基于PLC的双闭环温度串级控制系统设计论文

1、基于PLC的双闭环温度串级控制系统设计摘 要从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。本文介绍了以加热炉为被控对象，以加热炉夹套内温度为主被控参数，以内胆内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成加热炉温度串级控制系统；采用PI

2、D算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现加热炉温度的自动控制。电热加热炉的应用领域相当广泛，在相当多的领域里，电热加热炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热加热炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。本文分别就电热加热炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造电热加热炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。关键词：电热加热炉；温度控制；串级控制；PLCTHE DESIGNING OF CLOSED-LOOP TEMPERATURE CA

3、SCADE CONTROL SYSTEMAbstractFrom the last century to 90 in the mid 80's, PLC has been rapid development in this period, PLC capability in dealing with analog and digital computing power, man-machine interface capabilities and network capabilities are greatly improved, PLC gradually entering the

4、field of process control, replaced in some applications in the field of process control dominant DCS.PLC has the versatility, ease of use, wide adaptation, high reliability and strong anti-interference, simple to program and so on. PLC control, especially in the industrial automation sequence contro

5、l the position, in the foreseeable future, is no substitute. This paper introduces the electric furnace as the charged object to the electric furnace water temperature of the main accused of the export parameters to furnace temperature as deputy accused of parameters to control the heating resistanc

6、e wire voltage parameters to PLC, controller, constitutes a series of electric furnace temperature level control system; using PID algorithm, the use of PLC ladder programming language, programming, electric furnace temperature control.Electric furnaces a wide range of applications, in a considerabl

7、e number of field, the electric furnace performance advantages and disadvantages of the decision The quality of the product. Electric furnace control systems currently used mostly for computer control microprocessor core technology, both to improve the automation equipment have improved the control

8、precision equipment. This paper on the heating electric furnace control system works, selection of temperature transmitter, PLC configurations, the configuration software design aspects were described. Through the transformation of electric furnace control system has fast response, good stability, h

9、igh reliability, control accuracy and good features, practical significance for industrial control.Key Words：electric furnace；temperature control；cascade control；PLC 目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题产生的背景和意义11.2 课题的国内外研究现状11.3 项目研究内容21.4 本课题的章节安排22 控制系统总体方案设计42.1 概述42.2 控制方式确定42.3 控制算法的选择和计算5控制算法的选择52.3.

10、2 参数的计算73 硬件系统设计93.1 可编程控制器93.2 PLC硬件选型103.2.1 检测元件和执行机构的选择原则103.2.2 系统硬件组成113.2.3 CPU模块的选型123.2.4 基本I/O输入输出模块选型133.2.5 模拟量输入模块选型143.2.6 模拟量输出模块164 软件系统设计184.1 CX_PRG_610 编程软件介绍184.2 系统程序设计194.2.1 I/O分配表194.2.2 PID设置194.3 程序流程图194.4 程序梯形图及语句表214.5 标度转换25结 论27参考文献28致 谢291 绪论1.1 课题产生的背景和意义随着我国国民经济的快速发

11、展，加热炉的应用越来越广泛。加热炉是工业企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽或热水，以满足负荷的需要。它也是一个复杂的控制对象，影响加热炉温度恒定的因素很多，因此对加热炉进行控制是工业过程的一个重要而且困难的问题1。在传统控制方式中，加热炉的电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，致使控制系统存在许多缺点，如控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产等。近年来随着计算机控制技术的发展，并且各企业重视节源效益，对加热炉生产工艺的不断完善和优化，加热炉生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。传统继电器控制技术逐渐被基于计算机技术

12、而产生的PLC控制技术所取代。而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济、高效、稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义2。国际上对加热炉的优化控制开始于70年代，我国从80年代才开始对这方面进行研究。在钢铁领域，以前人们对加热炉优化控制研究主要集中在钢坯的升温过程的数学模型，炉温优化设定及燃烧控制。近年来智能控制技术正逐步被应用到加热炉温度控制中。目前面向节能降耗，提高轧制产品质量和产量设计的加热炉工程控制计算机系统已广泛应用于现代冶金企业的加热炉生产控制中。实现加热炉的自动化能够提高加热炉运行的安全性、经济性和劳动生产率、改善劳动条件、减少运

