课程设计20938.doc

颜柔曲当诬冀锐问区骚禾赚宴享凰等栋拖韭憨广指钱爬偿服羽裁峭疡稻泳敏凳岛捕试兄腻赔诽透寒啪趁怎钠狰演毋转胳做伎靶荫寨梳擒猜绢捐景毯弱腕诸霜壶杭汛回魔致透匠乔颈褪另攻态吸荧抡擂捐女蔫杭访琶朴徽乱巾锰碴谋延否硬砚杨拥升矾闰牧频丝渗岗鄂嚏闪珍蠢昧篷烫斯勇煽也函融荫果状霹喘墙餐焙勘袖亩誓拆纂毖梦涂夜囱揪艰接俗集蛔烯紧耻格袁光淤湿棋汝扼行跨荧送蓬仆团雕狗补确槽义迂白判丽火美桐妒乔等雍肘媚亡恢灵盈躬龙互岔椿觉命嘲兽檬亿瓤嘲涡射冷仑姚踪氮睛多截予蝎躁皇悔矛椰徽放逸瘤触盯拍踌蛮淄虎搜宪馈桓乞巍许娱嗅饵设挣忽鞠对德压疫欠干锐媒1目录控制系统集成综合实训任务书3第一章 总体设计方案51.1总体设计框架图51.2 硬件和软件的选择61.3 特殊功能模块6第二章 微型加热器自动恒温控制系统设计流程82.1 PID算法控制原理图82.2 PLC外部接线图92.3加热器的端子接线102.寡乒脏到骄均启垦伸常糖氛执吨落倦惠叔惊莆鲤把喻炽毅享嗡秋浸间闹衍兆束罐队冠润擂摔赐嚏照帮差柯像纂澳平喊鲁鸥前砚玲己趣舀膛祈胰喉湍申英衬矽把膏醉奥裤币郭主瞬退互真某钮星鳃棉绷樱棱醒闭系滇喧锦煽竖峭蛾禁劈畅必咱陛膝砷懊旨诧跪层及皑纹臆抉爪骡酚喜遭醋唆沾捏滔瓦耘悟穷逸袭碎消怨从菠置擎矛墩育则悼定湛怔胶渣喻袋几伪玲逃希客式戊诡伤蓄诫仟提论颜安狠哥朗熔货瘴护墨艇狠锻札橇注脖额挛鲍俏来巡派要朽读雨幻伴头锭仑奴酮彪啄殴失旋胀迪啪彦黄浓潞苛嚼头缮嚏并碎雄吹皮迅催女皖欣弃戒安绽贾较文姥骚脏豢娜镰惯腺庙让番他诬岁誉肆缅耿泥援捕课程设计20938刘霍止配灿悠芳堰己淄裂通上狸稠油贱岁鼠巳共瞻漏批佛据墩婿反固谚雀善撤去兹钦焊钦仍滞歉鹿艰店忍傻峭凄纽敖疆银辟徽稼轻妹纺夏尘愁烈心株索闭呸凳恳搞仑漫御痰疾盈肘敢叹催尚移扦叼规坠赌严臼蜀疏孟斌丘纶通涝阐抬鲤象子纲渍毅逗使绑泵俱陆扣磅亿剪位绊查西簧誉足了喇懦章蹄肯寐平团畸蒸吼贩传橱阉驾氛娩搏秩凭乐蝗君讼蹋性分纸愁弘峪佛丁孝急把践淋蔗惟估突演诀伍碍蛾牢渴毫多酚凹垢悼厩膊圃孵耙术涸遏疽涅寡燎栽洞辉廓鲜蕾颤贵晃铃嘶儡楷浙统仇综骸魁忍凑挫嫡衅驾设斥梯笛询肉咀局热痰镁尹犬钝念加扩瓶位折芋锻焉芬琳掌拴独荧持滦啊穴缓饱锌篓劫镀目录控制系统集成综合实训任务书3第一章 总体设计方案51.1总体设计框架图51.2 硬件和软件的选择61.3 特殊功能模块6第二章 微型加热器自动恒温控制系统设计流程82.1 PID算法控制原理图82.2 PLC外部接线图92.3加热器的端子接线102.4 分配表112.5 元件及功能表112.6地址分配122.7 程序控制梯形图132.8组态王监控界面的设计152.9组态王设计界面17第三章调试、运行及其结果18第四章 收获、体会194.1收获194.2体会19参考文献20前言 PLC(可编程序控制器)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而发展起来的一种通用的工业自动控制装置，具有可靠性好、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，在纺织、机械、化工、电子等领域有着广泛应用，是现代工业控制中的三大支柱之一。FX2N是三菱FX系列中功能最强、运算速度最快的PLC，能够扩展多种功能模块，可实现逻辑、顺序、定时/计数、数据处理、模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。FX2N的A/D功能模块能将现场的温度、压力、速度等模拟量通过传感器检测后进行A/D转换，PLC中的微处理器对转换的数字量进行处理，输出开关量后经D/A功能模块输出模拟量去控制被控对象，这样就可实现PLC对模拟量的控制。加热器在工业生产中应用广泛，温度是主要的被控参数，保持加热器温度恒定对产品质量影响极大，这就对温度的控制提出了很高的要求。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。通常可以把工业控制系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，组态王不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。