基于PLC溫度控制系統(tǒng)的設計論文.doc

南京工程學院 自動化學院自動化學院 本科畢業(yè)設計 論文 本科畢業(yè)設計 論文 題目 基于基于 PLC 溫度控制系統(tǒng)的設計溫度控制系統(tǒng)的設計 專 業(yè) 測控技術與儀器測控技術與儀器 班 級 測控測控 072072 學 號 xxxxxx 學生姓名 xxxxxx 指導教師 xxxxxx 教教 授授 xxxxxx 副教授副教授 起迄日期 xxxxxx 設計地點 xxxxxx Graduation Design Thesis The Design Of The Temperature Examination In PLC Temperature Control System By WANG Zhu Jie Supervised by Prof XIA Qing Guan Associate Prof LU Hong School of Automation Nanjing Institute of Technology June 2011 摘摘 要要 本文介紹 基于 PLC 的溫度控制系統(tǒng) 的設計 包括 A D 轉(zhuǎn)換 標度變換 溫度檢測環(huán)節(jié) 積分分離 PID 算法以及過零數(shù)字觸發(fā)電路 的設計 主要內(nèi) 容 實際溫度經(jīng)溫度傳感器檢測 得到模擬電壓值 模擬量再經(jīng)A D 轉(zhuǎn)換 和標度變換后得到實際爐溫 數(shù)字控制器根據(jù)恒溫給定值與實際溫度的偏差 e k 按積分分離 PID 控制算法 得到輸出控制量u k 控制可控硅導 通時間 調(diào)節(jié)爐溫的變化使之與給定恒溫值一致 達到恒溫控制目的 本系 統(tǒng)對溫度檢測 和調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)做了進一步的優(yōu)化設計 使該系統(tǒng)更實用 易行 和可靠 同時也提高了產(chǎn)品質(zhì)量和減輕人工勞力負擔 它在實際應用中具 有一定參考價值 關鍵詞 關鍵詞 溫度檢測 溫度傳感器 A D 轉(zhuǎn)換 PID ABSTRACT The introduction of temperature based PLC control system design including A D conversion scaling transformation temperature checking links scoring a zero separation PID algorithms and digital triggering circuit design Main elements the actual temperature of the test temperature sensors analog voltage is the value volume via simulation A D after his conversion and scaling practical furnace temperature Digital signal controllers will be under constant temperature to the value and the actual temperature deviations e k by scoring separation PID control algorithms with the volume of export control u k lead time silicon controlled rectifier control regulate furnace temperature changes to the current agreement with the given constant temperature Achieve thermostatic control purposes Temperature of the system to do further testing and regulatory aspects of the design optimization enabling the system more practical and easy OK and reliable while also raising product quality and reducing the burden of manual labor It must have practical application in reference value Key words temperature testing Temperature sensors A D conversion PID 目目 錄錄 前言前言 1 第一章第一章 系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案 2 第二章第二章 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計 4 2 1 PLC 選擇 4 2 1 1 FX2N 48MR 001PLC 4 2 1 2 FX2N 4AD 特殊功能模塊 5 2 2 硬件電路設計 7 2 2 1 溫度值給定電路 8 2 2 2 溫度檢測電路 8 2 2 3 過零檢測電路 10 2 2 4 晶閘管電功率控制電路 10 2 2 5 脈沖輸出通道 13 2 2 6 報警指示與顯示電路 13 2 2 7 復位電路 14 第三章第三章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計 15 3 1 編程與通信軟件的使用 15 3 2 程序設計 16 3 3 系統(tǒng)程序流程圖 17 3 4 控制系統(tǒng)控制程序的開發(fā) 18 3 4 1 溫度設計 18 3 4 2 A D 轉(zhuǎn)換功能模塊 18 3 4 3 標度變換程序 20 3 4 4 恒溫控制程序 20 3 4 5 數(shù)字觸發(fā)器程序設計 24 3 4 6 顯示程序 26 3 4 7 恒溫指示程序 27 3 