基于PLC温度控制系统设计定稿

编号 毕业论文毕业论文 设计设计 题 目 基于 PLC 温度控制系统的设计 指导教师 学生姓名 学 号 专 业 自动化 教学单位 机电工程学院 二 O 一四年四月二十五日 德州学院毕业论文 设计 开题报告书 2013 年 12 月 20 日 院 系 机电工程学院专 业自动化 姓 名学 号 论文 设计 题目基于 PLC 温度控制系统的设计 一 选题目的和意义 在各种控制领域中 温度控制在电子业 机械业 冶金业等工业领域应用非常广泛 由于其具有工况复杂 参数多变 运行惯性大 控制滞后等特点 它对控制调节器要求 极高 近年来 温度测控领域发展迅速 并且随着数字技术的发展 温度的测控芯片也 相应的登上历史的舞台 能够在工业 农业等各领域中广泛使用 可编程控制器 PLC 在控制中还能够根据设计要求的需求进行一定的扩展输入输出模块 尤其是对于一些控 制的智能控制模块进行扩展 从而最终能够组成不同的控制系统 并且可以最终将模拟 量输入输出的控制和现代控制的方法互相融为一体 实现各种功能一体的综合控制 现 代社会的发展可编程控制器 PLC 正在以集成度高 功能强 抗干扰能力强 组态灵活 工作稳定受到广大社会的普遍欢迎 在各种的工业的现代化控制中发挥着其独有的重要 作用 并且对温度控制尤其适合 相信在不久的未来 可编程控制器 PLC 会有更为广 阔的发展前景和市场 二 本选题在国内外的研究现状和发展趋势 目前 在我国的工业控制自动化领域中 可编程控制器 PLC 则在社会的发展中以 其拥有可靠性高 抗干扰能力强 编程简单 功能强大 性价比高 体积小 能耗低等 各种优点获得了广大的好评 因此被各种自动控制设计者应用于现代工业的自动控制之 中 对于我国的国内温度控制系统的发展方面 也有了重大的突破 当然相对于在自适 应 参数自整定等方面面对一些发达国家还是有很大的差距 在这几个方面 则以美国 德国 瑞典等国的技术比较领先 都自主的生产出了一批性能优越 操作简便的温度控 制器及仪器仪表 并在世界的各行有了广泛的应用 随着社会生活的高速的发展 人们在生活和生产中对温度控制系统的要求也变得越 来越高 因此 高精度 智能化 人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势 三 课题设计方案 本文介绍 基于可编程控制器 PLC 的温度控制系统 的设计 在这里面共有 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 四 计划进度安排 毕业论文 设计 的进度计划 2013 9 20 2013 12 20 收集资料 文献 在教师指导下选题和构思论文 完成开题 报告 2013 12 21 2014 3 30 严格整理资料 确定论文内容 并且完成论文初稿 2014 4 1 2014 4 15 完成中期检查表 并且根据导师意见对论文做进一步的修改 和完善 2014 4 16 2014 4 30 根据导师提出的定稿意见 做最后完善 2014 5 1 2014 5 10 准备设计 论文 答辩 五 主要参考文献 1 袁任光 可编程序控制器技术与实例 M 广州 华南理工大学出版社 2013 2 刘敏 可编程控制器技术 M 北京 机械工业出版 2010 3 邱公伟 可编程控制器网络通信及应用 M 北京 清华大学出版社 2011 4 陈宏 可编程控制器 PLC 的选型 J 化工进展 2013 5 胡学芝 可编程控制器的选择 J 机械制造与自动化 2010 指导教师意见及建议 签名 年 月 日 教学单位领导小组审批意见 组长签名 年 月 日 德州学院毕业论文 设计 中期检查表 院 系 机电工程学院 专业 自动化 2014 年 4 月 7 日 毕业论文 设计 题目 基于 PLC 温度控制系统的设计 学生姓名学 号 指导教师职 称 计划完成时间 2014 年 4 月 29 日 毕业论文 设计 的进度计划 2013 9 20 2013 12 20 完成毕业设计 论文 开题报告 2013 12 21 2014 3 30 确定论文内容 并且完成论文初稿 2014 4 1 2014 4 15 完成中期检查表 根据导师意见对论文做进一步的修改 和完善 2014 4 16 2014 4 30 根据导师提出的定稿意见 做最后完善 2014 5 1 2014 5 10 准备设计 论文 答辩 完成情况 到目前为止 我通过各种途径学到了很多关于可编程控制器 PLC 的知识 并且初 步掌握了设计课题需要注意的事项和必要准备 现在我正在进一步的学习和论证 并且 开始有了明确的思路和设计的方案 现在正在分析整理中 将按照设计的要求清理设计 思路 进行最后的硬件和软件设计 并开始撰写论文 指导教师评议 签 名 年 月 日 目录目录 1 引言 1 1 1 课题背景以及研究的目的 意义 1 1 2 温控系统的现状 1 1 3 项目研究内容 2 2 系统硬件设计 3 2 1 PLC 选择 3 2 2 硬件电路设计 6 3 系统软件设计 12 3 1 