微型加熱器自動恒溫控制系統(tǒng)設計.doc

課程設計報告用紙理 工 學 院電氣與自動化工程學院PLC控制技術(shù)實訓題目：微型加熱器自動恒溫控制系統(tǒng)設計 姓 名： 學 號： 班 級： 自動化122 指導教師： 起止日期： 2013.11.112013.11.22 - 30 -目錄PLC控制技術(shù)實訓任務書- 1 -第一章 基礎實訓項目一：變頻器對電機運動控制- 4 -1變頻器對電機運動控制- 4 -1.1變頻器的面板操作與運行- 4 -1.2 變頻器的外部運行操作- 7 -1.3變頻器的模擬信號操作控制- 10 -第二章 基礎實訓項目二：模擬量采集與數(shù)據(jù)處理的綜合應用- 12 -第三章 綜合型自主實訓項目：微型加熱器自動恒溫控制系統(tǒng)設計- 13 -3微型加熱器自動恒溫控制系統(tǒng)設計- 13 -3.1實訓項目工藝要求：- 13 -3.2總體設計方案- 14 -3.2.1總體設計框架圖- 14 -3.2.2硬件和軟件的選擇- 15 -3.2.3特殊功能模塊- 18 -3.3微型加熱器自動恒溫控制系統(tǒng)設計流程- 19 -3.3.1PID算法控制原理圖- 19 -3.3.2 PLC外部接線圖- 20 -3.3.3 PID過程控制模塊- 20 -3.3.4 PID功能指令- 21 -3.3.5使用調(diào)用程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制。- 23 -3.3.6 加熱器的端子接線及使用- 23 -3.3.7 分配表- 24 -3.3.8元件及功能表- 24 -3.3.9地址分配- 24 -3.3.9程序控制梯形圖- 25 -3.3.10觸摸屏界面的設定- 27 -3.4調(diào)試與運行- 27 -3.5收獲與體會- 28 -參考文獻- 28 -PLC控制技術(shù)實訓任務書題目：微型加熱器自動恒溫控制系統(tǒng)設計實訓學生需要完成2個基礎實訓項目和1個綜合型自主實訓項目的訓練。一、基礎實訓項目一：變頻器對電機的運行控制一）實訓目的1、進一步鞏固掌握PLC基本指令功能的及其運用方法；2、根據(jù)實訓設備，熟練掌握PLC的外圍I/O設備接線方法；3、掌握異步電動機變頻調(diào)速原理，熟悉變頻器的用法。二)實訓設備PLC主機單元模塊、電位器、MM440(或MM420)變頻器、個人計算機 PC、PC/PPI 編程電纜。三) 工藝控制要求使用變頻器實現(xiàn)異步電動機的可逆調(diào)速控制，即可以電動機可正反向運行、調(diào)速和點動功能。速度控制有兩種方式：（1）由外接的電位器控制，（2）由PLC的模擬量輸出通道控制。變頻器參數(shù)設置見附表1。四) 實訓步驟1、進行PLC的I/O地址分配，并畫出變頻器對電機控制的PLC控制系統(tǒng)的接線圖。 2、設計由PLC 控制的梯形圖程序。3、輸入自編程序，上機調(diào)試、運行直至符合動作要求。二、基礎實訓項目二：模擬量采集與數(shù)據(jù)處理的綜合應用一)實訓目的1、掌握PLC中模擬量輸入、輸出的基本工作原理；2、掌握數(shù)據(jù)處理指令的運用方法；3、熟悉觸摸屏的基本用法。二）實訓設備PLC主機單元模塊、電位器、萬用表、EVIEW 5000觸摸屏、個人計算機 PC、PC/PPI 編程電纜。三）實訓項目原理與要求 1、用擴展模塊中的電位器模擬溫度測量變送器，假設當溫度是0時，對應電位器輸出0V電壓，假設當溫度是100時，對應電位器輸出電壓10V電壓。用FX2N-2AD、2DA的模擬量輸入通道采集電位器電壓，進行標度變換，將轉(zhuǎn)換后的溫度值存儲在變量存儲器中，并在觸摸屏上顯示出具體溫度。2、用PLC模擬量輸出通道控制電動執(zhí)行器，執(zhí)行器開度設置為0%時，輸出電壓為0V，執(zhí)行器開度為100%時，輸出電壓10V。執(zhí)行器開度控制量的多少采用觸摸屏輸入，觀察模擬量輸出的數(shù)值，并用萬用表測量輸出電壓值。 四）實訓項目的步驟1、根據(jù)項目要求擬定I/O地址分配表，畫出外部接線圖，并進行接線圖線路連接。 2、設計梯形圖程序，調(diào)試并記錄數(shù)據(jù)。輸 入 FX2N-2AD 輸 出FX2N-2DA 電壓CH2 溫度值執(zhí)行器開度CH1 電壓V0V0 4V 40%6V60%8V 80%10V100%三、綜合型自主實訓項目：微型加熱器自動恒溫控制系統(tǒng)設計一）實訓項目工藝要求：本課題要求設計微型加熱器溫度控制系統(tǒng)，具體要求是： 微型溫控系統(tǒng)將15VDC的電壓信號（或420mA的電流信號）經(jīng)輸入信號變換電路，控制PWM脈沖調(diào)寬電路，以開關(guān)方式改變電熱元件的加熱功率，從而改變電爐溫度，該爐溫被AD590型集成溫度傳感器檢測后，給出與爐溫（絕對溫度）成比例的測量信號，此信號經(jīng)放大后送到輸出電路，變成420mA、15VDC的測量信號供用戶自由選用。該溫度被控對象是一個一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后的典型被控對象，該對象的純滯后時間，約為15秒，該對象的慣性時間常數(shù)，約為180秒左右，要求進行恒溫控制，由觸摸屏上輸入設置溫度值，控制的范圍為室溫至80 ，控制精度取1（采樣時間可適當調(diào)低以達到控溫精度，若實在達不到，可以適當降低控溫精度）,應采用PID指令作為控制算法，溫度設定值SP及當前值PV應顯示在觸摸屏上。