速的过程，像燃烧及爆炸过程等。在常规的工业生产中，为了保使感温元件不受到磨损和腐蚀，总是把他装在厚厚的护套里面，外观就变得相对很大，对于温度的反应也相应迟缓得多。 在本系统中，我们选用了K型热电偶，其测温范围大约是01000。系统里的烤炉最高温度不过几百度，加上一定的裕度就足够了，另外其成本也不算高。3.4固态继电器3.4.1 概述 固态继电器和机电继电器相比，是一种不含运动零件、没有机械运动的继电器，但它有着和机电继电器本质上一样的功能。SSR是一种无触点开关元件，他全部由固态电子元件组成，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用功率场效应管、大功率三极管和单项可控硅以及双向可控硅等器件的开关特性来达到无触点，无火花地断开和接通被控电路。它是一种四端有源器件，其中两端为输入控制端，剩下的两端则为输出受控端，如图3-3所示。输输出受控端 输输入控制端输输入电路输输出电路图3-3 固态继电器模块示意图当输入端发出控制信号，输出端从断开状态转为导通状态；控制信号消失后，输出端转为关断状态，从而达到自动控制。固态继电器的输出与输入端之间使用光电隔离技术，将强电与弱电隔离，因此从计算机等弱电设备发出的信号能够直接作用于固态继电器的控制端，而不必额外的电路保护。3.4.2 固态继电器的组成 其可分为三部分:输入输出电路和隔离（耦合）。根据输入电压的种类不同，输入电路又被分为交流输入电路、直流输入电路和交直流输入电路三种。有的输入控制电路还拥有正负逻辑控制、与TTL/CMOS兼容和反相等功能。其输入与输出电路的耦合的方式可分为变压器耦合和光电耦合两种。其输出电路也可分为交流输出电路、直流输出电路和交直流输出电路这三种形式。交流输出时，通常采用一个双向可控硅或两个可控硅，直流输出时可采用功率场效应管或双极性器件。3.4.3 固态继电器的优点 （1）高寿命，高可靠:SSR由固体器件完成触点功能，没有机械零部件，因为没有运动的零部件，所以能在高冲击、振动的环境下工作，构成固态继电器的元器件的特有性质决定了固态继电器可靠性高、寿命长。 （2）控制功率小，电磁兼容性好，灵敏度高:固态继电器有较宽范围的输入电压，驱动功率低，能够与大部分逻辑集成电路兼容不需加驱动器或缓冲器。 （3）快速转换:由于固态继电器使用固体器件，因此切换速度在几毫秒至几微秒之间。 （4）电磁干扰小:固态继电器没有触点回跳和燃弧，没有输入线圈，因而降低了电磁干扰。大部分交流输出固态继电器相当于一个零电压开关，在零电流处关断，零电压处导通，降低了电流波形的突然中断，从而降低开关瞬态效应。 由于加热炉的功率只有1000W，所以选用40A的固态继电器就完全可以达到控制要求。3.5 输入输出点配置 输入点配置名 称功 能I/O编号SB1启动按钮X0SB2停止按钮X1SB3报警上限X2SB4报警下限X3输出点配置KM1当前温度值Y0KM2报警信号Y1KM3继电器信号Y23.6 PLC接线图FURCOM1Y1Y0FX2N-4ADFX2N温度传感器220VCH4CH3CH2CH1LNSCOMX1X0常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第四章 软件设计4.1 GX DEVELOP编程软件简介GX DEVELOP是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列的可编程控制器。支持网络参数设定，指令表、梯形图、ST、SFC及FB、Label语言程序设计，可进行程序的在线更改、监控和及调试，拥有异地读写PLC程序功能。GX Developer特点：1. 软件的共通化GX Developer可以制作A系列，Q系列,FX 系列，QnA系列的数据,可以转变成GPPA、GPPQ格式的文档。 此外，选择FX系列的情况下，还可以变换成FXGP(WIN)、FXGP(DOS)格式的文档。 2. 由于Windows的优越性，其操作性飞跃上升能够有效利用将Eord、Excel等作成的说明数据进行复制、粘贴。 3. 程序的标准化 (1) 标号编程 用标号编程编写可编程控制器程序，则不必知道软元件的号码仅仅根据标示编写为标准程序。以标号编程生成的程序可以依据汇编直接作为实际的程序来使用。 (2) 功能块FB是一种提升顺序程序开发效率的功能。将开发使用顺序程序的时候反复运用到的顺序程序回路块零件化，是开发顺序程序变的更加容易。此外，零件化后，其运用到别的顺序输入时不会出现错误。 (3)只要在任何回路模式中添加名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，之后只要输进简单的指令就可以读出之前登录的回路模式，改变软元件就可以灵活的利用了。 4. 可以简单设置与不同站点的连接，即使连接对象的指定在图形化被构成复杂系统的情况下也可以简单地设定。 5. 能够用以下方法与可编程控制器CPU连接 (1) 通过AF计算机插板(2) 通过MELSECNET/10(H)计算机插板(3) 通过USB(4) 通过由CC-Link计算机插板(5) 通过CPU计算机插板(6) 通过Ethernet计算机插板(7) 通过MELSECNET()计算机插(8) 通过串行通讯口6. 丰富的调试功能 (1) 因为使用了梯形图逻辑测试功能，所以可以更加方便的进行调试作业。 (a) 没有必要与可编程控制器相连。 (b) 没有必要编写使用的顺序程序。 (2) 在帮助中有特殊寄存器/特殊继电器，CPU错误的说明，因此对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊寄存器/特殊继电器的内容的情况下提供很大的便利。 (3) 数据制作中发生错误时，会提示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间可以大幅度缩短。4.2系统流程图根据电阻炉温度控制要求，本系统控制流程图如图所示 N启动加热器测炉温并与SP比较即（SP-PV）PID调节固态继电器加热炉测加热炉温度PV初始化温度设定SP判断模块是否正常NY电阻炉温度控制流程图4.3 程序设计4.3.1 系统的启动/停止控制4.3.2 继电器输出启动,执行PID程序S3+2 输入滤波常数（） 0-99% 0时没有输入滤波S3+3 比例增益（Kp） 1-32767% S3+4 积分时间（TI） 0-32767（100ms） 0时作为处理S3+5 微分增益（KD） 0-100% 0时无微分增益S3+6 微分时间（TD） 0-32767（10ms） 0时无微分处理S3+7-S3+19 PID运算的内部处理占用S3+20 输入变化量（增侧）报警设定值 0-32767S3+21 输入变化量（减侧）报警设定值 0-32767S3+22 输出变化量（增侧）报警设定值和输出上限设定值S3+23 输出变化量（减侧）报警设定值和输出下限设定值S3+24 报警输出 bit0 输入变化量（增侧）溢出 bit1 输入变化量（减侧）溢出 bit2 输出变化量（增侧）溢出 bit3 输出变化量（减侧）溢出4.3.3 PID参数设定PID参数整定法即确定调节器的微分时间Td，积分时间Ti和比例系数P，提高系统的静态以及动态特性，使系统的过渡过程满足最为满意的质量指标要求。通常可以通过理论计算来确定，但误差较大。当前，应用最多的依旧是工程整定法：如反应曲线法、衰减曲线法、临界比例带法和经验法。经验法又称为现场凑试法，其不需要通过事先的计算和实验，只要根据运行经验，通过一组经验参数，依据反应曲线的效果不停地改变参数，对于温度控制系统，工业上已经有大量的经验，其规律如表2-4所示。表 2-4温度控制器参数经验数据被控变量规律的选择比例度积分时间（分钟）微分时间（分钟）温度滞后较大2060204003一般凑试法的整定步骤是“先比例，再积分，最后微分”。 1）整定比例控制 把比例控制作用从小变到大，观察各个响应，直至获得超调小、反应快的响应曲线为止。2）整定积分环节先将步骤1）中设定的比例系数减小到之前的5080，再把积分时间定一个较大值，监测响应曲线。之后减小积分时间，增大积分作用，同时调整比例系数，最后反复试凑至获得较满意的响应，确定比例和积分的参数。 3）整定微分环节环节先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，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4.3.4 报警上限和下限设定常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第5章 组态人机界面5.1组态王简介 组态王开发监控系统软件，是种新型工业自动控制系统，它通过标准的工业计算机硬、软件平台所构成的集成系统来取代了传统得封闭式的系统。组态王kingview6.55是亚控科技根据目前国内自动化技术得发展趋势，来实现企业的一体化，是面向低端工业生产以及应用为目标而研发的一个产品。