编程与通信软件的使用 13 3 2 程序设计 13 3 3 系统程序流程图 14 3 4 控制系统控制程序的开发 15 4 系统的仿真和运行测试 24 4 1 组态王的运行 24 4 2 实时曲线的观察 25 4 3 分析历史趋势曲线 26 4 4 编辑数据的报表 26 4 5 系统稳定性测试及最终评估 26 参考文献 28 谢辞 30 附录一 三菱 FX 系列 PLC 指令一览表 31 附录二 系统程序 梯形图 32 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 1 基于基于 PLCPLC 温度控制系统的设计温度控制系统的设计 德州学院机电工程学院 山东德州 摘要摘要 本文主要介绍了基于日本三菱公司 FX2N 系列的可编程控制器从而进行硬件设计和软件设计 进而完成了一个完整的关于炉温控制系统的设计方案 该设计编程时调用了 PID 控制模块 使得程序 更为简洁 运行速度更为理想 在软件上 则是通过利用比较新型的三菱专用软件三菱 PLC GX Developer 8 86Q 实现控制系统的实时监控 数据的实时采样与处理 实验证明 此系统具有快 准 稳等优点 在工业温度控制领域能够广泛应用 关键词关键词 温度控制 可编程控制器 三菱 FX2N PID 控制模块 1 引言 1 1 课题背景以及研究的目的 意义 进入 21 世纪后 我国社会的各项发展突飞猛进 世界的技术更是日新月异 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 也无法保证高质量的要求 更不能提升高新技术企业的形象 在各种控制领域中 温度控制在电子业 机械业 冶金业等工业领域应用非常广泛 由于其具有工况复杂 参数多变 运行惯性大 控制滞后等特点 它对控制调节器要求 极高 近年来 温度测控领域发展迅速 并且随着数字技术的发展 温度的测控芯片也 相应的登上历史的舞台 能够在工业 农业等各领域中广泛使用 目前 仍有部分工业和 企业生产线 存在着控制精度不高 炉内温度均匀性差等问题 造成工艺要求不达标 装 备运行成本费用高 产品品质低下 严重影响企业的经济效益 急需进行技术的改造 目前 在我国的工业控制自动化领域中 可编程控制器 PLC 则在社会的发展中以 其拥有可靠性高 抗干扰能力强 编程简单 功能强大 性价比高 体积小 能耗低等 各种优点获得了广大的好评 因此被各种自动控制设计者应用于现代工业的自动控制之 中 在现代的各种工业控制中 设计者通常会选用可编程控制器 PLC 作为自动设备的 控制系统 用该系统进行相应的数据采集与处理 逻辑判断 输出控制等 可编程控制器 PLC 在控制中还能够根据设计要求的需求进行一定的扩展输入输出 模块 最终能够组成不同的控制系统 并且可以最终将模拟量输入输出的控制和现代控 制的方法互相融为一体 实现各种功能一体的综合控制 现代社会的发展可编程控制器 PLC 正在以集成度高 功能强 抗干扰能力强 组态灵活 工作稳定受到广大社会的 普遍欢迎 在各种的工业的现代化控制中发挥着其独有的重要作用 并且对温度控制尤其 适合 1 2 温控系统的现状 在我国 自改革开放以来 我国的工业由于飞速的发展 各种工业过程控制急需发展 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 2 同时 面对世界的控制发展 尤其是在电子技术和计算机技术的迅猛发展下 对自动控 制和自动设计的方面都有了重大的推动 对于我国的国内温度控制系统的发展方面 也 有了重大的突破 当然相对于在自适应 参数自整定等方面面对一些发达国家还是有很 大的差距 在这几个方面 则以美国 德国 瑞典等国的技术比较领先 都自主的生产 出了一批性能优越 操作简便的温度控制器及仪器仪表 并在世界的各行有了广泛的应用 目前 我国发展的比较成熟的产品其实主要以 点位 控制及很普通的 PID 控制器为 主 这种控制系统的性能很低 在一些温度控制中 其只能适应很普通的温度控制 对于 一些复杂 控制滞后 时变温度系统的控制 我国的产品就会感觉很乏力 在许多的工 业控制中 更需要一些智能化 自适应控制仪表等高性能的控制器 但是随着我国经济 的快速发展 控制能力的不足已经引起了我国政府及一些大企业的重视 并不断地进行 自主更新 并且取得一些良好的产品效应 通过一系列的有力措施 目前看来我国在一 些温度仪表 温度控制等重要的工业中已经得到了比较迅速的发展 随着社会生活的高速的发展 人们在生活和生产中对温度控制系统的要求也变得越 来越高 因此 高精度 智能化 人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势 1 3 项目研究内容 可编程控制器 PLC 是集计算机技术 自动控制技术和通信技术等三种不同的但有关 联的技术为一体的自动控制装置 可编程控制器 PLC 性能非常的优越 现在已经被广泛 的应用到工业控制的多种领域 并且已经成为了工业自动化的三大支柱 PLC 工业机器 人 CAD