加熱器模塊介紹：1、電源 加熱器電源，接DC24直流電。2、輸入 加熱器的控制調(diào)節(jié)輸入信號。信號輸入接線端子接PLC的模擬量輸出AO端，只有1點AO.(通過編程，限定AO端輸出為05V)3、輸出 加熱器的溫度輸出信號。信號輸出接線端子可接PLC的模擬量輸入AI端，有A、B端，2點AI。（通過編程，轉(zhuǎn)換為溫度（單位），在觸摸屏上進行顯示）4、輸入指示 由PLC模擬量輸出AO指令輸出到加熱器上的輸入電壓，05V。5、輸初指示 加熱器輸出的溫度顯示，0100%（）。6、“零位” 調(diào)節(jié)旋鈕 使用前先進行調(diào)零，在輸入端加1V電壓，一邊觀察輸出指示電表，一邊調(diào)節(jié)“零位”旋鈕，使得輸出指示電表大約在25（室溫）處。7、“增益” 調(diào)節(jié)旋鈕 進行滿功率加熱，即使得PLC的AO電壓為+5V。一邊 觀察輸出指示電表，觀察溫度的變化情況。大約等待10分鐘，這時觀察輸出指示電表是否在90（最高溫度）處，若不在，可調(diào)節(jié)“增益”旋鈕達到。二）實訓目的通過本次實訓使學生掌握：1）Step7Micro/Win32編程軟件的使用方法和梯 形圖、SFC圖編程語言的運用；2）實際程序的設計及實現(xiàn)方法；3）程序的調(diào)試和運行操作技術(shù)。從而提高學生對PLC控制系統(tǒng)的設計和調(diào)試能力。三）實訓內(nèi)容與要求1、通過基本實驗熟悉與本設計相關(guān)的控制模塊的應用； 2、微型加熱器自動恒溫控制系統(tǒng)設計；3、硬件接線圖；4、采用順序功能圖（SFC圖）進行設計或經(jīng)驗設計法，程序清單；5、設計觸摸屏上位機監(jiān)控畫面，能輸入設置溫度、顯示當前溫度等。四、實訓報告要求報告應采用統(tǒng)一的報告紙書寫，應包括評分表、封面、目錄、正文、收獲、參考文獻（并按此順序裝訂）。報告中提供如下內(nèi)容：1、目錄2、正文（1）實訓任務書；（2）實訓內(nèi)容，三個任務分別寫a、每個實訓任務的總體設計方案（應有PLC的選型及依據(jù)）b、I/O分配表，PLC外部接線圖，程序中使用的元件及功能表；c、程序控制的SFC圖、梯形圖或指令表清單，注釋說明；d、調(diào)試、運行及其結(jié)果；3、收獲、體會4、參考文獻（注意實訓報告原則上手寫，允許打印，但雷同者以零分處理）五、實訓進度安排周次工作日工作內(nèi)容第一周1布置實訓任務，查找相關(guān)資料，熟悉實驗臺。2完成兩個基礎實訓項目。3根據(jù)綜合型實訓任務，完成總體設計方案（硬件選型、分配IO點等）4完成硬件接線，編寫程序并調(diào)試5編寫程序并調(diào)試第二周1編寫程序并調(diào)試2編寫程序并調(diào)試3編寫程序并調(diào)試及準備實訓報告4完成報告，及時上交5答辯本實訓共需兩周時間六、實訓考核辦法本實訓滿分為100分，其中實訓平時表現(xiàn)（含2個基礎實訓項目完成情況）30%、綜合型實訓項目答辯50%，實訓報告20%。第一章 基礎實訓項目一：變頻器對電機運動控制1變頻器對電機運動控制1.1變頻器的面板操作與運行1.1.1任務目的：1. 熟悉變頻器的面板操作方法。2. 熟練變頻器的功能參數(shù)設置。3. 熟練掌握變頻器的正反轉(zhuǎn)、點動、頻率調(diào)節(jié)方法。1.1.2任務引入：變頻器MM420系列（MicroMaster420）是德國西門子公司廣泛應用與工業(yè)場合的多功能標準變頻器。它采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。對于變頻器的應用，必須首先熟練對變頻器的面板操作，以及根據(jù)實際應用，對變頻器的各種功能參數(shù)進行設置。1.1.3相關(guān)知識點：1).變頻器面板的操作利用變頻器的操作面板和相關(guān)參數(shù)設置，即可實現(xiàn)對變頻器的某些基本操作如正反轉(zhuǎn)、點動等運行。2).基本操作面板修改設置參數(shù)的方法MM420在缺省設置時，用BOP控制電動機的功能是被禁止的。如果要用 BOP 進行控制，參數(shù) P0700應設置為 1，參數(shù) P1000 也應設置為 1。用基本操作面板(BOP)可以修改任何一個參數(shù)。修改參數(shù)的數(shù)值時，BOP有時會顯示“busy”，表明變頻器正忙于處理優(yōu)先級更高的任務。下面就以設置P1000=1的過程為例，來介紹通過基本操作面板(BOP)修改設置參數(shù)的流程，見表1-1。表1-1 基本操作面板(BOP)修改設置參數(shù)流程操作步驟BOP顯示結(jié)果1按鍵，訪問參數(shù)2按鍵，直到顯示P10003按鍵，直到顯示in000，即P1000的第0組值4按鍵，顯示當前值25按鍵，達到所要求的值16按鍵，存儲當前設置7按鍵，顯示r00008按鍵，顯示頻率1.1.4任務訓練：1）訓練內(nèi)容 通過變頻器操作面板對電動機的啟動、正反轉(zhuǎn)、點動、調(diào)速控制。2）操作方法和步驟1按要求接線系統(tǒng)接線如圖1-1所示，檢查電路正確無誤后，合上主電源開關(guān)QS。 圖1-1 變頻調(diào)速系統(tǒng)電氣圖2參數(shù)設置（1）設定P001030和P09701，按下P鍵，開始復位，復位過程大約3min，這樣就可保證變頻器的參數(shù)回復到工廠默認值。（2）設置電動機參數(shù)，為了使電動機與變頻器相匹配，需要設置電動機參數(shù)。