萬能材料試驗機加熱保溫裝置的設計

編號：畢業(yè)設計說明書題目：萬能材料實驗機加熱保溫裝置的設計學院：機電工程學院專業(yè)：機械設計制造及其自動化學生姓名：學號：指導教師：職稱：工程師√題目類型：理論研究實驗研究工程設計工程技術研究軟件開發(fā)√2010年5月26日摘要溫度在材料進行試驗時對其機械性能、工藝性能影響非常大。目前國內的萬能材料試驗機只能在常溫下進行材料的力學性能實驗，不能滿足在不同溫度條件下研究材料的力學性能，國外有類似產品，但其價格十分昂貴。因此本文的目的就是設計一個能夠加熱和保溫的裝置。通過對有關萬能材料試驗機現(xiàn)存問題的分析，由于對溫度控制精度要求較高，而且能夠對多點溫度進行測量，并且控制過程方便簡單，可對溫度控制進行編程。所以確立了以三菱FX2N-64MR型可編程控制器（PLC）為控制核心，與FX2N-2LC溫度調節(jié)模塊相結合，在常規(guī)PID控制基礎上，進行硬件和軟件設計，實現(xiàn)對萬能材料試驗機試驗箱的溫度控制。通過溫度傳感器pt100對溫度進行巡回檢測，檢測的信號經(jīng)A/D模數(shù)轉換得到相應的數(shù)字量，溫控模塊FX2N-2LC再進行判斷和運算，得到應有的控制量，再經(jīng)過D/A數(shù)模轉換得到相應的模擬量，去控制加熱接觸器的通斷，從而達到對溫度的控制。另外利用組態(tài)軟件設計上位機控制界面，通過FX2編程口與可編程控制器進行鏈接，利用RS232定的方式進行通信，以監(jiān)視和輔助控制試驗機保溫腔的溫度。 關鍵詞：加熱保溫；PID控制；可編程控制器；FX2N-2LC溫控模塊；組態(tài)界面Abstract Itisverylargethatthetemperatureaffectsthematerialsonthemechanicalpropertiesandprocessingpropertiesinthetest.Currentlytheuniversalmaterialtestingmachinecanonlytestingthemechanicalpropertiesofmaterialsundertheroomtemperature.Itcannotmeettheconditionsofdifferenttemperaturewhichtoresearchthemechanicalpropertiesofmaterials.Therearesomesimilarproductsinabroad,butthepriceisveryexpensive.Sothisarticleisaimedatdesigningadevicetoheatingandinsulating.Becauseofthehighprecisionoftemperaturecontrol,anditisrequiredthetemperaturecontrolsystembeabletodomulti-pointtemperaturemeasurement.Eventhoughcontrollingtheprocesseasyandconvenient,andcanbeprogrammedinthetemperaturecontrolling.Throughtheanalysisoftheexistingproblemsoftheuniversalmaterialtestingmachine,soestablishingtheMitsubishiFX2N-64MRProgrammableLogicControllertypeasthecontrolcenterandcombiningwiththeFX2N-2LCwhichisatemperaturecontrolmodule.InthebasisofconventionalPIDcontrol,makinghardwareandsoftwaredesign,andachievingthetemperaturecontroloftheuniversalmaterialtestingmachine.Bytemperaturesensorpt100onthetemperatureforcircuittesting,thesignalsofthedetectionconvertthecorrespondingdigitalbyA/Danalog-digital.More,thetemperatureControlModuleFX2N-2LCjudgmentsandoperats,gettingamountofcontroltheydeserve.Further,gothroughD/Adigital-analogconvertergettingthecorrespondinganalogtocontroltheheateronorofftoachievethecontroloftemperature.Atthesametime,usingtheconfigurationsoftwaretodesignthetemperaturemonitoringandcontrollinginterfaceofthePCtomonitorandassist-controlthetemperatureofthecavityinsulationofthetestingmachinebyusingtheFX2programmingporttolinktotheProgrammableLogicControllerandRS232tocommunicateinthemanner.Keywords：heatingandinsulating;PIDcontrol;ProgrammableLogicController;FX2N-2LCtemperaturecontrolmodule;Configurationinterface目錄引言 11緒論 21.1課題來源 21.2目前溫度控制系統(tǒng) 21.3課題的設計與分析 32 控制理論 42.1閉環(huán)控制系統(tǒng) 42.2階躍響應 42.3PID控制的原理和特點 43硬件設計 73.1硬件總體結構 73.2主控模塊的選擇與設計 73.2.1PLC的選用 73.2.2PLC簡述 93.2.3PLC控制電路設計 123.3溫度控制模塊的選擇與設計 133.3.1溫控模塊的選用 133.3.2溫控模塊的簡述 133.3.3FX2N-2LC控制電路設計 204 軟件設計（1） 234.1軟件設計思想 234.2控制要求及軟元件定義 234.2.1控制參數(shù)及要求 234.2.2輸入輸出信號定義 244.2.3內部繼電器定義 244.2.4數(shù)據(jù)寄存器定義 244.3系統(tǒng)軟件組成 254.3.1溫度設定值輸入 254.3.2模塊狀態(tài)的讀出 254.3.3模塊參數(shù)的賦值 264.3.4模塊控制與報警 275 軟件設計（2） 295.1組態(tài)軟件簡述 295.2監(jiān)控主界面的設計 305.3數(shù)據(jù)報表設計 325.4報警記錄設計 356 試驗箱的設計 376.1試驗箱結構圖 376.2保溫腔結構圖 386.3窗門結構 386.4材料選用 396.5保護層 397 總結 40謝辭 41參考文獻 42附錄 43引言溫度是生活及生產中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何物理、化學過程都緊密的與溫度相聯(lián)系。