CAM 之一 可编程控制器 PLC 的应用已成为工业潮流中不可缺少的一员 随着 社会的发展 相信可编程控制器 PLC 技术在我国将得到更为全面的推广和应用 本篇的论文研究的就是可编程控制器 PLC 技术在锅炉的温度监控系统上的一种比较 先进的自动控制应用 该论文是从整体上分析了 研究了控制系统的硬件的设计 电路 图的设计 程序的设计 以及控制算法的选择和参数的整定等各种具体详细的设计 本篇的论文就是通过三菱FX2N PLC控制器 运用这种温度传感器将检测到的实际炉 温转化为电压信号 然后会经过模拟量的输入模块转换成为数字量信号并送到PLC中进行 PID调节 然后PID的控制器输出量会转化成占空比 通过固态继电器控制炉子的加热的 通断来实现对炉子最终的温度的控制 同时 在通过串行口与可编程控制器通信 对控 制系统进行全面的监控 从而会让使用的用户操作更为方便 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 3 2 系统硬件设计 2 1 PLC 选择 我们设计方案的要求 可以分析得出 该设计以开关量控制为主 同时具有部分模 拟量控制的应用系统 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 所以应该选用一个控制系统功能比较稳定的控制器 经 过多重考虑和比较 我们最终决定选用三菱的 FX 系列可编程控制器中的 FX2N 48MR 001 基本 I O 点数为 24 同时还选用了一个 A D 转换器来完成温度采样系统 因为三 菱的 FX 系列可编程控制器既是我们所学所用的 PLC 同时三菱 FX 系列可编程控制器中的 FX2N 48MR 001 的性价比很高 实施起来也比较方便 2 1 1三菱的 FX 系列 PLC FX 系列 PLC 具有庞大的发展体系 主机系列就有 FX0 FX 0S FX 0N FX1 FX2 FX2C FX2N FX2NC 共 9 个系列 在这 9 个系列中又分为多种不同的机型 其中 FX2N PLC 是 FX 系列中功能最强 速度最高的微型可编程序控制器 根据 FX2N 系列可编 程序控制器的型号和相关数据 我们最终决定选择 FX2N 48MR 001 型号的控制器 我们所选用的 FX2N 系列可编程控制器中的 FX2N 48MR 001 它由基本单元 扩展单 元 扩展模块等构成 该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 D 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 三菱 FX2N 48MR D PLC 内部构造数据如下 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 1 和表 2 8 数据寄存器 D D0 D8255 D0 D199 为通用型 表 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 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 4 表 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 1 2 FX2N 4AD 特殊功能模块 FX2N 4AD是作为模拟量输入模块 FX2N 4AD有四个模拟量输入通道 分别为 CH1 CH2 CH3和CH4 每个通道都可独立进行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3所示 表 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5mV 20 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 所有这些数据的转换和参数设置的调整都是可以通过FROM TO的指令进行的完成 除 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 5 此之外的 我们还同时在编程过程中很注意的用到了BFM数据缓冲存储器 具体分布情况 如下表4所示 表 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 2通道 2 3通道 3 4通道 4 存放采样值 1 4096 用于得到平均结果 缺省值设为 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 15选择 A D 转换速度 BFM 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 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 通道的选择 