13、行人员。设计一套完善可行的加热炉温度控制系统有其巨大的经济价值、环保意义。本课题通过对加热炉进行模型辨识，建立典型加热炉温度串级控制系统的数学模型；使用PLC实现控制系统的设计。1.2 课题的国内外研究现状自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点：1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。2）

14、能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3）能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。5）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能3。6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日

15、本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟4。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，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的趋势。1.3 项目研究内容以加热炉为被控对象，以加热炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成加热炉温度串级控制系统；采用

16、PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现加热炉温度的自动控制。可编程逻辑控制器（PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计等。论文通过对日本欧姆龙公司的C200H系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电流信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到PLC中进行PID调节5。串级系统是由调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另

17、一个调节器的给定值的系统。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提升6。1.4 本课题的章节安排本课题主要按一下章节展开论述1）主要论述了本课题研究的背景和意义已经课题研究

18、的国内外现状和本课题主要研究的内容。2）介绍了本课题的总体方案设计，主要论述了系统设计的功能，系统设计的原则，系统的工作原理和系统的主要组成。3）介绍了本课题的硬件方面的设计，主要包括了PLC、模拟量输入输出模块、调功器选型，硬件接线图4）本章主要介绍了本课题的软件方面的设计。2 控制系统总体方案设计2.1 概述在生产过程中，一些复杂的环节往往需要进行串级控制，串级控制就是具有双回路的控制。串级控制系统就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则为一个随动系统。以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。与单回路控制系

19、统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器，增加的投资并不多，但控制效果却有显著提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对二次干扰有很强的克服能力；提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。在加热炉自动控制系统中，除了应用基于反馈控制原理而设计的各种调节器系统外，计算机技术的应用也越来越普及。由于PLC具有高可靠性、易于实现等优点，而在工业领域得到广泛应用7。2.2 控制方式确定自动控制方式一般有两种：即开环控制方式和闭环控制方式。开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作，没有反向联系的

20、控制过程，按照这种方式组成的系统称为开环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响、没有自动修正或补偿的能力。闭环控制系统刚好相反，就是被控对象与控制装置之间是有反馈的。这种控制方式能够检测输出、计算误差并用以纠正误差，其输出会通过某种途径变换后反馈给输入端以备对下一次输出结果的调整。因此，闭环控制方式的输出误差较小。综上所述，本设计定采用闭环控制方式。系统具有2个控制器和2个闭合回路，2个控制器分别设置在主、副回路中，设在主回路的控制器称主控制器，设在副回路的控制器称为副控制器。两个控制器串联连接，主控制器的输出作为副回路的给定量，副控制器的输出去控制执行元件。主控制器按主参

21、数的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制器的给定值。选用PID或PI控制规律，由PLC可编程控制器实现。 副控制器按副参数的测量值与主控制器输出的偏差进行工作的控制器，其输出直接控制执行机构。副控制器选P控制规律，也由PLC可编程控制器实现8。串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。该系统中选择加热炉夹套温度为主参数。副参数的选择应使副回路的时间常数小，这样可使等效过程的时间常数大大减小，提高响应速度，改善系统的控制品质。该串级控制系统用来控制加热炉夹套的温度，以加热炉内胆温度为副对象，时间常数小，符

22、合副回路选择的超前、快速、反应灵敏等要求。系统的工作原理图如图2-1所示：图2-1 加热炉串级系统框图2.3 控制算法的选择和计算控制算法的选择控制算法即所谓的计算机控制，就是按照规定的算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。在工业控制中，许多控制过程机理复杂、滞后控制对象具有变结构、时变等特点。相应的，每个控制系统都有一个特定的控制规律。因此每一个控制系统都有一套与此控制规律相对应的控制算法。所谓调节器参数的整定，就是选择合适的比例带积分时间和微分时间，使自动调节系统工作在最佳的状态。调节器PID参数的整定方法主要有：理论建模法、工程整定法；理论