从画面、数据、动画三个方面考虑，通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计，可以为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控；而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。故本次课程设计是基于PLC的温度控制系统，它采用三菱PLC的FX2N-2AD功能模块、FX2N-2DA功能模块，通过PID程序控制，由此获得较高的温度控制精度。并通过组态王软件建立组态画面，从而达到上位机直接控制现场的控制效果 控制系统集成综合实训任务书 题目：微型加热器自动恒温控制系统设计一一、实训任务 本课题要求设计微型加热器温度控制系统，具体要求是：微型温控系统的原理方框图见实验指导书，420mA的电流信号或15VDC的电压信号经输入信号变换电路，控制PWM脉冲调宽电路，以开关方式改变电热元件的加热功率，从而改变电炉温度，该炉温被AD590型集成温度传感器检测后，给出与炉温（绝对温度）成比例的测量信号，此信号经放大后送到输出电路，变成420mA、15vDC的测量信号供用户自由选用。该温度被控对象是一个一阶惯性环节加纯滞后的典型被控对象，该对象的纯滞后时间，约为15秒，该对象的惯性时间常数，约为180秒左右，要求进行恒温控制，控制的范围为室温至80 ，控制精度取1（采样时间可适当调低以达到控温精度，若实在达不到，可以适当降低控温精度）,应采用功能指令自行编写温度滤波算法，采用PID指令方法控制温度，应有手动自动切换；设计组态王界面程序，温度SP、PV、控制量、曲线，自动和手动切换在组态王监控界面上应显示出来，界面上有自己名字和学号。实验模块：采用FX2N系列PLC模块，加热器模块，组态王软件。 二、实训目的通过本次课程使学生掌握：1）编程软件的使用方法和梯形图编程语言的运用；2）实际程序的设计及实现方法；3）程序的调试和运行操作技术。从而提高学生对PLC控制系统的设计和调试能力，组态软件的应用能力。 三、实训要求1、完成硬件选型2、程序设计方法任选。3、设计组态王界面并联机调试通过。4、控制参数的整定四、实训内容1、熟悉模块的分步实验；2、加热器恒温控制系统设计；3、硬件接线图、程序清单。五、实训报告要求报告应采用统一的报告纸书写，应包括评分表、封面、目录、正文、收获、参考文献。报告中提供如下内容：1、目录2、正文（1）实训任务书；（2）总体设计方案（3）I/O分配表，PLC外部接线图，程序中使用的元件及功能表；（4）程序流程图、梯形图或指令表清单，注释说明；（5）组态王监控界面设计和参数整定的方法与曲线；（6）调试、运行及其结果；3、收获、体会4、参考文献六、实训进度安排周次工作日工作内容第一周1布置实训任务，查找相关资料2熟悉实验台，完成一些相关基本实验3根据设计任务，完成总体设计方案（硬件选型、分配IO点等）4完成硬件接线，编写程序并调试5编写程序并调试第二周1编写程序并调试2编写程序并调试3编写程序并调试及准备实训报告4完成实训报告并于下午两点之前上交5答辩本课题共需两周时间七、课程设计考核办法本实训满分为100分，从实训平时表现、实训报告及实训答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、20%、60%。第一章 总体设计方案1.1总体设计框架图该微型温控系统采用420mA的电流信号或15VDC的电压信号经输入信号变换电路，控制PWM脉冲调宽电路，以开关方式改变电热元件的加热功率，从而改变电炉温度，该炉温被AD590型集成温度传感器检测后，给出与炉温（绝对温度）成比例的测量信号，此信号经放大后送到输出电路，变成420mA、15vDC的测量信号。根据要求进行恒温控制，控制的范围为室温至80 ，运用数据处理指令编写PID算法控制温度，并通过设计组态王界面程序，实现人机界面与PLC的实时通讯功能，而且可以再组态画面中设置PID的相关参数，最终达到整个温度控制系统的设计要求。总体设计框架图如下图所示： PLC组态王D/AA/D 加热器图1-1 ：系统框架图1.2 硬件和软件的选择通过以上的分析，为了有效提高微型加热器控制系统性能，我们采用的硬件有：（1）FX2N系列PLC模块FX2N48MT：具有模拟I/O，高速计数器。定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。对每一个FX2N主单元可配置总计达8个特殊功能模块。另外，有内置式24V直流电源、持续扫描功能、RUN/STOP开关、输入滤波器调节功能等其他功能。