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 数字控制为CH1 最高位数字控制为CH4 在该通道中的各位数字的具体含义如下 X 0时设定输入范围为 10V 10V 并且当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 5 所示 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 6 表 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 硬件电路设计 根据这个系统总体设计的方案 设计系统的 I O 地址具体的分配如下表 6 所示 表 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 Y2312 位 8421 三组 BCD 码输出 2 2 1 温度值给定电路 按系统总体设计的方案设计要求 一共设计了十个开关按键 这十个开关按键都可 以作为温度给定值的输入端口 接收十进制数 这些温度给定值范围为 280 700 如果 输入值超过给定值范围 该系统会自动发出报警信号 即亮红灯 该设计的电路如图 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 SB6 SB4 和 SB2 则表示给定温度值为 420 并将该 值送可编程控制器 PLC 数据寄存器中保存 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 7 图 1 温度值给定电路 2 2 2 温度检测电路 在该设计的整体结构中 温度检测系统是温度控制系统的一个非常重要而必须的环节 这将会直接关系到系统的性能 在可编程控制器 PLC 温度控制系统中 该温度的检测 不仅仅要完成温度到模拟电压量的转换 同时还要将电压转换为数字量送往可编程控制 器 PLC 该温度检测系统其一般结构如下图 2 所示 图 2 温度检测基本结构 温度传感器会先将需要测量的测温点的温度转换为模拟量的电压 其电压值一般为 mA 级 该数据一般会过小 不能满足系统的需要 所以我们需要将其放大为满足 A D 转 换要求的电压值 然后再将放大后的模拟量电压送到可编程控制器 PLC 的 A D 转换模 块进行 A D 转换 这样就可以得到表示温度的电压数字量 这时候就可以再利用软件进 行标度变换与误差补偿 从而最终能够得到测温点的实际温度值 该设计的温度控制系统是利用热电偶的传感器完成炉温检测 热端检测炉温 冷端 置于 0 温度中 同时利用 FX2N 4AD 模块中的一个通道实现 A D 转换 炉温检测与放大 电路则是由热电偶 低通滤波 信号放大和零点迁移等电路共四个部分组成 其具体的 电路如图 3 所示 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 8 图 3 炉温检测与放大电路 在这个上面的图形中的 R1 C1 是用来完成这个的低通滤波 而由 R2 RP 2CW51 组 成的系统则是用来组成零点迁移的电路 对于这个炉温检测元件事统一采用的镍铬 镍 铝热电偶 这个他们的分度号分别都为 EU 2 进一步在分度表可查得 当该测量温度为 0 700 的时候 输出的电势即为 0 29 13mV 检测的信号则会经过二级放大之后会将 i u 其运送到 FX2N 4AD 的模块 这个系统的第一级放大倍数是为 50 而相对于第二级放大倍 数则为 11 2 同时第二级放大还会将进一步去完成 对于零点的迁移 其输出电压的计算即为 0 u 1 2 11 5 56 21210 uuuu K K u 该式子中 为零点迁移值 根据该设计的要求 恒温值将为 400 600 本系统选 2 u 取测试的温度的范围则为 280 700 该设计将 280 作为测温起点 零点 通过调整 多圈电位器 RP 使 50 11 38 569mV 如果当炉温为 280 时 2 u 11 38mV 569mV 于是 0 经零点迁移后 炉温为 280 700 时 11 38 i u 1 u 0 u i u 29 13mV 0 9 94V A D 转换后的数字量即为 0 2047 0 u 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 9 2 2 3 过零检测电路 根据该设计的要求 过零检测电路在每个电源周期开始时都会产生一个脉冲 该脉 冲作为触发器的同步信号 该设计的电路如图 4 所示 图 4 过零检测电路 图中 GND 为 5V 电源地 LM339 作为过零比较器 可知由于 LM339 集成块内部装有四 个独立的电压比较器 所以共模范围比较大 同时差动输入电压范围也较大 大到可以 等于电源电压 该系统的二极管是用作 LM339 输入保护 电路的工作波形如图 5 所示 图 5 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 Thyristor 