4 8 報警程序 27 第四章第四章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 28 4 1 總結(jié) 28 4 2 展望 28 致謝致謝 29 參考文獻參考文獻 30 附錄一 三菱附錄一 三菱 FX 系列系列 PLC 指令一覽表指令一覽表 31 附錄二 熱電偶溫度傳感器和信號放大器附錄二 熱電偶溫度傳感器和信號放大器 33 附錄三 系統(tǒng)程序 梯形圖 附錄三 系統(tǒng)程序 梯形圖 36 前前 言言 隨著時代的發(fā)展 當今的技術日趨完善 競爭也愈演愈烈 傳統(tǒng)的人工 的操作已不能滿足于目前的制造業(yè)前景 也無法保證更高質(zhì)量的要求和提升 高新技術企業(yè)的形象 在生產(chǎn)實踐中 自動化給人們帶來了極大的便利和產(chǎn)品質(zhì)量上的保證 同時也減輕了人員的勞動強度 減少了人員上的編制 在許多復雜的生產(chǎn)過 程中難以實現(xiàn)的目標控制 整體優(yōu)化 最佳決策等 熟練的操作工 技術 人員或?qū)＜?管理者卻能夠容易判斷和操作 可以獲得滿意的效果 人工 智能的研究目標正是利用計算機來實現(xiàn) 模擬這些智能行為 通過人腦與 計算機協(xié)調(diào)工作 以人機結(jié)合的模式 為解決十分復雜的問題尋找最佳的途 徑 可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng) 專為在工業(yè)環(huán)境下應 用而設計 它采用可編程序的存儲器 用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算 順 序控制 定時 計數(shù)和算術運算等操作命令 并通過數(shù)字式 模擬式的輸入 和輸出 控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程 在工業(yè)生產(chǎn)過程中 加熱爐溫度控制是十分常見的 溫度控制的傳統(tǒng)方 法是人工 儀表控制 其重復性差 工藝要求難以保證 人工勞動強度大 目前大多數(shù)使用微機代替常規(guī)控制 以微機為核心控制系統(tǒng)雖然成本較低 但微機的可靠性和抗干擾性較差而使其硬件設計較復雜 而以PLC 為核心 的控制系統(tǒng) 雖然成本較高 但PLC 本身就有很強的抗干擾性和可靠性 因而系統(tǒng)的硬件設計也簡單得多 所以 相比較于微機控制 PLC 控制在 過程控制方面更具有優(yōu)勢 這種系統(tǒng)控制精度高 重復性好 自動化程度高 可以大大提高產(chǎn)品質(zhì)量和減輕工人的勞動負擔 本文介紹了以PLC 為核心 實現(xiàn) PID 算法的溫度控制系統(tǒng)的設計方法 第第一一章章 系系統(tǒng)統(tǒng)總總體體方方案案 根據(jù)設計任務和要求 采用常規(guī)PID 控制的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 1 所示 圖 1 1 常規(guī) PID 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 對應圖 1 1 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 確定總體設計方案如圖1 2 所示 圖 1 2 總體設計方案 該總體方案主要由以下幾個部分組成 1 溫度值給定電路 主要功能是在給定值輸入允許的情況下 接收 十進制溫度值給定 給定值范圍為 280 700 2 PLC 主要完成 PID 調(diào)節(jié)功能以及數(shù)據(jù)變換 3 電源同步信號產(chǎn)生電路 主要功能是產(chǎn)生與電源同步的周波信號 電源周波信號用作數(shù)字觸發(fā)電路的輸入信號 4 數(shù)字觸發(fā)電路 主要功能是輸出晶閘管觸發(fā)脈沖 觸發(fā)晶閘管導 通 根據(jù)數(shù)字控制器的輸出值 控制晶閘管的導通周波個數(shù) 以達到電功率 控制功能 5 溫度檢測電路 主要功能是將溫度傳感器的輸出信號進行放大 并進行 A D 轉(zhuǎn)換 6 溫度顯示與報警指示電路 主要功能是完成電阻爐溫度的實時顯 示以及故障報警和恒溫指示 7 復位電路 完成系統(tǒng)的運行 停止 系統(tǒng)工作原理 溫度傳感器將爐溫變換為模擬信號 經(jīng)低通濾波器濾掉 干擾信號后送放大器 將信號放大后送A D 模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送 PLC 數(shù)字量經(jīng)標度變換 得到實際爐溫 數(shù)字控制器根據(jù)恒溫給定值與實 0 Q 際爐溫 Q 的偏差 e k 按積分分離 PID 控制算法 得到輸出控制量 u k 控制晶閘管導通時間 調(diào)節(jié)爐溫的變化使之與給定恒溫值一致 達 到恒溫控制目的 當恒溫時間到 輸入錯誤或系統(tǒng)發(fā)生故障時 系統(tǒng)發(fā)出報 警信號 同時用三個數(shù)碼管對電阻爐溫度進行實時顯示 第二章第二章 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計 2 12 1 PLCPLC 選擇選擇 根據(jù)設計方案的分析 系統(tǒng)設計需要使用13 個輸入端口和 17 個輸出 端口 另外還需要一個 A D 轉(zhuǎn)換器來完成溫度采樣 在課程學習中 我們 學習了三菱的 FX 系列 PLC 因此 選擇三菱 FX2N 48MR 001 基本 I O 點數(shù)為 24 和 FX2N 4AD 特殊功能模塊 2 1 12 1 1 FX2N 48MR 001FX2N 48MR 001 PLCPLC FX2N 系列 PLC 是 FX 系列中功能最強 速度最高的微型可編程序控制 器 它由基本單元 擴展單元 擴展模塊等構(gòu)成 用戶存儲器容量可擴展到 16K 步 I O 點最大可擴展到 256 點 它有 27 條基本指令 其基本指令的 執(zhí)行速度超過了很多大型 PLC 三菱 FX2N 48MR PLC 為繼電器輸出 