某化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、PLC在化學(xué)反應(yīng)裝置中的應(yīng)用摘要隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和各種輕工業(yè)的飛速發(fā)展，化學(xué)化工廠(chǎng)已經(jīng)成為不可缺少乃至對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生至關(guān)重要的一門(mén)行業(yè)。在化學(xué)化工廠(chǎng)中有各種化學(xué)裝置，可以說(shuō)化學(xué)裝置的應(yīng)用是很普遍的，并且在工業(yè)中占有非常重要的地位。本文主要設(shè)計(jì)一種用可編程控制器用于化學(xué)反應(yīng)裝置過(guò)程中的系統(tǒng)，可編程控制器是一個(gè)智能控制器，他有自己的CPU和控制軟件，主要完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、報(bào)警和控制等功能。我們所設(shè)計(jì)的這個(gè)系統(tǒng)，有兩種狀態(tài)一種是自動(dòng)狀態(tài)，另一種是手動(dòng)狀態(tài)，在這里我們主要對(duì)自動(dòng)進(jìn)行研究。系統(tǒng)可以對(duì)溫度進(jìn)行及時(shí)顯示；一旦溫度超出給定范圍就報(bào)警；而且溫度的給定值是可以預(yù)置，這就給于各種化學(xué)

2、物質(zhì)的反應(yīng)提供了條件。整個(gè)系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了勞動(dòng)條件，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，不僅可以克服人為的不穩(wěn)定因素，而且可以吸收人為調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，為現(xiàn)代化的生產(chǎn)管理提供了強(qiáng)有力的物質(zhì)條件，為社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步服務(wù)。關(guān)鍵詞：PLC 化學(xué)反應(yīng)裝置 PID 數(shù)碼顯示Abstract Along with social progress and the rapid development of a variety of light industry, chemical, chemical plants have become indispensable to the national

3、 economy as well as generate critical to a business. There are a variety of chemical chemical chemical devices, can be said that the application of chemical plant is very common, and in industry occupies a very important position. In this paper, design a programmable controller used for the chemical

4、 reaction device in the process of the system, programmable controller is an intelligent controller, he has his own CPU and control software, mainly to complete the field data acquisition, conversion, storage, alarm and control functions. We designed this system, there are two states is automaticall

5、y a state, the other is the manual states, where we mainly study the automatic. System can display the temperature in time; once the temperature exceeds a given range on the alarm; and temperature can be pre-given value, which gives a variety of chemical substances to provide the conditions for the

6、reaction. The whole system made full use of modern advanced technology, to improve labor productivity, improved working conditions, reducing the labor intensity, not only can overcome the human factors of instability, but also can absorb artificially adjust the advantages of a modern production and

7、management provides a strong strong material conditions for social development and progress. Key words: PLC chemical reaction device PID digital display目 錄第一章 緒 論21.1 系統(tǒng)介紹1.2 系統(tǒng)方案論證1.3可編程序控制器的發(fā)展及應(yīng)用1.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和步驟第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)92.1 系統(tǒng)總電路圖2.2 PLC的型號(hào)選擇以及硬件配置2.3系統(tǒng)的I/O點(diǎn)地址分配以及外部接線(xiàn)圖2.4溫度采集處理2.4.1 熱電偶的基本知識(shí)2.4.2 EM

8、231模塊2.4.3 報(bào)警電路2.5 數(shù)碼管顯示溫度值2.6 撥碼盤(pán)給定溫度值2.7 溫度控制觸發(fā)電路第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)213.1化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的主程序設(shè)計(jì)3.1.1 工藝流程圖設(shè)計(jì)3.1.2 系統(tǒng)主程序3.2 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1 PID程序設(shè)計(jì)方法3.2.2數(shù)字PID控制原理與參數(shù)確定3.2.3 系統(tǒng)中斷程序設(shè)計(jì)3.3 數(shù)碼顯示的程序設(shè)計(jì)3.4 程序清單3.5 系統(tǒng)調(diào)試參考文獻(xiàn)29附錄A 系統(tǒng)梯形圖30附錄B 系統(tǒng)程序清單.37致 謝.42第一章 緒 論隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和各種輕工業(yè)的飛速發(fā)展，化學(xué)化工廠(chǎng)已經(jīng)成為不可缺少乃至對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生至關(guān)重要的一門(mén)行業(yè)。在化學(xué)化工廠(chǎng)中有各種

9、化學(xué)裝置，可以說(shuō)化學(xué)裝置的應(yīng)用是很普遍的，并且在工業(yè)中占有非常重要的地位。下面我設(shè)計(jì)一種用可編程控制器用于化學(xué)反應(yīng)裝置過(guò)程中的系統(tǒng)，可編程控制器是一個(gè)智能控制器，他有自己的CPU和控制軟件，主要完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、報(bào)警和控制等功能。我們所設(shè)計(jì)的這個(gè)系統(tǒng)，有兩種狀態(tài)一種是自動(dòng)狀態(tài)，另一種是手動(dòng)狀態(tài)，在這里我們主要對(duì)自動(dòng)進(jìn)行研究。系統(tǒng)可以對(duì)溫度進(jìn)行及時(shí)顯示；一旦溫度超出給定范圍就報(bào)警；而且溫度的給定值是可以預(yù)置，這就給于各種化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)提供了條件。整個(gè)系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了勞動(dòng)條件，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，不僅可以克服人為的不穩(wěn)定因素，而且可以吸收人為調(diào)節(jié)的

