毕业设计（论文）电炉温度控制系统的PLC设计

1、攀枝花学院本科毕业设计 摘要i 电炉温度控制系统的 plc 设计 院讲师攀枝花学院本科毕业设计 摘要 i摘 要 温度是工业生产对象中主要的被控参数之一，本文通过设计温度控制系统，体现 plc 在模拟量信号检测与控制中应用的优越性。本文中被控对象是电炉，在炉温自动控制系统中，炉温经过热电偶检测和温度变送器的转换，变为相应的电压信号，送往 plc 控制器，再经过模拟量输入/输出模块（a/d）转换为数字量，并由程序将给定的温度值与测量值比较，然后根据偏差大小按比例调节规律，计算出校正量。通过模拟量输入/输出模块的输出控制作用，消除炉温的偏差，从而使炉温达到并稳定在给定的数值上。 关键词 plc，温度

2、控制，比例调节攀枝花学院本科毕业设计 abstract iiabstractthe temperature is a primarily being controlled parameter in the object of the industry production ,this text is an example of the temperature monitors and control system , and explains the plc applied problem in imitate deal signal to monitor with the control .

3、 the electricity heat furnace is controlled object in this text ,in the automatic control system of the heat furnace temperature ,the temperature is examined by thermocouple and transformed by the thermostat , changed into the relevant electric voltage signal ,send to plc controller ,and being trans

4、formed into arithmetic figure deal by imitate deal signal input/output the mold piece(a/d) ,given temperature will be compared to measured value from procedure , then according to the deviation size and inverse proportion regulates regulation ,and compute out to correct the deal .according to output

5、 control function of imitate deal signal input/output the mold piece ,eliminating warp of the heat furnace temperature ,accordingly the heat furnace temperature make attain stable and at the deviation size.key words plc, temperature control, proportion adjust攀枝花学院本科毕业设计 目录 iii目 录摘摘 要要.iabstractabstr

6、act.ii1 1 绪绪 论论 .11.11.1 课题背景、目的及意义课题背景、目的及意义.11.1.1 课题背景.11.1.2 课题的目的及意义.11.21.2 本文内容介绍本文内容介绍.12 2 可编程控制器（可编程控制器（plcplc）概况）概况 .32.12.1 可编程控制器的概述可编程控制器的概述.32.22.2plcplc 的定义的定义.32.32.3plcplc 的特点的特点.32.42.4plcplc 的发展的发展.42.52.5 plcplc 的基本组成及各部分作用的基本组成及各部分作用.42.5.1 中央处理单元(cpu).42.5.2 存储器.52.5.3 i/0 单元.

7、62.5.4 电源部分.62.5.5 扩展接口.62.5.6 通信接口.62.5.7 编程器.62.62.6 plcplc 的应用领域的应用领域.73 3 可编程控制器的编程语言可编程控制器的编程语言 .93.13.1 梯形图语言梯形图语言.93.1.1 梯形图与继电控制的区别.93.1.2 梯形图的格式.93.23.2 助记符语言助记符语言.103.33.3 基本逻辑指令系统基本逻辑指令系统.103.3.1 逻辑取与输出线圈驱动指令.103.3.2 单个触点串联指令.103.3.3 触点并联指令.103.3.4 串联电路块的并联指令.103.3.5 并联电路块的串联指令.113.3.6 置位

8、与复位指令.113.3.6 移位指令.11攀枝花学院本科毕业设计 目录 iv4 4 模块方案的选择与论证模块方案的选择与论证.124.14.1 总体方案的选择总体方案的选择.124.24.2 各独立模块方案论证各独立模块方案论证.134.2.1 温度检测模块.134.2.2 变频调速模块.144.2.3 主控模块 plc.154.2.4 功率输出电路及其控制原理的分析.174.2.5 显示电路设计.174.2.6 按键接入.174.2.7 报警电路设计.184.2.8 温度调节模块.184.2.9 硬件总框图.185 5 系统软件设计系统软件设计.195.15.1 主要的工作流程图主要的工作流