電動機參數(shù)設置見表1-2。電動機參數(shù)設定完成后，設P0010=0，變頻器當前處于準備狀態(tài)，可正常運行。表1-2 電動機參數(shù)設置參數(shù)號出廠值設置值說明P000311設定用戶訪問級為標準級P001001快速調(diào)試P010000功率以KW表示，頻率為50HzP0304230380電動機額定電壓（V）P03053.251.05電動機額定電流（A）P03070.750.37電動機額定功率（KW）P03105050電動機額定頻率（Hz）P031101400電動機額定轉(zhuǎn)速（r/min）（3）設置面板操作控制參數(shù)，見表1-3。表1-3面板基本操作控制參數(shù)參數(shù)號出廠值設置值說明P000311設用戶訪問級為標準級P001000正確地進行運行命令的初始化P000407命令和數(shù)字I/OP070021由鍵盤輸入設定值（選擇命令源）P000311設用戶訪問級為標準級P0004010設定值通道和斜坡函數(shù)發(fā)生器P100021由鍵盤（電動電位計）輸入設定值P108000電動機運行的最低頻率(Hz)P10825050電動機運行的最高頻率(Hz)P000312設用戶訪問級為擴展級P0004010設定值通道和斜坡函數(shù)發(fā)生器P1040520設定鍵盤控制的頻率值(Hz)P1058510正向點動頻率(Hz)P1059510反向點動頻率(Hz)P1060105點動斜坡上升時間（s）P1061105點動斜坡下降時間（s）3變頻器運行操作（1）變頻器啟動：在變頻器的前操作面板上按運行鍵，變頻器將驅(qū)動電動機升速，并運行在由P1040所設定的20Hz頻率對應的560rmin的轉(zhuǎn)速上。（2）正反轉(zhuǎn)及加減速運行：電動機的轉(zhuǎn)速（運行頻率）及旋轉(zhuǎn)方向可直接通過按前操作面板上的鍵減少鍵（/）來改變。（3）點動運行：按下變頻器前操作面板上的點動鍵，則變頻器驅(qū)動電動機升速，并運行在由P1058所設置的正向點動10Hz頻率值上。當松開變頻器前錯做面板上的點動鍵，則變頻器將驅(qū)動電動機降速至零。這時，如果按下一變頻器前操作面板上的換向鍵，在重復上述的點動運行操作，電動機可在變頻器的驅(qū)動下反向點動運行。（4）電動機停車：在變頻器的前操作面板上按停止鍵，則變頻器將驅(qū)動電動機降速至零。1.2 變頻器的外部運行操作1.2.1任務目的：1掌握MM420變頻器基本參數(shù)的輸入方法。2掌握MM420變頻器輸入端子的操作控制方式。3熟練掌握MM420變頻器的運行操作過程。1.2.2任務引入：變頻器在實際使用中，電動機經(jīng)常要根據(jù)各類機械的某種狀態(tài)而進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點動等運行，變頻器的給定頻率信號、電動機的起動信號等都是通過變頻器控制端子給出，即變頻器的外部運行操作，大大提高了生產(chǎn)過程的自動化程度。下面為變頻器的外部運行操作相關(guān)知識。1.2.3相關(guān)知識點：一MM420變頻器的數(shù)字輸入端口MM420變頻器有3個數(shù)字輸入端口，具體如圖2-1所示。圖2-1 MM420變頻器的數(shù)字輸入端口二數(shù)字輸入端口功能MM420變頻器的3個數(shù)字輸入端口（DIN1DIN3），即端口“5”、“6”、“7”，每一個數(shù)字輸入端口功能很多，用戶可根據(jù)需要進行設置。參數(shù)號P0701P0703為與端口數(shù)字輸入1功能至數(shù)字輸入3功能，每一個數(shù)字輸入功能設置參數(shù)值范圍均為099，出廠默認值均為1。以下列出其中幾個常用的參數(shù)值，各數(shù)值的具體含義見表2-1。表2-1 MM420數(shù)字輸入端口功能設置表參數(shù)值功能說明0禁止數(shù)字輸入1ON/OFF1（接通正轉(zhuǎn)、停車命令1）2ON/OFF1(接通反轉(zhuǎn)、停車命令1)3OFF2（停車命令2），按慣性自由停車4OFF3（停車命令3），按斜坡函數(shù)曲線快速降速9故障確認10正向點動11反向點動12反轉(zhuǎn)13MOP（電動電位計）升速（增加頻率）14MOP降速（減少頻率）15固定頻率設定值（直接選擇）16固定頻率設定值（直接選擇+ON命令）17固定頻率設定值（二進制編碼選擇+ON命令）25直流注入制動1.2.4任務訓練：一、訓練內(nèi)容用PLC控制MM420變頻器的運行，實現(xiàn)電動機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制。其中端口“5”（DIN1）設為正轉(zhuǎn)控制，端口“6”（DIN1）設為反轉(zhuǎn)控制。對應的功能分別由P0701和P0702的參數(shù)值設置。二、操作方法和步驟1按要求接線變頻器外部運行操作接線圖如圖2-2所示。圖2-2 外部運行操作接線圖2參數(shù)設置在變頻器在通電的情況下，完成相關(guān)參數(shù)設置，具體設置見表2-2。