溫度是科學研究過程中的常見控制參數(shù)之一，溫度控制在很多研究場合直接影響著研究成果的成敗及精度，對溫度的測量與控制具有廣泛的實際應用價值和應用前景。目前國內的萬能材料試驗機只能在常溫下進行材料的力學性能實驗，但是在做科研時，很多時候需要在不同溫度條件下研究材料的力學性能，或者研究在不同溫度條件下，材料的組織結構特點及性能等。這就需要對實驗的溫度環(huán)境進行可控性操作，使其達到所需要的溫度。目前國內尚未發(fā)現(xiàn)類似裝置，國外有類似產品，但其價格十分昂貴，實用時不能根據(jù)所需萬能材料試驗機的機型來搭配使用。因此本文的目的就是設計一個能夠加熱和保溫的裝置。本設計通過對有關萬能材料試驗機現(xiàn)存問題的分析，確立以PLC為控制核心，與FX2N-2LC溫控模塊相結合，應用PID調節(jié)原理，進行硬件和軟件設計實現(xiàn)對萬能材料試驗機溫度的控制。另外利用組態(tài)軟件設計上位機控制界面，以監(jiān)控和輔助控制試驗機保溫腔的溫度控制。本設計參考了以往溫度控制的設計經(jīng)驗，并結合試驗機的性能，簡化設計機構，并且運用GXDeveloper編程軟件、組態(tài)王6.51等軟件進行編程和操作界面的設計。本設計方案結構緊湊，溫控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，動態(tài)性能良好，可靠性高，控制效果良好。1緒論1.1課題來源萬能材料試驗機是對材料進行拉伸、壓縮、抗彎試驗，在各種條件、環(huán)境下測定金屬材料、非金屬材料、機械零件、工程結構等的機械性能、工藝性能、內部缺陷和校驗旋轉零部件動態(tài)不平衡量的精密測試儀器。廣泛應用于機械、冶金、石油、化工、建材、建工、航空航天、造船、交通運輸、等工業(yè)部門以及大專院校、科研院所的相關實驗室。對有效使用材料、改進工藝、提高產品質量、降低成本、保證產品安全可靠等都具有重要作用。材料應用在各個領域的不同條件和環(huán)境下，這就要求不同條件和環(huán)境下使用的材料的性能各有不同，即使是同種材料的要求也不一樣。溫度在材料進行試驗時對其機械性能、工藝性能影響非常大。比如，溫度對玻璃的拉伸實驗起著至關重要的作用，其穩(wěn)定性直接關系到拉伸過程中機械結構所受力的變化和拉伸速度的變化，對有機玻璃的性能起著決定性作用。目前國內的萬能材料試驗機只能在常溫下進行材料的力學性能實驗，但是由于溫度對材料組織性能的影響。這就需要對實驗的溫度環(huán)境進行可控性操作，使其達到所需要的溫度。目前國內尚未發(fā)現(xiàn)類似裝置，國外有類似產品，但其價格十分昂貴，實用時不能根據(jù)所需萬能材料試驗機的機型來搭配使用。因此本文的目的就是設計一個能夠加熱和保溫的裝置。1.2目前溫度控制系統(tǒng) 溫度是工業(yè)生產、科學研究和日常生活中常見和最基本的工藝參數(shù)之一?，F(xiàn)在，用繼電器、單片機、工控機或PLC來實現(xiàn)溫度控制的應用己經(jīng)比較普遍，無論在系統(tǒng)的整體設計上還是在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，都己經(jīng)有比較固定的模式，而且各個環(huán)節(jié)的設計技術也比較成熟，對于工程設計者而言，只要通過一段時間的鉆研，就能夠實現(xiàn)一個系統(tǒng)的控制。所以用PLC來實現(xiàn)溫度控制還是比較方便可行的。PLC控制系統(tǒng)用于工業(yè)上控制溫度比較具有優(yōu)越性，也方便大眾化操作，所以本加熱保溫系統(tǒng)采用PLC控制。溫控系統(tǒng)的分析：（1）繼電器控制系統(tǒng)控制邏輯采用硬件接線，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)等組合成控制邏輯，其連線多且復雜、體積大、功耗大，系統(tǒng)構成后，想在改變或增加功能較為困難，兼且其觸點數(shù)量有限，所以繼電器控制系統(tǒng)的靈活性和可擴展性受到很大的限制。該控制系統(tǒng)依靠機械觸點的動作實現(xiàn)控制，工作頻率低，觸點的開關動作一般在幾十毫秒數(shù)量級，且機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題。進行時間控制時，時間繼電器的延時時間易受環(huán)境溫度和濕度的影響，定時精度不過且調整時間困難。由于繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的機械觸點，連線多，觸點開閉時存在機械磨損、電弧燒傷等現(xiàn)象，觸點壽命低，所以可靠性和可維護性差。（2）微型計算機對工作環(huán)境要求高，一般要求干擾小，具有一定溫度濕度的室內使用，它具有豐富的程序設計語言，其語法復雜，要求使用者必須具有一定水平的計算機軟件硬件知識，且是通用機，功能完備，價格較高。（3）單片機一般用于弱電控制，在用單片機進行工業(yè)控制，易受環(huán)境干擾。（4）PLC采用了計算機技術，其控制邏輯是以程序的方式放在存儲器中，要改變控制邏輯只需改編程序，因而很容易改變或增加功能。plc采用控制工程的邏輯語言，以繼電器梯形圖為表達方式，形象直觀，編程操作簡單。PLC控制系統(tǒng)連線少、體積小、功耗小，而且PLC中每只繼電器的觸點數(shù)理論是無限的，因此其靈活性和可擴展性很好。還有，PLC專門為工業(yè)現(xiàn)場的自動化控制而設定，采用的是半導體技術，大量的開關動作有無觸點的半導體電路來完成，其壽命長、可靠性高，plc還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時顯示給操作人員，并動態(tài)的監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場的調試和維護提供了方便。1.3課題的設計與分析本系統(tǒng)要求設計萬能材料試驗機的加熱保溫裝置，對溫度控制精度較高，溫度控制精度要求到達±1℃，而且能夠對多點溫度進行測量，并且控制過程方便簡單，可對溫度控制進行編程。鑒于溫度系統(tǒng)本身的熱慣性與熱的大滯后性，所以系統(tǒng)的控制靈敏度要求較難控制，而且精度由于熱慣性也較難控制。本系統(tǒng)通過PID參數(shù)整定來對系統(tǒng)的響應和滯后進行調節(jié)，力求達到系統(tǒng)的性能要求。鑒于系統(tǒng)功能設計要求應該具有的體積小、成本低、功能強、抗干擾并盡可能達到更高精度的要求。