9、程图.195.25.2 pidpid 控制器的参数整定控制器的参数整定.205.35.3 程序设计程序设计.21结论结论.24参考文献参考文献.25致致 谢谢.26攀枝花学院本科毕业设计 1 绪论 11 绪 论1.1 课题背景、目的及意义1.1.1 课题背景 随着电子行业的飞速发展，ic 技术的不断提高，plc 在国民经济生产各行业发挥了重要作用。它因为集成度高，体积小，运行可靠，应用灵活，价格低，面向控制等特点得到了广大工程技术人员的好评。在温度控制方面，plc 能够代替以前常规的模拟调节器。目前，我国在这些方面的技术水平与欧美等拥有先进制造技术的国家还有一定的差距。我们波撇需要培养和训练能

10、够设计智能化，自动化设备的工程技术人才。智能作为现在的新发明，是以后的发展发祥和趋势，他能够按照预先设定的模式在一个环境里自动运作，不需要人为的管理，可应用于各个领域。炉温控制就是其中的一个。本设计介绍了利用 plc 进行炉温控制系统的基本组成，工作原理，程序设计和系统的抗干扰措施。本设计结构简单，实用型强，有较高自能化，人性化特点1.1.2 课题的目的及意义本次毕业设计选择“电炉温度控制的 plc 控制设计”是为了更好地学习和研究 plc 电气设计的相关知识，掌握电路设计的方法和技巧。学会如何将学习到的理论知识用到实际当中，怎么能够活学活用。深入的了解电子元器件的使用方法，了解各个元器件的基

11、本用法，能够灵活敏捷的判断电路中出现的故障，学会独立设计，积累更多的设计经验，加强焊接能力和技巧，同时在实践过程中锻炼查阅，归纳质料的能力，提高理论知识联系动手能力。 通过亲自独立设计培养训练我们大学生应用所学专业知识解决实际工程实践问题的技能，巩固所学专业知识，拓宽知识面。激发我们大学生的创新意识，培养合格的具有实践动手能的创新型人才。 1.2 本文结构安排 本设计系统以 plc 为控制核心，加以温度检测电路，变频调速器，d/a 转换器以及其他电路构成。系统由 plc 通过对温度检测电路检测到的温度加以分析，与给定的对应所要控制的多组温度值进行比较，找出温度值所在范围，根据 plc中设置的

12、pid 参数，输出相应温度初值对应的受控对象电机的转速初值，经 d/a转换为模拟电压，通过信号转为变频器的频率，控制变频调速装置，带动被控对象，并且把被控对象的转速经变换电路和 d/a 转换器反馈到 plc 中，与输出的转攀枝花学院本科毕业设计 1 绪论 2速初值进行比较，其偏差被 pid 程序计算后重新输出，在规定的时间内循环，从而实现对温度的控制。本系统简洁，灵活，可扩展性好，具有电路设计简单，精度高，控制效果好的优点 攀枝花学院本科毕业设计 2 可编程控制器（plc）概况 32 可编程控制器（plc）概况2.1 可编程控制器的概述可编程序控制器(programmable controll

13、er)通常也可简称为可编程控制器,英文缩写为 pc 或 plc,是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便的一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工作环境的能力，更是得到了用户的好评，因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中的到了越来越广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱（plc、机器人、cad/cam）2.2plc 的定义国际电工委员会(international electrical committee- iec),1987年的第三版对plc作了如下的定义: plc

14、是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计算和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由cpu(中央处理单元)存储器(ram和eprom),输入/输出模块(简称为i/o模块)、编程器和电源五大部分组成。近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系

15、列产品。2.3plc 的特点plc之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的: 功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足； 应用灵活， 其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合；操作方便，维修容易，稳定可靠。尽管plc有各种型号，但都可以适应恶劣的工业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几攀枝花学院本科毕业设计 2 可编程控制器（plc）概况 4万小时。2.4plc 的发展1968年美国gm（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，并公开招标提出十