類型 其輸入 輸出點數(shù)皆為是24 點 可擴展模塊可用的點數(shù)為48 64 內(nèi)附 8000 步 RAM 其內(nèi)部資源如下 1 輸入繼電器 X X0 X27 24 點 八進制 2 輸出繼電器 Y Y0 Y27 24 點 八進制 3 輔助繼電器 M M0 M8255 通用輔助繼電器 M0 M499 4 狀態(tài)繼電器 S0 S999 5 定時器 T T0 T255 T0 T245 為常規(guī)定時器 6 計數(shù)器 C C0 C255 7 指針 P I 見表 2 1 和表 2 2 8 數(shù)據(jù)寄存器 D D0 D8255 D0 D199 為通用型 表 2 1 定時器中斷標號指針表 輸入編號中斷周期 ms 中斷禁止特殊輔助繼電器 I6XXM8056 I7XXM8057 I8XX 在指針名稱的 XX 部分中 輸 入 10 99 的整數(shù) I610 為每 10ms 執(zhí)行一次定時器中斷M8058 表 2 2 輸入中斷標號指針表 指針編號輸入編 號上升中斷下降中斷 中斷禁止特殊輔助繼 電器 X0I001I000M8050 X1I101I100M8051 X2I201I200M8052 X3I301I300M8053 X4I401I400M8054 X5I501I500M8055 注 M8050 M8058 0 表允許 M8050 M8058 1 表禁止 2 2 1 1 2 2 F FX X2 2N N 4 4A AD D 特特殊殊功功能能模模塊塊 FX2N 4AD為模擬量輸入模塊 有四個模擬量輸入通道 分別為 CH1 CH2 CH3和CH4 每個通道都可進行 A D轉(zhuǎn)換 將模擬量信號轉(zhuǎn)換成 數(shù)字量信號 其分辨率為 12位 其模擬量輸出性能如表 2 3所示 表 2 3 模擬量輸出性能表 電壓輸入電流輸入 項 目電壓或電流輸入的選擇基于對輸入端子的選擇 一次可使 用4個輸入點 模擬量輸入范 圍 DC 10 10V 輸 入電阻200K 注意 若輸入電壓超 過 15V 單元會被損 壞 DC 20 20mA 輸入電阻 250 注意 若輸入電流超過 32mA 單元會被損壞 數(shù)字輸出 12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果以 16位二進制補碼方式存儲 2048 2047 分辨率5mV20 A 總體精度 1 對于 10 10V 范圍 1 對于 20 20mA范圍 轉(zhuǎn)換速度 15ms 通道 常速 6ms 通道 高速 所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和參數(shù)設置的調(diào)整可通過 FROM TO指令完成 同時在編程 過程中重點用到了 BFM數(shù)據(jù)緩沖存儲器 具體分布情況如表 2 4所示 表 2 4 BFM 數(shù)據(jù)緩沖存儲器分布表 BFM編號內(nèi)容 0通道初始化 缺省值 H0000 1通道1存放采樣值 1 4096 用于得到平均結(jié)果 缺省值 2通道 2 3通道 3 4通道 4 設為8 正常速度 高速操作可選擇 1 5通道 1 6通道 2 7通道 3 8通道 4 緩沖器 5 8獨立存儲通道 CH1 CH4平均輸入采樣值 9通道 1 10通道 2 11通道 3 12通道 4 這些緩沖區(qū)用于存放每個輸入通道讀入的當前值 13 14保留 設0 則選擇正常速度 15ms 通道 缺省 15選擇A D轉(zhuǎn)換速度 設1 則選擇高度 6ms 通道 BFMB7B6B5B4B3B2B1B0 16 19保留 20復位到缺省值和預設 缺省值 0 21禁止調(diào)整偏差 增益值 缺省值 0 1 允許 22偏移 增益調(diào)整G4O4G3O3G2O2G1O1 23偏移值 缺省值 0 24增益值 缺省值 5000 25 28保留 29錯誤狀態(tài) 30識別碼 31不能使用 通道選擇 在 BFM 0中寫入十六進制 4位數(shù)字HXXXX進行A D模塊的初始 化 最低位數(shù)字控制 CH1 最高位數(shù)字控制 CH4 各位數(shù)字的含義如下 X 0時設定輸入范圍為 10V 10V X 1時 設定輸入范圍為 4mA 20mA X 2時 設定輸入范圍為 20mA 20mA X 3時 關斷通道 另外 BFM 29 的狀態(tài)信息設置如表 2 5 所示 表 2 5 BFM 29 的狀態(tài)信息設置 29 緩沖器位ONOFF B0 錯誤 當 b1 b4 為 ON 時 b0 ON 若 b2 b4 任意一位為 ON A D 轉(zhuǎn)換器的所 有通道停止 無錯誤 B1 偏移量與增益值錯 誤 偏移量與增益值修正錯 誤 偏移量與增益值正常 B2 電源不正常24VDC 錯誤電源正常 B3 硬件錯誤A D 或其他硬件錯誤硬件正常 B10 數(shù)字范圍錯誤 數(shù)字輸出值小于 2048 或大于 2047 數(shù)字輸出正常 B11 平均值錯誤 數(shù)字平均采樣值大于 4096 或小于 0 使用 8 位缺省值 平均值正常 1 4096 B12 偏移量與增益值 修正禁止 21 緩沖器的禁止位 b1 b0 設置為 1 0 21 緩沖器的 b1 b0 設置為 0 1 2 2 2 2 硬硬件件電電路路設設計計 根據(jù)系統(tǒng)總體方案 設計系統(tǒng)的I O 地址分配如表 2 6 所示 表 2 6 輸入 輸出信號 I O 地址表 輸入地址功能說明輸出地址功能說明 Y0VT1 觸發(fā)脈沖 電源正半波 X0 電源周波信號 輸入端Y1VT2 觸發(fā)脈沖 電源負半波 X1溫度給定允許Y4恒溫完成指示信號 X2啟動 關閉Y5斷偶報警 Y6溫度給定超出范圍報警 X10 X21SB2 SB11 Y10 Y23 12 位 8421 三組 BCD 碼輸 出 2 2 2 2 1 1 溫溫度度值值給給定定電電路路 按設計要求 共設計了十個開關按鍵 作為溫度給定值的輸入端口 接 收十進制數(shù) 給定值范圍為280 700 若輸入值超過給定值范圍 系統(tǒng) 會發(fā)出報警信號 亮紅燈 設計電路如圖 2 1 所示 SB1 為溫度值輸入 允許 SB2 SB11 