表2-2 變頻器參數(shù)設置參數(shù)號出廠值設置值說明P000311設用戶訪問級為標準級P000407命令和數(shù)字I/OP070022命令源選擇“由端子排輸入”P000312設用戶訪問級為擴展級P000407命令和數(shù)字I/O*P070111ON接通正轉(zhuǎn)，OFF停止*P070212ON接通反轉(zhuǎn)，OFF停止*P0703910正向點動P000311設用戶訪問級為標準級P0004010設定值通道和斜坡函數(shù)發(fā)生器P100021由鍵盤（電動電位計）輸入設定值*P108000電動機運行的最低頻率(Hz)*P10825050電動機運行的最高頻率(Hz)*P1120105斜坡上升時間（s）*P1121105斜坡下降時間（s）P000312設用戶訪問級為擴展級P0004010設定值通道和斜坡函數(shù)發(fā)生器*P1040520設定鍵盤控制的頻率值*P1058510正向點動頻率(Hz)*P1059510反向點動頻率(Hz)*P1060105點動斜坡上升時間（s）*P1061105點動斜坡下降時間（s）3變頻器運行操作（1）正向運行：當PLC輸出使變頻器數(shù)字端口“5”為ON，電動機按P1120所設置的5S斜坡上升時間正向啟動運行，經(jīng)5S后穩(wěn)定運行在560r/min的轉(zhuǎn)速上，此轉(zhuǎn)速與P1040所設置的20Hz對應。放開按鈕SB1，變頻器數(shù)字端口“5”為OFF，電動機按P1121所設置的5S斜坡下降時間停止運行。（2）反向運行：當PLC輸出使變頻器數(shù)字端口“6”為ON，電動機按P1120所設置的5S斜坡上升時間正向啟動運行，經(jīng)5S后穩(wěn)定運行在560r/min的轉(zhuǎn)速上，此轉(zhuǎn)速與P1040所設置的20Hz對應。放開按鈕SB2，變頻器數(shù)字端口“6”為OFF，電動機按P1121所設置的5S斜坡下降時間停止運行。（3）電動機的點動運行正向點動運行：當PLC輸出使變頻器數(shù)字端口“7”為ON，電動機按P1060所設置的5S點動斜坡上升時間正向啟動運行，經(jīng)5S后穩(wěn)定運行在280r/min的轉(zhuǎn)速上，此轉(zhuǎn)速與P1058所設置的10Hz對應。放開按鈕SB3，變頻器數(shù)字端口“7”為OFF，電動機按P1061所設置的5S點動斜坡下降時間停止運行。（4）電動機的速度調(diào)節(jié)分別更改P1040和P1058、P1059的值，按上步操作過程，就可以改變電動機正常運行速度和正、反向點動運行速度。1.3變頻器的模擬信號操作控制1.3.1任務目的：1掌握MM420變頻器的模擬信號控制；2掌握MM420變頻器基本參數(shù)的輸入方法；3熟練掌握MM420變頻器的運行操作過程。1.3.2任務引入：MM420變頻器可以通過3個數(shù)字輸入端口對電動機進行正反轉(zhuǎn)運行、正反轉(zhuǎn)點動運行方向控制.可通過基本操作板,按頻率調(diào)節(jié)按鍵可增加和減少輸出頻率,從而設置正反向轉(zhuǎn)速的大小。也可以由模擬輸入端控制電動機轉(zhuǎn)速的大小。本任務的目的就是通過模擬輸入端的模擬量控制電動機轉(zhuǎn)速的大小。1.3.3相關(guān)知識點：MM420變頻器的“1”、“2”輸出端為用戶的給定單元提供了一個高精度的+10V直流穩(wěn)壓電源?？衫棉D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電位器串聯(lián)在電路中,調(diào)節(jié)電位器, 改變輸入端口AIN1+給定的模擬輸入電壓,變頻器的輸入量將緊緊跟蹤給定量的變化,從而平滑無極地調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的大小。MM420變頻器為用戶提供了模擬輸入端口，即端口“3”、“4”，通過設置P0701的參數(shù)值，使數(shù)字輸入“5”端口據(jù)有正轉(zhuǎn)控制功能；通過設置P0702的參數(shù)值，使數(shù)字輸入“6”端口具有反轉(zhuǎn)控制功能；模擬輸入“3”、“4”端口外接電位器，通過“3”端口輸入大小可調(diào)的模擬電壓信號，控制電動機轉(zhuǎn)速的大小。即由數(shù)字輸入端控制電動機轉(zhuǎn)速的方向，由模擬輸入端控制轉(zhuǎn)速的大小。1.3.4任務訓練：一、訓練內(nèi)容用自鎖按鈕SB1控制實現(xiàn)電動機起停工能，由模擬輸入端控制電動機轉(zhuǎn)速的大小。二、操作方法和步驟1按要求接線變頻器模擬信號控制接線如圖3-1所示。圖3-1 MM420變頻器模擬信號控制接線圖2. 參數(shù)設置（1）恢復變頻器工廠默認值，設定P0010=30和P0970=1，按下P鍵，開始復位。（2）設置電動機參數(shù)，電動機參數(shù)設置見表3-1。電動機參數(shù)設置完成后，設P0010=0，變頻器當前處于準備狀態(tài)，可正常運行。表3-1 電動機參數(shù)設置參數(shù)號出廠值設置值說明P000311設用戶訪問級為標準級P001001快速調(diào)試P010000工作地區(qū)：功率以KW表示，頻率為50HzP0304230230電動機額定電壓（V）P03053.250.9電動機額定電流（A）P03070.750.4電動機額定功率（KW）P030800.8電動機額定功率（COS）P03105050電動機額定頻率(Hz)P0311101400電動機額定轉(zhuǎn)速(r/min)（3）設置模擬信號操作控制參數(shù)，模擬信號操作控制參數(shù)設置見表3-2。