是晶体闸流管的简称 又可称做可控硅整流器 以前被简称为 可控硅 晶闸管是 PNPN 四层半导体结构 它有三个极 阳极 阴极和门极 晶闸管具 有硅整流器件的特性 能在高电压 大电流条件下工作 且其工作过程可以控制 被广 泛应用于可控整流 交流调压 无触点电子开关 逆变及变频等电子电路中 晶闸管的 关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的 也可以说 若要使已导通的晶闸 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 10 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主要有两种方法 一种是采用移相触发控制输入电 压的大小 第二种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 因此会采用过零触发来进行控制 同 时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 电源的通断则由二个晶闸管反并控制 如图 6 所示 图 6 电功率控制电路 这种控制方法的基本原理是 各晶闸管的触发角 恒为 0 可使得一个周期内电 源均加在电热元件上 即通过控制一个控制周期内晶闸管导通周波数 即可控制电热元 件消耗的电能 通过电热炉的数字模型可知 温度的增量与它消耗的电能是成正比的 而电热炉消耗的电能与晶闸管导通周波数也成正比 因此 可知晶闸管导通周波数 n 与 控制输出控制量 u k 的关系为 n K u k 2 式中 K 为比例系数 约为 1 为一个控制周期内的电源的周波数 由 max n maxt u max n 于温度偏差不同 则 u k n 会不同 电热炉消耗的电能也会不同 即可根据温度偏差 调节输入电能 这样就会保证炉温按要求变化的目的 当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 要一段时间来完成 在这段恢复的时间里 晶闸管元件流过反向电流 当接近终止时 会变的很大 这时候它与线路电感共同作用产生的电压 L 可能会对晶闸管造 ti dd ti dd 成损坏 必须采取一定的保护措施 即在晶闸管两端并联阻容吸收装置 设计电路中具体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 根据经验值决定选取为 R 80 C 0 15 F 3 电容 C 的交流耐压为 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 11 4 VUU mCN 46722205 15 1 电阻 R 的功率应满足 5 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 其熔体电流按照下式选取 FU I 6 TNFU II57 1 6 5 式中 5 6 为修正参数 为保证设计的可靠与选用方便 一般取 实选熔体额定 TNFU II 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 其额定电压则为 500V 3 晶闸管的选择 因为电阻炉的额定功率设定为 4KW 电源电压为 220V 故负载电流 IL 18 2A 而且 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 则可以知道流过 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则为 考虑到晶闸 V2220 管的过载能力小及环境温度的变化等因素 晶闸管的额定电流应为 TN I 7 额定电压应为 TN U 8 VUTN933 6222220 3 2 根据以上计算 主回路的二只晶闸管最终决定选择为 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 可以靠地触发晶闸管导通 而不再需要设计光电隔离和功率放大 所以脉冲输出通道电 路如图 7 所示 图 7 脉冲输出通道 由图中 可以得知初始时 Y0 和 Y1 都是为低的电平 当系统检测到从 X0 输入的 AII LTN 2 18 7 132 2 5 1 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 12 同步信号为高 低 电平时 这时候 Y0 Y1 会由低电平变成高电平 这时输出电流值 为 2A 的触发电流 会去触发晶闸管 VT1 VT2 导通 而当 X0 从高电平变为低电平 从 低电平变高电平 时候 这时候 Y0 Y1 脉冲结束 电路恢复为初态 2 2 6 报警指示与显示电路 按照整体设计的要求 在报警指示电路中特意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 等三个不同作用的灯 通过这些灯可以完成指 