本系統(tǒng)在設計方面的特點是:控制核心采用三菱FX2N-64MR型可編程控制器，溫度調節(jié)模塊FX2N-2LC相配合。應用PID調節(jié)原理，進行硬件和軟件設計實現(xiàn)對萬能材料試驗機溫度的控制。通過溫度傳感器pt100對溫度進行巡回檢測，檢測的信號經(jīng)A/D轉化得到相應的數(shù)字量，溫控模塊FX2N-2LC再進行判斷和運算，得到應有的控制量，去控制加熱接觸器的通斷，從而達到對溫度的控制。另外利用組態(tài)軟件設計上位機控制界面，以監(jiān)控和輔助控制試驗機保溫腔的溫度控制?？刂评碚撃壳肮I(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構是不一樣的。比如電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已經(jīng)很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調節(jié)器，其中PID控制器參數(shù)的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)。2.1閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loopcontrolsystem)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。當一臺電加熱器具有能連續(xù)檢查溫度是否達到目標值，并在達到目標值后能自動切斷電源，它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。2.2階躍響應階躍響應是指將一個階躍輸入（stepfunction）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應進入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差。控制系統(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一個系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應上看應該是收斂的；準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steady-stateerror)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應的快速性，通常用上升時間來定量描述。2.3PID控制的原理和特點在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。PID控制理論PID的實質就是對偏差（e值）進行比例、積分、微分運算，根據(jù)運算結果控制執(zhí)行部件的過程。它的原理框圖如圖2-1所示：圖2-1PID原理框圖（1）比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。采用P控制規(guī)律能較快的克服擾動的影響，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個理想的數(shù)值，不良的結果是雖較有效的克服擾動的影響，但有余差的出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內有余差的場合。（2）積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。（4）比例積分微分（PID）控制規(guī)律PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例基礎上引入積分，可以消除余差，在加入微分的作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合。如溫度控制、成分控制等。3硬件設計3.1硬件總體結構本系統(tǒng)硬件部分按照功能大致可以分為以下幾部分：CPU主控模塊、輸入輸出模塊、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、傳感器、執(zhí)行機構等。硬件總體結構框由下圖所示。由結構框圖可見，其中溫度控制系統(tǒng)以可編程控制器（PLC）為核心。A/D轉換、D/A轉換選用溫度調節(jié)模塊FX2N-2LC，該模塊內含有A/D轉換、D/A轉換的功能。傳感器選用Pt1OO鉑電阻，執(zhí)行機構即加熱器。輸入由外部按鈕組成，輸出為信號指示燈。顯示采用上位機直接顯示及監(jiān)控。圖3-1總體結構框架3.2主控模塊的選擇與設計3.2.1PLC的選用針對一定的用途，恰當?shù)倪x擇所使用的可編程控制器是十分重要的。對于明確的應用對象，選擇功能過少的可編程控制器，無法完成控制任務;選擇功能過強的可編程控制器，則會造成資源浪費，使產品的性能價格比下降。隨著PLC技術的發(fā)展，PLC產品的種類也越來越多。不同型號的PLC，其結構形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經(jīng)濟指標有著重要意義。PLC的選擇主要應從PLC的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。一、PLC機型的選擇PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點：1．合理的結構形式PLC主要有整體式和模塊式兩種結構形式。整體式PLC的每一個I／O點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能擴展靈活方便,在I／O點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、I／O模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般用于較復雜的控制系統(tǒng)。2．安裝方式的選擇PLC系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠程I／O式以及多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式不需要設置驅動遠程I／O硬件，系統(tǒng)反應快、成本低；遠程I／O式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠程I／O可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設驅動器和遠程I／O電源；多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型PLC，但必須要附加通訊模塊。