表3-2 模擬信號操作控制參數(shù)參數(shù)號出廠值設置值說明P000311設用戶訪問級為標準級P000407命令和數(shù)字I/OP070022命令源選擇由端子排輸入P000312設用戶訪問級為擴展級P000407命令和數(shù)字I/OP070111ON接通正轉(zhuǎn)，OFF停止P070212ON接通反轉(zhuǎn)，OFF停止P000311設用戶訪問級為標準級P0004010設定值通道和斜坡函數(shù)發(fā)生器P100022頻率設定值選擇為模擬輸入P108000電動機運行的最低頻率（HZ）P10825050電動機運行的最高頻率（HZ）3. 變頻器運行操作（1）電動機正轉(zhuǎn)與調(diào)速按下電動機正轉(zhuǎn)自鎖按鈕SB1,數(shù)字輸入端口DINI為”O(jiān)N”,電動機正轉(zhuǎn)運行,轉(zhuǎn)速由外接電位器RP1來控制,模擬電壓信號在010V之間變化，對應變頻器的頻率在050Hz之間變化，對應電動機的轉(zhuǎn)速在01500 rmin之間變化。當松開帶鎖按鈕SB1時，電動機停止運轉(zhuǎn)。（2）電動機反轉(zhuǎn)與調(diào)速按下電動機反轉(zhuǎn)自鎖按鈕SB2，,數(shù)字輸入端口DIN2為”O(jiān)N”,電動機反轉(zhuǎn)運行,與電動機正轉(zhuǎn)相同，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的大小仍由外接電位器來調(diào)節(jié)。當松開帶鎖按鈕SB2時，電動機停止運轉(zhuǎn)。第二章 基礎實訓項目二：模擬量采集與數(shù)據(jù)處理的綜合應用2模擬量采集與數(shù)據(jù)處理的綜合應用2.1 實訓目的1、掌握PLC中模擬量輸入、輸出的基本工作原理；2、掌握數(shù)據(jù)處理指令的運用方法；3、熟悉觸摸屏的基本用法。2.2實訓設備PLC主機單元模塊、電位器、萬用表、EVIEW 5000觸摸屏、個人計算機 PC、PC/PPI 編程電纜。2.3實訓項目原理與要求 1、用擴展模塊中的電位器模擬溫度測量變送器，假設當溫度是0時，對應電位器輸出0V電壓，假設當溫度是100時，對應電位器輸出電壓10V電壓。用FX2N-2AD、2DA的模擬量輸入通道采集電位器電壓，進行標度變換，將轉(zhuǎn)換后的溫度值存儲在變量存儲器中，并在觸摸屏上顯示出具體溫度。2、用PLC模擬量輸出通道控制電動執(zhí)行器，執(zhí)行器開度設置為0%時，輸出電壓為0V，執(zhí)行器開度為100%時，輸出電壓10V。執(zhí)行器開度控制量的多少采用觸摸屏輸入，觀察模擬量輸出的數(shù)值，并用萬用表測量輸出電壓值。2.4實訓項目的步驟1、根據(jù)項目要求擬定I/O地址分配表，畫出外部接線圖，并進行接線圖線路連接。程序梯形圖2、設計梯形圖程序，調(diào)試并記錄數(shù)據(jù)。輸 入 FX2N-2AD 輸 出FX2N-2DA 電壓CH2 溫度值執(zhí)行器開度CH1 電壓V0V000 0-0.274V137534 40%16003.956V21565360%24006.078V292673 80%32008.1910V368192100%400010.32第三章 綜合型自主實訓項目：微型加熱器自動恒溫控制系統(tǒng)設計3微型加熱器自動恒溫控制系統(tǒng)設計3.1實訓項目工藝要求：本課題要求設計微型加熱器溫度控制系統(tǒng)，具體要求是：微型溫控系統(tǒng)將15VDC的電壓信號（或420mA的電流信號）經(jīng)輸入信號變換電路，控制PWM脈沖調(diào)寬電路，以開關(guān)方式改變電熱元件的加熱功率，從而改變電爐溫度，該爐溫被AD590型集成溫度傳感器檢測后，給出與爐溫（絕對溫度）成比例的測量信號，此信號經(jīng)放大后送到輸出電路，變成420mA、15VDC的測量信號供用戶自由選用。該溫度被控對象是一個一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后的典型被控對象，該對象的純滯后時間，約為15秒，該對象的慣性時間常數(shù)，約為180秒左右， 要求進行恒溫控制，由觸摸屏上輸入設置溫度值，控制的范圍為室溫至80 ，控制精度取1（采樣時間可適當調(diào)低以達到控溫精度，若實在達不到，可以適當降低控溫精度）,應采用PID指令作為控制算法，溫度設定值SP及當前值PV應顯示在觸摸屏上。3.2總體設計方案3.2.1總體設計框架圖根據(jù)實訓項目的工藝要求，總體設計框架圖如下圖所示：PLC觸摸屏D/AA/D 加熱器 系統(tǒng)框架圖系統(tǒng)流程圖3.2.2硬件和軟件的選擇一、PLC選型：（三菱FX2N系列可編程控制器簡介）FX系列PLC擁有無以匹及的速度，高級的功能邏輯選件以及定位控制等特點； FX2N是從16路到256路輸入/輸出的多種應用的選擇方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相當于FX系列中最高檔次的超小形程序裝置。 除輸入出16-25點的獨立用途外，還可以適用于在多個基本組件間的連接，模擬控制，定位控制等 。特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC。 在基本單元上連接擴展單元或擴展模塊，可進行16-256點的靈活輸入輸出組合?？蛇x用16/32/48/64/80/128點的主機，可以采用最小8點的擴展模塊進行擴展?？筛鶕?jù)電源及輸出形式，自由選擇。程序容量：內(nèi)置800步RAM（可輸入注釋）可使用存儲盒，最大可擴充至16K步。