10、優(yōu)點(diǎn)，為現(xiàn)代化的生產(chǎn)管理提供了強(qiáng)有力的物質(zhì)條件，為社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步服務(wù)。在系統(tǒng)中我們主要對(duì)溫度的控制進(jìn)行比較詳細(xì)的介紹，由于溫度對(duì)化學(xué)物質(zhì)來(lái)說(shuō)是個(gè)比較重要的參數(shù)，在這里必須引起重視！因此在我們所選擇方案中也對(duì)溫度的控制進(jìn)行了比較多的討論。1.1 系統(tǒng)介紹我們所研究的這個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的裝置有四個(gè)容器組成，容器之間用泵連接，以此來(lái)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。每個(gè)容器都裝有檢測(cè)容器空滿(mǎn)的傳感器，2#容器還帶有加熱器和溫度傳感器，3#容器帶有攪拌器。該化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的工作過(guò)程是：1#、2#容器分別用泵P1、P2從各自原料庫(kù)中將其抽到指定液位。抽完之后傳感器發(fā)出信號(hào)，泵P1、P2關(guān)閉，2#容器化學(xué)物質(zhì)需要加熱，因此給2

11、#容器加熱到給定溫度值，當(dāng)溫度到達(dá)給定溫度時(shí)，溫度傳感器發(fā)出信號(hào)，關(guān)掉加熱器。泵P3、P4分別將1#、2#容器中的化學(xué)物質(zhì)送到3#反應(yīng)器中，同時(shí)啟動(dòng)攪拌器，攪拌時(shí)間為60S。一旦3#已經(jīng)滿(mǎn)即1#、2#容器抽完的時(shí)候。則泵P3、P4停止并等待。當(dāng)攪拌時(shí)間到，P5將混合液抽到產(chǎn)品池4#容器，直到4#容器滿(mǎn)即3#容器抽完時(shí)。成品用泵P6抽走，直到4#容器空。至此，整個(gè)過(guò)程結(jié)束，再次按動(dòng)啟動(dòng)按鈕，新的循環(huán)開(kāi)始?；瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程示意如圖1.1，圖中SL2、SL1是指各個(gè)容器指定的液位，SL1指容器中化學(xué)物質(zhì)被抽完的時(shí)候，SL2指容器中化學(xué)物質(zhì)滿(mǎn)。圖1.1 化學(xué)裝置示意圖1.2 系統(tǒng)方案論證根據(jù)我們所說(shuō)的化學(xué)

12、過(guò)程，以及通過(guò)查閱相關(guān)資料，可以得到方案。方案中，由于需要對(duì)2#容器的物質(zhì)經(jīng)行加熱，以及原料池1#、2#反應(yīng)池及產(chǎn)品池的液位檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)室條件并不允許，固將液位檢測(cè)及溫度檢測(cè)用手動(dòng)開(kāi)關(guān)模擬替代。方案中的硬件組成是：PLC；模擬信號(hào)開(kāi)關(guān)；模擬泵P1、P2、P3、P4、P5、P6信號(hào)燈、加熱開(kāi)啟指示信號(hào)燈、攪拌器以及攪拌時(shí)間信號(hào)燈等?；镜墓ぷ髟硎牵篜LC從手動(dòng)模擬液位開(kāi)關(guān)那里得到信號(hào)，來(lái)控制泵P1、P2、P3、P4、P5、P6。利用模擬預(yù)設(shè)溫度開(kāi)關(guān)發(fā)出溫度達(dá)到信號(hào)，該溫度信號(hào)可直接成為PLC能接收和處理的數(shù)字信號(hào)。在順序工作的同時(shí)，整個(gè)工作流程的單次過(guò)程控制必須能夠達(dá)到單次循環(huán)未結(jié)束前，各項(xiàng)控制

13、互不干擾，且在反應(yīng)池和產(chǎn)品池工作過(guò)程中，原料1#、原料2#中沒(méi)有原料的再次注入，即P1、P2的關(guān)閉控制，在單次循環(huán)結(jié)束后，各個(gè)元器件經(jīng)行復(fù)位等待下一次循環(huán)的開(kāi)始。1.3可編程序控制器的發(fā)展及應(yīng)用可編程序控制器簡(jiǎn)稱(chēng)PLC（Programmable Logic Controller）。自1969年第一臺(tái)可編程序控制器面世以來(lái)，經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，可編程序控制器已經(jīng)成為一種最重要最普及應(yīng)用場(chǎng)合最多的工業(yè)控制器。1969年美國(guó)的DEC公司制成了第一臺(tái)可編程控制器，投入通用汽車(chē)公司的生產(chǎn)線(xiàn)控制中，取得了極滿(mǎn)意的效果，從此開(kāi)創(chuàng)了可編程控制器的新紀(jì)元。1971年日本開(kāi)始生產(chǎn)可編程控制器；1973年歐洲開(kāi)始