3．相應的功能要求一般小型（低檔）PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，對于只需要開關量控制的設備都可滿足。對于以開關量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶A／D和D／A轉換單元，具有加減算術運算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強型低檔PLC。對于控制較復雜，要求實現(xiàn)PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復雜程度，選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。4．響應速度要求PLC是為工業(yè)自動化設計的通用控制器，不同檔次PLC的響應速度一般都能滿足其應用范圍內的需要。如果要跨范圍使用PLC，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應該慎重考慮PLC的響應速度，可選用具有高速I／O處理功能的PLC，或選用具有快速響應模塊和中斷輸入模塊的PLC等。5．系統(tǒng)可靠性的要求對于一般系統(tǒng)PLC的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。6．機型盡量統(tǒng)一一個企業(yè)，應盡量做到PLC的機型統(tǒng)一。主要考慮到以下三方面問題：機型統(tǒng)一，其模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理。機型統(tǒng)一，其功能和使用方法類似，有利于技術力量的培訓和技術水平的提高。機型統(tǒng)一，其外部設備通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計算機后易于形成一個多級分布式控制系統(tǒng)。二、PLC的容量包括I／O點數(shù)和用戶存儲容量兩個方面。1．I／O點數(shù)的選擇PLC平均的I／O點的價格還比較高，因此應該合理選用PLC的I／O點的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I／O點最少，但必須留有一定的裕量。通常I／O點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上10％～15％的裕量來確定。2．存儲容量的選擇用戶程序所需的存儲容量大小不僅與PLC系統(tǒng)的功能有關，而且還與功能實現(xiàn)的方法、程序編寫水平有關。一個有經(jīng)驗的程序員和一個初學者，在完成同一復雜功能時，其程序量可能相差25％之多，所以對于初學者應該在存儲容量估算時多留裕量。PLC的I／O點數(shù)的多少，在很大程序上反映了PLC系統(tǒng)的功能要求，因此可在I／O點數(shù)確定的基礎上，按下式估算存儲容量后，再加20％～30％的裕量。存儲容量（字節(jié)）＝開關量I／O點數(shù)×10＋模擬量I／O通道數(shù)×100另外，在存儲容量選擇的同時，注意對存儲器的類型的選擇。根據(jù)上面所述的原則，結合本系統(tǒng)實際情況綜合考慮，本文應用的溫度控制系統(tǒng)選用三菱公司生產的FX2N-64MR型號的PLC作為主控部件。3.2.2PLC簡述PLC即可編程控制器，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。它是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。1、PLC的特點（1）可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齊全，功能完善，適用性強PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。（3）易學易用，深受工程技術人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。（4）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。（5）體積小，重量輕，能耗低由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。2、PLC的功能（1）開關量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。（2）模擬量控制在工業(yè)生產過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。（3）運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。（4）過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。（5）數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。（6）通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3、PLC的構成從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。（1）CPU的構成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。（2）I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。（3）電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。4、PLC型號含義本文采用FX2N-64MR型可編程控制器，F(xiàn)X2n系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2n系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，為大量實際應用而開發(fā)的特殊功能開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊，以滿足不同的需要模擬I/O，高速計數(shù)器。定位控制達到16軸，脈沖串輸出或為J和K型熱電偶或Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。對每一個FX2n主單元可配置總計達8個特殊功能模。FX2N-64MR具體含義：1）：FX2N是三凌PLC中的一個系列。2）：64：表示輸入32點，輸出32點，總點數(shù)為64。另外還有16點，32點，48點，128點等。3）：M：表示基本單元，另外還有E：表示擴展單元。