PLC技术应用项目阐明书

◎广州学院

PLC技术应用项目阐明书

设计题目

学院.机械工程学院

2023年1月9日

课程设计任务书

兹发给2023级机电X班班学生张XX课程设计任务书,内容如下：

I.设计题目：基于PLC的温度控制系统_______________________

2.应完毕的项目：

(1)选题的背景和意义:_______________________________________________

(2)明确设计任务，确定总体设计方案(有机械构造的要进行构造设计，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端口分派图、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)课程设计阐明书1份。

3.参照资料以及阐明：

(1)金发庆.传感器技术与应用(第二版)[Ml.北京:机械工业出版社,2023

(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，2023

（3）常晓玲.电气控制系统与可编程控制器[ML北京：机械工业出版社，2023

（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，2023___________________________________________________

（5）濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计FM].北京：高等教育出版社，2023

4.本设计任务书于2023年12月19日发出，应于2023年1月9日前完毕，

然后进行答辩。

指导教师签发2023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

目录

前言..........................................................................6

第一章系统总体方案............................................................9

第二章系统硬件设计..............................................................10

2.1PLC选择..................................................................10

2.1.1FX2N-48MRPLC...................................................................................................................11

2.1.2FX2N-2AD特殊功能模块..........................................12

2.1.3FX2N-2DA特殊功能模块..........................................14

2.2硬件电路设计..........................................................16

2.2.1温度值给定电路..................................................16

2.2.2温度检测电路....................................................19

2.2.3过零检测电路....................................................21

2.2.4晶闸管电功率控制电路...........................................21

2.2.5脉冲输出通道....................................................25

2.2.6报警指示电路.......................................................26

2.2.7复位电路...........................................................26

第三章系统软件设计...........................................................27

3.1程序设计..............................................................27

3.2系统程序流程图.......................................................28

3.3控制系统控制程序的开发..............................................30

3.3.1温度设定..........................................................30

3.3.2A/D转换功能模块的控制程序....................................31

3.3.3标度变换程序....................................................32

3.4.4恒温控制程序（PID）设计..........................................33

3.4.6显不程序........................................................41

3.4.7恒温指示程序......................................................42

3.4.8报警程序........................................................44

第四章总结与展望...............................................................45

4.1总结....................................................................45

4.2展望....................................................................46

参考文献......................................................................47

附录系统程序（梯形图）.....................................................48

摘要

在工业生产过程中，加热管温度控制是十分常见的。温度控制的老式措

施是人工一仪表控制。其反复性差，工艺规定难以保证，人工劳动强度大。

目前大多数使用微机替代常规控制。以微机为关键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为关键区|

控制系统，虽然成本较高，但PLC自身就有很强的抗干扰性和可靠性，因而

系统的I硬件设计也简朴得多。

本设计以工业水温加热为背景,设计以三菱FX2N-48MRPLC为控制器,

使用电热偶为温度传感器的温度控制系统，木文重要内容包括：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PLCPID

第一章绪论

伴随时代的发展，当今H勺技术日趋完善，竞争也愈演愈烈；老式日勺人工的

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规定和提高高

新技术企业H勺形象。

在生产实践中，自动化给人们带来了极大日勺便利和产品质量上日勺保证，

同步也减轻了人员日勺劳动强度，减少了人员上日勺编制.在许多复杂日勺生产过

程中难以实现的目日勺控制、整体优化、最佳决策等，纯熟日勺操作工、技术人

员或专家、管理者却可以轻易判断和操作，可以获得满意日勺效果。人工智能

时研究目日勺正是运用计算机来实现、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，为处理十分复杂H勺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，它采用可编程序日勺存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、次

序控制、定期、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，控制多种类型口勺机械或生产过程。

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I老式措

施是人工一仪表控制。其反复性差，工艺规定难以保证，人工劳动强度大。

目前大多数使用微机替代常规控制。以微机为关键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为关键的

控制系统，虽然成本较高，但PLC自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朴得多。因此，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、反复性好、自动化程度高，可以

大大提高产品质量和减轻工人日勺劳动承担。本文简介了以PLC为关键实现

PID算法欧I温度控制系统日勺设计措施“

第二章系统总体方案

根据设计任务和规定，采用常规PID控制的）温度控制系统构造如图卜1

所示。

图1-1常规PID温度控制系统日勺构造

对应图1-1的系统构造，确定总体设计方案如图1-2所示:

图1-2总体设计方案

该总体方案重要由如下几种部分构成

（1）触摸屏：重要功能是设定和显示对应H勺温度值，以及停止和开始

功能。

(2)PLC：重要完毕PID调整功能以及数据变换。

(3)测温电路和A/D模块：重要功能是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)输出调整电路：重要功能是把PLC处理运算发出日勺控制信号通过脉

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Qo

与实际加热管温度Q/、J偏差e(k)按积分分离P1D控制算法，得到输出控

制量u(k),控制晶闸管导通时间，调整加热管温度口勺变化使之与给定恒

温值一致，到达恒温控制目的。当到达恒温值、输入错误或系统发生故障时，

系统发出报警信号，I司步用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。

第二章系统硬件设计

2.1PLC选择

根据设计方案H勺分析，系统设计需要使用A/D转换器和D/A转换器来

完毕温度采样。在课程学习中，我们学习了三菱日勺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。

2.1.1FX2N-48MRPLC

FX2N系列PLC是FX系列中最先进日勺系列、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.顾客存储器容量可扩展到16K步.1/0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诸多大型PLCo三菱

FX2N-48MRPLC,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(SO〜S999)

(5)定期器T(T0-T255)(TO〜T245为常规定期器)

(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(DO〜D8255)(DO~D199为通用型)

表2-1定期器中断标号指针表

输入编号中断周期(ms)中断严禁特殊辅助继电器

I6XX在指针名称的XX部分中，输M8056

I7XX入10~99的整数。1610为每M8057

I8XX10ms执行一次定期器中断M8058

表2-2输入中断标号指针表

输入编指针编号中断严禁特殊辅助继

号上升中断下降中断电器

X010011000M8050

XI1101110()M8051

X212011200M8052

X313011300M8053

X414011400M8054

X515011500M8055

注：M8050~M8058="0”表容许；M8050~M8058二“1”表严禁。

2.1.2FX2N-2AD特殊功能模块

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，其辨别率为

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

DC：0〜+10V(输入电

模拟量输入范阻200KQ)DC：4〜+20mA（输入电阻250。）

围绝对最大输入：绝对最大输入：-2mA,+60mA

-0.5V,+15V

数字输出12位二进制

2.5mV(10V/4000)

辨另IJ率4uA(20mA/4000)

1.25mV(5V/4000)

总体精度±1%(加里程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指令完毕。同步在编程

过程中重点用到了BFM数据缓冲存储器，详细分布状况如表2-4所示。

表2-4FX2N-2AD缓冲存储器的功能及分派

BFM内容

编号bl5-b8b7-b4b3b2blbO

#0保留输入数据的目前值（低8位）

#1保留输入数据的目前值（高4位）

#2-#16保留

#17模拟到数模拟到数

保留字转换开字转换通

始道

#18保留

BFM阐明:

1）BFM#0：存储由BFM#17指定通道的输入数据目前值低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目前值高4位数据，当

前值数据以二进制存储。

3）BFM#17：bO：指定由模拟到数字转换H勺道道（CH1,CH2）。

b0=0指定CH1

bO=l指定CH2

bl:由0—1时A/D转换过程开始

2.1.3FX2N-2DA特殊功能模块

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，其辨别率为

12位。其模拟量输出性能如表能3所示。

表2-3模拟量输出性能表

项目电压输出电流输出

DC：0〜+10V(输入电

模拟量输入范阻200KQ)DC：4〜+20mA（输入电阻250Q）

围绝对最大输入：绝对最大输入：-2mA,+60mA

-0.5V,+15V

数字输出12位二进制

2.5mV(10V/4000)

辨别率4uA(20mA/4000)

1.25mV(5V/4000)

总体精度±1%（满量程。〜10V）±1%（满量程4〜201nA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指令完毕。同步在编程

过程中重点用到了BFM数据缓冲存储器，详细分布状况如表2-4所示。

表2-4FX2N-2DA缓冲存储器H勺功能及分派

BFM内容

编号bl5-b8b7-b4b3b2blbO

#0保留输入数据的目前值(低8位)

#1保留输入数据的目前值(高4位)

#2-#16保留

#17模拟到数模拟到数

保留宇转换开字转换通

始道

#18保留

BFM阐明：

4)BFM#0：存储由BFM#17指定通道的输入数据目前值低8位数据，当

前值数据以二进制存储。

5)BFM#1：存储由BFM#17指定通道日勺输入数据目前值高4位数据，当

前值数据以二进制存储。

6)BFM#17：bO：指定由模拟到数字转换日勺通道(CH1,CH2)。

b()=()指定CH1

b()=l指定CH2

bl:由0-1时A/D转换过程开始

2.2硬件电路设计

2.2.1温度值给定电路

为了能同步使用触摸屏和开关按键实现温度给定值输入，触摸屏程序运

用GTDesigners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，作为温度给定值日勺输入端口，接受十进制数（触摸屏程序和开关