16、项标准: 编程方便，现场可修改程序； 维修方便，采用模块化结构； 可靠性高于继电器控制装置； 体积小于继电器控制装置； 数据可直接送入管理计算机； 成本可与继电器控制装置竞争； 输入可以是交流115v； 输出为交流115v, 2a以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；在扩展时，原系统只要很小变更； 用户程序存储器容量至少能扩展到4k。1969年，美国数字公司(dec)研制出了第一台可编程序控制器，满足了gm公司装配线的要求。这种新型的工业控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，很快在美国其它工业领域推广使用。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代plc产品

17、。2.5 plc 的基本组成及各部分作用plc 是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，plc 可分为整体式和组合式两类。整体式 plc 是将中央处理单元(cpu)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的 1/0 扩展单元与主机配合使用。主机中，cpu 是 plc 的核心，1/0 单元是连接 cpu 与现场设备之间的接口电路，通信接口用于 plc 与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式 plc 将 cpu 单元、输入单元、输出单元、智能 1/0 单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间

18、通过底板上的总线相互联系。装有 cpu 单元的底板称为 cpu 底板，其它称为扩展底板。cpu 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 10m.无论哪种结构类型的 plc，都可以根据需要进行配置与组合。2.5.1 中央处理单元(cpu)cpu 在 plc 中的作用类似于人体的神经中枢，它是 plc 的运算、控制中心。攀枝花学院本科毕业设计 2 可编程控制器（plc）概况 5它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务: 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据； 诊断电源、plc 内部电路的工作状态和编程的语法错误; 用扫描的方式接收输入信号，送入 plc 的数据寄存器保存起来; plc 进

19、入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作; 将用户程序的执行结果送至输出端。现代 plc 使用的 cpu 主要有以下几种：1)通用微处理器，如 8080, 8088, z80a, 8085 等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。2) 单片机，如 8051 等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型 plc 上使用，也广泛地用于 plc 的智能 uo 模块。3) 位片式微处理器，如 amd2900 系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它

20、以 4 位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的 plc 使用。2.5.2 存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下 3 种: 系统程序存储器:和各种计算机一样，plc 也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了 plc 的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器 rom

21、 或 eprom. 用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的 ram。由于 ram 掉电会丢失数据，因此使用ram 作用户程序存储器的 plc，都有后备电池(铿电池)保护 ram，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入 eprom.目前较先进的 plc(如欧姆龙公司的 cpmia 型 plc)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。攀枝花学院本科毕业设计 2 可编程控制

22、器（plc）概况 6 工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在 ram 中，以适应随机存取的要求。在 plc 的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储 plc 的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的 on/off 状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放 a/0 转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。2.5.3 i

23、/0 单元i/0 单元也称为 i/0 模块。plc 通过 i/0 单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时 cpu 从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.2.5.4 电源部分plc 一般使用 220v 的交流电源，内部的开关电源为 plc

24、的中央处理器、存储器等电路提供 5v, +12v, +24v 的直流电源，使 plc 能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的 cpu，通常电源封装到机壳内部;对于模块式 plc，有的采用单独电源模块，有的将电源与 cpu 封装到一个模块中。2.5.5 扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使 plc 的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。2.5.6 通信接口为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，plc 配有多种通信接口。plc通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的 plc 或计算机相连。当 plc 与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打

25、印;当与监视器相连时.可将过程图像显示出来;当与其他 plc 相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。攀枝花学院本科毕业设计 2 可编程控制器（plc）概况 72.5.7 编程器编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有 lcd 或 crl 图形显示功能，可以直接输入梯形

26、图和通过屏幕对话。还可以利用 pc 作为编程器，plc 生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到 plc，也可以将 plc 中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在很多 plc 已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。2.6 plc 的应用领域plc用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程

27、成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。目前，plc在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类: 开关量逻辑控制取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，plc采用相应的a/d和d/a转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。pid调节是一般闭环控制系统