4）：R：表示繼電器輸出型，另外還有T：表示晶體管輸出型，S：表示可控硅輸出型。3.2.3PLC控制電路設計PLC涉及電路包括三部分內容：開關按鈕部分部分、工作狀態(tài)指示、與特殊功能模塊連接部分。其中開關主要包括啟動、復位等功能；指示燈主要包括報警和顯示部件工作狀態(tài)等功能；特殊功能模塊后面介紹。各部分具體功能如圖3-2：圖3-2PLC電路原理圖3.3溫度控制模塊的選擇與設計3.3.1溫控模塊的選用與FX2N型PLC配置的并且有可以進行溫度控制的特殊功能模塊有很多種，但大多都不具有PID自動調節(jié)功能，必須要人為的編定程序，事先確定PID三個參數(shù)，這都需要大量的工作，工作繁瑣復雜。而且在程序運行過程中幾個參數(shù)不能隨著條件和環(huán)境的變化而跟隨變化，不適應于不同的工作場合。溫度控制模塊FX2N-2LC是一個從熱電偶和鉑電阻溫度計中讀取溫度信號并進行PID輸出控制的特殊模塊。所以本系統(tǒng)選擇FX2N-2LC溫度調節(jié)模塊。3.3.2溫控模塊的簡述FX2N-2LC是與FX2N/2NC系列可編程控制器配套使用的特殊功能模塊，每個模塊配有兩個溫度輸入端口和兩個晶體管輸出端口，如圖3-3所示。FX2N-2LC可通過擴展電纜與可編程控制器（PC）基本單元連接，如圖3-2所示。FX2N-2LC作為PLC的一個特殊模塊，由距PLC基本單元最近的單元開始，自動分配特殊模塊編號0到7。一個FX2N-2LC模塊占有可編程控制器基本單元的八個I/O點。FX2N-2LC總體介紹如下：1）作為輸入傳感器，兩個熱電偶、兩個鉑電阻溫度計或一個熱電偶和一個鉑電阻溫度計均可。2）當FX2N-2LC與FX2N/2NC系列可編程控制器連接時，可用FROM/TO指令讀寫數(shù)據(jù)，F(xiàn)X2N-2LC通過執(zhí)行算術操作進行PID控制和輸出控制，不需要為PID操作編寫順序程序。3）通過電流探測（CT）功能可檢測加熱器是否未連接。4）通過自動調諧功能可方便地的設置比例系數(shù)、積分時間和微分時間。5）各通道間互相隔離。1、模塊規(guī)格的選用1.1電源規(guī)格參照附錄1。1.2性能規(guī)格項目描述控制方法兩位置控制，PID控制，PI控制控制運行周期500ms設置溫度范圍和輸入范圍相同加熱器斷線檢測根據(jù)緩沖存儲器設置進行報警檢測，變化范圍從0~100A操作方法0：測量值監(jiān)控1：測量值監(jiān)控+溫度報警2：測量值監(jiān)控+溫度報警+控制（有緩沖存儲器進行選著）自診斷功能調整值和輸入值由監(jiān)視定時器進行檢查。當檢測到異常時，晶體管輸出斷開。存儲器內置EEPROM（可重寫次數(shù)：100000次）狀態(tài)顯示POWER亮PC基本單元提供5V電源滅PC基本單元沒有提供5V電源24V亮外界提供24V電源滅外界沒有提供24V電源OUT1亮Out1輸出處于ON狀態(tài)滅Out1輸出處于OFF狀態(tài)Out2亮Out2輸出處于ON狀態(tài)滅Out2輸出處于OFF狀態(tài)1.3輸入規(guī)格項目說明溫度輸入輸入點數(shù)2點輸入類型熱電偶K，Ｊ，Ｒ，Ｓ，Ｅ，Ｔ，Ｂ，Ｎ，ＰＬＩＩ，ＷＲｅ５－２６，Ｕ，Ｌ，鉑電阻溫度計Ｐｔ１００，ＪＰｔ１００測量精度0.7%輸入范圍正負1位（當周圍溫度為23℃±5時，±0.3%輸入范圍±1位）然而，B型輸入在0到399℃（0到799℉）及PLII和WRe5-26型輸入在0到32℉測量時將超出精密保證范圍 冷接點補償溫度差±1.0℃內當輸入值為-100到-150℃時誤差為±2.0℃當輸入值為-150到-200℃時誤差為±3.0℃分辨率0.1℃(0.1℉)或1℃(1℉)（取決于使用的傳感器的輸入范圍而變化）采樣周期５００ｍｓ外部電阻效應約０．３５ｕＶ/歐輸入阻抗 1M歐或更大傳感器電流大約0.3mA允許的輸入線電阻10歐或更低 輸入斷線后的操作高刻度輸入短路后的操作低刻度CT輸入輸入點數(shù)2點電流檢測計CTL--S36-8或CTL-6-P-H由URD公司生產加熱器電流測量值使CTL-12時0.0到100.0A使用CTL-6時0.0到30.0A測量精度輸入值的±5%與2A之間的大值（不包括電流檢測計精度）采樣周期1秒1.4輸出規(guī)格項目說明輸出點數(shù)2點輸出方式NPN集電極開路型晶體管輸出額定負載電壓5到24VDC最大負載電壓30VDC或更小最大負載電流100mAOFF狀態(tài)時的漏電流0.1mA或更少ON狀態(tài)時的最大電壓降當電流為100mA時，2.5V（最大）或1.0V（標準）控制輸出周期30秒(可在1到100秒范圍內變化)2、功能介紹2.1PID控制2.1.1二階簡易PID控制PID控制是一種可獲得穩(wěn)定控制效果的控制方法，它是通過設置各常數(shù)P(比例系數(shù))、I(積分時間)、D(微分時間)來完成的。然而，在PID控制中，如果設置各個PID常數(shù)，使設置響應變好，但對干擾的響應變差。反之，如果設置各個PID常數(shù)，使對干擾響應變好，但設置響應就變差。FX2N-2LC可完成二階簡易的PID控制，采用的PID常數(shù)對于干擾具有良好響應，而且設置響應的形狀可選擇為快、中、慢。通過緩沖存儲器可完成PID常數(shù)的設置和設置響應的選擇。2.1.2防過調功能在PID控制中，當偏差長時間持續(xù)時，PID算術運算的結果會超出運算值的有效范圍(從0到100%)。這時，即使偏差變小，由于積分運算的原因，仍會需要一段時間使輸出值回到有效范圍內。所以實際校正操作將被延遲，從而發(fā)生過調/欠調情況。為了防止過調的發(fā)生，F(xiàn)X2N-2LC具配備了一種RFB(恢復反饋)限制功能。RFB限制功能把超出部分的數(shù)值反饋給積分值，使得當PID算數(shù)運算結果超出限定值(輸出限制的上、下限)時，算數(shù)運算結果被保持在限定范圍內，所以PID算術運算結果總是在有效范圍內。所以，當偏差變小時，校正操作可以被立即執(zhí)行。2.2兩位置控制當比例系數(shù)P的值設定為0.0時，F(xiàn)X2N-2LC將執(zhí)行兩位置控制。在兩位置控制中，當測量值PV大于溫度設定值SV時，控制輸出MV設定為ON，或者當測量值PV小于溫度設定值SV時，控制輸出MV設定為OFF。當設定調節(jié)靈敏度（死區(qū)）時，可防止輸出反復在溫度設定值SV的周圍ON/OFF變換。然而，如果調節(jié)靈敏度（死區(qū)）設得太大，上下波動會相應變大，如果調節(jié)靈敏度（死區(qū)）設得太小，則會出現(xiàn)因測量值小幅振蕩而導致輸出值ON/OFF變換的情況。2.3自動調諧功能2.3.1AT（自動調諧）AT（自動調諧）功能可根據(jù)設定溫度自動測量、計算，設定最佳的PID常數(shù)。當AT執(zhí)行命令（CH1:BFM#20,CH2:BFM#29）設定為1時，就將進行自動調諧。（當溫度上升或控制穩(wěn)定時，自動調諧可在打開電源后任何狀態(tài)下開始執(zhí)行。）