14、生產(chǎn)可編程控制器；1974年我國(guó)也開(kāi)始研制編程控制器。隨著電子技術(shù)計(jì)算技術(shù)通信技術(shù)容錯(cuò)控制技術(shù)數(shù)字控制技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程控制器的數(shù)量型號(hào)品種以異乎尋常的速度發(fā)展。PLC是以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，它具有可靠性體積小功能強(qiáng)程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單通用靈活維護(hù)方便等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而在電力機(jī)械冶金能源化工交通信息等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一。根據(jù)PLC的特點(diǎn)，可以將其應(yīng)用形式歸納為以下幾種類(lèi)型：（一）開(kāi)關(guān)量邏輯控制PLC具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)各種簡(jiǎn)單和復(fù)雜的邏輯控制。這是PLC的最基本最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

15、，它取代了傳統(tǒng)的繼電器接觸器的控制。（二）模擬量控制PLC中配置有A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊。其中A/D模塊能將現(xiàn)場(chǎng)的溫度壓力流量速度等這些模擬量經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量，再經(jīng)過(guò)PLC中的微處理器進(jìn)行處理（微處理器處理的是數(shù)字量）去進(jìn)行控制或者經(jīng)D/A模塊轉(zhuǎn)換后，變成模擬量去控制被控對(duì)象，這樣就可實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)模擬量的控制。（三）過(guò)程控制現(xiàn)代大中型的PLC一般都配有PID控制模塊，可進(jìn)行閉環(huán)過(guò)程控制。當(dāng)控制過(guò)程中某一個(gè)變量出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，PLC能按照PID算法計(jì)算出正確的輸出去控制生產(chǎn)過(guò)程，把變量計(jì)算保持在整定值上。目前，許多小型PLC也具有PID功能。（四）定時(shí)和計(jì)數(shù)控制PLC具有很強(qiáng)的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能

16、，它可以為用戶(hù)提供幾十甚至上百個(gè)上千個(gè)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。其計(jì)時(shí)的時(shí)間和計(jì)數(shù)值可以由用戶(hù)在編寫(xiě)程序時(shí)任意設(shè)定，也可以由操作者在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)編程器進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)定時(shí)和計(jì)數(shù)的控制。如果用戶(hù)需要對(duì)頻率較高的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，則可以選擇高速計(jì)數(shù)模塊。（五）順序控制在工業(yè)控制中，可采用PLC步進(jìn)指令編程或用移位寄存器編程實(shí)現(xiàn)順序控制。（六）數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代的PLC不僅能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算數(shù)據(jù)傳送順序查表等，而且還能進(jìn)行數(shù)據(jù)比較數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示和打印等，它具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。（七）通信和聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代PLC一般都有通信功能，它可以對(duì)遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行控制，又能實(shí)現(xiàn)PLC與PLC，PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信，這樣用PLC

17、可以方便的進(jìn)行分布式控制2。1.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和步驟化學(xué)反應(yīng)過(guò)程裝置控制系統(tǒng)其實(shí)相對(duì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式，正常停機(jī)時(shí)，系統(tǒng)停在初始狀態(tài)上，即個(gè)執(zhí)行器停，產(chǎn)品池容器空，有緊急情況，能實(shí)現(xiàn)急停。系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)步驟如下：（1）深入了解和分析化學(xué)裝置中的工藝條件和控制要求。如控制的基本方式，需要完成的動(dòng)作（動(dòng)作順序、動(dòng)作條件等）、操作方式（手動(dòng)、自動(dòng)、連續(xù)、單周期和單步）。（2）根據(jù)化學(xué)裝置對(duì)PLC控制系統(tǒng)的功能要求和所需要的I/O信號(hào)的點(diǎn)數(shù)等，選擇合適的PLC類(lèi)型。（3）根據(jù)控制要求所需要的用戶(hù)I/O設(shè)備，確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，并設(shè)計(jì)I/O端子的接線(xiàn)圖。（4）根據(jù)

18、工藝的生產(chǎn)要求畫(huà)出狀態(tài)流程圖。a（5）由流程圖設(shè)計(jì)梯形圖。設(shè)計(jì)梯形圖是編制程序的關(guān)鍵一步，也是比較困難的一步。（6）要設(shè)計(jì)好梯形圖，首先應(yīng)熟悉控制要求，同時(shí)還要有電器設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)梯形圖寫(xiě)程序。（7）用PLC編程器將程序鍵入PLC的用戶(hù)程序存儲(chǔ)器，并檢查鍵入的程序是否正 確。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程框圖如1.6：圖1.6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由我們的設(shè)計(jì)步驟可見(jiàn)，本系統(tǒng)可以作硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分來(lái)描述。我們的硬件部分主要是對(duì)各個(gè)硬件裝置進(jìn)行介紹，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的控制及要求，對(duì)PLC進(jìn)行選型和對(duì)硬件配置的簡(jiǎn)單介紹。型號(hào)選好之后，我們來(lái)對(duì)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)地址進(jìn)行分配畫(huà)出硬件電路圖。2.1

19、系統(tǒng)總電路圖2.2 PLC的型號(hào)選擇以及硬件配置化學(xué)裝置是一個(gè)要求比較嚴(yán)格的系統(tǒng)裝置，因此對(duì)于PLC的選擇要求也是很高的。我們采用的S7-200系列PLC，三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相當(dāng)FX系列中最高檔次的超小程序裝置，除輸入出1625點(diǎn)的獨(dú)立用途外，還可以適用于多個(gè)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(mǎn)足多樣化廣泛需要的PLC。 特點(diǎn) -系統(tǒng)配置即固定又靈活；-編程簡(jiǎn)單；備有可自由選擇，豐富的品種；令人放心的高性能；高速運(yùn)算；使用于多種特殊用途；外部機(jī)器通訊簡(jiǎn)單化；共同的外部設(shè)備。 在基本單元上連接擴(kuò)展單元或擴(kuò)展模塊，可進(jìn)行16-256點(diǎn)的靈活