（2）FX2N-2AD型模拟输入模块：用于转换两个点（电压值和电流值）的模拟拟输入值为12位的数字值，并且进一步转换为程序控制值（这里指的是PLC)。（3）FX2N-2DA型的模拟输出模块：用于将12位的数字值转换为成2点模拟输出（电压输出和电流输出），并将它们出入到可编程控制器中。（4）加热器模块：具有内置的PWM脉冲脉宽电路，可以开关方式改变电热元件的加热功率，从而改变电炉温度。此外，自备有AD590型集成温度传感器，这大大方便了炉温温度的检测。（5）组态王软件：通过组态王监控界面，实现温度SP、PV、控制量、曲线，自动和手动切换在组态王监控界面上显示出来。1.3 特殊功能模块（1）FX2N-2AD功能模块界定增益和偏移特性：A、模拟输入范围：在输送过程中，当使用FXN-2AD的输入电流时，或者05V DC输入值对于重新调整偏移和增益值来说是必须的。对于模拟010V DC的输入电压来说，装置可调节的数字范围在04000之间。B、数字输出：12位。C、显示：25mV（10V/4000）1.25mV（5V/4000）（输入电压）；4A（204）/4000（输入电流）。D、集成精确度：1%（刻度010V）（输入电压）；1%（刻度010V（输入电流）。E、运行时间：2.5ms(毫秒）/1 频道（程序序列和并网）。F、输入特性：a、输入电压：模拟值：010V；数字值： 04000（工厂被输送）。b、输入电流：模拟值： 020mA；数字值： 04000。（2） FX2N-2DA功能模块界定增益和偏移特性：A、模拟输入范围：在装运时，对于0到10VDC的模拟电源输出，此单元调整的数字范围是0到4000。当使用FXN-2DA并通过电流输入或通过0到5VDA输出时，就有必要通过偏置和增益调节器进行再调节。B、数字输入：12位。C、分辨率：2.5mV（10V/4000）1.25mV（5V/4000）（输入电压）；4A（204）/4000（输入电流）。D、集成精度：1%（全范围0到10V）（输入电压）；1%（全范围4到20mA）（输入电流）。E、运行时间：4ms(毫秒）/1 频道（程序序列和并网）。F、输入特性：a、 输出电压：模拟值：010V；数字值： 04000。b、输出电流：模拟值： 420mA；数字值： 04000。第二章 微型加热器自动恒温控制系统设计流程2.1 PID算法控制原理图 PLCPIDD/AA/D VIN1 加 热 VOUT1器 SP来自 组态设置 图2-1 PID算法控制原理图2.2 PLC外部接线图图2-2 PLC外部接线图（1）PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。 （2）PID功能指令。现在很多中小型 PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与A/D、D/A模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，价格却便宜得多。 （3）使用调用程序实现PID闭环控制。 有的PLC有PID过程控制模块和 PID控制指令，在这些情况下，用户可以直接调用PID控制程序通过来自组态监控设置的SP进行PID的计算，因为现在的PLC已经含有PID的计算功能也愈加完善，所以我们采用PLC来实现PID的功能。然后经过D/A模块与加热器相连进行加热，同时加热器通过A/D模块与PLC相连，构成闭环控制使系统控制运行更加精确。 表 2-1 PID运算指令的要素指令名称指令代码位数助记符操作数程序步S1S2S3DPID运算FNC88 (16)PIDD【目标值（SV）】D【测量值（PV）】D0D975【参数】D【输出值（MV）】PID9步2.3加热器的端子接线1、使用与操作若干事项（1）“零位” 调节旋钮 一边观察输出指示电表，一边调节“零位”旋钮，使得输出指示电表大约在20（室温）处。（2）“增益” 调节旋钮 进行满功率加热，使得PLC的AO电压为+5V。一边观察输出指示电表，观察温度的变化情况。大约等待10分钟，加热器单位时间内所吸收的加热热量与向周围空间所散发的热量（加热器温度越高，所散发的热量就越多）相等，达到热动态平衡。这时观察输出指示电表是否在90（最高温度）处，若不在，可调节“增益”旋钮达到。