23、建模法主要根据系统的数学模型，用控制论的稳定判据，求得满足工艺运行的调节器参数，这种方法的缺点是需要知道或能够求出控制对象的数学模型，它要用到控制理论和数学方面的有关知识，比较复杂，不易为人们所掌握，而且理论方法求得的数学模型与被控对象的真实模型还有一定差距；工程整定法有经验试凑法、衰减曲线法、临界比例度法等。经过大量整定实践证明，工程整定法行之有效，故得到了广泛应用。衡量控制系统工作优劣的依据是控制系统的性能指标，这里我们给出一个指标： 1 /4 衰减曲线或3/4衰减率，如图2-2所示：a为第一个波峰的高度，b为第二个波峰的高度：1/4 衰减曲线为：第二个波峰的高度/ 第一个波峰的高度为b

24、/ a = l/4；衰减率为( ab) / a =3/4。ba 图2-2 1/4 衰减曲线示意图对于反应较快的对象，例如：加热炉给水流量、管道压力、炉膛负压等，要严格看出l/4 衰减曲线或s=3/4衰减率是困难的，这时，往往只能定性的识别，以波动次数为准，对于要求衰减率为3/4 的系统，一般以向上波动二次，向下波动一到二次为宜9。若过程的数学模型比较复杂或无法准确建模时，可根据何种控制规律适用于何种过程特性与工艺要求来选择，各种控制算法的控制特点介绍如下：(1) 比例控制规律(P)：采用P控制规律能较快的克服扰动的影响，使系统稳定下来，但有余差。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求

25、不高、被控参数允许在一定的范围内有余差的场合。 (2) 比例积分控制规律(PI)：在工程上比例积分控制规律是应用最为广泛的一种控制规律。积分能消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。(3) 比例微分控制规律(PD)：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分控制规律对于改善系统的动态性能指标，有显著的效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。(4) 比例积分微分控制规律(PID)：PID控制规律是一种较理想的控制规律，他在比例的基础上引入积分可以消除余差，再加入微分作用，

26、又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合10。应该强调，控制规律要根据过程特性和工艺要求来选取，决不能说PID控制规律具有较好的控制性能，不分场合均可选用，如果这样，则会给其它工作增加复杂性，并带来参数整定的困难。当采用PID控制器还达不到工艺要求的控制品质时，则需要考虑其它的控制方案。综上所述，本设计中副回路的控制不要求特别精确应采用P算法，主回路的负荷不大但要求相对较精确，又考虑到复杂程度、简便易于操作等方面所以应采用PI算法。2.3.2 参数的计算在本设计的系统中，主要是控制加热炉内胆水的温度，使其始终维持在某一恒定的值。综合考虑则本设计以加热炉为

27、例为被控对象，以加热炉夹套水温为被控参数，以内胆水温为副被控参数，以加热电压为控制参数，以PLC为控制器构成炉温度串级控制系统，实现加热炉水温的定值控制。(1) 闭环控制系统的方框图PLC闭环控制系统方框图如2-3所示，设定好PI(P)参数，运行PI(P)控制程序，就能求出输出的控制值，实现过程的串级控制。(2) PID算法在过程控制系统中，PID调节器的输入输出关系为：=+1/n+/+M (2-1)式(2-1)中：误差信号，是调节器的输出信号，是调节器的比例系数，Ti和TD分别是积分时间常数和微分时间常数，M是偏移量，式中等号右边的前三项分别为比例、积分、微分部分。它们分别与误差、误差的积分

28、和微分成正比，如果取其中的一项或两项 就可以组成P、PI或PD调节器11。基于PLC的闭环控制系统如图2-3所示，虚线部分在PLC内，图中的、均为第n次采样时的数字量，、为模拟量，假设采样周期为TS系统开始运行的时刻t=0，用矩形积分近似积分，用差分近似微分，将式(2-1)离散化，第n次采样时控制器的输出为：=+KI+KD（n1）+M (2-2)式(2-2)中的KI=，KD=分别是积分系数和微分系数。SV(n)PI(P)调节器D/A执行机构被控对象测量元件A/DCV(n)MV(n)PV(n)MV(t)PV(t)图2-3 PLC闭环系统方框图3 硬件系统设计3.1 可编程控制器可编程控制器是以微