20、輸入輸出組合?？蛇x用16/32/48/64/80/128點(diǎn)的主機(jī)，可以采用最小8點(diǎn)的擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)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?zhuān)┛墒褂么鎯?chǔ)盒，最大可擴(kuò)充至16K步。豐富的軟元件應(yīng)用指令中有多個(gè)可使用的簡(jiǎn)單指令、高速處理指令、輸入過(guò)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(kāi)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(yùn)算、平方根、浮點(diǎn)小數(shù)運(yùn)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(shè)備相互通信，串行數(shù)據(jù)傳送，AS

21、CII code印刷，HEX ASCII變換，校驗(yàn)碼等。時(shí)計(jì)控制內(nèi)置時(shí)鐘的數(shù)據(jù)比較、加法、減法、讀出、寫(xiě)入等?；瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程控制裝置的系統(tǒng)有一個(gè)啟動(dòng)按鈕（輸入）；四個(gè)模擬容器液位滿(mǎn)檢測(cè)信號(hào)燈；四個(gè)模擬容器空檢測(cè)信號(hào)燈；六個(gè)電機(jī)啟動(dòng)按鈕；六個(gè)模擬泵啟動(dòng)停止信號(hào)燈；一個(gè)模擬加熱器信號(hào)燈和模擬攪拌器接觸器信號(hào)燈。2.3系統(tǒng)的I/O點(diǎn)地址分配以及外部接線(xiàn)圖PLC控制系統(tǒng)最重要的其實(shí)還是外部電路，也就是要畫(huà)出外部接線(xiàn)圖。表2.2是本系統(tǒng)的I/O地址分配表，它是根據(jù)系統(tǒng)的功能和前面所選的CPU的模塊型號(hào)以及擴(kuò)展模塊的型號(hào)來(lái)進(jìn)行分配的。本系統(tǒng)的外部接線(xiàn)如圖2.3所示，CPU224的傳感器電源24V（DC）可以

22、輸出600mA電流，通過(guò)核算在本系統(tǒng)中滿(mǎn)足要求，CPU224的輸出繼電器觸點(diǎn)容量為2A，電壓范圍為530V（DC）或5250V（AC），在PLC的輸入輸出中要采取保護(hù)措施。對(duì)于數(shù)字量輸入輸出擴(kuò)展模塊223，輸入接兩個(gè)撥碼盤(pán)，作為溫度值的控制，而輸出只是對(duì)LED數(shù)碼管進(jìn)行連接；模擬量輸入模塊是接一個(gè)熱點(diǎn)偶，模擬量輸出模塊接一個(gè)觸發(fā)電路進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，這在后面的幾節(jié)中已經(jīng)畫(huà)出，這里就不再畫(huà)了。圖2.3 系統(tǒng)外部接線(xiàn)圖2.4溫度采集處理在這一節(jié)中，我們主要介紹熱電偶與熱電偶智能模塊EM231，然后對(duì)EM231模塊與EM235模塊進(jìn)行了比較，最終選擇EM231作為我們的溫度采集處理模塊。當(dāng)溫度超過(guò)標(biāo)定范

23、圍，系統(tǒng)要采取報(bào)警，因此還需要設(shè)計(jì)一下報(bào)警電路。2.4.1 熱電偶的基本知識(shí)熱電偶溫度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中極為廣泛。它具有測(cè)溫精度高，在小范圍內(nèi)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度基本呈單值、線(xiàn)性關(guān)系，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好，測(cè)溫范圍寬，響應(yīng)時(shí)間較快等特點(diǎn)。所以采用熱電偶來(lái)檢測(cè)溫度是再理想不過(guò)了。任何兩種金屬，其連接處都會(huì)形成熱電偶。熱電偶產(chǎn)生的電壓與連接點(diǎn)溫度成正比。這個(gè)電壓很低，可能代表若干溫度值。測(cè)量從熱電偶來(lái)的電壓，對(duì)外部連接點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，然后將測(cè)量值線(xiàn)性化。2.4.2 EM231模塊在溫度采集和控制系統(tǒng)中，溫度傳感器采集到的溫度信號(hào)大都是微弱的模擬電信號(hào)，要經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換，包括放大、A/D轉(zhuǎn)換、冷端補(bǔ)償、線(xiàn)性化

24、處理、數(shù)字濾波等，才變成了計(jì)算機(jī)能夠接收和處理的有效的數(shù)字信號(hào)。在PLC溫度控制系統(tǒng)中，有很多用通用模擬量輸入輸出混合模塊構(gòu)成溫度采集和處理系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，由于通用A/D轉(zhuǎn)換模塊不具有溫度數(shù)據(jù)處理功能，溫度傳感器采集到的微弱毫伏電信號(hào)不能直接送給PLC的AD轉(zhuǎn)換模塊，必須由外部溫度變送器將溫度信號(hào)進(jìn)行放大、冷端補(bǔ)償、線(xiàn)性化處理，再送到A/D 轉(zhuǎn)換模塊的模人通道，轉(zhuǎn)換為規(guī)范的數(shù)字信號(hào)供PLC處理。在S7200PLC中可以擴(kuò)展通用AD轉(zhuǎn)換模塊EM235，它是一個(gè)4輸入l輸出的模擬量混合模塊，可以通過(guò)DIP配置開(kāi)關(guān)組態(tài)為單極性或雙極性，設(shè)置不同的輸入信號(hào)，其AD轉(zhuǎn)換為12位。顯然，用這種通用AD