示 报警等功能 显示电路是由 Y10 Y23 经过三个 BCD 的七段共阴数码管译码器 74LS248 同时外接三个七段 LED 数码管 带 完成显示功能 设计电路如下图 8 所示 图 8 报警指示与显示电路 2 2 7 复位电路 复位电路是由一个开关 SB12 完成开 关功能的设计 当按下开关 SB12 时系统就会启 动 这时会正常运行 进行执行任务 当断开 SB12 时 系统则会停止运行 不再执行任 何任务 设计电路如图 9 所示 图 9 复位电路 3 系统软件设计 三菱的可编程控制器 PLC 程序输入可以通过手持编程器 FX 20P E 型 或 FX 10P E 型 专用编程器或计算机完成 手持编程器体积小 携带方便 在现场调试时更 有优越性 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 而相对于专用编 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 13 程器则价格高 通用性还很差 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 编程和通信已经成为一 种趋势 本次软件的设计即是采用利用计算机编程 在三菱公司全系列 PLC 通信编程软 件三菱 PLC GX Developer 8 86Q 下完成程序编写和通信 3 1 编程与通信软件的使用 三菱 FX 系列 PLC 通信软件名称为三菱 PLC GX Developer 8 86Q 适用于 Q QnU QS QnA AnS AnA FX 等全系列可编程控制器 支持梯形图 指令表 SFC ST 及 FB Label 语言程序设计 网络参数设定 可进行程序的线上更改 监控及调试 具有异地读写 PLC 程序功能 它的运行环境为 MS window3 1 或 window95 以上的版本 3 2 程序设计 本设计系统所采用的是三菱 FX2N 系列 PLC 控制 其输入 输出地址表如表 6 所示 另外 内存分配如表 7 所示 表 7 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 系统程序流程图 系统程序流程图如图 10 所示 初始化 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 14 Y N Y N Y N Y N 图 10 系统程序流程图 3 4 控制系统控制程序的开发 按照本系统设计任务的要求 严格要求控制系统需要实现恒温控制的功能 温度需 要在 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 同时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 故按要求特编写以下控制程序 PLC 指令见附录一 总程序见附录二 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 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 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 15 3 4 1 温度设定 按照本设计系统所利用的是十键数字输入指令 并设定恒温给定值 故程序如图 11 所示 图 11 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 否则输入将会出错报警 Y6 1 3 4 2 A D 转换功能模块的控制程序 该温度检测硬件电路给定的 A D 转换通道号为 CH2 用来完成炉温的 A D 转换 为了 提高抗干扰的能力 程序采用的是数字滤波措施 该滤波方法是取 8 次输入的平均值作 为检测结果 在此过程中的设定炉温的模拟量会送入 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 将会直接连 PLC 的为 0 号模块 A D 转换功 能的 PLC 的程序如图 12 所示 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 16 图 12 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 本程序设计是按照以 4 8s 为一个控制周期 当控制周期到才会读取 A D 转换结果 控制周期计时中断服务程序 I610 如图 13 所示 图 13 计时中断程序 I610 为每计时 10ms 便会自动执行一次中断的 当计时达到 10ms 时 系统将会执 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 17 行 I610 中断服务程序 控制周期计数器则会 D27 加 1 将 D27 与 480 进行比较 若相 等时则 