分別表示十進制數(shù) 0 9 先按下溫度值給定允許開關 SB1 然后再輸入給定溫度值 先按下的數(shù)字為高位上的數(shù)值 后按下的數(shù) 字為低位上的數(shù)值 比如 先后按下開關SB5 SB2 和 SB2 則表示給定 溫度值為 300 并送 PLC 數(shù)據(jù)寄存器保存 圖 2 1 溫度值給定電路 2 2 2 2 2 2 溫溫度度檢檢測測電電路路 溫度檢測是溫度控制系統(tǒng)的一個很重要的環(huán)節(jié) 直接關系到系統(tǒng)性能 在 PLC 溫度控制系統(tǒng)中 溫度的檢測不僅要完成溫度到模擬電壓量的轉(zhuǎn)換 還要將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送PLC 其一般結(jié)構(gòu)如圖 2 2 所示 圖 2 2 溫度檢測基本結(jié)構(gòu) 溫度傳感器將測溫點的溫度變換為模擬電壓 其值一般為mA 級 需 要放大為滿足 A D 轉(zhuǎn)換要求的電壓值 然后送PLC 的 A D 轉(zhuǎn)換模塊進行 A D 轉(zhuǎn)換 得到表示溫度的電壓數(shù)字量 再用軟件進行標度變換與誤差補償 得到測溫點的實際溫度值 本系統(tǒng)利用熱電偶完成爐溫檢測 熱端檢測爐溫 冷端置于0 溫度 中 FX2N 4AD 模塊一個通道實現(xiàn) A D 轉(zhuǎn)換 爐溫檢測與放大電路由熱 電偶 低通濾波 信號放大和零點遷移電路四部分組成 其電路如圖 2 3 所示 熱電偶和放大器原理及參數(shù)詳見附錄二 圖 2 3 爐溫檢測與放大電路 圖中 R1 C1 完成低通濾波 R2 RP 2CW51 組成零點遷移電路 爐溫 檢測元件采用鎳鉻 鎳鋁熱電偶 分度號為 EU 2 查分度表可得 當溫 度為 0 700 時 輸出電勢為 0 29 13mV 檢測信號經(jīng)二級放大后送 i u FX2N 4AD 模塊 第一級放大倍數(shù)為 50 第二級放大倍數(shù)為 11 2 第二級 放大還完成 零點遷移 其輸出電壓為 0 u 2 11 5 56 21210 uuuu K K u 式中 為零點遷移值 根據(jù)設計要求 恒溫值為400 600 本系統(tǒng)選 2 u 取測溫范圍為 280 700 將 280 作為測溫起點 零點 調(diào)整多圈電位 器 RP 使 50 11 38 569mV 當爐溫為 280 時 2 u 11 38mV 569mV 于是 0 經(jīng)零點遷移后 爐溫為 280 700 時 i u 1 u 0 u 11 38 29 13mV 0 9 94V A D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為 0 2047 i u 0 u 2 2 2 2 3 3 過過零零檢檢測測電電路路 按設計要求 要求過零檢測電路在每個電源周期開始時產(chǎn)生一個脈沖 作為觸發(fā)器的同步信號 其設計電路如 圖 2 4 a 所示 圖 2 4 a 過零檢測電路 圖中 GND 為 5V 電源地 LM339 為過零比較器 LM339 集成塊內(nèi)部裝有四 個獨立的電壓比較器 共模范圍很大 差動輸入電壓范圍較大 大到可以等 于電源電壓 二極管用作 LM339 輸入保護 電路的工作波形如 圖 2 4 b 所示 圖 2 4 b 過零檢測電路的工作波形圖 2 2 2 2 4 4 晶晶閘閘管管電電功功率率控控制制電電路路 晶閘管是晶體閘流管的簡稱 也叫可控硅 它是一種半控型器件 是一 種可以利用控制信號控制其導通而不能控制其關斷的電力電子器件 它的關 斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的 也即說 若要使已導通 的晶閘管關斷 只能利用外加反向電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流 降到接近零的某一數(shù)值以下 晶閘管控制電熱元件消耗的電能有兩種方法 一是采用移相觸發(fā)控制輸 入電壓的大小 二是采用過零觸發(fā)控制輸入電壓加到電熱元件上的周波數(shù) 由于移相觸發(fā)控制會產(chǎn)生較大的諧波干擾信號 污染 電網(wǎng) 因此采用過 零觸發(fā)控制 又由于本電路所控制的電阻爐只有一根電阻絲 功率也不大 因此 本系統(tǒng)采用單相電源供電 電源的通斷由二個晶閘管反并控制 如 圖 2 5 所示 圖 2 5 電功率控制電路 這種控制方法的原理是 各晶閘管的觸發(fā)角 恒為 0 使得一個周 期內(nèi)電源均加在電熱元件上 通過控制一個控制周期內(nèi)晶閘管導通周波數(shù) 就可控制電熱元件消耗的電能 根據(jù)電熱爐的數(shù)字模型可知 溫度的增量與 它消耗的電能成正比 而電熱爐消耗的電能與晶閘管導通周波數(shù)成正比 因 此 晶閘管導通周波數(shù) n 與控制輸出控制量 u k 的關系為 n K u k 式中 K 為比例系數(shù) 約為 1 為一個控制周期內(nèi)的電源 max n maxt u max n 周波數(shù) 溫度偏差不同 則u k n 不同 電熱爐消耗的電能亦不同 達 到了根據(jù)溫度偏差調(diào)節(jié)輸入電能 保證爐溫按要求變化的目的 晶閘管由正向?qū)ǖ疥P斷時 由于空穴積蓄效應 晶閘管反向阻斷能力 的恢復需要一段時間 在這段時間里 晶閘管元件流過反向電流 接近終止 時 很大 它與線路電感共同作用產(chǎn)生的電壓L 可能損壞晶閘 ti dd ti dd 管 必須采取保護措施 在晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收裝置 設計電路中的元器件的選擇如下 1 R 和 C 的選擇 阻容吸收裝置的參數(shù)按晶閘管ITN 根據(jù)經(jīng)驗值選取為 R 80 C 0 15 F 電容 C 的交流耐壓為 VUU mCN 46722205 15 1 電阻 R 的功率應滿足 W XR RU P C R 086 0 1015 0 314 1 80 8022010 10 262 2 22 2 實選電容 0 15 F 630V 一只 電阻 80 0 5W 一只 2 快速熔斷器 