自動調諧開始啟動時，根據(jù)設定值SV完成兩位置控制。通過兩位置控制輸出可強制振蕩，振幅和振動周期均可測量。PID常數(shù)是根據(jù)測量值計算得出的。它們被保存在各參數(shù)中，當自動調諧正常終止時，控制將依據(jù)新計算得的到的PID常數(shù)繼續(xù)實施。當執(zhí)行自動調諧時，事件（CH1:BFM#1,CH2:BFM#2）的b14被設定為1。因為是對于自動調諧，還可設定偏差值。為了通過自動調諧計算出適合的PID常數(shù)，應將輸出限制的上限設為100%，輸出限制的下限設定為0%，并使輸出變化比限制功能為0FF。（1）當以下條件滿足時，可實施自動調諧‐控制開始/停止狀態(tài)設定為：控制開始‐操作模式設定為控制：模式2‐自動/手動方式設定為：自動‐輸入值PV應為正常‐輸出限制上限和下限不應設定為同樣的值‐比例系數(shù)不應設定為0（兩位置操作）（2）當出現(xiàn)以下情況時，自動調諧將取消‐當斷線等原因導致輸入值PV異常‐當設定值SV發(fā)生變化‐當控制停止，當操作模式改變和當自動/手動模式設定為：手動‐當AT偏差設定值發(fā)生變化‐當PV偏差設定值發(fā)生變化‐當數(shù)字濾波設定值發(fā)生變化‐當輸出限制設定值發(fā)生變化‐當電源切斷‐當AT執(zhí)行指令（CH1:BFM#20,CH2:BFM#29）設定為：0（AT停止）2.3.2AT偏差值設定AT偏差值來執(zhí)行自動調諧時，測量值PV就不應超過溫度的設定值SV自動調諧功能通過溫度的設定值執(zhí)行兩位置控制，測量值振蕩，隨后計算并設置各PID常數(shù)。然而，對某些控制對象，我們不希望由于振蕩測量值而出現(xiàn)過調現(xiàn)象。這時，可設定AT偏差值，當設置定了AT偏差值時，可改變執(zhí)行自動調諧時的設定值SV（AT點）。2.4自動模式和手動模式操作模式可在“自動”和“手動”之間切換。自動模式時，控制輸出值MV是根據(jù)溫度設定值SV自動計算出來的。手動模式時，控制輸出值MV可以任意地手動設定。手動模式時，事件（CH1:BFM#1CH2:BFM#2）的b13手動模式轉換完成，變?yōu)?，提示為手動模式。操作模式改變時需要0.5秒時間，在此期間，balance-less，bump-less功能被激活。（1）自動模式自動模式時，測量值PV與溫度設定值SV進行比較，而控制輸出值MV是由PID的算術運算得出的。這種模式在FX2N-2LC出廠時被選用。自動模式時，手動輸出值總是被設定為輸出值MV。（2）手動模式手動模式時，輸出值MV被固定為一個常數(shù)。通過改變手動輸出（BFM#19,BFM#28）輸出值可被固定為一個任意數(shù)值。當事件（CH1:BFM#1,CH2:BFM#2）的b13為1時，（也就是選擇手動模式時），手動輸出值可以改變。即使在手動模式時，溫度報警功能還是有效的。2.5加熱器斷線檢測功能加熱器斷線檢測功能使用電流檢測器(CT)檢測負載中的電流強度，它把檢測到的值（加熱器電流測量值）與加熱器斷線報警電流設定值進行比較，當測量值比加熱器斷線報警電流設定值大或小時，就開始報警。加熱器電流可用緩沖存儲器（BFM#7,BFM#8）來測定。報警操作在以下情況下，加熱器斷線報警功能將發(fā)出報警。（1）加熱器中無電流時由于加熱器斷線或操作機器有錯誤等引起。當參考加熱器電流值等于或小于加熱器斷線報警時的設定電流值時，且控制輸出為ON時，就會發(fā)生報警。但是，如果控制輸出ON時間為0.5秒或更少時，加熱器斷線報警不會發(fā)生。（2）加熱器電流沒有切斷時由于一個熔斷繼電器而產生。當參考加熱器電流值大于加熱器斷線報警時的電流設定值，且控制輸出為OFF時，就會發(fā)生報警。但如果控制輸出OFF時間為0.5秒或更少時，則不會發(fā)生報警。2.6回路中斷報警功能（LBA）當輸出超過100%（或輸出限制上限）或不到0%（或輸出限制下限）時，回路中斷報警功能就開始檢測測量值PV的變化情況，當判斷到回路中出現(xiàn)異常情況時，就把回路中斷報警(CH1:BFM#1b8,CH2:BFM#2b8)設為ON。3、緩沖存儲器FX2N-2LC的各個設定和報警都通過緩沖存儲器（BFM）從PLC基本單元寫入或讀出，每個緩沖存儲器（BFM）由16位（一個字）組成,并且使用16位形式的FROM/TO指令進行讀寫。正確選擇和設定緩沖存儲器，可以大量的減少設計工作量，并且有利于功能的實現(xiàn)。各個緩沖存儲器的功能參見附錄2。部分緩沖存儲器的各位所表示的功能參見附錄3-附錄5。4、BFM#72到BFM#75報警模式設置FX2N-2LC具有14種報警模式其中最多四種報警可根據(jù)應用來使用將報警1中使用的報警序號寫入BFM#72中將報警2中使用的報警序號寫入BFM#73中將報警3中使用的報警序號寫入BFM#74中將報警4中使用的報警序號寫入BFM#75中這里設置的報警模式可在兩個通道中使用，但是各通道可以設置自己的報警設定值，對于各通道也能得到報警結果。CH1設定值選用BFM#13到BFM#16四個存儲器；CH2設定值選用BFM#22到BFM#25四個存儲器。CH1報警結果放在BFM#1中的b4到b8位中；CH2報警結果放在BFM#2中的b4到b8位。報警序號的報警模式參見附錄6。3.3.3FX2N-2LC控制電路設計FX2N-2LC溫控部分電路如圖3-3和圖3-4。本系統(tǒng)選用鉑電阻溫度計作為溫度檢測部分。OUT1、OUT2為兩路輸出，接固態(tài)繼電器，控制固態(tài)繼電器的通斷，已達到控制加熱器的工作。加熱器外接220V交流電源，通過固態(tài)繼電器與溫控模塊的輸出口相接。溫度檢測輸入端TC+和TC-直接與溫度傳感器相接，這里的溫度傳感器須采用三線制并且?guī)в衅帘坞娎|的，這樣可以減少和防止外部信號的干擾，減少誤差，提高測量的精度。CT電流檢測輸入端用來檢測加熱器的電流，以監(jiān)控加熱器的工作狀態(tài)。當加熱器出現(xiàn)故障時，就可以很好的知道那部分出了問題，以及時檢修和維護。（1）當溫度傳感器為一個熱電偶時（TC）圖3-3FX2N-2LC控制電路原理（熱電偶）（2）當溫度傳感器為鉑電阻溫度計時圖3-4（鉑電阻）*將FX2N-2LC的接地端與PLC的接地端進行第3類接地。注意：1、當使用熱電偶時要采用特殊的補償導線。2、當使用電阻型溫度計時要采用三相式接線應使用電阻值小且三相間電阻值相同的電阻3、接線端扭矩為0.5到0.8N·m軟件設計（1）在PLC測控系統(tǒng)中，軟件與硬件同樣重要。硬件是系統(tǒng)的軀體，軟件則是靈魂，當系統(tǒng)的硬件電路設計好之后，系統(tǒng)的主要功能還是要靠軟件來實現(xiàn)，而且軟件的設計在很大程度上決定了測控系統(tǒng)的性能。