M331 为 ON 4 8s 计时到 同时将控制周期计数器 D27 进行清 0 3 4 3 标度变换程序 此外还需要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则为 0 2047 0 10V 对应的数字量 通过 模数转换将会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大约应 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进而会被送入 D5 同时将所计算得到的余数 与 0 5 所对应的数字量 约等于 2 进行比较 如果结果大于 2 则将 D5 中的数进行加一 反之则不会改变 所得结果将再加上 280 从而这样就会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 14 所示 图 14 标度变换程序 3 4 4 恒温控制程序 PID 设计 1 PID 算法 根据本次设计给定的设计的要求 此次的温度控制将会被分为三段 自由升温段 恒温段和自然降温段 自然降温是指不需要控制和检测温度 自由升温则只需监视炉温 是否到达恒温值 即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许种形 式 例如大林算法 PD 调节 PID 调节 开关调节等 本系统最终决定选用实际中切实 可行的积分分离 PID 调节 因为它能够有效地减小系统的超调和稳态误差 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 18 PID 调节器的位置式控制方程为 9 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 10 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 积分时间常数和比例时间常数 d T i T P K e k 为本次采样时 Q0 与 Q 之差 令 11 i Pi T T KK T T KK d pd 则有 式 12 12 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 13 s T 0 5 14 i T s T 0 125 15 d T s T 其中 为纯比例控制时的临界振荡周期 即有 s T 16 Pi KK 5 1 17 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 因而使调试较为简单方 p K 便 2 恒温控制程序 本次设计为了减少超调现象和消除振荡现象 当自由升温小于所给定的恒温值 10 系统就会开始进行具体的恒温控制 恒温控制则会将采用积分分离 PID 调节 系统的控 制算法如下 每当炉温值 Q 大于给定恒温值 10 时 系统将会进行全速升温 令 u k 240 240 指的是作为一个控制周期 4 8s 的工频电源周波数 每当 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 15 数字控制器程序 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 20 图 16 数字控制器程序 3 4 5 数字触发器程序设计 1 数字触发器组成与原理 数字触发器会按照调节器输出的控制量将控制输送给电阻炉的能量 由于晶闸管移 相触发存在很大的谐波干扰将会 污染 电网 本系统将采用过零触发 触发器的具体 组成如图 17 所示 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 21 图 17 过零数字触发器组成 工作原理具体如下 首先 数字触发器的准备程序将会进行把控制量 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就会相应的会成为 1 准备 的程序则在每个控制周期会执行一次 而当电源正半波到来时 由低电平变高电 sgn ku 平 若晶闸管允许触发标志的为 1 则在 Y0 的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 会导通 使电源正半波加到电阻丝上 当电源负半波到来的时候 会由高电平变低电平 若晶闸管允许触发标志为 1 则在 Y1 端产生一个的触发 sgn ku 脉冲 经光电隔离和功率放大后触发晶闸管 VT2 的导通 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的工作 当已导 通周波数等于 n 时 表示本控制的周期内向电阻丝输送的能量已达到控制的要求 将晶 闸管允许触发标着志清 0 Y0 Y1 不会再输出触发脉冲 2 数字触发器程序 数字的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 