FU 的選擇 快速熔斷器是專門用來保護晶閘管的 其熔體電流按下式選取 FU I TNFU II57 1 6 5 式中 5 6 為修正參數(shù) 為保證可靠與選用方便 一般取 實選 TNFU II 熔體額定電流為 20A 的 RLS 50 螺旋式快速熔斷器二只 分別與二只晶閘管 串聯(lián) 其額定電壓為 500V 3 晶閘管的選擇 電阻爐的額定功率為 4KW 電源電壓為 220V 故負載電流 IL 18 2A 由于每個晶閘管只導通半個電源周波且本系統(tǒng)采用過零觸發(fā) 0 流過每個晶閘管的平均電流為9 1A 關斷時 承受正反向峰 值電壓為 考慮到晶閘管的過載能力小及環(huán)境溫度的變化等因素 V2220 晶閘管的額定電流應為 TN I AII LTN 2 18 7 132 2 5 1 額定電壓應為 TN U VUTN933 6222220 3 2 根據(jù)以上計算 主回路的二只晶閘管選擇為KP20 10 參數(shù)為 20A 1KV 0 1A 3V 2 2 2 2 5 5 脈脈沖沖輸輸出出通通道道 由于 PLC 有很強的抗干擾性和可靠性 且FX2N 48MR 001 為繼電器輸 出 2A 1 點 KP20 10 晶閘管的觸發(fā)電流和電壓分別為0 1A 和 3V 因而 FX2N 48MR 001 的輸出點能可靠地觸發(fā)晶閘管導通 而無須設計光電 隔離和功率放大 脈沖輸出通道電路如 圖 2 6 所示 圖 2 6 脈沖輸出通道 圖中 初始時 Y0 和 Y1 都為低電平 當系統(tǒng)檢測到從X0 輸入的同步信 號為高 低 電平時 Y0 Y1 由低電平變高電平 輸出電流值為2A 的 觸發(fā)電流 去觸發(fā)晶閘管 VT1 VT2 導通 當 X0 從高電平變低電平 從 低電平變高電平 時 Y0 Y1 脈沖結(jié)束 電路恢復為初態(tài) 2 2 2 2 6 6 報報警警指指示示與與顯顯示示電電路路 按設計要求 報警指示電路設計了一個恒溫指示 綠燈 燈 故障報警 紅燈 和輸入出錯報警 黃燈 完成指示 報警功能 顯示電路由 Y10 Y23 經(jīng)過三個 BCD 七段共陰數(shù)碼管譯碼器 74LS248 外接三個七段 LED 數(shù)碼管 帶 完成顯示功能 設計電路如圖2 7 所示 圖 2 7 報警指示與顯示電路 2 2 2 2 7 7 復復位位電電路路 復位電路由一個開關 SB12 完成開 關功能 當按下開關 SB12 時系統(tǒng) 啟動 正常運行 執(zhí)行任務 當斷開SB12 時 系統(tǒng)停止運行 不執(zhí)行任 何任務 設計電路如圖 2 8 所示 圖 2 8 復位電路 第第三三章章 系系統(tǒng)統(tǒng)軟軟件件設設計計 PLC 程序輸入可以通過手持編程器 專用編程器或計算機完成 但由于 手持編程器在程序輸入或閱讀理解分析時比較煩瑣 專用編程器價格高 通 用性差 而計算機除了可以進行PLC 的編程外 還可作為一般計算機的用 途 兼容性好 利用率高 因此 利用計算機進行PLC 編程和通信更具 優(yōu)勢 本次軟件設計即是利用計算機編程 在三菱PLC 編程軟件 Fxgpwin 下完成程序編寫和通信 3 3 1 1 編編程程與與通通信信軟軟件件的的使使用用 三菱 FX 系列 PLC 通信軟件名稱為 Fxgpwin 它供對 FX0 FX0S FX1 FX2 FX2C FX1S FX1N 和 FX2N FX2NC 系列三菱 PLC 以 及監(jiān)控 PLC 中各軟元件的實時狀態(tài) 它的運行環(huán)境為MS window3 1 或 window95 以上的版本 其具體應用說明如下 1 編程 雙擊圖標 即可進入編程環(huán)境 首先打開 File 文件 菜單下的 New 新文件 子菜單 選擇 FX2N PLC 型號 進入程序編制環(huán)境 若想打開已有文件 打開File 文件 菜單下的 Open 打開 子菜單 選擇正確的文件和PLC 型號后 按回車鍵 即可 采用梯形圖編寫程序 打開View 視圖 菜單 選中 Ladder view 梯形圖 子菜單 然后選擇View 視圖 菜單中的 Tool bar 工 具欄 Status 狀態(tài)欄 Function bar 功能鍵 和 Palette 功能圖 四欄 梯形圖中的軟元件的選擇既可通過以上Function bar 功能鍵 和 Palette 功能圖 完成 也可通過Tool bar 工具欄 完成 使用 Edit 編輯 菜單下的 Cut 剪切 Undo 撤消鍵入 Paste 粘貼 Copy 復制 和 Delete 刪除 等欄目 可對軟元件進行 剪切 復制和粘貼等操作 2 程序檢查 雙擊 Option 選項 菜單下的 Program Check 程序檢查 進入程 序檢查環(huán)境 即可對程序進行檢查 包括三項 檢查軟元件有無錯誤 檢查 輸出軟元件和檢查各回路有無錯誤 3 PLC 程序下載 正確連接好編程電纜 打開編程界面的PLC 菜單下的 Ports 端口設置 選 擇正確的串行口 傳送頻率后 按OK 打開 PLC 菜單下的 transfers write 寫出 輸入程序步數(shù) 按確定即可下載程序到PLC 上 4 PLC 運用和停止 下載完程序 把 PLC 機上的開關撥向 RUN STOP 或打開 PLC 菜單下 的 Remote Run Stop 遙控運行 停止 欄目 即可運行 停止 PLC 5 軟元件監(jiān)控 打開 Monitor Test 監(jiān)控 測試 菜單下的 Entry device monitor 進入元件遙控 選擇所要的監(jiān)控的軟元件 即可監(jiān)控各軟元件 6 程序打印 打開 File 文件 菜單下的 Page Setup 頁面設置 子菜單即可進行 編程頁面設置 打開 File 文件 菜單下的 Printer Setup 打印機設置 子菜單即可進行打印設置 7 退出主程序 打開 File 文件 菜單下的 Exit 退出 子菜單或按右上角的 X 按鍵 即可退出主程序 3 3 2 2 程程序序設設計計 本設計系統(tǒng)采用三菱 FX 系列 PLC 控制 其輸入 輸出地址表如表2 6 所示 另外 內(nèi)存分配如表 3 1 所示 表 3 1 內(nèi)存分配表 內(nèi)存器特定意義內(nèi)存器特定意義 