按犍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）：

种英数值壮示b）9部值的入CD

欣元仲00M▼日触搦案型S）无符号Bnns

亚示方式_______________________

西6式Q）：氏右号1。选・»F拿传（T）:18点腌标准

部值尺寸co[2―mx[2—二）s篝海）画面中的如值用at号来壮示

H示位蓟（G）3：濠加09）对齐g：画画口

，」例位的0O|0由口小拗湖自动邮IS

格式字符串C0）

ES影设置色家）

此形00

IF1枝帏壮君（3）

加10CC）

内坏00初值00

123456

触摸屏启动控制：（左图第一种方形图形）

触摸屏停止控制：（左图第二个方形图形）

触摸屏指示灯指示:

基本设置I洋绸设5E

*际灯种类⑦：。位。字

软元件与Y804▼匚7]

图形①）：C>rcl«F»x»dVidtXCircle6▼副以

边框色色）I------1二

指示灯色4）I------1-

背累色©：

用确体⑤匚匚如

恒温完毕指示信号（Y0004）

后本设长

___年甥4,

♦软元件/脏叱文本《1砥函

指示灯种类中：。花©字

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背景色©:

值充图样也）:

目前温度不小于给定温度（Y0005）

r^~ira~irs']

摹本设置

软元件/样式“文本，

指示灯种类a）：。位

欣元件8）：Y0006

给定提度超颤纣）：（Cira<F>x«dYidthI“clj6▼图形…

团形属性

加色3

给定温度超II，

百丁色H）

昔昙色（C）

陌旗IWCZ5ZJ0

.无

给定温度超过范围报警（Y0006）

按键设计电路如图2-1所示：SB1为温度值输入容许，SB2~SB11分别

表达十进制数（）〜9。先按下温度值给定容许开关SB1,然后再输入给定温度

值，先按下日勺数字为高位上的数值，后按下的数字为低位上日勺数值。例如,

先后按下开关SB5、SB2和SB2,则表达给定温度值为300C,并送PLC数

据寄存器保留。

2.2.2温度检测电路

温度检测是温度控制系统的一种很重要日勺环节，直接关系到系统性能。

在PLC温度控制系统中，温度日勺检测不仅要完毕温度到模拟电压量日勺转换

还要将电压转换为数字量送PLCo其一般构造如图2-2所示。

-＞信号放大器-A/D-PLC

图2-2温度检测基本构造

温度变送器将测温点日勺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转换规定的电压值。然后送PLC的A/D转换模块进行A/D

转换，得到表达温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差赔偿，得

到测温点的实际温度值。

本系统运用热电偶完毕加热管温度检测（热端检测加热管温度，冷端置

于0℃温度中）、FX2N-2AD模块一种通道实现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构成。

其电路如图2-3所示,

1心

图2-3加热管温度检测与放大电路

图中，RI、C1完毕低通滤波，R2、RP、2CW51构成零点迁移电路，加热

管温度检测元件采用银铭一银铝热电偶，分度号为EU-2,查分度表瓦得,

当温度为0~100℃时，输出电势小为0〜4.095mV。检测信号经二级放大后送

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

56K/、一〜、

=工7（/一〃2）=112必一〃2）

JK

式中，%为零点辽移值。根据设计规定，给定温度值为0~100℃,本系统选

用测温范围为。〜100C,将0C作为测温起点（零点）。调整多圈电位器RP,

使〃2=50*11.2=560mV,当加热管温度为0℃时，%=0mV,%=560mV,于是同二0。

经零点迁移后，加热管温度为0~100℃时，％=0~4.095mV,劭=0~9.94V,A/D

转换后的数字量为0~4000。

2.2.3过零检测电路

按设计规定，规定过零检测电路在每个电源周期开始时产生一种脉冲,

作为触发器日勺同步信号，其设计电路如图2-4(a)所示。

”2cpi2*2

I------------I——।1/4LH339

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。电路日勺工作波形如图2-4(b)所

不o

LlCV)