29、处理器为基础，综合计算机技术、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。它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的恶劣工业环境适应能力更得到用户的好评。它将传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理技术的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备12。随着电子技术的高速发展，它将传统的“硬”接线程序控制方式改换为存储程序控制方式，即通过事先编制好并存于程序存储器中的用户程序来完成控制功能，而控制要求改变时，只需要修改存储器中的用户程序的部分语句即可。如图3-1可编程控制器控制系统框图。可编程控制器以其可靠性高、抗

30、干扰能力强、组合灵活、编程简单、维护方便等独特优势被日趋广泛地应用于国民经济的各个控制领域。图3-1可编程控制器控制系统框图PLC的实质就是工业控制计算机，属于过程控制计算机的一个分支。可编程控制器的主机由中央微处理器(CPU)、存储器(RAM、EPROM、E2ROM)、输入/输出(INPUT/OUTPUT)模块、外设I/O接口、I/O通道接口、编程器及电源部分等组成7。PLC硬件组成及PLC系统结构分别如图3-1和图3-2所示。对于整体式PLC主要部件都在同一机壳内，对于PLC为模块式的机型，各功能单元可独立封装，构成模块，各模块通过框架或连接电缆组合在一起。编程器是可编程控制器的外围设备1

31、3。PLC内的各部分或模块间均通过总线进行信息交换。总线根据其功能可分为电源总线、控制总线、地址总线和数据总线。根据实际应用中的工艺要求，配备不同的外部设备，可构成不同的控制功能的PLC控制系统。常用的外围设备通常有编程器、盒式磁带机、打印机、EPROM写入器等。PLC也可以通过通信接口或通信模块实现PLC与PLC之间、PLC与上位机之间的数据通信，构成PLC工业控制局域网或集散控制系统。CPUEPROMRAM扩展存储器输入模块输出模块I/O接口通信接口 总 线用户输入 设备用户输出 设备外部设备计算机或其它PLC图3-2 PLC硬件构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定

32、式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。3.2 PLC硬件选型 检测元件和执行机构的选择原则(1) 检测元件的选择被控参数以及其他一些参数、变量的检测和将测量信号传送至控制器是控制系统设计中重要的一个环。对被控参数迅速、准确的测量是实现高性能控制的重要前提。检测设备主要是根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。被检测参数性质的不同、准确度要求、响应速度要求的不同以及对控制性能的要求的不同都影响检测元件的选择，要从工艺的合理性、经济性加

33、以考虑。其选择一般具有以下原则： 尽可能的选择测量误差小的测量元件； 尽可能的选择快速响应的测量元件； 选择翻遍安装的测量元件； 考虑经济以及检测元件的精确度等。本系统需要两个温度传感器：一个安装在夹套内，另一个安装在内胆。根据检测精度和测量范围以及以上原则等，选用铂热电阻Pt100为温度传感器，选择JC100G为温度变送器14。(2) 执行机构的选择由于本设计应用的是电阻丝加热炉，采用的是220V交流电源作为电阻丝的供应电源，而执行机构主要是用来根据需要来调节电阻丝上的电压从而达到控制加热炉温度的目的。因此对于执行机构的选择选用相对应的MJYDJL20型单相交流模块。 系统硬件组成本课题选用

34、欧姆龙公司的C200H系列的PLC及其扩展模块，该系列硬件采用积木式结构。PLC的模块组为总线模板框式结构，基本框架(CPU母板)上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板；如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板。PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC模板，用于反馈控制的PID模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。另

35、外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为0.10.2s，更快的则选用50ms或更小的扫描周期。如图3-3为本次PLC的整体结构图：C200HDA001C200HTS101C200HOC221C200HID212C200HPlc旋转编码器指示灯热敏电阻Pt00调功器图3-3温度串级控制系统整体结构图 CPU模块的选型CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序

36、和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作15。C200H PLC的CPU单元共有三种型号，其中C