D0A D 轉(zhuǎn)換數(shù)字量結(jié)果D30u k D4溫度給定值 Q0D31u k 1 D5爐溫 QD32e k D25觸發(fā)周波數(shù) nD33e k 1 D26晶閘管允許觸發(fā)標志D34e k 2 D27采樣周期計數(shù)器D35 p K D100 D121數(shù)據(jù)緩沖區(qū)D36 d K D29斷偶計數(shù)器D37 i K D38十鍵輸入指定存儲元件 3 3 3 3 系系統(tǒng)統(tǒng)程程序序流流程程圖圖 系統(tǒng)程序流程圖如圖 3 1 所示 Y N Y N Y N 初始化 溫度給定 輸入值錯誤 錯誤報警 A D 轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換值 2047 斷偶報警 標度變換 實際溫度顯示 差值 e k 0 給定值與實際溫度比較 差值 e k 10 恒溫指示 Y N 圖 3 1 系統(tǒng)程序流程圖 3 3 4 4 控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)控控制制程程序序的的開開發(fā)發(fā) 針對本系統(tǒng)任務書的要求 要求控制系統(tǒng)實現(xiàn)恒溫控制的功能 溫度 在 280 700 范圍內(nèi)任意設定 X10 X21 輸入給定值 經(jīng)過積分分 離 PID 調(diào)節(jié) 實現(xiàn)恒溫控制 并對實際溫度進行實時LED 數(shù)碼顯示 同 時有恒溫指示和斷偶報警信號指示 特編寫以下控制程序 PLC 指令見 附錄一 總程序見附錄三 3 3 4 4 1 1 溫溫度度設設定定 本設計系統(tǒng)利用十鍵數(shù)字輸入指令 設定恒溫給定值 程序如圖3 2 所示 圖 3 2 讀取溫度給定 當溫度設定允許 X1 1 時 執(zhí)行十鍵輸入指令 輸入給定溫度值 送 D38 當給定值在 280 700 范圍內(nèi)時 將給定值 D38 再送 D4 保 存 否則輸入出錯報警 Y6 1 3 3 4 4 2 2 A A D D 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換功功能能模模塊塊的的控控制制程程序序 溫度檢測硬件電路給定的 A D 轉(zhuǎn)換通道號 CH2 完成爐溫的 A D 轉(zhuǎn)換 n 240 數(shù)字調(diào)節(jié)器 保存 n 晶閘管觸發(fā)準備 等待中斷 為了提高抗干擾能力 程序采用了數(shù)字濾波措施 濾波方法是取8 次輸入 的平均值作為檢測結(jié)果 在此過程中設定爐溫的模擬量送入FX2N 4AD 模塊的 2 通道 CH2 根據(jù)三菱公司的用戶手冊中的模塊編號規(guī)則 FX2N 4AD 直接連 PLC 的為 0 號模塊 A D 轉(zhuǎn)換功能的 PLC 程序如圖 3 3 所示 圖 3 3 A D 轉(zhuǎn)換程序 當控制周期到 M331 1 和 X2 為 ON 時 將 FX2N 4AD 在 0 位置 BFM 30 中的識別碼 K2010 送 D3 若識別碼為 2010 則 M1 1 進而將 H3330 送 BFM 0 A D 通道初始化 CH2 為電壓輸入 DC 10 10V CH1 CH3 和 CH4 關斷 采樣次數(shù)缺省為 8 次 正常速度 然后再將 BFM 29 的狀態(tài)信息分別寫到 M25 M10 16 位 中 若無錯 M10 0 和 數(shù)字輸出值正常 M20 0 則 BFM 6 的內(nèi)容 CH2 通道的平均輸入采樣值 將傳送到 PLC 的 D0 中 本程序設計以 4 8s 為一個控制周期 當控制周期到才讀取A D 轉(zhuǎn)換 結(jié)果 控制周期計時中斷服務程序 I610 如圖 3 4 所示 圖 3 4 計時中斷程序 I610 為每計時 10ms 便自動執(zhí)行一次中斷 當計時10ms 到 系統(tǒng)執(zhí) 行 I610 中斷服務程序 控制周期計數(shù)器 D27 加 1 將 D27 與 480 比較 若相等則 M331 為 ON 4 8s 計時到 同時將控制周期計數(shù)器 D27 清 0 3 3 4 4 3 3 標標度度變變換換程程序序 另外針對本次設計所選擇的功能模塊FX2N 4AD 的輸入輸出特性 有 280 700 經(jīng)零點遷移后所對應的數(shù)字量為0 2047 0 10V 對應的數(shù)字 量 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的溫度的數(shù)字量存入D0 根據(jù)此特性 輸入數(shù)據(jù) 對應的模擬量應該為數(shù)字量占2047 的百分比 即實際溫度 700 280 數(shù)字量 2047 280 數(shù)字量 21 102 280 從而得到實際的溫度的數(shù)值而送 入 D5 同時將所得的余數(shù)與 0 5 所對應的數(shù)字量 約等于 2 進行比較 如果大于 2 則將 D5 中的數(shù)加一 反之則不變 所得結(jié)果再加上280 就 完成了對采樣溫度值的標度變換 標度變換功能的PLC 程序如圖 3 5 所示 圖 3 5 標度變換程序 3 4 43 4 4 恒溫控制程序恒溫控制程序 PIDPID 設計 設計 3 3 4 4 4 4 1 1 P PI ID D 算算法法 根據(jù)給定的工藝要求 溫度控制分為三段 自由升溫段 恒溫段和自然 降溫段 自然降溫無需控制和檢測溫度 自由升溫只需監(jiān)視爐溫是否到達恒 溫值 只有恒溫段需要控制與檢測爐溫 用于恒溫控制的調(diào)節(jié)器有多種形式 如大林算法 PD 調(diào)節(jié) PID 調(diào)節(jié) 開關調(diào)節(jié)等 本系統(tǒng)選用實際中切實可 行的積分分離 PID 調(diào)節(jié) 它能有效地減小系統(tǒng)的超調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差 PID 調(diào)節(jié)器的位置式控制方程為 1 dtte Tdt tde