基于PLC温度控制系统的设计论文.doc

南京工程学院 自动化学院自动化学院 本科毕业设计 论文 本科毕业设计 论文 题目 基于基于 PLC 温度控制系统的设计温度控制系统的设计 专 业 测控技术与仪器测控技术与仪器 班 级 测控测控 072072 学 号 xxxxxx 学生姓名 xxxxxx 指导教师 xxxxxx 教教 授授 xxxxxx 副教授副教授 起迄日期 xxxxxx 设计地点 xxxxxx Graduation Design Thesis The Design Of The Temperature Examination In PLC Temperature Control System By WANG Zhu Jie Supervised by Prof XIA Qing Guan Associate Prof LU Hong School of Automation Nanjing Institute of Technology June 2011 摘摘 要要 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 主要内 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 e k 按积分分离 PID 控制算法 得到输出控制量u k 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 它在实际应用中具 有一定参考价值 关键词 关键词 温度检测 温度传感器 A D 转换 PID ABSTRACT The 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 temperature 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 k by scoring separation PID control algorithms with the volume of export control u k 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 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 Key words temperature testing Temperature sensors A D conversion PID 目目 录录 前言前言 1 第一章第一章 系统总体方案系统总体方案 2 第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计 4 2 1 PLC 选择 4 2 1 1 FX2N 48MR 001PLC 4 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 第三章第三章 系统软件设计系统软件设计 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 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 第四章第四章 总结与展望总结与展望 28 4 1 总结 28 4 2 展望 28 致谢致谢 29 参考文献参考文献 30 附录一 三菱附录一 三菱 FX 系列系列 PLC 指令一览表指令一览表 31 附录二 热电偶温度传感器和信号放大器附录二 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 附录三 系统程序 梯形图 36 前前 言言 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 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 加热炉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 第第一一章章 系系统统总总体体方方案案 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 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 给定值范围为 280 700 2 PLC 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 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 0 Q 际炉温 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 第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计 2 12 1 PLCPLC 选择选择 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 12 1 1 FX2N 48MR 001FX2N 48MR 001 PLCPLC FX2N 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 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 I6XXM8056 I7XXM8057 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 X0I001I000M8050 X1I101I100M8051 X2I201I200M8052 X3I301I300M8053 X4I401I400M8054 X5I501I500M8055 注 M8050 M8058 0 表允许 M8050 M8058 1 表禁止 2 2 1 1 2 2 F FX X2 2N N 4 4A AD D 特特殊殊功功能能模模块块 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 电压输入电流输入 项 目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 模拟量输入范 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5mV20 A 总体精度 1 对于 10 10V 范围 1 对于 20 20mA范围 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 BFM编号内容 0通道初始化 缺省值 H0000 1通道1存放采样值 1 4096 用于得到平均结果 缺省值 2通道 2 3通道 3 4通道 4 设为8 正常速度 高速操作可选择 1 5通道 1 6通道 2 7通道 3 8通道 4 缓冲器 5 8独立存储通道 CH1 CH4平均输入采样值 9通道 1 10通道 2 11通道 3 12通道 4 这些缓冲区用于存放每个输入通道读入的当前值 13 14保留 设0 则选择正常速度 15ms 通道 缺省 15选择A D转换速度 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 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时设定输入范围为 10V 10V X 1时 设定输入范围为 4mA 20mA X 2时 设定输入范围为 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ONOFF B0 错误 当 b1 b4 为 ON 时 b0 ON 若 b2 b4 任意一位为 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 数字范围错误 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 1 4096 B12 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 1 2 2 2 2 硬硬件件电电路路设设计计 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 Y0VT1 触发脉冲 电源正半波 X0 电源周波信号 输入端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 Y6温度给定超出范围报警 X10 X21SB2 SB11 Y10 Y23 12 位 8421 三组 BCD 码输 出 2 2 2 2 1 1 温温度度值值给给定定电电路路 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 给定值范围为280 700 若输入值超过给定值范围 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 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 图 2 1 温度值给定电路 2 2 2 2 2 2 温温度度检检测测电电路路 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 0 700 时 输出电势为 0 29 13mV 检测信号经二级放大后送 i u 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 0 u 2 11 5 56 21210 uuuu K K u 式中 为零点迁移值 根据设计要求 恒温值为400 600 本系统选 2 u 取测温范围为 280 700 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 2 u 11 38mV 569mV 于是 0 经零点迁移后 炉温为 280 700 时 i u 1 u 0 u 11 38 29 13mV 0 9 94V A D 转换后的数字量为 0 2047 i u 0 u 2 2 2 2 3 3 过过零零检检测测电电路路 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 2 2 4 4 晶晶闸闸管管电电功功率率控控制制电电路路 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 max n maxt u max n 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 ti dd ti dd 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 VUU mCN 46722205 15 1 电阻 R 的功率应满足 W XR RU P C R 086 0 1015 0 314 1 80 8022010 10 262 2 22 2 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 FU I TNFU II57 1 6 5 式中 5 6 为修正参数 为保证可靠与选用方便 一般取 实选 TNFU II 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 V2220 晶闸管的额定电流应为 TN I AII LTN 2 18 7 132 2 5 1 额定电压应为 TN U VUTN933 6222220 3 2 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 