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時一般要符合以下基本要求:(l)易理解性、易維護性要達到易理解和易維護等指標，在軟件的設計方法中，結構化設計是最好的一種設計方法，這種設計方法是由整體到局部，然后再由局部到細節(jié)，先考慮整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，確定整體目標，然后把這個目標分成一個個的任務，任務中可以分成若干個子任務，這樣逐層細分，逐個實現(xiàn);(2)實時性實時性是電子測量系統(tǒng)的普遍要求，即要求系統(tǒng)及時響應外部事件的發(fā)生，并及時給出處理結果。近年來，由于硬件的集成度與運算速度的提高，配合相應的軟件，實時性比較容易滿足設計要求;(3)準確性準確性對整個系統(tǒng)具有重要意義，尤其是測量系統(tǒng)，系統(tǒng)要進行一定量的運算，算法的正確性和準確性對結果有著直接的影響，因此在算法的選擇、計算的精度等方面都要符合設計的要求;(4)可靠性可靠性是系統(tǒng)軟件最重要的指標之一，作為能夠穩(wěn)定運行的系統(tǒng)，抗干擾技術的應用是必不可少的，最起碼的要求是在軟件受到干擾出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)還能恢復正常工作。4.1軟件設計思想對于PLC系統(tǒng)軟件設計，首先要確定系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能，再根據(jù)所要求的功能具體確定控制參數(shù)，再確定各輸入輸出口及軟元件，定義所需內部繼電器和數(shù)據(jù)寄存器。整個系統(tǒng)的軟件設計可以分成幾個子模塊分別進行設計。這樣不但提高了編程的效率而且也為編程完成的時候減少了調試的工作量，因此，本系統(tǒng)采用了這種分散的方法進行編制程序。4.2控制要求及軟元件定義4.2.1控制參數(shù)及要求溫度傳感器：pt100（BFM#70/#71位41）；溫度范圍：0~500℃，溫度單位為1℃；報警設定：偏差過大（+30）與過小（-30）報警；上升速度：中速；操作方式：溫度自動控制方式；控制輸出周期：30s；加熱選擇：反向選擇；回路中段判定時間：480s；溫度設定：外部設定（操作界面設定參數(shù)）；溫度到達信號檢測范圍：正負3℃；4.2.2輸入輸出信號定義X0：模塊初始化控制信號，x0為1，進行模塊參數(shù)BFM#10-#81的初始化；X1：錯誤復位信號，x1為1，進行模塊錯誤復位；X2：控制on/of信號，x2為1，模塊的溫度自動調整啟動；X3：通道1自動調諧啟動信號，x3為1，啟動通道1的自動調諧；X4：通道2自動調諧啟動信號，x4為1，啟動通道2的自動調諧；Y0：模塊報警指示燈亮；Y1：通道1斷線指示燈亮：Y2：通道2斷線指示燈亮；4.2.3內部繼電器定義M0-M15：模塊工作狀態(tài)存儲；M20-M35：通道1工作狀態(tài)存儲；M40-M55：通道2工作狀態(tài)存儲；4.2.4數(shù)據(jù)寄存器定義D250、D251：溫度設定值（中間變量）；D100、D101：溫度測量值（中間變量）；D105、D106：溫度控制輸出值（中間變量）；D0、D1：通道1、2溫度設定值；D3、D4：通道1、2溫度測量值；D5、D6：通道1、2溫度控制輸出值；D33、D34、D35：通道1的P、I、D輸出值；D52、D53、D53：通道2的P、I、D輸出值；D82:設定值錯誤地址；4.3系統(tǒng)軟件組成根據(jù)溫度控制的要求，本溫控系統(tǒng)可以分為以下幾部分4.3.1溫度設定值輸入溫度設定值以1℃為單位，可以根據(jù)要求直接通過PLC的mov指令寫入數(shù)據(jù)寄存器D0、D1，然后利用TO指令寫入通道1、2即可，程序如下LDM8002MULD250K10D251;設定溫度*10放在數(shù)據(jù)寄存器D251MOVD251D0MOVD251D1LDM8000TOK0K12D0K1；通道1、2設定值寫入模TOK0K21D1K1塊存儲器BFM#12、BFM#214.3.2模塊狀態(tài)的讀出模塊狀態(tài)的閱讀，只需利用from指令將模塊存儲器的對應參數(shù)閱讀到指定的數(shù)據(jù)寄存器即可，（1）指令格式FromM1M2[D.]nK、H（m1=0~7）K、H（m2=0~32767）KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、ZK、H（n=1~32767）（2）指令說明該指令為特殊功能模塊緩沖存儲器數(shù)據(jù)讀出指令。當執(zhí)行條件滿足時，通過from指令將編號為m1的特殊功能模塊從模塊緩沖存儲器編號為m2開始的n個數(shù)據(jù)讀入PLC，并存入[D.]指定元件中的n各數(shù)據(jù)寄存器中。M1表示特殊功能模塊號M2表示緩沖寄存器號N表示帶傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)接在FX2N基本單元右邊擴展總線上的功能模塊，從最接近基本單元的那個開始，順序編號為0~7（3）程序如下LDM8000FROMK0K0K4M0K1；模塊工作狀態(tài)讀入M0—M15FROMK0K1K4M20K1；通道1工作狀態(tài)讀入M20—M35FROMK0K2K4M40K1；通道2工作狀態(tài)讀入M40—M55FROMK0K3D3K1；通道1、2檢測溫度讀入D3、D4FROMK0K4D4K1MEAND3D100K2；D3、D4的平均值寫入D100DIVD100K10D101；D100除以10放入D101FROMK0K5D5K1；通道1、2的控制輸出讀入D5、D6，再除以DIVD5K10D10510寫入D105、D106FROMK0K6D6K1DIVD6K10D106FROMK0K52D52K3；通道2的PID參數(shù)讀入D52、D53、D54FROMK0K33D33K3；通道1的PID參數(shù)讀入D33、D34、D35FROMK0K82D82K1；出錯參數(shù)號讀入D824.3.3模塊參數(shù)的賦值模塊參數(shù)的賦值，只需利用to指令將要求的控制參數(shù)寫入對應的模塊存儲器即可指令格式ToM1M2[S.]nK、H（m1=0~7）K、H（m2=0~31）KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、ZK、H（n=1~32）指令說明該指令為PLC向特殊功能模塊緩沖器BFM寫入數(shù)據(jù)的指令。當條件滿足時，將PLC中指定的傳送源數(shù)據(jù)送至特殊功能模塊中指定的BFM號中，傳送字數(shù)在指令中給定。