25、轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成的溫度采集和處理系統(tǒng)有兩個(gè)方面的不足，一是要增加外部變送器，二是12位AD轉(zhuǎn)換精度不是太高。S7200PLC的擴(kuò)展模塊中，有集溫度采集和數(shù)據(jù)處理于一身的專(zhuān)用智能溫度模塊-EM231熱電偶模塊。在模塊中集成有16位AD轉(zhuǎn)換器(15位數(shù)據(jù)加1位符號(hào)位，分辯率達(dá)01 ，數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制補(bǔ)碼形式，能自動(dòng)進(jìn)行線(xiàn)性化處理，有冷端補(bǔ)償功能其使用非常方便，只要將熱電偶接到EM231的接線(xiàn)端子上，不再需要任何外部變送器或外部電路，一個(gè)模塊就能完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理功能。EM231熱電偶模塊可以同時(shí)輸入4路溫度數(shù)據(jù)?？梢赃B接7種不同類(lèi)型的熱電偶(J、K、E、N、S、T、R。對(duì)我們使用的K型熱電偶(鎳鉻

26、一鎳硅或鎳鋁，模塊標(biāo)定的有效溫度范圍為一2000+1300、0 ，其數(shù)字量對(duì)應(yīng)為一200013000(F830H32C8H此外，還標(biāo)定了一個(gè)超出范圍，當(dāng)采集到的信號(hào)超出該范圍時(shí)，模塊向PLC報(bào)告上溢出(7FFFH或下溢出(8000HEM231熱電偶模塊有8個(gè)DIP組態(tài)開(kāi)關(guān)SW1 SW8，向上為1，向下為0。SW1SW3是熱電偶類(lèi)型選擇，K 型熱電偶設(shè)為001。SW4保留，SW5為斷線(xiàn)檢測(cè)方向，設(shè)為0，SW6為斷線(xiàn)檢測(cè)使能，設(shè)為0，Sw7為攝氏或華氏度選擇，選攝氏度為0，SW8為冷端補(bǔ)償選擇，用模塊具有的冷端補(bǔ)償功能SW8=0。用DIP開(kāi)關(guān)對(duì)模塊組態(tài)后，必須對(duì)PLC或用戶(hù)電源重新上電，設(shè)置才會(huì)生

27、效。一路溫度采集與控制時(shí)的熱電偶模塊及PLC接線(xiàn)如圖2.4所示。熱電偶模塊通過(guò)扁平電纜接到PLC，構(gòu)成數(shù)據(jù)通道。同時(shí)熱電偶模塊還必須外接+24V 直流電源，接到M、L+接線(xiàn)端，可以接到PLC的+24V直流電源的輸出端M、L+，由PLC向熱電偶模塊提供+24V工作電源，接上電源后模塊上的+24VDC指示燈亮。當(dāng)設(shè)置了斷線(xiàn)檢測(cè)時(shí)，4個(gè)熱電偶輸入通道中未使用的通道必須短接，或者并接到其它通道上，否則模塊上的SF指示燈閃爍，模塊不能工作。主機(jī)PLC用的是繼電器輸出型，PLC輸出點(diǎn)輸出的控制信號(hào)應(yīng)與外部觸發(fā)電路需要的觸發(fā)信號(hào)相匹配，即高電平“1”應(yīng)是+5V，低電平“0”為地。因此PLC輸出端外接電源不能

28、用自身能夠提供的+24VDC，必須接外部+5V 電源，與外部雙向晶閘管的觸發(fā)電路共+5VDC，共地。其接線(xiàn)方法一般采用PLC輸出公共端1L接+5V，輸出點(diǎn)Q0.1等通過(guò)一個(gè)大電阻接地。PLC讀取熱電偶采集到的溫度數(shù)據(jù)是按地址訪(fǎng)問(wèn)的，每個(gè)連接到PLC的熱電偶輸入通道都有一個(gè)固定的地址，該地址的確定按PLC擴(kuò)展輸入輸出模塊地址分配的規(guī)定，一個(gè)模塊4個(gè)模擬量輸入通道以2字節(jié)遞增的方式分配地址分別是A1W0、A1W2、AIW4、A1W6，PLC按此地址讀數(shù)據(jù)4。 圖2.4 熱電偶模塊及PLC接線(xiàn)圖2.4.3 報(bào)警電路報(bào)警是電氣自動(dòng)控制中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)警功能應(yīng)該是聲光報(bào)警。當(dāng)EM231智能