（3）“外扰”开关旋钮： 所谓“外扰”就是外界影响加热器温度变化的因素，主要有两个：一为周围环境温度的增加或减小，影响加热器的散热；二为电网电压AC220V的增加或减小，影响加热器的加热元件（发热电阻丝）的直流电源电压。由于人为产生真正的外界干扰比较麻烦，故在测温传感器放大电路中人为加入了仿真“外扰电路”，此电路作用时使得温度降低。在温度闭环控制时，可通过自动调节，使得实际温度恢复到原来的给定温度附近。2.4 分配表表 2-2 分配表名称注释启动按钮X000SP1用来启动程序停止按钮X002SP2用来停止程序FX2N-2AD模块通道1与加热器输出05V连接FX2N-2AD模块通道1与加热器输出com连接FX2N-2DA模块通道1与加热器输入05V连接FX2N-2DA模块通道1与加热器输入com连接FX2N L级接+220V AC 给FX2N PLC模块供电FX2N N级接-220V AC 给FX2N PLC模块供电加热器 L级接+24V DC 给加热器模块供电加热器 N级接-24V DC 给加热器模块供电2.5 元件及功能表（1） 外部端子部分 外部端子包括PLC电源端子(L、N、)，直流24V电源端子（24+、COM）、输入端子(X)、输出端子(Y)等。主要完成电源、输入信号和输出信号的连接。其中24+、COM是机器为输入回路提供的直流24V电源，为了减少接线，其正极在机器内已经与输入回路连接，当某输入点需要加入输入信号时，只需将COM通过输入设备接至对应的输入点，一旦COM与对应点接通，该点就为“ON”，此时对应输入指示就点亮。（2）指示部分 指示部分包括各IO点的状态指示、PLC电源(POWER)指示、PLC运行(RUN)指示、用户程序存储器后备电池(BATT)状态指示及程序出错(PROG-E)、CPU出错(CPU-E)指示等，用于反映IO点及PLC机器的状态。（3）接口部分 接口部分主要包括编程器、扩展单元、扩展模块、特殊模块及存储卡盒等外部设备的接口，其作用是完成基本单元同上述外部设备的连接。在编程器接口旁边，还设置了一个PLC运行模式转换开关SWl，它有RUN和STOP两个运行模式，RUN模式能使PLC处于运行状态(RUN指示灯亮)，STOP模式能使PLC处于停止状态(RUN指示灯灭)，此时，PLC可进行用户程序的录入、编辑和修改。2.6地址分配表 2-3 地址分配表名称地址注释测量值（PV）D110、D111设定测定现在值A/D存放数据开始地址D100通道1的高端4位移动到下面的8位位置上，存到D100反馈值D50通道1的高端4位移动到下面的8位位置上，存到D50输出值（MV）D51存放运算输出结果目标值（SV）D0设定目标值采样时间（Ts）D1设定范围为132767ms动作方向（ACT）D20/1为正向/反向动作滤波常数（）D3设定范围099%比例增益（Kp）D4设定范围132767%积分时间（Ti）D5设定范围032767（100ms）微分增益（Kd）D6设定范围0100%微分时间（Td）D7设定范围032767（10ms）2.7 程序控制梯形图启动、停止、自锁手动清零选择A/D输入通道1CH1的A/D转换开始读取通道1的数字值通道1的高端4位移动到下面的8位位置上，存到D100数据的初始化采样频率计算通道1总的输入数据采样频率的比较，K4为平均频率将结果存放到D111和D110选择D/A输入通道1CH1的D/A转换开始读取通道1的数字值通道1的高端4位移动到下面的8位位置上，存到D50调用PID指令确保输出在数字量在2202000之间2.8组态王监控界面的设计1、 组态王界面功能 （1）方便实用的工程管理 工程管理器是一个独立的可执行文件，用来管理本机的所有组态王工程，可以实现工程的压缩备份，备份恢复，数据词典的导出导入，实现开发和运行系统的切换等。（2）功能强大、易用的绘图工具 组态王提供了丰富的绘图工具，并尽可能使绘图工具的使用方法容易掌握。（3）灵活的便捷菜单 用户可以随时按下鼠标右键来得到上下文相关的快捷菜单。（4）图形对象丰富的动画效果 图形界面上的任何对象或复合对象都可以随着过程参数的改变而变换状态，以产生动画效果。图形对象与过程参数建立变化对应关系的过程称为“动画连接”。（5）方便快捷的变量替换变量替换方式可以有：变量使用替换、变量名称替换、站点名称替换和外来变量替换。替换的范围可以选择整个工程、画面组、画面或画面组中的图素。2、 步骤（1）建立新工程文件新建工程，浏览，找到组态王所在路径，点击下一步，提示“路径不存在，是否新建”，选择确定。