该产品以搭建战略性工业生产服务平台为目标，得到了亚控科技自己研发的工业实时数据库的支持，能够为企业提供一个对整个生产过程的数据进行汇总、分析及管理的有效平台，让企业可以及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最佳的结果。组态王保持了其早期版本运行稳定、功能强大以及使用方便的特点，同时根据国内众多用户反馈的意见，将部分功能进行了完善和扩充。组态王kingview6.55提供了简捷易用及丰富的的配置界面，提供了大量的图库精灵和图形元素，并为用户创建图库精灵提供了简易的接口；这款产品的报表、历史曲线及web发布的功能进行大幅提升和改进，软件功能性与可用性得到了很大的提高。组态王在保留原报表中所有功能得基础上新增加了报表向导的功能，能够用组态王历史库或者KingHistorian作为数据源，快速地建立所需要的班报表，日报表，周报表，月报表，季报表与年报表。另外，可以实现值得行列统计功能。组态王在web发布方面取得了新的突破，新版的Web发布能够实现OCX控件发布和数据发布以及画面发布，同时保留了组态王Web的所有功能：IE浏览客户端能够获得与组态王运行系统同样的监测画面，Web服务器与IE客户端保持数据同步，通过网络您可以在任何地方获得与Web服务器上相同的画面和报表显示、数据显示、报警显示等，同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令，实现实时控制的功能。组态王集成了对KingHistorian的支持，且支持数据同时存储到组态王历史库和工业库，极大地增强了组态王对数据存储的能力，能够更好地达到大多数用户对存储速度及容量的需求。亚控最近退出的独立研发的工业数据库。具有单个服务器支持最高256个并发客户、100万点同时检索和存储数据、每秒超过20000 条单个变量记录检索的强大功能。能够很好地满足高端客户对存储速度和容量的要求，完全符合客户实时检索和查看历史运行数据的要求。它具有开放性好、适应性强、经济、开发周期短、易于扩展等优点。通常能够把这样的系统划分为三个层次结构即管理层、控制层。其监控层对上连接了管理层，对下连接了控制层，它不但满足了现场的实时监测和控制，并且在自控系统中完成组态开发、上传下达的作用。重点考虑了三方面的问题：动画，数据，画面。通过分析监控系统要求和实现功能，用组态王进行监控系统的设计。组态软件同时给试验者提供可视化监控画面，对试验者进行实时现场的监控什么有利。并且，由于Windows图形编辑功能，更加方便地构成监控画面，并且以动画的方式表示控制设备状态，具有实时趋势的曲线、报警窗口等，方便生成各种各样的报表。它拥有灵活的组态方式、数据连接功能与设备的驱动程序。 通过组态王来实现控制系统仿真的根本方法： (1)设计图形界面 (2)数据库的建造 (3)建立动画链接 (4)调试与运行 通过组态王开发的具有以下特点: (1)实验全部由软件实现,只要利用计算机就能够完成自动控制系统工业的实验,从而大大降低购置仪器的经费。 (2)该系统是中文界面,具有结果可视化、人机界面友好等优点。对用户而言, 参数输入与修改灵活,编程简单、操作简单易学,具有重复或多次仿真运行控制的能力,可以及时地显示参数变化前和变化后系统特性的曲线,可以很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这类很强的交互能力令其在自动控制系统的实验中能够发挥理想的效果。在采用组态王实现系统编制应用程序过程时需考虑以下三个方面:(1)图形,实际的工业现场和相应的工控设备用抽象的图形来模拟。(2)数据,即创建一个具体的数据库,同时用这数据库中的变量表示工控对象的各种属性，例如温度，湿度等。(3)连接,就是画面上的图素用什么动画来表示现场设备的运行和怎样让操作者输入控制设备的指令。5.2制作人机界面 打开组态王软件，进入工程管理器，新建一个工程，选择他的存储路径并设定项目名称为“电阻炉温度PID控制系统设计”。如图所示，选择FX2编程口。选择COM1，波特率为9600，偶校验。通信口为RS232.数据字典定义如图所示，因为要采用PLC控制所以部分变量定义为I/O离散型，有的定义为内存离散型。其他变量如上述方法定义。变量设定动画连接其他模块亦如上述方法定义。动画演示总结加热炉温度控制系统采用成熟的PLC技术和电力电子技术，采用软硬件结合，较好的解决了传统的加热炉