29、模塊采集到的溫度信號(hào)超出標(biāo)定范圍時(shí)，向PLC發(fā)出信號(hào)，PLC報(bào)警指示燈閃爍，報(bào)警電鈴或蜂鳴器響。操作人員知道故障發(fā)生后，按消鈴按鈕，把電鈴關(guān)掉，報(bào)警指示燈從閃爍變?yōu)殚L(zhǎng)亮。故障消失后，報(bào)警燈熄滅。另外還應(yīng)設(shè)置試、試鈴按鈕，用于平時(shí)檢測(cè)報(bào)警指示燈和電鈴的好壞。與PLC的電路如圖2.5所示：圖2.5 報(bào)警電路與PLC的輸出2.5 數(shù)碼管顯示溫度值對(duì)2#容器中化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行溫度檢測(cè)、控制、顯示。系統(tǒng)采用3位LED數(shù)碼管顯示器進(jìn)行顯示，顯示范圍在0.0到99.0。數(shù)碼顯示以其字體清晰、醒目（0.3到0.4英寸）的特點(diǎn)，在許多場(chǎng)合，尤其是在一些光線(xiàn)較弱的車(chē)間環(huán)境，能夠發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)用輸出擴(kuò)展模塊E

30、M223的Q2.0到Q3.2共11個(gè)輸出點(diǎn)對(duì)3位LED數(shù)碼管進(jìn)行控制。硬件原理如圖2.6所示。系統(tǒng)由CPU224、擴(kuò)展模塊EM223、八D鎖存驅(qū)動(dòng)器TPIC6273、共陽(yáng)極七段數(shù)碼管和電阻組成。PLC將所需要顯示的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成段碼，經(jīng)晶體管輸出口（Q2.0Q2.7）送數(shù)據(jù)總線(xiàn)，相應(yīng)的位碼用Q3.0Q3.2分別控制各數(shù)據(jù)鎖存驅(qū)動(dòng)器的CLK端，將段碼送入相應(yīng)的鎖存器，鎖存器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。硬件電路采用數(shù)碼、位碼相配合的輸出控制方式。PLC輸出控制采用晶體管輸出模塊，開(kāi)關(guān)速度快（0.4ms），適應(yīng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示特性。TPIC6273數(shù)據(jù)鎖存器具有漏源電壓高（50V）、驅(qū)動(dòng)電流大（150mA）和輸

31、入兼容性好的特點(diǎn)，當(dāng)段碼被鎖存至驅(qū)動(dòng)器后，靜態(tài)數(shù)據(jù)顯示，占用PLC掃描周期的時(shí)間可大大減少。提拉電阻兄 用于電平匹配。當(dāng)PLC輸出為1時(shí)晶體管輸出口導(dǎo)通，數(shù)據(jù)線(xiàn)為低電平，驅(qū)動(dòng)器輸出斷開(kāi)，數(shù)碼管對(duì)應(yīng)段滅。當(dāng)PLC輸出為0時(shí)，晶體管輸出口斷開(kāi)，數(shù)據(jù)線(xiàn)為高電平，驅(qū)動(dòng)器輸出導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管對(duì)應(yīng)段點(diǎn)亮。R2為限流電阻，其阻值依據(jù)電源 VC及數(shù)碼管型號(hào)進(jìn)行選取。硬件電路為負(fù)邏輯5。 圖2.6 數(shù)碼顯示硬件電路圖 2.6 撥碼盤(pán)給定溫度值為了使系統(tǒng)更加好的對(duì)各種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行溫度控制，在系統(tǒng)中我們可以設(shè)定溫度值。對(duì)于溫度的預(yù)置，可以采用多種方法：（1）利用PLC本身的電位器實(shí)現(xiàn)。在PLC機(jī)身一般都有兩個(gè)左右的

32、模擬電位器，在其內(nèi)部一般使用A/D轉(zhuǎn)換器采樣電位器的調(diào)整值，可以通過(guò)數(shù)據(jù)傳送指令讀取該值作為溫度的預(yù)置值。（2）利用微動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)修改溫度值。在前一個(gè)方法的應(yīng)用中，調(diào)整電位器不太方便，若將電位器引出又不容易操作。利用微動(dòng)開(kāi)關(guān)占用極少的輸入口也可以方便地作到溫度預(yù)置值的調(diào)整。（3）利用BCD撥碼盤(pán)實(shí)現(xiàn)。我們?cè)诒鞠到y(tǒng)中就可以采用這種方法。BCD撥碼盤(pán)在電子技術(shù)中經(jīng)常被用于數(shù)值的預(yù)置，它具有占用的輸入口少、調(diào)整和觀察直觀、安裝使用方便的特點(diǎn)。所以在PLC的應(yīng)用中也可以使用BCD撥碼盤(pán)來(lái)作為溫度值的預(yù)置6。BCD 碼數(shù)據(jù)撥盤(pán)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛采用的十進(jìn)制數(shù)碼撥盤(pán)數(shù)據(jù)輸入裝置。撥盤(pán)共有0 9 十個(gè)位置

33、, 可通過(guò)齒輪型圓盤(pán)撥到所需位置, 每一位置都有相應(yīng)數(shù)字指示，盤(pán)后有五根接線(xiàn), 其中一根為輸入公共線(xiàn), 另四根為相互獨(dú)立的輸出線(xiàn), 分別代表8、4、2、1。撥碼盤(pán)處于不同數(shù)字時(shí)，控制端A分別與四根BCD碼輸出線(xiàn)中的相應(yīng)位接通，輸出對(duì)應(yīng)BCD碼，控制端A可以接+5V電源，也可以接地。A接+5V電源時(shí)，輸出8421BCD碼正邏輯。A端接地時(shí)，輸出8421BCD碼反邏輯。我們采用前面的方法。一個(gè)撥盤(pán)可代表一位十進(jìn)制數(shù)據(jù), 若需輸入多位數(shù)據(jù), 可以用多片BCD 碼撥盤(pán)并聯(lián)安裝使用。本系統(tǒng)有一個(gè)兩位可變參數(shù), 只需將兩片BCD 碼撥盤(pán)的輸出線(xiàn)依次接到PLC 的輸入端, 通過(guò)撥盤(pán)及相應(yīng)讀入軟件, 即可完成