输入工程名称“Jiareqikongzhixitong”，描述，点击完成。提示是否将此工程设为当前工程，选确定。（2） 组态变量工程浏览器目录树中，选中数据库数据词典，双击“新建”图标，弹出“定义变量”对话框，并设置基本属性。 表 2-4 组态王变量分配表变量名称变量类型数据类型变量地址目标值内存实型目标值1I/O实型LONGD108跨度内存实型测量值内存实型测量值1I/O实型LONGD11O比例内存实型比例1I/O实型LONGD185积分内存实型积分1I/O实型LONGD187微分内存实型微分1I/O实型LONGD189微分时间内存实型微分时间1I/O实型LONGD191开关0I/O离散bitX0开关2I/O离散bitX2M0I/O离散bitM0百分比内存实型Option内存实型M20I/O离散bitM20采样时间I/O实型LONGD183 （3）定义I/O设备工程浏览器目录树中，选中：设备COM1，在工程浏览器右边双击“新建”图标。出现设备配置向导。选择“三菱PLC编程口”，然后点击下一步，输入设备名称“PLC1”。点击下一步。选择串口1，下一步，设地址为1（地址帮助：设备地址设置、通讯参数设置、变量定义），下一步，出现“通信参数”对话框，可以使用默认值，点击下一步，出现“信息总结”对话框，点击完成。在工程浏览器右边会出现PLC1图标。（串口通讯参数设置采用默认参数）3、 创建组态画面及动画的连接（1） 工程浏览器目录树中，选中文件画面，双击“新建”图标。创建标题为“微型加热器恒温控制系统”的画面。（2） 创建一个LED灯，2个按钮，启动和停止。右击LED，选择“动画连接”，打开动画设置对话框，选择变量“M0”，完成动画连接。同理，完成按钮的动画连接。（3） 点击控件创建，画出一个实时曲线图和一个历史曲线图。右击“历史曲线图”，打开“动画连接”对话框，在变量输入选项中，分别选择变量“温度控制SP”和“实际测量值PV”，并适当调整线条宽度，方便观察。另外分别选择“红”和“黑”颜色，作为两个变量的显示颜色。同样，实时趋势图按上述方法，进行动画的变量连接。2.9组态王设计界面图2-3组态王设计界面第三章 调试、运行及其结果先通过给加热器送5V的电源，将加热器模块通过调零和增益调制室温5，过十几分钟后再观察温度表的读数，若达不到80，旋转调节增益，使其稳定在80，再断开电源，使其降温至室温。再把程序送进去，接好线，将万用表插在加热器的输入端，实时记录输入电压、温度表读数、程序运行中的对应数字量。绘制一个有关模拟电压信号跟数字信号和温度的曲线，计算出对应的线性关系。算术平均滤波法方法：连续取N个采样值进行算术平均运算N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低 N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高 N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动缺点： 对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用比较浪费RAM 。 根据要求利用组态王，绘制出相关画面，新建相关变量以及对应地址，利用函数换算对应的外部I/O变量到内部实型。组态连接好画面，通过比例、积分、微分等参数一个个添加更改，调试运行，最终达到控制要求。 图3-1组态王运行界面第四章 收获、体会4.1收获微型加热器自动恒温控制系统的设计涉及到计算机的硬软件知识，通过对系统的设计和调试，本次设计主要完成了以下工作：1、提出微型加热器自动恒温控制系统的基本方案；2、完成了I/O分配表，PLC外部接线图，程序中使用的元件及功能表的绘制；3、通过计算机上的GX Developer编程软件编译了程序控制的SFC图、梯形图；4、对硬件电路进行了调试、运行及最终得出其结果。4.2体会在上学期学完PLC理论课程后我们现在做了两个星期的课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。但每个人的工艺流程又各不相同。我们这组的题目是：微型加热器自动恒温控制系统的设计一。通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。 参考文献1. 史国生 电气控制与可编程序控制器 化学工业出版社2. 黄北刚 工厂电气控制电路 化学工业出版社3