TteKtu i dp 式中 e t 為 t 時刻給定的恒溫值 Q0 與實際爐溫 Q 之差 將其離散化 得 2 1 2 1 1 kekeke T T ke T T kekeKkuku d i p 式中 T 分別為采樣周期 微分時間常數(shù) 積分時間常數(shù)和 d T i T P K 比例時間常數(shù) e k 為本次采樣時 Q0 與 Q 之差 令 3 1 i Pi T T KK T T KK d pd 則有 式 3 2 2 1 2 1 1 kekekeKKeKkekeKkuku dip 式中 分別為調(diào)節(jié)器的比例 積分 微分系數(shù) 待定參數(shù) p K i K d K 為了減少在線整定參數(shù)的數(shù)目 常常假定約束條件 以減少獨立變量的 個數(shù) 本次設計選取 T 0 1 s T 0 5 i T s T 0 125 d T s T 其中 為純比例控制時的臨界振蕩周期 將它們代入式 3 1 即有 s T Pi KK 5 1 pd KK 4 5 因此 對四個參數(shù)的整定便簡化成了對一個參數(shù)的整定 因而使 p K 調(diào)試較為簡單方便 3 3 4 4 4 4 2 2 恒恒溫溫控控制制程程序序 為了減少超調(diào)和消除振蕩現(xiàn)象 當自由升溫小于給定的恒溫值10 系統(tǒng)就開始進行恒溫控制 恒溫控制采用積分分離PID 調(diào)節(jié) 系統(tǒng)的控制 算法如下 當爐溫 Q 大于給定恒溫值 10 時 系統(tǒng)全速升溫 令 u k 240 240 為一個控制周期 4 8s 的工頻電源周波數(shù) 當 e k 10 Y u k 240 N 計算 PD 項 u k u k 1 kp e k e k 1 kd e k 2e k 1 e k 2 e k u k 1 e k 1 e k 2 e k e k 1 保存 u k 結(jié)束 圖 3 7 數(shù)字控制器程序 3 4 53 4 5 數(shù)字觸發(fā)器程序設計數(shù)字觸發(fā)器程序設計 3 3 4 4 5 5 1 1 數(shù)數(shù)字字觸觸發(fā)發(fā)器器組組成成與與原原理理 數(shù)字觸發(fā)器按照調(diào)節(jié)器輸出的控制量控制輸送給電阻爐的能量 由于晶 圖 3 6 數(shù)字控制器程序 閘管移相觸發(fā)存在很大的諧波干擾 污染 電網(wǎng) 本系統(tǒng)采用過零觸發(fā) 觸發(fā)器的組成如 圖 3 8 所示 圖 3 8 過零數(shù)字觸發(fā)器組成 工作原理如下 數(shù)字觸發(fā)器準備程序?qū)⒖刂屏縰 k 變換為晶閘管的 導通周波數(shù) n 且當 n 0 時 置晶閘管允許觸發(fā)標志為1 準備程序在每 個控制周期執(zhí)行一次 當電源正半波到來時 由低電平變高電平 sgn ku 若晶閘管允許觸發(fā)標志為 1 則在 Y0 端產(chǎn)生一個觸發(fā)脈沖 經(jīng)光電隔離和 功率放大后觸發(fā)晶閘管 VT1 導通 使電源正半波加到電阻絲上 當電源負 半波到來時 由高電平變低電平 若晶閘管允許觸發(fā)標志為1 sgn ku 則在 Y1 端產(chǎn)生一個觸發(fā)脈沖 經(jīng)光電隔離和功率放大后觸發(fā)晶閘管VT2 導通 使電源負半波加到電阻絲上 使負載得到一個完整的電壓波形 程序 還完成晶閘管已導通周波數(shù)計數(shù)工作 當已導通周波數(shù)等于n 時 表示本 控制周期內(nèi)向電阻絲輸送的能量已達到控制要求 將晶閘管允許觸發(fā)標志清 0 Y0 Y1 不再輸出觸發(fā)脈沖 3 3 4 4 5 5 2 2 數(shù)數(shù)字字觸觸發(fā)發(fā)器器程程序序 數(shù)字觸發(fā)器程序由兩部分組成 準備程序和觸發(fā)程序 其程序框圖如 圖 3 9 和圖 3 10 所示 電源在一個控制周期 4 8s 有 240 個周波 而 u k 的最大亦也 240 因此 晶閘管在一個控制周期的導通周波數(shù)n 與控制量 u k 的關 系為 n u k 脈沖輸出通道要求 PLC 輸出的觸發(fā)脈沖為正脈沖 故程序先使 Y0 或 Y1 由 0 變 1 延時約 0 01s 后 半個周波時間 再將 Y0 或 Y1 置 0 在 Y0 或 Y1 端形成一個寬約 0 01s 的正脈沖 圖 3 9 晶閘管觸發(fā)準備程序 圖 3 10 數(shù)字觸發(fā)程序 數(shù)字觸發(fā)器功能的 PLC 程序如下圖 3 11 所示 當 X2 為 ON 時 將 u k 送 D25 作觸發(fā)周波數(shù) n 將其與 0 比較 若 n 大于 0 則置位 D26 觸發(fā)允許標志 允許觸發(fā)并將Y0 和 Y1 置 1 X0 為電源周波信號輸入端 當允許晶閘管觸發(fā)時 當X0 的上升沿 下降沿 到時 Y0 Y1 輸出 1 延時半個周波時間后 Y0 Y1 輸出 0 即在 Y0 Y1 端口產(chǎn)生正脈沖去觸發(fā)晶閘管導通 同時每完成一個周 波觸發(fā) 將 D25 減 1 直到 D25 為 0 止 D25 為 0 而采樣周期未到 D26 被清 0 系統(tǒng)將不再對晶閘管輸出觸發(fā)脈沖 圖 3 11 數(shù)字觸發(fā)器程序 3 3 4 4 6 6 顯顯示示程程序序 本設計系統(tǒng)用三個 LED 數(shù)碼管 含 BCD 譯碼器 顯示溫度 本系統(tǒng) 設定溫度范圍為 280 700 需要先將實際溫度轉(zhuǎn)換成BCD 碼 從 Y10 Y23 端口輸出 BCD 碼經(jīng)過 BCD 譯碼器譯碼 由七段 LED 完成顯 示功能 顯示程序如圖 3 12 所示 圖 3 12 顯示程序 將實際溫度 D5 除以 100 得到百位數(shù) 存放 D122 中 同理 所得的余 數(shù) D103 除以 10 得到十位數(shù)存放 D121 中 余數(shù) D105 為個位數(shù)存放 D120 中 D122 D121 和 D120 中的數(shù)據(jù)分別從 Y10 Y13 Y14 Y17 和 Y20 Y23 端 口輸出 經(jīng)譯碼器譯成相應的段碼 送七段 