37、PU01-E和CPU11-E即可使用AC100V120V电源，也可使用AC200240V电源，CPU03-E只能使用DC24V电源。CPU11-E单元专用于将SYSMAC LINK单元或SYSMAC NET LINK单元连接到CPU上，对其它两种CPU单元来说，可以直接安装在CPU左侧的两个槽位上或通过一个总线连接器接到CPU上。CPU单元的结构由电源电路、微处理器、控制电路、存储系统、外设接口、I/O接口和输入电路等几个部分组成。电源电路对输入交流电源进行隔离、滤波、整流和稳压，为PLC系统提供各种所需的直流工作电源。微处理器采用Motorola公司的6800系列68B09CPU芯片，它是一

38、种增强型8位微处理器，具有丰富的指令系统和多种寻址方式，且运行速度快。存储器系统由系统程序存储器、用户程序存储器、数据程序存储器和用户RAM几个部分组成，分别用来存储系统程序、用户程序和输入输出状态、中间运算结果。其中用户存储单元是一用户可独立安装的内装电池的存储模块。外设接口提供编程器及其它C系列的外部设备的连接接口。I/O接口实现SYSBUS标准总线接口。输入/输出电路提供面板指示灯及其它I/O端子与CPU的接口，以指示CPU的工作状态。I/O模块： PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出

39、锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。常用的I/O分类： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等16。电源模块：PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源(220V

40、AC或110VAC)，直流电源(常用的为24VDC)。本课题选用CPU01-E型CPU模块。 基本I/O输入输出模块选型本课题选用C系列的C200H-ID212为基本输入模块，该模块为16点DC输入，工作电压为DC1224V，在PLC机架上通道号为010CH；C200H-OC221为基本输出模块，该模块为8点继电器输出模块，工作电压为DC24V，机架上通道号为020CH。输入模块连接两个旋转编码器，用于对给定量SV进行设定。输出模块连接一个指示灯，用于显示系统是否正常工作。图3-4为输入输出模块的接线图：COM8 4 2 18 4 2 10100201003010040100501006010

41、0701008010090100101000SB1SB2C200H-ID212a)输入模块baCOM02000b)输出模块图3-4输入输出模块接线图24VC200HOC212HL 模拟量输入模块选型C系列的扩展模块提供了一种特殊温度传感器单元，C200HPLC用于输入热电偶或热电阻温度传感器信号的特殊功能单元。它相当于变送器和A/D转换器两者的功能，能购直接检测传感器的输出信号，并将其转换为相应的温度值数值直接传送给PLC。在这里夹套与内胆的温度由TS101直接测量并转化为相应温度值送给PLC。该系列共有TS001、TS002、TS101、和TS102四种型号的温度传感器单元。其中TS001和

42、TS002用于热电偶输入，TS001可接K（CA）和J（JC）型热电偶，TS002可接K（CA）和L（Fe-CuNi）型热电偶。TS101和102用于RTD输入，均适应于Pt100型热电阻输入17。这里本课题选用TS101型，图3-5为TS101的原理图：Pt100T2TIC200H-TS101I1+ I2-Pt100图3-5 TS001的原理图下面介绍一下该型号温度传感单元的特性及使用：（1）性能特点1）输入温度传感器类型：铂电阻Pt100。2）外部输入路数：最多4路/单元，可选1、2或4路，这里选用4路。3）转换代码：4位BCD码。4)精度：±（满量程×1%+1）5)转

43、换时间：最大1.2/路6)转换周期：4路时为4.8s7）PC时间：转换周期+PC一次扫描时间8）连接端子：可拆卸端子块9)隔离：通道之间无隔离；输入与PLC之间为光电耦合10）电源功耗：DC5V最大450mA11)温度测量范围：本课题选择-50100(2)开关设置TS101型的开关设置有三项内容，即单元号设置、输入路数设置和输入范围选择。单元号设置4（3）（5）（7）2（1）0（9）86图3-6单元号设置开关表3-7 对应地址单元号IR地址单元号IR地址0100109515015911101196160169212012971701793130139818018941401499190199输

44、入路数选择TS101可选择1、2或4路输入，它通过单元底部的4位DIP开关的1、2位来进行设定。设置方法如表3-8所示：表3-8输入路数设置开关号选择路数120014101201111无输入范围选择输入范围选择是通过底部4位DIP开关的3、4位来进行的，TS101是用来设定量程范围，通过第3位开关来设定量程范围，OFF状态时测温范围为Pt（0100），ON状态时测温范围由PLC设定。开关第4位无用。当温度范围设定由程序设定时，PLC程序必须向单元写入温度范围代码18。(3) 工作原理TS101为智能I/O单元，单元内能CPU能够接受PLC单元主CPU发来的各种命令参数，在不需要主CPU的干预下