34、數(shù)據(jù)輸入。與PLC的連接如圖2.7：圖2.7 BCD撥碼盤(pán)與PLC接線(xiàn)圖2.7 溫度控制觸發(fā)電路本設(shè)計(jì)中的觸發(fā)電路的是利用電壓控制信號(hào)Vi進(jìn)行移相來(lái)控制的。該電路由同步電源（包括整流、限幅）脈沖形成，放大和移相控制等環(huán)節(jié)組成。交流電源經(jīng)同步變壓器T1、橋式整流電路，以及由R1和D3組成的限幅電路，形成梯形電壓，用它作為觸發(fā)電路的同步電源，同時(shí)也作為電路中放大器的電源。脈沖形成電路由單結(jié)晶體管BT和半導(dǎo)體三極管T2等組成。Vi增大，T2的基極電位減小使其集電極電流增大，C1電容充電的速度加快，相當(dāng)于充電電阻減小，于是觸發(fā)脈沖前移，可控硅的導(dǎo)通角加大，Vi減小, T2的基極電位增加使其集電極電流減

35、小，C1電容充電的速度變慢，相當(dāng)于充電電阻增大，于是觸發(fā)脈沖后移，可控硅的導(dǎo)通角減小，這樣通過(guò)控制Vi的大小就可以達(dá)到控制發(fā)熱裝置功率的目的7。主電路和觸發(fā)電路見(jiàn)圖2.8。圖2.8 溫度控制觸發(fā)電路第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，系統(tǒng)的兩種工作方式為手動(dòng)和自動(dòng)。我們主要設(shè)計(jì)系統(tǒng)自動(dòng)工作程序。由于工作量的關(guān)系，手動(dòng)工作程序在這里就不介紹，而直接可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)于本系統(tǒng)可以采用三個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)：化學(xué)反應(yīng)過(guò)程主程序、采用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的采樣、計(jì)算和輸出以及數(shù)碼管顯示程序。3.1化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的主程序設(shè)計(jì)對(duì)按動(dòng)作的先后順序進(jìn)行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設(shè)計(jì)法編程。順序控制

36、設(shè)計(jì)法規(guī)律性很強(qiáng)，雖然編出的程序很長(zhǎng)，但程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性強(qiáng)。所謂順序控制，就是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間的順序，在生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)地有序地進(jìn)行操作。順序控制設(shè)計(jì)法就是根據(jù)系統(tǒng)的工藝過(guò)程，然后根據(jù)順序功能圖畫(huà)出梯形圖。有的PLC為用戶(hù)提供了順序功能圖語(yǔ)言，在編程軟件中生成順序功能圖后便完成了編程工作。可見(jiàn)順序功能圖是設(shè)計(jì)PLC系統(tǒng)順序控制程序的有力工具，但順序功能圖基本上等同于梯形圖，因此在本文中，我們只是畫(huà)出了主程序的順序功能圖。3.1.1 工藝流程圖設(shè)計(jì)根據(jù)前面介紹的化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程，我們可以得到系統(tǒng)的工藝流程圖。本系統(tǒng)采用順序控制設(shè)

37、計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)工藝流程圖如圖3.1所示：3.1.2 系統(tǒng)主程序在這個(gè)主程序的功能圖中，關(guān)鍵是進(jìn)行并行分支的合并處理，在一些并行分支合并時(shí)，由于各分支不一定同時(shí)結(jié)束，所以設(shè)計(jì)一些等待狀態(tài)是必須的，也是合理的。對(duì)這些等待狀態(tài)的復(fù)位處理要使用復(fù)位指令。并行分支合并后轉(zhuǎn)移到新的狀態(tài)可以有轉(zhuǎn)移條件，但有時(shí)看不到轉(zhuǎn)移條件，其實(shí)這時(shí)的轉(zhuǎn)移條件就是永遠(yuǎn)為“真”。即只要所有合并的分支最后一個(gè)狀態(tài)都為ON時(shí)就可以轉(zhuǎn)移。永遠(yuǎn)為“真”的條件在功能圖上可以寫(xiě)出圖3.1工藝流程圖來(lái)，也可以不寫(xiě)出來(lái)。系統(tǒng)的主程序功能圖如圖3.2所示，梯形圖見(jiàn)附錄B：圖3.2 系統(tǒng)主程序功能圖3.2 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在化學(xué)反

38、應(yīng)中，溫度控制是一個(gè)關(guān)鍵。在這里我們利用PID來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID 代表 Proportional-Integral-Derivative，即比例積分微分，指的是一項(xiàng)流行的線(xiàn)性控制策略。在 PID 控制器中，錯(cuò)誤信號(hào)（受控系統(tǒng)期望的溫度與實(shí)際溫度之間的差值）在加到溫度控制電源驅(qū)動(dòng)電路之前先分別以三種方式（比例、積分和微分）被放大。比例增益向錯(cuò)誤信號(hào)提供瞬時(shí)響應(yīng)。積分增益求出錯(cuò)誤信號(hào)的積分，并將錯(cuò)誤減低到接近零的水平。積分增益還有助于過(guò)濾掉實(shí)測(cè)溫度信號(hào)中的噪音。微分增益使驅(qū)動(dòng)依賴(lài)于實(shí)測(cè)溫度的變化率，正確運(yùn)用微分增益能縮短響應(yīng)定位點(diǎn)改變或其它干擾所需的穩(wěn)定時(shí)間。PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部件，完成