豐富的軟元件應用指令中有多個可使用的簡單指令、高速處理指令、輸入過濾常數(shù)可變，中斷輸入處理，直接輸出等。便利指令數(shù)字開關(guān)的數(shù)據(jù)讀取，16位數(shù)據(jù)的讀取，矩陣輸入的讀取，7段顯示器輸出等。數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)排列、三角函數(shù)運算、平方根、浮點小數(shù)運算等。特殊用途、脈沖輸出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脈寬調(diào)制，PID控制指令等。外部設備相互通信，串行數(shù)據(jù)傳送，ASCII code印刷，HEX ASCII變換，校驗碼等。時計控制內(nèi)置時鐘的數(shù)據(jù)比較、加法、減法、讀出、寫入等。三菱PLC- FX2NFX2N性能規(guī)格 FX2N性能規(guī)格項目規(guī)格備注運轉(zhuǎn)控制方式通過儲存的程序周期運轉(zhuǎn)I/O控制方法批次處理方法(當執(zhí)行END指令時)I/O指令可以刷新運轉(zhuǎn)處理時間基本指令：0.8µs/指令編程語言邏輯梯形圖和指令清單使用步進梯形圖能生成SFC類型程序程式容量8000步內(nèi)置使用附加寄存盒可擴展到16000步指令數(shù)目基本順序指令：27步進梯形指令：2 應用指令：128最大可用298條應用指令I(lǐng)/O配置最大硬體I/O配置點256，依賴于用戶的選擇（最大軟件可設定地址輸入256）輔助繼電器（M線圈）一般500點M0至M499鎖定2572點M500至M3071特殊256點M8000至M8255定時器（T）100毫秒范圍：0至3276.7秒200點T0至T19910毫秒范圍：0至327.67秒46點T200至T2451毫秒保持型范圍：0至32.767秒4點T246至T249100毫秒范圍：0至3276.7秒6點T250至T255數(shù)據(jù)寄存器（D）一般200點D0至D199：32位元件的16位數(shù)據(jù)存儲寄存器對鎖定7800點D200至D7999：32位元件的16位數(shù)據(jù)存儲寄存器文件寄存器7000點D1000至D7999通過14塊500程式步的參數(shù)設置類型：16位數(shù)據(jù)存儲寄存器特殊256點從D8000至D8255：16位數(shù)據(jù)存儲寄存器變址16點V0至V7以及Z0至Z7：16位數(shù)據(jù)存儲寄存器常數(shù)十進位K16位：-32768至+32768 32位：-2147483648至+2147483647二、FX2N-2AD型模擬輸入模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊：將現(xiàn)場儀表輸出的（標準）模擬量信號0-10mA、4-20mA、1-5VDC等轉(zhuǎn)化為計算機可以處理的數(shù)字信號。用于轉(zhuǎn)換兩個點（電壓值和電流值）的模擬擬輸入值為12位的數(shù)字值，并且進一步轉(zhuǎn)換為程序控制值（這里指的是PLC)。 模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊A/D組成： 一般是由多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、前置放大器、采樣保持器、ADC（Analog to Digital Converter） 等組成。三、FX2N-2DA型的模擬輸出模塊數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）模塊：將計算機內(nèi)部的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場儀表可以接收的標準信號4-20mA等。如：12位數(shù)字量（0-4095） 4-20mA 對應的轉(zhuǎn)換結(jié)果： 12mA。用于將12位的數(shù)字值轉(zhuǎn)換為成2點模擬輸出（電壓輸出和電流輸出），并將它們出入到可編程控制器中。 數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）模塊FX-2DA為2通道12位D/A轉(zhuǎn)換模塊，每個通道可獨立設置電壓或電流輸出。FX-2DA是一種與F2-6A相比具有高精確度的輸出模塊。 四、加熱器模塊具有內(nèi)置的PWM脈沖脈寬電路，可以開關(guān)方式改變電熱元件的加熱功率，從而改變電爐溫度。此外，自備有AD590型集成溫度傳感器，這大大方便了爐溫溫度的檢測。加熱器模塊具體介紹:1、電源 加熱器電源，接DC24直流電。2、輸入 加熱器的控制調(diào)節(jié)輸入信號。信號輸入接線端子接PLC的模擬量輸出AO端，只有1點AO。（通過編程，限定AO端輸出為05V。）3、輸出 加熱器的溫度輸出信號。信號輸出接線端子可接PLC的模擬量輸入AI端，有A、B端，2點AI。（通過編程，轉(zhuǎn)換為溫度（單位），在觸摸屏上進行顯示）4、輸入指示 由PLC模擬量輸出AO指令輸出到加熱器上的輸入電壓，05V。5、輸初指示 加熱器輸出的溫度顯示，0100%（）。6、“零位” 調(diào)節(jié)旋鈕 使用前先進行調(diào)零，在輸入端加1V電壓，一邊觀察輸出指示電表，一邊調(diào)節(jié)“零位”旋鈕，使得輸出指示電表大約在25（室溫）處。