2 2 5 5 脉脉冲冲输输出出通通道道 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 2 2 6 6 报报警警指指示示与与显显示示电电路路 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 Y10 Y23 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 2 2 7 7 复复位位电电路路 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 第第三三章章 系系统统软软件件设设计计 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 Fxgpwin 下完成程序编写和通信 3 3 1 1 编编程程与与通通信信软软件件的的使使用用 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 Open 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 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 3 PLC 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 端口设置 选 择正确的串行口 传送频率后 按OK 打开 PLC 菜单下的 transfers write 写出 输入程序步数 按确定即可下载程序到PLC 上 4 PLC 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 遥控运行 停止 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 3 2 2 程程序序设设计计 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 内存器特定意义内存器特定意义 D0A D 转换数字量结果D30u k D4温度给定值 Q0D31u k 1 D5炉温 QD32e k D25触发周波数 nD33e k 1 D26晶闸管允许触发标志D34e k 2 D27采样周期计数器D35 p K D100 D121数据缓冲区D36 d K D29断偶计数器D37 i K D38十键输入指定存储元件 3 3 3 3 系系统统程程序序流流程程图图 系统程序流程图如图 3 1 所示 Y N 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 2047 断偶报警 标度变换 实际温度显示 差值 e k 0 给定值与实际温度比较 差值 e k 10 恒温指示 Y N 图 3 1 系统程序流程图 3 3 4 4 控控制制系系统统控控制制程程序序的的开开发发 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 280 700 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 并对实际温度进行实时LED 数码显示 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 3 4 4 1 1 温温度度设设定定 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 280 700 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 4 4 2 2 A A D D 转转换换功功能能模模块块的的控控制制程程序序 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 n 240 数字调节器 保存 n 晶闸管触发准备 等待中断 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 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 0 A 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 M25 M10 16 位 中 若无错 M10 0 和 数字输出值正常 M20 0 则 BFM 6 的内容 CH2 通道的平均输入采样值 将传送到 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 ON 4 8s 计时到 同时将控制周期计数器 D27 清 0 3 3 4 4 3 3 标标度度变变换换程程序序 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 280 700 经零点迁移后所对应的数字量为0 2047 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 约等于 2 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 43 4 4 恒温控制程序恒温控制程序 PIDPID 设计 设计 3 3 4 4 4 4 1 1 P PI ID D 算算法法 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 dtte Tdt tde TteKtu i dp 式中 e t 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 2 1 2 1 1 kekeke T T ke T T kekeKkuku d i p 式中 T 分别为采样周期 微分时间常数 积分时间常数和 d T i T P K 比例时间常数 e k 为本次采样时 Q0 与 Q 之差 令 3 1 i Pi T T KK T T KK d pd 则有 式 3 2 2 1 2 1 1 kekekeKKeKkekeKkuku dip 式中 分别为调节器的比例 积分 微分系数 待定参数 p K i K d K 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 T 0 5 i T s T 0 125 d T s T 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 s T Pi KK 5 1 pd KK 4 5 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 p K 调试较为简单方便 3 3 4 4 4 4 2 2 恒恒温温控控制制程程序序 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 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 Y u k 240 N 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 7 数字控制器程序 3 4 53 4 5 数字触发器程序设计数字触发器程序设计 3 3 4 4 5 5 1 1 数数字字触触发发器器组组成成与与原原理理 数字触发器按照调节器输出的控制量控制输送给电阻炉的能量 由于晶 图 3 6 数字控制器程序 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 ku 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 sgn ku 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 3 4 4 5 5 2 2 数数字字触触发发器器程程序序 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 3 4 4 6 6 显显示示程程序序 本设计系统用三个 LED 数码管 含 BCD 译码器 显示温度 本系统 设定温度范围为 280 700 需要先将实际温度转换成BCD 码 从 Y10 Y23 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 Y10 Y13 Y14 Y17 和 Y20 Y23 端 口输出 经译码器译成相应的段码 送七段 LED 显示 3 4 73 4 7 恒温指示程序恒温指示程序 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 3 4 4 8 8 报报警警程程序序 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 第四章第四章 总结与展望总结与展望 4 4 1 1 总总结结 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 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 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 4 2 2 展展望望 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 致致 谢谢 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谢意 夏老师 路老师 谢谢你们 在此 我还要感谢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 我还要感谢孙文波同学和王江涛同学 感谢他们在这 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 我要感谢我的家人 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大门 衷心感谢所有关心 支持和帮助过我的老师和同学 谢谢大家 汪竹杰 二 一一年五月 于南京 参参 考考 文文 献献 1 郁汉琪主编 电气控制与可编程序控制器应用技术 M 南京 东南大学出 版社 2003 2 张永丰 刘祖润主编 毕业设计指导 M 北京 工业大学出版社 1996 3 赖寿宏主编 微型计算机控制技术 M 北京 机械工业出版社 2000 4 方承远主编 工厂电气控制技术 第二版 M 北京 机械工业出版社 2000 5 王炳实主编 机床电气控制 M 北京 机械工业出版社 1999 6 HEWLETT PACKARD 8175A Digital Signal Generator Operating and Programming Guide 7 张万忠主编 可编程序控制器应用技术 M 北京 化学工业出版社 2002 8 尚雅层 赵朝兰主编 Electromechanical Engineering English Readings M 西 安 电子科技大学 1994 9 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 10 三菱公司编 三菱可编程序控制器应用 101 例 1994 附附录录一一 三三菱菱 F FX X 系系列列 P PL LC C 指指令令一一览览表表 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 00CJ条件跳转 01CALL子程序调用 02SRET子程序返回 03IRET中断返回 04E