LED 顯示 3 4 73 4 7 恒溫指示程序恒溫指示程序 當實際溫度與溫度給定值相等時 系統(tǒng)發(fā)出恒溫指示信號 Y4 1 綠燈亮 恒溫指示程序 如圖 3 13 所示 圖 3 13 恒溫顯示程序 將實際溫度值 D5 與溫度設定值 D4 進行比較 如果相等則令 Y4 為 ON 恒溫指示燈亮 同時令觸發(fā)脈沖個數(shù)為0 系統(tǒng)將不對電阻爐 加熱 3 3 4 4 8 8 報報警警程程序序 將 A D 轉(zhuǎn)換的數(shù)字量與 2047 比較 若連續(xù)兩次檢測到 A D 轉(zhuǎn)換的數(shù) 字量大于 2047 則表示斷偶 系統(tǒng)輸出斷偶報警信號 Y5 為 ON 亮紅 燈 如圖 3 14 所示 圖 3 14 報警程序 第四章第四章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 4 4 1 1 總總結(jié)結(jié) 本文主要是針對 基于PLC的模擬量控制 的研究 PLC完成對系統(tǒng)現(xiàn)場的控制過程 通過功能模塊實現(xiàn)了對模擬量 開關 量 脈沖量的轉(zhuǎn)換 從而達到了對上述變量的控制 以及顯示 報警等功能 同時 控制系統(tǒng)現(xiàn)場對變量的變換有著直觀的顯示作用 本文所做的主要工作 1 溫度設定由輸入端口獲得 十進制輸入 具備實時顯示和報警 功能 人機界面良好 2 PLC編程實現(xiàn)積分分離 PID算法 3 基于PLC模擬量控制和過程控制實現(xiàn)溫度控制 4 過零觸發(fā)晶閘管實現(xiàn)電功率的控制 由于本人能力尚存在不足 同時時間 條件的限制令本次系統(tǒng)的開發(fā)尚 存在著不足 在今后的學習以及工作中會不斷克服障礙 4 4 2 2 展展望望 由于PLC的諸多優(yōu)點 也已經(jīng)在工控領域得到了廣泛引用 但是 還 沒有形成系統(tǒng)化 理論化的開發(fā)方法 隨著可編程序控制器技術 的發(fā)展 PLC已越來越多地應用于對模擬量的控制 所以應增加D A A D轉(zhuǎn)換及運算 功能的仿真 同時 要盡量抑制干擾 尤其是控制回路之外的干擾 過程控制系統(tǒng)開發(fā)工具功能的不斷完善 使過程控制將具有更廣闊的應 用前景 對我國國民生產(chǎn)生活各個領域的自動化水平的提高都有著重要的意 義 隨著微機的軟硬件技術和網(wǎng)絡通訊技術的飛速發(fā)展 工業(yè)自動化領域發(fā) 生了革命性的技術進步 而 PLC及工控機作為工業(yè)控制的設備基礎 通過技 術的不斷革新 在工業(yè)控制中的地位日益加強 并且成為工業(yè)控制技術進步 的主要工具 致致 謝謝 本文是在夏慶觀和路紅老師的悉心指導下完稿的 在這幾個月的學習生 活中 夏老師 路老師淵博的學識 實干的作風和寬厚的師長作風 令我在 生活 學習和思想上都受益匪淺 我在學習 生活 為人等諸多方面都得到 了夏老師和路老師熱心幫助和教導 夏老師和路老師創(chuàng)造性的學術思想 嚴 謹?shù)闹螌W態(tài)度 堅持理論聯(lián)系實際的工作作風 都給我留下了深刻的印象 在這畢業(yè)設計即將結(jié)束之際 我謹向夏老師和路老師表達我由衷的謝意 夏老師 路老師 謝謝你們 在此 我還要感謝在畢業(yè)設計過程中為我提供三菱系列資料手冊的尤正 建同學 正是由于資料的齊備 才令我在課題設計中遇到障礙時 能盡快找 到解決的方案 同時 我還要感謝孫文波同學和王江濤同學 感謝他們在這 畢業(yè)設計的幾個月的日常生活中 給予我熱情的幫助和支持 正是有了夏老 師 路老師和以上三位同學的幫助支持 才使我的論文順利完成 最后 我要感謝我的家人 有了他們的關心和支持 我才有機會迎來這 個人生重要階段的結(jié)束 同時又開啟了一扇走向嶄新未來的大門 衷心感謝所有關心 支持和幫助過我的老師和同學 謝謝大家 汪竹杰 二 一一年五月 于南京 參參 考考 文文 獻獻 1 郁漢琪主編 電氣控制與可編程序控制器應用技術 M 南京 東南大學出 版社 2003 2 張永豐 劉祖潤主編 畢業(yè)設計指導 M 北京 工業(yè)大學出版社 1996 3 賴壽宏主編 微型計算機控制技術 M 北京 機械工業(yè)出版社 2000 4 方承遠主編 工廠電氣控制技術 第二版 M 北京 機械工業(yè)出版社 2000 5 王炳實主編 機床電氣控制 M 北京 機械工業(yè)出版社 1999 6 HEWLETT PACKARD 8175A Digital Signal Generator Operating and Programming Guide 7 張萬忠主編 可編程序控制器應用技術 M 北京 化學工業(yè)出版社 2002 8 尚雅層 趙朝蘭主編 Electromechanical Engineering English Readings M 西 安 電子科技大學 1994 9 三菱公司編 三菱 FX 系列可編程序控制器特殊功能模塊用戶手冊 2001 10 三菱公司編 三菱可編程序控制器應用 101 例 1994 附附錄錄一一 三三菱菱 F FX X 系系列列 P PL LC C 指指令令一一覽覽表表 一 基本指令 本系統(tǒng)所涉及 指令助記符 名稱 功能 指令助記符 名 稱 功能 LD 取觸點運算開始 ORB 電路塊或 串聯(lián)電路塊的并聯(lián) 連接 LDI 取反觸點運算開始 OUT 輸出線圈驅(qū)動指令 LDP 取脈沖 上升沿檢測運算開 始 SET 置位 線圈接通保持指令 LDF 取脈沖 下降沿檢測運算開 始 RST 復位 線圈接通清除指令 AND 與串聯(lián)連接 MPS 進棧運算存儲 ANDI 與非串聯(lián)連接 MRD 讀棧存儲讀出 OR 或并聯(lián)連接 MPP 出棧存儲讀出與復位 ORI 或非并聯(lián)連接 NOP 空操作無動作 ANB 電路塊 與 并聯(lián)電路塊的串聯(lián) 連接 END 結(jié)束順控程序結(jié)束 二 功能指令 本系統(tǒng)所涉及 指令分類 功能號 FNC NO 指令助記符功能 00CJ條件跳轉(zhuǎn) 01CALL子程序調(diào)用 02SRET子程序返回 03IRET中斷返回 04E