7、“增益” 調(diào)節(jié)旋鈕 進行滿功率加熱，即使得PLC的AO電壓為+5V。一邊觀察輸出指示電表，觀察溫度的變化情況。大約等待10分鐘，這時觀察輸出指示電表是否在90（最高溫度）處，若不在，可調(diào)節(jié)“增益”旋鈕達到。五、觸摸屏EVIEW 5000觸摸屏：全新一代的工業(yè)嵌入式觸摸屏人機界面，它基于嵌入式操作系統(tǒng)和以太網(wǎng)C/S架構(gòu)，使用32位RISC CPU，支持高達65535真彩色，色彩豐富，圖像逼真。通訊支持雙串口同時連接不同PLC，并具有10M/100M自適應以太網(wǎng)和USB接口。通過觸摸屏監(jiān)控界面，實現(xiàn)溫度SP、PV、控制量、曲線，自動和手動切換在觸摸屏監(jiān)控界面上顯示出來。3.2.3特殊功能模塊（1） FX2N-2AD功能模塊三菱FX2N-2AD是三菱FX2N系列PLC中的一款模擬量的特殊功能模塊，廣泛用于基本三菱工控搭建的自動化平臺中。 FX2N-2AD型模擬輸入模塊用于將2點模擬輸入（電壓輸入和電流輸入）轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字值，并將這個值輸入到可編程控制器中。界定增益和偏移特性：A、模擬輸入范圍：在輸送過程中，當使用FXN-2AD的輸入電流時，或者05V DC輸入值對于重新調(diào)整偏移和增益值來說是必須的。對于模擬010V DC的輸入電壓來說，裝置可調(diào)節(jié)的數(shù)字范圍在04000之間。B、數(shù)字輸出：12位。C、顯示：25mV（10V/4000）1.25mV（5V/4000）（輸入電壓）；4A（204）/4000（輸入電流）。D、集成精確度：1%（刻度010V）（輸入電壓）；1%（刻度010V（輸入電流）。E、運行時間：2.5ms(毫秒）/1 頻道（程序序列和并網(wǎng)）。F、輸入特性：a、輸入電壓：模擬值：010V；數(shù)字值： 04000（工廠被輸送）。b、輸入電流：模擬值： 020mA；數(shù)字值： 04000。（2） FX2N-2DA功能模塊界定增益和偏移特性：A、模擬輸入范圍：在裝運時，對于0到10VDC的模擬電源輸出，此單元調(diào)整的數(shù)字范圍是0到4000。當使用FXN-2DA并通過電流輸入或通過0到5VDA輸出時，就有必要通過偏置和增益調(diào)節(jié)器進行再調(diào)節(jié)。B、數(shù)字輸入：12位。C、分辨率：2.5mV（10V/4000）1.25mV（5V/4000）（輸入電壓）；4A（204）/4000（輸入電流）。D、集成精度：1%（全范圍0到10V）（輸入電壓）；1%（全范圍4到20mA）（輸入電流）。E、運行時間：4ms(毫秒）/1 頻道（程序序列和并網(wǎng)）。F、輸入特性：a、 輸出電壓：模擬值：010V；數(shù)字值： 04000。b、輸出電流：模擬值： 420mA；數(shù)字值： 04000。3.3微型加熱器自動恒溫控制系統(tǒng)設計流程3.3.1PID算法控制原理圖 PLCPIDD/AA/D VIN1 加熱器 VOUT1 SP 來自 P 觸摸屏 設置 PID算法原理圖PID算法控制原理圖3.3.2 PLC外部接線圖PLC外部接線圖3.3.3 PID過程控制模塊在工業(yè)界使用閉回路控制的系統(tǒng)，PID過程控制模塊具有下列優(yōu)點： 1、 快速的輸出響應 (上升時間短) 2、 高度的穩(wěn)定性 (穩(wěn)態(tài)誤差小)3、 平滑的控制曲線 (沒有超越量) 4、 控制器參數(shù)容易調(diào)整 5、 價格低廉 ，所以PID也已成為工業(yè)界最常用的控制器，廣泛應用于溫度控制、壓力控制、流量控制以及一般常用的連續(xù)制程程控系統(tǒng)。PID控制程序是PLC生產(chǎn)廠家設計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需要設置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。但是這種模塊的價格昂貴，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模塊。 PID控制模塊3.3.4 PID功能指令現(xiàn)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。它們實際上是用于PID控制的子程序，與A/D、D/A模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過程控制模塊的效果，價格卻便宜得多。 在工業(yè)控制中，PID控制（比例-積分-微分控制）得到了廣泛的應用，這是因為PID控制具有以下優(yōu)點： 1）不需要知道被控對象的數(shù)學模型。實際上大多數(shù)工業(yè)對象準確的數(shù)學模型是無法獲得的，對于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。據(jù)日本統(tǒng)計，目前PID及變型PID 約占總控制回路數(shù)的90%左右。 2）PID控制器具有典型的結(jié)構(gòu)，程序設計簡單，參數(shù)調(diào)整方便。 3）有較強的靈活性和適應性，根據(jù)被控對象的具體情況，可以采用各種PID控制的變種和改進的控制方式，如 PI、PD、帶死區(qū)的PID、積分分離式PID、變速積分PID等。