28、中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 运动控制plc可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、攀枝花学院本科毕业设计 2 可编程控制器（plc）概况 8机床、机器人、电梯等场合。 数据处理plc具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 通信及联网plc通信包括plc间的通信及plc与其它智能设备间的通信。随着工

29、厂自动化网络的发展，现在的plc都具有通信接口，通信非常方便。但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。攀枝花学院本科毕业设计 2 可编程控制器（plc）概况 9攀枝花学院本科毕业设计 4 模块方案的选择与论证 103 可编程控制器的编程语言plc 的编程语言有梯形图语言、助记符语言、流程图语言和布尔代数语言等。其中前两种语言用得较多，流程图语言也在许多场合被采用。在此介绍梯形图语言和助记符语言的编程及其特点。3.1 梯形图语言3.1.1 梯形图与继电控制的区别梯形图结构沿用继电控制原理图的形式，采用了常开

30、触点、常闭触点、线圈和功能快等结构的图形语言。对于同一控制电路，继电控制原理图和梯形图的输入/输出信号基本相同，控制过程等效。二者的区别在于继电控制原理图使用的是硬件继电器和定时器，靠硬件连接组成控制线路，而 plc 梯形图使用的是内部继电器、定时器和计数器，靠软件实现控制。因此，plc 的使用具有很高的灵活性，程序修改过程非常防那个边。如图所示是继电器线路图和与其等效 plc 的梯形图。x0y1x1y0(b)sb1sb2kmkm(a) 图 3.1 等效 plc 梯形图图（a）中 sb1 为常开按钮，sb2 为常闭按钮，km 为继电器线圈。按下启动按钮 sb1，继电器 km 的线圈通电，其常开

31、触点 km 合，由于常开触点 km 与启动按钮 sb1 并联，即使松开启动按钮 sb1，已经闭合的常开触点 km 仍然能使继电器km 的线圈通电，这个常开触点称做“自锁”触点。停止时按下停止按钮 sb2，继电器 km 的线圈失电。图（b）中 x0 为常开触点，x1 为常闭触点，y0 表示输出，其工作状态受 x0、x1 信号控制，逻辑上与图（a）相同，但是 sb1、sb2 均为物理实体，而 x0、x1 等表示的可能是外部开关（或硬开关） ，也可能是内部开关或触点（内部软继电器触点） 。攀枝花学院本科毕业设计 4 模块方案的选择与论证 113.1.2 梯形图的格式 梯形图按行从上到下、每行从左到右

32、的顺序编写。plc 执行顺序与梯形图的编写顺序一致。 图左、右两边的垂直线分别称为起始母线和终止母线。每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止母线可以省略。 梯形图中的触点有两种，即常开触点和常闭触点。这些触点可以是 plc的输入触点或内部继电器触点，也可以是内部继电器、定时器/计数器的状态。同一标记的触点可以反复使用，次数不限。这是因为每一触点的状态存入 plc 内的存储单元中，可以反复读/写。传统继电器控制中的每个开关均对应一个物理实体，故使用次数有限。这是 plc 优于传统控制的优点之一。 梯形图的最右侧必须连接输出元素。plc 的输出元素用圆圈表示。机型不同，输出元素表示有些区别。同一输

33、出变量只能使用一次。 梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。 程序结束时要有结束符，一般用“end”表示。 利用计算机编程时，只要按梯形图的编写顺序把逻辑行输入计算机，按下传给 plc 即可。也可以将梯形图转化成助记符语言，经编程器逐句输入 plc。3.2 助记符语言助记符语言是 plc 的命令语句表达式。用梯形图变成虽然直观、简便，但要求 plc 配置较大的显示器方可输入图形符号，这在有些小机型上长难以满足，故需借助助记符语言。应该指出的是，不同型号的 plc，其助记符语言也不同，但其基本原理是相近的。编写时，一般先根据要求编制梯形图，然后再根据梯形图转换成助记符语言