220JT

0

-220JT

图2-4(b)过零检测电路日勺工作波形图

2.2.4晶闸管电功率控制电路

晶闸管是晶体闸流管H勺简称，也叫可控硅。它是一种半控型器件，是一

种可以运用控制信号控制其导通而不能控制其关断日勺电力电子器件。它日勺关

断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定日勺。也即说，若要使已导通

的晶闸管关断，只能运用外加反向电压和外电路日勺作用使流过晶闸管的电流

降到靠近零日勺某一数值如下。

晶闸管控制电热元件消耗的电能有两种措施，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。

uFUm

▼TN

图2-5电功率控制电路

这种控制措施的原理是：各晶闸管的触发角。恒为0°,使得一种周期

内电源均加在电热元件上，通过控制一种控制周期内晶闸管导通周波数，就

可控制电热元件消耗H勺电能。根据电热炉的I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品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)，〃1mx为一种控制周期内日勺电源

周波数，温度偏差不一样，则u(k)、n不一样，电热炉消耗的电能亦不一

样，到达了根据温度偏差调整输入电能，保证炉温按规定变化日勺目的.

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，晶间管元件流过反向电流，靠近终止

时，4/4很大，它与线路电感共同作用产生的电压L*4/4也许损坏晶闸管,

必须采用保护措施，在晶闸管两端并联阻容吸取装置。

设计电路中的元器件的选择如下：

(1)R和CH勺选择

阻容吸取装置的参数按晶闸管ITN根据经验值选用为：

R=80QC=0.15uF

电容CH勺交流耐压为：

UCN=1.5U,„=1.5x220x/2=467V

电阻RH勺功率应满足:

U2R10X2202X80

PR>10*=0.086W

陵+x；802+(1/314x0.15x106)2

实选电容0.15uF/630V一只，电阻80C/0.5W一只。

(2)迅速熔断器FU的选择

迅速熔断器是专门用来保护晶闸管时，其熔体电流/和按下式选用：

6

式中，5/6为修正参数，为保证可靠与选用以便，一般取/项=/川。实选熔

体额定电流为20A的RLS-50螺旋式迅速熔断器二只，分别与二只晶闸管串

联，其额定电压为500V。

(3)晶闸管日勺选择

电阻炉日勺额定功率为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.lAo关断时，承受正反向峰值电压为220亚/,

考虑到晶闸管的I过载能力小及环境温度的变化等原因，晶闸管日勺额定电流

/.应为：

I.=(1.5~2)乙/2=13.7~18.2A

额定电压Um应为:

=（2〜3）220x/2=622〜933V

根据以上计算，主回路日勺二只晶闸管选择为KP20-10（参数为：20A,

IKV,0.1A,3V）

2.2.5脉冲输出通道

由于PLC有很强日勺抗干扰性和可靠性，且FX2N-48MR-001为继电器输

出——2A/1点（KP20To晶闸管时触发电流和电压分别为0.1A和3V）,因

而FX2N-48MR-001时输出点能可靠地触发晶间管导通，而不必设计光电隔离

和功率放大。脉冲输出通道电路如图2-6所示。

PLC

同步信号

YQ----------------------gl（VT1控制端）

-----X0

Y1-----------------------g2（VT2控制端）

-L3V_L3V

——I------1-----------kl（k2）（公共端）

COM

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输入日勺同步信号

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。

2.2.6报警指示电路

按设计规定，报警指示电路设计了一种恒温指示（绿灯）灯、故障报警

（红灯）和输入出错报警（黄灯），完毕指示、报警功能。显示及给定温度

值均由GT1040-QBBD-C触摸屏完毕。设计电路如图2-7所示。

图2-7报警指示可路

2.2.7复位电路

复位电路由一种开关SB12完毕开/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。

PLC

开/关SB12

rp

--,--------X2

--------------------COM

图2-8复位电路

第三章系统软件设计

PLC程序输入可以通过手持编程器、专用编程器或计算机完毕。但由

于手持编程器在程序输入或阅读理解分析时比较啰嗦；专用编程器价格高，

通用性差，而计算机除了可以进行PLCH勺编程外，还可作为一般计算机的

用途，兼容性好，运用率高。因此，运用计算机进行PLC编程和通信更具

优势。本次软件设计即是运用计算机编程，在三菱PLC编程软件

GTDESINER下完毕程序编写和通信。

3.1程序设计

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。此外，内存分派如表3-1所示：

表3-1内存分派表

储存器特定意义储存器特定意义

DOA/D转换数字量成果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晶闸管容许触发标志D34e(k-2)

D27采样周期计数器D35K.

D100"D121数据缓冲区D36%

D29断偶计数器D37段

D38十键输入指定存储元件

3.2系统程序流程图

Y

N

标度变换

保留n晶闸管触发准备

图3-1系统程序流程图

X001

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