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等現(xiàn)代控制方法相結(jié)合，可以實現(xiàn)PID控制器的參數(shù)自整定，使PID控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。PID指令是用來調(diào)用PID運算程序，在PID運算開始之前，應使用MOV指令將參數(shù)設定值預先寫入對應的數(shù)據(jù)寄存器中。如果使用有斷電保持功能的數(shù)據(jù)寄存器，不需要重復寫入。如果目標操作數(shù)D有斷電保持功能，應使用初始化脈沖M8002的常開觸點將其復位。指令名稱指令代碼位數(shù)助記符操作數(shù)程序步S1S2S3DPID運算FNC88 (16)PIDD【目標值（SV）】D【測量值（PV）】D0D975【參數(shù)】D【輸出值（MV）】PID9步PID運算指令的要素PID控制參數(shù)及整定： 源操作數(shù)參數(shù)設定范圍或說明備注 S3 采樣周期（Ts） 132767ms 不能小于掃描周期 S3+ 1 動作方向（ACT） Bit0: 0為正作用、1為反作用Bit1: 0為無輸入變化量報警1為有輸入變化量報警Bit2: 0為無輸出變化量報警1為有輸出變化量報警 Bit3 Bit15不用 S3+ 2 輸入濾波常數(shù)（L） 099（%） 對反饋量的一階慣性數(shù)字濾波環(huán)節(jié) S3+ 3 比例增益（K p） 132767（%） S3+ 4 積分時間（T I） 032767（100ms） 0與作同樣處理 S3+ 5 微分增益 (K D) 0100（%） S3+ 6 微分時間（T D） 032767（10ms） 0為無微分 S3+ 7 S3+ 19 PID運算占用 S3+ 20 輸入變化量（增加）警報設定值 032767 S3+ 21 輸入變化量（減少）警報設定值 032767 S3+ 22 輸出變化量（增加）警報設定或輸出上限設定值 032767 Bit2=1，Bit5=0時有效 -3276732767 Bit2=0，Bit5=1時有效S3+ 23 輸出變化量（減少）警報設定或輸出下限設定值 032767 Bit2=1，Bit5=0時有效-3276732767 Bit2=0，Bit5=1時有效S3+ 24 警報輸出 Bit0: 輸入變化量（增加）溢出Bit1: 輸入變化量（減少）溢出Bit2: 輸出變化量（增加）溢出Bit3: 輸出變化量（減少）溢出PID指令可以同時多次使用，但是用于運算的S3、D的數(shù)據(jù)寄存器元件號不能重復。PID指令可以在定時中斷、子程序、步進指令和轉(zhuǎn)移指令內(nèi)使用，但是應將S37清零（采用脈沖執(zhí)行的MOV指令）之后才能使用?？刂茀?shù)的設定和 PID運算中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時，“運算錯誤”標志M8067為 ON，錯誤代碼存放在D8067中。PID指令采用增量式PID算法，控制算法中還綜合使用了反饋量一階慣性數(shù)字濾波、不完全微分和反饋量微分等措施，使該指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。PID控制是根據(jù)“動作方向”（S3+1）的設定內(nèi)容，進行正作用或反作用的PID運算。PID運算公式如下： 以上公式中：MV是本次和上一次采樣時PID輸出量的差值，MVn是本次的PID輸出量；EVn和 EVn-1分別是本次和上一次采樣時的誤差，SV為設定值；PVn是本次采樣的反饋值，PVnf、PVnf-1和PVnf-2分別是本次、前一次和前兩次濾波后的反饋值，L是慣性數(shù)字濾波的系數(shù)；Dn和Dn-l分別是本次和上一次采樣時的微分部分；K p是比例增益，T S是采樣周期，T I和T D分別是積分時間和微分時間，D是不完全微分的濾波時間常數(shù)與微分時間TD的比值。3.3.5使用調(diào)用程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制。 有的PLC有PID過程控制模塊和 PID控制指令，在這些情況下，用戶可以直接調(diào)用PID控制程序 通過來自組態(tài)監(jiān)控設置的SP進行PID的計算，因為現(xiàn)在的PLC已經(jīng)含有PID的計算功能也愈加完善，所以我們采用PLC來實現(xiàn)PID的功能。然后經(jīng)過D/A模塊與加熱器相連進行加熱，同時加熱器通過A/D模塊與PLC相連，構(gòu)成閉環(huán)控制使系統(tǒng)控制運行更加精確。3.3.6 加熱器的端子接線及使用1、加熱器的各端子接線(1)電源接線：加熱器DC24電源接線端子可接”PLC DC24V電源”。在實際運行時，有時可看到“信號輸出”端的溫度輸出電壓來回波動，大約0.125V，對應溫度為2.5；但是，有時很平穩(wěn)。主要原因為各種干擾，如交流電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定，還有加熱調(diào)節(jié)采用脈寬調(diào)節(jié)和脈沖開關(guān)式驅(qū)動加熱方式，從而對直流電源的沖擊較大，因此對內(nèi)部信號放大電路的影響較大，使得“信號輸出”端的溫度輸出電壓來回波動，大約0.125V，對應溫度為2.5。因此，在進行閉環(huán)控制時，控溫精度不應該超過3