34、。3.3 基本逻辑指令系统3.3.1 逻辑取与输出线圈驱动指令ld：取指令，常用于常开触点与母线连接。ldi：取反指令，常用于常闭触点与母线连接。out：线圈驱动指令，用于将逻辑运算的结果驱动一个指定线圈。3.3.2 单个触点串联指令and：与指令。用于单个触点的串联，完成逻辑“与”运算。ani：与反指令。用于常闭触点的串联，完成逻辑“与非“运算。3.3.3 触点并联指令or：或指令。用于单个触点的并联。攀枝花学院本科毕业设计 4 模块方案的选择与论证 12ori：或反指令。用于单个常闭触点的并联。3.3.4 串联电路块的并联指令当一个梯形图的控制线路由若干个先串联、后并联的触点组成时，可将每

35、组串联的触点看作一个块。与左母线相连的最上面的块按照触点串联方式编写语句，依次相联的块叫做子块。每个子块左边的第一个触点用 ld 或 ldi 指令，其余串联的触点用 and 或 ani 指令。每个子块的语句编写完后，加上 orb 指令作为指令的结尾。orb 指令的作用是将串联块相并联，是块或指令。3.3.5 并联电路块的串联指令当一个梯形图的控制线路由若干个先并联、后串联的触点组成时，可将每组串联的触点看作一个块。与左母线相连的块按照触点并联方式编写语句，依次相联的块叫做子块。每个子块左边的第一个触点用 ld 或 ldi 指令，其余串联的触点用 or 或 ori 指令。每个子块的语句编写完后，

36、加上一条 anb 指令，表示个并联电路块的串联。anb 将并联块相串联，为块与指令。3.3.6 置位与复位指令set 指令用于对逻辑线圈 m、输入继电器 y、状态 s 的置位；rst 指令用于对逻辑线圈 m、输入继电器 y、状态 s 的复位，对数据寄存器 d 和变址寄存器 v、z的清零，还用于对计时器 t 和计数器 c 逻辑线圈的复位，使它们的当前计时值和计数值清零。使用 set 和 rst 指令，可以方便地在用户程序的任何地方对某个状态或事件设置标志和清除标志。3.3.6 移位指令sft：移位指令，用于移位寄存器的移位。移位寄存器的使用说明：数据输入端 由 out 指令构成数据输入端。数据输

37、入端接点的通/断状态决定移位寄存器首位的状态。移位输入端 由 sft 指令构成移位输入端。复位输入端 由 rst 指令构成复位输入端。每个输入端可以单独编程，次序不限。以上所介绍的均是本设计中出现的，当然在 plc 设计中不仅仅只有这些指令，还包括很多。由于在本设计中没有用到可提到，就不再一一做介绍攀枝花学院本科毕业设计 4 模块方案的选择与论证 134 模块方案的选择与论证4.1 总体方案的选择 方案一： 此方案采用传统的模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或不加热。本方案的特点是电路简单，易容易实现，但系统所得结果的精度不高并且调节动作

38、频繁，系统静差大，不稳定。系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，而且不易实现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性能差。 方案二： 采用 plc 来作为整机的控制单元，组成框图如图 4.1.系统的工作中，经过温度检测及变换电路把被测对象的温度转换成电压信号，该电压信号经过 d/a 转换器转换为数字信号后送入 plc 中，与给定的对应所要控制的多组温度值进行比较，找出现温度值所在范围，根据 plc 中设置的参数，通过信号转化为变频器的频率，控制变频调速装置，带动被控对象，并且把被控对象的转速经过变换电路和 d/a 转换器反馈到 plc 中，与输出的转速初值进行比较，其偏差被pid 程序计算

39、出后重新输出，在规定的时间内循环。对于欠温度，控制加速功率。对于过温度，控制吹风冷却装置。 方案三： 采用 ap89s52 来作为整机的控制单元。他是一个功耗，高性能cmos8 位微控制器，经过信号采集，数据转换，数据处理来控制温度。此方案比方案一简单，比方案二复杂。 比较以上三种方案的优缺点，方案二简单、灵活、可扩展性好，具有电路设计简单、精确度高、控制效果好等优点，能达到题目设计要求，因此采用方案二实现本设计.攀枝花学院本科毕业设计 4 模块方案的选择与论证 14 图 4.1 plc 的组成框图本系统的基本工作原理：假定实际炉温等于给定炉温，这时( )( )0uu ru t ，故电机连同调