45、，独立的完成输入温度信号的放大、滤波和A/D转换、线性化功能，并能将最终的实际温度值以BCD码的形式送给主CPU。另外TS101还具有输入传感器断线检测功能，当某一输入断线时，它能向主CPU返回相应的状态标志，以供CPU查询。TS101与主CPU之间的数据交换是通过IR区进行的，它仅用到IR1n0IR1n5共6个通道，其他通道仍可供用户程序使用，同时它不占用任何DM数据区，这些区也可供用户程序使用。3.2.6 模拟量输出模块本课题选用C200H-DA001模拟量输出单元，它可将PLC的数字量转化为模拟量信号输出，以驱动现场模拟装置。如图3-9所示220VVVC200H-DA001I5+ I6-

46、JC100GOUT1OUT2 I3+ I4-I3+ I4-图3-9模拟量输出模块原理图(1)性能特点1） 输出模拟路数：最多2路/单元，可选任意一路2） 输出信号范围：电压输出可由用户选择为15V或010V；电流输出为420mA3） 分辨率：输出为电压或电流时量程的1/40964） 精确度：25时为量程的±0.5%；055时为满量程的±1.0%。5） 转换时间：最大2.5ms（一路）。6） 输入数字量：12位二进制码（00HFFFH）。7） 外部输出阻抗（电压输出）：最大0.5。8） 外部输出最大电流（电压输出）：15mA。9） 允许的外部输出负载电阻（电流输出）：最大40

47、00。10） 功耗：DC5V最大650mA。其中可选项均由单元底部的一组小开关来设置19。(2)开关设置DA001的开关设置也有三项内容：单元号、输出量范围、脉冲量或模拟量输出。1） 单元号设置同TS101温度传感器单元。2） 输出范围：从单元底板打开开关盖板，1脚决定输出信号范围，如果1脚是在OFF位那么输出范围选择是15V或者420mA，如果1脚是在ON位，那么输出范围是010V，不能同时选择010V和420mA范围，在这里选择420mA范围。设置方式如图3-10所示NO1243输出范围不用a)1脚输出范围OFF15V420mAON010Vb)图3-10输出温度范围设置a) 设置开关 b)

48、输出范围关系(3)工作原理与TS101一样，DA001也是一个智能单元。当其开关设置和命令参数传送完成时，它可以不需要主CPU干预而独立运行，按照CPU给定的参数大小输出各路模拟量，并将运行状态提供给主CPU。命令、参数和状态的传送也是通过相应的IR区和DM区来进行。4 软件系统设计4.1 CX_PRG_610 编程软件介绍CX_PRG_610 编程软件 的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控

49、等。程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。梯形图中的错误处的下方自动加红色曲线，语句表中错误行前有红色叉，且错误处的下方加红色曲线。软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。联机方式：有编程软件的计算机与PLC 连接，此时允许两者之间做直接通信。离线方式：有编程软件的计算机与PLC 断开连接，此时能完成大部分基本功能。如编程、编译和调试程序系统组态等。两者的主要区别是：联机方式下可直接针对相连的PLC 进行操作，如上装和下载用户程序和组态数据等；而离线方式下不直接与PLC 联系，所有程序和参数都暂时存放在磁盘上

50、，等联机后在下载到PLC 中。局部变量表进行的。系统组态使用CXP 编程软件，可以进行许多参数的设置和系统配置，如通信组态、设置数字量输入滤波、设置脉冲捕捉、输出表配置和定义存储器保持范围等。大家在实际工作中用到时可参考编程手册20。CX_PRG_610编程软件提供了一系列工具，可使用户直接在软件环境下调试并监视用户程序的执行。选择单次或多次扫描来监视用户程序，可以指定主机以有限的扫描次数执行用户程序。通过选择主机扫描次数，当过程变量改变时，可以监视用户程序的执行。CX_PRG_610的编程语言有：梯形逻辑（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）三种编程语言。语句表（STL）是编程语言