39、模擬量的采樣、運(yùn)算和輸出，并完成控制系統(tǒng)各種檢測(cè)、判斷、處理和報(bào)警等任務(wù)。本系統(tǒng)可以采用S7-200系列PLC配套的EM235或EM231或EM232擴(kuò)展模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)溫度信號(hào)的模擬量輸入和控制晶閘管的導(dǎo)通角的模擬量輸出。3.2.1 PID程序設(shè)計(jì)方法用PLC對(duì)模擬量進(jìn)行PID控制時(shí)，可以采用以下三種方法：（1）使用PID過(guò)程控制模塊，用戶(hù)在使用時(shí)只需要設(shè)置一些參數(shù)，一個(gè)模塊可以控制幾路甚至幾十路閉合回路，但這種這種模塊價(jià)格昂貴，一般用于大型復(fù)雜控制系統(tǒng)。（2）用自編的程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制。（3）使用PID功能指令，如S7-200的PID指令。實(shí)際上是用于PID控制的子程序，與模擬量輸入/

40、輸出模塊一起使用，價(jià)格便宜。我們就采用這種方法來(lái)控制。3.2.2數(shù)字PID控制原理與參數(shù)確定典型的數(shù)字PID控制系統(tǒng)如圖3.3所示，圖中SP(t是給定值PV(t為反饋量，c(f為輸出值，PID控制器的輸入輸出關(guān)系可表示為： （1）圖3.3 數(shù)字PID控制系統(tǒng)在PLC中實(shí)際的PID算法算式為： （2）輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中：、為PID的比例、積分、微分系數(shù)。確定PID參數(shù)的方法很多，然而大多數(shù)方法確定的參數(shù)控制效果不太好，并且調(diào)整耗費(fèi)時(shí)間又很大，因此本文采用基于幅值相位裕量的調(diào)整方法，具體方法如下：首先對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行繼電器和繼電器加積分實(shí)驗(yàn)，利用奈魁斯特曲線(xiàn)的和兩個(gè)頻率點(diǎn)，確定對(duì)象模型

41、為： （3）其次，設(shè)PID模型為使其零極點(diǎn)對(duì)消得到系統(tǒng)模型。這時(shí)，只要確定K值就可以確定KP、KI、KD了，而K值取決于的幅值裕度和相位裕度，從的幅相頻率特性中可以知道只要滿(mǎn)足幅值裕量或相位裕量即可，這時(shí)取其相位裕量西其相應(yīng)的穿越頻率為，則有： （4）解之得： （5）一般推薦的相位裕量為，可確定其參數(shù)為：在實(shí)際應(yīng)用中KI，可比上述確定參數(shù)略小。用上述方法得到的電阻爐數(shù)學(xué)模型為：其相應(yīng)的PID控制參數(shù)為：在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中KI取的是1.3，采樣周期取1.7S。PID回路有2個(gè)輸入量即SP(給定值和PV (過(guò)程變量。SP通常是固定值，PV則要經(jīng)過(guò)擴(kuò)展模塊經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后得到。SP與PV是實(shí)際值，由于PLC考

42、慮到系統(tǒng)的通用性，對(duì)不同系統(tǒng)的數(shù)字大小、范圍與工程單位的區(qū)別，故在PID運(yùn)算之前要將他們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化浮點(diǎn)數(shù)，即轉(zhuǎn)換為0.00.1之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)，這可通過(guò)指令運(yùn)算來(lái)完成。與之相對(duì)應(yīng)回路的輸出，要將運(yùn)算后的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)(0.00.1之間轉(zhuǎn)換成16 b的二進(jìn)制數(shù)，再通過(guò)DA轉(zhuǎn)換輸出。S7200的PID指令沒(méi)有設(shè)置控制方式，執(zhí)行PID指令時(shí)為自動(dòng)方式，不執(zhí)行PID指令時(shí)為手動(dòng)方式。PID指令如圖3.4：圖3.4 PID指令TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路的編號(hào)，PID指令有一個(gè)能流記憶位，用該位檢測(cè)到EN輸入端從0到1正跳時(shí)，指令執(zhí)行一系列操作，使PID能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)的切換8。3.2.3 系統(tǒng)中斷程序設(shè)計(jì)PID中斷程序流程如圖3.5所示，梯形圖見(jiàn)附錄B。圖3.5 PID中斷程序流程3.3 數(shù)碼顯示的程序設(shè)計(jì)對(duì)于數(shù)碼管的軟件設(shè)計(jì)主要考慮的問(wèn)題有兩個(gè)，一是數(shù)據(jù)輸出的邏輯要與硬件電路的邏輯相匹配。在使用7段譯碼指令將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成段碼時(shí)，其段碼是以正邏輯的形式出現(xiàn)，而硬件電路為負(fù)邏輯，故應(yīng)將段碼求反后以負(fù)邏輯形式存放在輸出緩沖區(qū)中。二是段碼、