40、节阀门都静止不动，煤气流量一定，电炉处于规定的恒温状态。如果增加工件，电炉负荷加大，而煤气流量一时不变，炉温就要下降，使得给出温度( ) t下降，则有( )( )0uu ru t ，经过温度检测以及变换电路把对侧对象转换成电压信号，该电压信号经 d/a 变换器转换为数字信号后送入 plc 中，与给定的对应所要控制的多组温度值进行比较，得知系统处于欠温度状态。此时系统会启动热电阻，控制加热功率，从而使炉温回升，直到重新等于给定值（即( )( )u tu r）为止。如果负荷减小或煤气压力突然加大，则炉温升高。u(t)随之加大，使得( )( )0uu ru t 。经过温度检测及变换电路把被测对象的温

41、度转换成电压信号，该电压信号经 d/a 变换器转换为数字信号后送入 plc 中，与给定的对应所要控制的多组温度值进行比较，得知系统处于过温度状态。此时系统会启动风扇，控制吹风冷却装置，从而使炉温下降，知道重新等于给定值为止。由此看出系统是通过热电偶测量被控量，并反馈到系统的输入端，从而形成了闭合回路，此反馈信号通过比较线路与给定值进行加法或减法运算，获得偏差信号，系统再根据偏差信号的大小和方向进行调节。所以，炉温控制系统是一个按偏差调节的闭环系统。炉温控制系统的原理方框图如图 4.2 所示。 图 4.2 炉温控制系统的原理方框图4.2 各独立模块方案论证4.2.1 温度检测模块 温度检测电路的

42、选择 方案一：热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。攀枝花学院本科毕业设计 4 模块方案的选择与论证 15 方案二：热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克效应，即两种不同成分的道题两端连接成回路，如两接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。其优点是：a 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。b 测量范围广。常用的热电偶从-50 +1600度均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269 度，最高可达+2800 度。c 构

43、造简单，使用方便。热电偶通常是两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。缺点是熟悉度不够，想要正常安装颇有难度。 方案三：采用西门子 s7-200，它集成 14 个输入/10 输出共 24 个数字量 i/o点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 i/o 点或 35 路模拟量 i/o点。16k 字节程序和数据存储空间。5 个独立的 30khz 高速计数器，2 路独立的20khz 高速脉冲输出，具有 pid 控制器。1 个 r5485 通讯编程口，具有 ppi 通讯协议，mpi 通讯协议和自由方式通讯能力，i/o 端能容易的整体拆卸。具有较强的

44、控制力。 这次设计我采用方案三，使用西门子 s7-200，其提供一个 4 点 12 位模拟量输入和温度传感输入模块，输入为 dc-5+5v 和 020ma 电压或电流。 下面列展了西门子 s7-200 的一些主要技术指标集成的数字量输入/输出 14 入/10 出可连接的扩展模块数量（最大） 7 个 最大可扩展的数字量输入/输出范围 168 点最大可扩展的模拟量输入/输出范围 35 点用户程序区 8 kb数据存储区 8 kb后备数据时间（电容） 100编程软件 step 7-micro/win高速计数器 6 个 30 khz高速脉冲输出 2 个 20 khz 通讯借口 1 个 rs-485外部硬

45、件中断 4支持的通讯协议 ppi ,mpi ,自由口模拟电位器 2 个 8 位分辨率实时时钟 内置时钟 4.2.2 变频调速模块 a. 变频调速器的选择攀枝花学院本科毕业设计 4 模块方案的选择与论证 16 由 n=60f/p 知，当极对数 p 不变时，同步转速 n 和电源频率 f 成正比。因此，连续地改变供电电源的频率，就可以平滑地调节电动机的转速。这样的调速方法就是变频调速。变频调速具有较好的调速性能，是交流调速方法中具有重要意义的一种调速方法。在国内外都已得到推广和应用。目前，国外生产的变频装置容量已达一万千瓦以上，价格和性能都可以与直流系统想媲美。国内也有不少产品问世。但是，由于元件制