51、的文本表达方式。与机器码相似，CPU执行程序时按每一条指令一步一步地执行。LAD是编程语言的图形表达式。它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似，当电信号通过各个触点复合元件以及输出线圈时，梯形图可让你追踪电信号在电源示意线间的流动。FBD也是编程语言的图形表达式，使用与布尔代数相似的逻辑框来表达逻辑。硬件诊断：它能提供可编程控制器状态的概况。在这个概况中可以显示符号，用来指示每个模板是否正常或有故障。用来显示模块的概况信息，显示中央和分布式I/O站的模块信息，显示来自诊断缓存区的报文及显示CPU，MPI的性能数据，双击故障模块就可显示有关故障的详细信息。系统硬件安装完后，首先应在操作系统的控制

52、面板SET PG/PC中进行协议选择和通信设置，将系统硬件组态信息输入工控机。可通过组态故障诊断对话框检测组态和设置是否存在硬件组态错误，总线中是否有通信故障等问题。网络通信正常情况下，可看到系统的所有站点，系统是否存在硬件冲突等问题。4.2 系统程序设计 I/O分配表表4-1 I/O分配表输入01000启动按钮01001停止按钮输出02000启动指示灯 PID设置CPU01-E提供PID回路指令，包括比例、积分、微分循环，进行PID计算。PID回路的操作取决于存储在36字节回路表内的九个参数。PID控制回路具有两个输入变量。本系统的两个输入变量即为恒温水箱的当前值PV和设定值SP，这两个多成

53、变量在应用于PID指令之前，必须转换为标准化的浮点数表示形式。转换的第一步是实际值从16位整数数值转换为浮点数数值，第二步是将此转换后的浮点数转换成位于0.01.0之间的标准化数值。回路的输出是标准化的、位于0.01.0之间的实数数值。在回路输出可用于驱动模拟量输出之前，回路输出必须被转换为16位的、成比例的整数数值。这一过程是将PV以及SP转换成标准化数值的反过程。在PID指令中，必须指定内存区内的36个字节参数表的首地址。要选定的过程变量、设定值、回路增益、采样时间、积分时间、微分时间等参数全部都转换成标准值存放在回路表中。4.3 程序流程图如下图4-2主程序流程图所示，夹套温度主给定量S

54、V1存到DM100与夹套温度主反馈量PV1存到DM110比较后得到误差信号e1存到DM10，经主控制器进行PID算法运算，输出控制量OUT1存到DM102作为副控制器(设定在外给定)的给定，并与内胆温度副反馈量PV2存到DM113进行比较得到误差信号e2存到DM104，经副控制器进行PID运算，输出控制量OUT2存到DM112作为晶闸管调功器的输入信号，来控制输出电压的变化，从而控制内胆加热器上电压的高低，实时控制内胆温度副被控量和夹套温度主被控量，达成系统要求。按下停止退出系统？按下启动,参数初始化主被控量夹套温度过程值PV1反馈到给定端与SV比较设定外控制器给定值SV计算出e1(t)=SV

55、(t)-PV1(t)主控制器按PID1算法计算出控制量OUT1并输出OUT1作为副控制器给定，与内胆温度反馈PV0比较计算出e2(t)=SV(t)-PV2(t)副控制器按PID2算法计算出控制量OUT2，经过PLC模出口输出OUT2控制调功器，来输出电压UU控制加热炉内胆加热器内胆温度检测夹套温度检测开始系统停止NPLC模入A口PLC模入B口图4-2主程序流程图Y在本控制系统中，加热炉由一个热敏电阻来检测温度，由一个加热电阻通过控制加热时间，以便达到炉内温度的目的。控制程序采用主程序和子程序来编写。采用PID控制算法来控制加热电阻通电时间，达到控制加热时间的目的。总体程序的控制流程设计思路为：执行总体启动/停止实现对加热炉的宏观控制；子程序SBR0为水箱温控制参数，在主程序中调用SBR0传递PID控制参数。定时中断0设计为每十毫秒中断一次，进入中断服务程序INT0，INT0对