基于PLC的触摸屏温度控制系统

PLC 技术应用项目说明书技术应用项目说明书 设设 计计 题题 目目 学学 院院 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 目目 录录 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 摘摘 要要 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 第第一一章章 绪绪论论 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 第第二二章章 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 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 12 1 1 FX2N 48MRFX2N 48MR PLCPLC 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 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 2 2A AD D 特特殊殊功功能能模模块块 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 B BF FM M内内容容 编编号号b b1 15 5 b b8 8b b7 7 b b4 4b b3 3b b2 2b b1 1b b0 0 0 0保保留留输输入入数数据据的的当当前前值值 低低 8 8位位 1 1保保留留输输入入数数据据的的当当前前值值 高高 4 4位位 2 2 1 16 6保保留留 1 17 7 保保留留 模模拟拟到到数数 字字转转换换开开 始始 模模拟拟到到数数 字字转转换换通通 道道 1 18 8保保留留 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 2 1 1 3 3 F FX X2 2N N 2 2D DA A 特特殊殊功功能能模模块块 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 内内容容 B BF FM M 编编号号b b1 15 5 b b8 8b b7 7 b b4 4b b3 3b b2 2b b1 1b b0 0 0 0保保留留输输入入数数据据的的当当前前值值 低低 8 8位位 1 1保保留留输输入入数数据据的的当当前前值值 高高 4 4位位 2 2 1 16 6保保留留 1 17 7 保保留留 模模拟拟到到数数 字字转转换换开开 始始 模模拟拟到到数数 字字转转换换通通 道道 1 18 8保保留留 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 2 2 硬硬件件电电路路设设计计 2 2 2 2 1 1 温温度度值值给给定定电电路路 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 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 i u 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 u 2 11 5 56 21210 uuuu K K u 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 2 u 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 u i u 1 u 于是 0 经零点迁移后 加热管温度为 0 100 时 0 u 0 4 095mV 0 9 94V A D 转换后的数字量为 0 4000 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 实选熔 TNFU II 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V2220 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 62 2 6 报警指示电路报警指示电路 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 72 2 7 复位电路复位电路 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 GTDESINER 下完成程序编写和通信 3 3 1 1 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 储存器特定意义储存器特定意义 D0A D 转换数字量结果D30u k D4温度给定值 Q0D31u k 1 D5加热管温度 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 2 2 系系统统程程序序流流程程图图 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 3 3 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 13 3 1 温度设定温度设定 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 3 3 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 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 3 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 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 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 dtte Tdt tde TteKtu i dp 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 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 积分时间常数和比 d T i T P K 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 因而使调 p K 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 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 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 则在 sgn ku 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 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 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