46、造水平低、价格贵加上技术上要求复杂，所以限制了它的推广和应用。随着生产与技术水平的提高，变频调速系统必蒋得到更大的发展，以致在某些领域逐步代替直流调速系统。故本系统采用变频调速器。 b. 变频调速器的工作原理 变频器调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s)/p， （式中 n、f、s、p 分别是表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数） ；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。三相异步电动机转速公式为：n=60f（1-s)/p。从上式可见，改变供电频率 f、电动机的级对数 p 及转差率 s 均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同

47、的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。4.2.3 主控模块 plc s7-200 cup 224 集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 i/o 点。可连续 7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 i/o 点或 35 路模拟量 i/o 点，16k 字节程序和数据存储空间。6 个独立的 30khz 高速计数器，2 路独立的 20khz 高速脉冲输出，具有 pid 控制器。1 个 r5485 通讯/编程口，具有 ppi 通讯协议，mpi 通讯协议和自由方式通讯能力。i/o 端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 图 4.3 cup 224 模块

48、接线图攀枝花学院本科毕业设计 4 模块方案的选择与论证 17 图 4.4 cpu224 ac/dc/继电器 输入接线型式简图 图 4.5 24v dc 输入 输出接线型式简图 图 4.6继电器输出 图 4.7 24vdc 输出 攀枝花学院本科毕业设计 4 模块方案的选择与论证 184.2.4 功率输出电路及其控制原理的分析加热丝输出功率大小的调节，可以使用移相调压电路，也可以采用占空比开关电路进行控制。在采用移想调压电路时，即将计算到的控制量经 d/a 变换，控制可控硅的移相触发电路，实现输出电压的无极调节。由于电压输出波形的不完整，含有高次谐波分量，对电网有一定的干扰。采用占空比开关电路控制

49、，即考虑可控硅控制电压和被控的交流电压之间以及电热丝产生的热量和所家的电压之间的非线性，通过调节周期时间内的通电时间来调节输出功率的大小，可以避免 d/a 转换和信号放大造成的不必要的误差，也可以通过可控硅的过零触发电路避免对电网的谐波干扰。在本系统中采用占空比开关电路控制，功率输出电路设计如图 4.9。 4.8 功率输出图 4.2.5 显示电路设计 方案一：液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点在袖珍仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。方案二：用 led 数码管来显示。led 电子显示屏作为一种现在电子产品，以其灵活的显示面积、亮度高、寿命长、容量大、等特点。

50、 本系统中 plc 与液晶显示器相连太麻烦，但与 led 连接比较简单。所以选取方案二。该显示中选通信号由 y0，y4 控制。前一单元显示设定温度，后一单元显示当前温度。如当前温度显示为 10 则 y0y3 为 0001000000010000.4.2.6 按键接入本系统设计中,输入按键有三个，用一个来控制温度的升高与下降，一个用来确认，另一个来取消。plc 的输入借口 x1 用来接温度控制按键，x2 作为确认按键输入，x3 作为取消按键输入。在需要降稳时按下 x1 键再按确认。如错按则用 x3 取消。加热时按两下 x1，再确认。攀枝花学院本科毕业设计 4 模块方案的选择与论证 194.2.7

51、 报警电路设计本系统采用的是一个声光报警电路。当电路检测到温度偏高或偏低时，电路会产生发光发声报警。声光报警电路采用高亮的 led 灯以及蜂鸣器来实现，其电路如下图 4.4 所示。 图4.9 声光报警电路4.2.8 温度调节模块 本系统中风扇的作用是，当炉温过高时控制风扇对其进行降温。当系统处于过温度状态，此时系统会启动风扇，控制吹风冷却装置，从而使炉温下降，知道重新等于给定值为止。本系统中热电阻的作用是，当炉温过低时，控制热电阻对其进行加热。当系统处于欠温状态时系统会启动热电阻，控制加热功率，从而使炉温回升，直到重新等于给定值为止。4.2.9 硬件总框图 下图是总的接线框图，在接线配线时需要