18 和图 19 所示 电源在一个控制周期 4 8s 有 240 个周波 而 u k 的最大亦也为 240 因此 晶闸管在一个控制周期的导通周波数为 n 与控制量 u k 的关系即为 n u k 18 脉冲输出通道要求 PLC 输出的触发脉冲必须为正脉冲 所以程序应该先使 Y0 或 Y1 由 0 变 1 延时约为 0 01s 后 半个周波时间 再将 Y0 或 Y1 置为 0 则会在 Y0 的 或 Y1 端形成一个宽约 0 01s 的正脉冲 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 22 图 18 晶闸管触发准备程序 图 19 数字触发程序 数字触发器功能的 PLC 程序如下图 20 所示 当 X2 为 ON 时 将 u k 送到 D25 作触发周波数 n 将其与 0 比较 若当 n 大于 0 则置位 D26 触发允许标志 的允许触发并将 Y0 和 Y1 置为 1 X0 即为电源周波信号 输入端 当允许晶闸管触发时候 当 X0 的上升沿 下降沿 到时 Y0 Y1 输出即为 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 减为 1 直到 D25 为 0 止 D25 即为 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 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 23 图 20 数字触发器程序 3 4 6 显示程序 该设计的系统是用三个 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为 BCD 码 即从 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 21 所示 图 21 显示程序 先将实际温度 D5 除以 100 得到百位数 存放 D122 中 同样 所得到的余数 D103 将除以 10 得到十位数后 将其存放 D121 中 余数的 D105 为个位数存放在 D120 中 D122 D121 和 D120 中的数据则将会分别从 Y10 Y13 Y14 Y17 和 Y20 Y23 端口输出 然后会经译码器译成相应的段码后 最终将结果送七段 LED 显示 3 4 7 恒温指示程序 根据该系统的设计 每当实际温度与温度给定值相等的时候 这时系统就会发出恒 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 24 温指示的信号 Y4 1 绿灯亮 恒温指示的具体的程序如图 22 所示 图 22 恒温显示程序 将实际的温度值 D5 与温度设定的值 D4 进行一定的比较 如果相等则会将令 Y4 为 ON 恒温指示灯亮 同时会令触发脉冲个数为 0 这时候系统将不对电阻炉加热 3 4 8 报警程序 该报警系统是将 A D 转换的数字量与 2047 比较 若连续的两次检测到 A D 转换的数 字量将大于 2047 则表示进行相应的断偶 系统的输出断偶报警的信号 Y5 将会变为 ON 此时即会亮红灯 如图 23 所示 图 23 报警程序 4 系统的仿真和运行测试 本次设计的仿真和运行采用的是国产的组态王 因为在该温度控制系统设计中 我 们所进行选择的组态王不仅仅的能够用来完成我们的监控画面的设计 而且与其他的一 些的组态软件相比 其具有的优势是它的操作很方便 能够提供简单人性化的操作主界 面 还可以为我们提供了用的汉字作为关键字的脚本语言来进行运行 这对于这个的新 手来说比较很容易上手 4 1 组态王的运行 首先进行打开组态王的项目工程管理器 进入主画面 进行组态王的开始系统的运 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 25 行了 组态监控启动之后 如图 24 所示 图 24 监控主画面 4 2 实时曲线的观察 进行点击自行组态画面的实时曲线按钮 可以进行实时的观察数据 在自 PID 参数 的作用下 其实际的控制效果的情况 如图图 25 所示 图 25 温度实时曲线 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文 设计 26 4 3 分析历史趋势曲线 下面再进行主画面上的历史趋势曲线的分析如图 26 图 26 温度历史曲线 通过实际检测的结果可以看到我们的控制器起到了调节作用 最后的温度也稳定在 了设定的温度上 最终到达了我们预定的目标 4 4 编辑数据的报表 当然也可以进行点击主画面的数据报表窗口进行查看报表的记录的数据 如图 27 所示 图 27 数据记录 4 5 系统稳定性测试及最终评估 这次的测试的系统能够保持相对的稳定性 这一次就把温度的设定在 80 C 从而可 以得控制曲线如图 28 所示 德州学院 机电工程学院 2014 届 自动化专业 毕业论文