52、注意的是在避免干扰的需求较高时最好用屏障电缆。还有信号线与电缆线应该分开走。图 4.10 硬件总框图攀枝花学院本科毕业设计 5 系统软件设计 20 5 系统软件设计5.1 主要的工作流程图本系统采用 plc 作为核心处理器件，把经过温度检测电路现场实时采集到的温度数据，存入 plc 的内部数据存储器，送 led 显示，并与预先设定值进行比较，然后由 plc 输出信号去控制加热器。进行温度控制程序的设计应考虑如下几个问题：实时采集温度、温度显示、与上位 plc 通信程序、警告和处理。软件设计主要有：主程序、初值设定子程序、温度读取子程序、显示子程序和输出控制子程序等。初值设定子程序完成对温度初值

53、的设定及数据保存；温度读子程序完成对温度传感器数据的读取、并通过液晶显示子程序显示温度值等等。plc 的具体软件主程序流程图如图 5-1 所示。图 5.1 主程序流程图攀枝花学院本科毕业设计 5 系统软件设计 215.2 pid 控制器的参数整定pid 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 pid 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。pid 控制器参数整定的方法有很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还要通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主

54、要依赖工程经验，直接在控制系统的实验中进行，方法简单，易于掌握，在工程中被广发应用，pid 控制时和自动调谐时的动作情况如图 5.2。图 5.2 pid 控制动作图pid 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有特点，其共同点都是通过实验、然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。本系统采用的是临界比例法。李勇该方法进行 pid 控制器的参数整定步骤如下：（1）首先选择一个足够短的采样周期让系统工作；（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大

55、系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到 pid 控制器的参数。在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。根据被控对象以及基本设计要求，自动控制系统设计需要进行大量的计算分析，要保证系统良好的性能又要保证给定的技术要求，在此过程中，可采用理论指导，结合实测数据，确定控制算法。对于温度系统的建模，可以近似地认为“纯滞后+一阶惯性”环节，进行实验时先测出开环曲线，对于一阶惯性环节对象，往往采用 pid 控制算法，控制效果比较好。pid 控制表示比例（proportional）积分（integral）微分differential）控制。攀枝花学院本科毕业设计 5

56、 系统软件设计 22 图 5.3 比例积分微分图 调节器输入输出之间的比例积分微分关系如下： ( ) ( ) 1/( )*( )/u tkp e tti e t dttdde tdt 式（1.1）其中 k p 为比列系数，ti 为积分时间常数，t d 为微分时间常数。在计算机控制系统中使用的是数字 pid 调节，就是对式（1）进行离散化，离散化时，令 ( )()u tu kt ， ( )()e te kt ( )()e tte jt ， ( )/ ()()/de tdte kte kttt 式中 t 是采样周期，显然，上述周期 t 必须足够短，才能保证有足够的精度。因此数字 pid 调节器，表

57、达式如下：()()/()/()()u ktkp e ktt tie jttd t e kde ktt 式（1.2）由控制理论可知：离散化采样频率越高，采样后失去的信息越少，相应的控制性能也越好。但由于水温是一个慢变信号，进行 pid 算法控制时，若采样频率过高，相邻两次采样信号差距很小，将会失去 pid 控制的优势，因此确定采样频率为 1/15hz，即 15s 进行一次 pid 算法。在反馈控制部分的然间程序设计上主要采用 pid 控制算法，但由于过早地引入积分作用容易产生饱和，产生过大的超调量，预期的调节规律将遭到破坏。为了克服这一缺点，可以采用积分分离的 pid 控制算法，这样既保持了积分的作用，又减少了超调量，使控制性能有较大的改善。在本系统的实际控制中，微分作用的改善不是很明显，因此，在软件编制时可不加微分调节