M1表示特殊功能模塊號M2表示緩沖器首元件號N表示待傳送數(shù)據(jù)的字數(shù)（3）程序如下LDM15TOK0K13K30K1；通道1、2的上限偏差為3度TOK0K22K30K1TOK0K14K-30K1；通道1、2的下限偏差為-3度TOK0K23K-30K1TOK0K32K2K1；設定通道1、2的工作方式是自動TOK0K51K2K1TOK0K36K2K1；設定通道1、2的上升時間為快TOK0K55K2K1TOK0K46K1K1；設定通道1、2的加熱方式為正向TOK0K65K1K1TOK0K47K5000K1；設定通道1、2的上限溫度為500度TOK0K66K5000K1TOK0K48K0K1；設定通道1、2的下限溫度為0度TOK0K67K0K1TOK0K50K100K1；設定通道1、2的檢測死區(qū)為±10度TOK0K69K100K1TOK0K70K41K1；設定通道1、2的傳感器類型為pt100TOK0K71K41K1TOK0K72K12K1；設定通道1、2的溫度報警1功能TOK0K73K13K1；設定通道1、2的溫度報警2功能TOK0K79K3K1；設定通道1、2的溫度到達檢測范圍4.3.4模塊控制與報警模塊控制，只需利用to指令將要求的控制命令寫入對應的模塊存儲器即可，報警只需利用邏輯指令將模塊的報警狀態(tài)進行輸出即可，程序如下LDIX000TOK0K9K0K1LDX000TOK0K9K1K1；X000為1，啟動模塊初始化LDIX001TOK0K10K0K1LDX001TOK0K10K1K1；X001為1，進行錯誤復位LDIX002TOK0K11K0K1LDX002TOK0K11K1K1；X002為1，啟動模塊LDM15；M15為1，啟動自動方式TOK0K18K0K1TOK0K27K0K1LDIM34；M34為0，關閉通道1的自動調諧功能TOK0K20K0K1LDIM54；M54為0，關閉通道2的自動調諧功能TOK0K29K0K1LDX003 ；X003為1，啟動通道1的自動調諧功能TOK0K20K1K1LDX004；X004為1，啟動通道2的自動調諧功能TOK0K29K1K1LDM0；M0為1，模塊報警指示燈亮OUTY000LDM28；M28為1，通道1斷線指示燈亮OUTY001LDM48；M48為1，通道2斷線指示燈亮OUTY002軟件設計（2）PLC測控系統(tǒng)軟件的設計用來實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度控制功能，但只有控制部分而沒有監(jiān)控部分，這就不能很好的對控制過程進行實時的監(jiān)視和控制。本部分就是針對溫控過程中系統(tǒng)能夠進行實時監(jiān)控而進行設計的。這里主要是利用組態(tài)軟件設計監(jiān)控界面。通過該界面可以實時的觀察溫控過程溫度變化的狀態(tài)和各種事件的狀態(tài)。5.1組態(tài)軟件簡述本系統(tǒng)采用組態(tài)王6.51版本類型。組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。1、組態(tài)王的特點它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。2、組態(tài)王的使用一、使用組態(tài)王實現(xiàn)控制系統(tǒng)實驗仿真的基本方法：(1)圖形界面的設計(2)構造數(shù)據(jù)庫(3)建立動畫連接(4)運行和調試二、使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下幾個特點:(1)實驗全部用軟件來實現(xiàn),只需利用現(xiàn)有的計算機就可完成自動控制系統(tǒng)課程的實驗,從而大大減少購置儀器的經(jīng)費。(2)該系統(tǒng)是中文界面,具有人機界面友好、結果可視化的優(yōu)點。對用戶而言,操作簡單易學且編程簡單,參數(shù)輸入與修改靈活,具有多次或重復仿真運行的控制能力,可以實時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實時趨勢曲線,這些很強的交互能力使其在自動控制系統(tǒng)的實驗中可以發(fā)揮理想的效果。三、在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制應用程序過程中要考慮以下三個方面:(1)圖形,是怎樣用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應的工控設備。(2)數(shù)據(jù),就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性,比如溫度、流量等。(3)連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。5.2監(jiān)控主界面的設計該界面主要包括溫度監(jiān)視曲線圖和柱狀圖、模擬溫控箱、參數(shù)監(jiān)視、操作按鈕等部分。具體如圖5-1。圖5-1監(jiān)控界面1、該主畫面中控制動作的命令語言為：時間偏移量=時間偏移量+1;if(start==1){電機工作狀態(tài)=start;時間偏移量1=時間偏移量1+1;xyAddNewPoint("tru",時間偏移量1,設定溫度,0);xyAddNewPoint("tru",時間偏移量,實時溫度,1);if(時間偏移量>=3){時間偏移量1=時間偏移量1+100;xyAddNewPoint("tru",時間偏移量1,設定溫度,0);xyAddNewPoint("tru",時間偏移量,實時溫度,1);}chartSetValue("溫度棒圖",0,設定溫度);chartSetValue("溫度棒圖",1,實時溫度);}else{電機工作狀態(tài)=0;}2、按鈕屬性（1）溫度設定按鈕：命令語言鏈接中選擇按下時的命令語言為ShowPicture("參數(shù)設定");（2）報警記錄按鈕：命令語言鏈接中選擇按下時的命令語言為ShowPicture("報警記錄");（3）數(shù)據(jù)報表按鈕：命令語言鏈接中選擇按下時的命令語言為ShowPicture("數(shù)據(jù)報表");（4）退出按鈕：命令語言鏈接中選擇按下時的命令語言為Exit(0);（5）啟動按鈕：命令語言鏈接中選擇按下時的命令語言為start=1;（6）停止按鈕：命令語言鏈接中選擇按下時的命令語言為start=03、圖件屬性通風管道和加熱棒（圖中兩紅點）采用閃爍功能，與start變量鏈接，其工作狀態(tài)隨start的變化而變。電動機的啟停動作屬離散型與start變量鏈接，其工作狀態(tài)隨start的變化而變。加熱保溫腔內部采用填充屬性功能，與實時溫度鏈接，隨著實時溫度的變化其填充的顏色也隨著發(fā)生變化。參數(shù)表中，各個變量直接與PLC中的相應的數(shù)據(jù)寄存器（中間變量）相鏈接，實時采集數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)。5.3數(shù)據(jù)報表設計數(shù)據(jù)報表是反應生產過程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，并對數(shù)據(jù)進行記錄的一種重要形式。是生產過程必不可少的一個部分。它既能反映系統(tǒng)實時的生產情況，也能對長期的生產過程進行統(tǒng)計、分析，使管理人員能夠實時掌握和分析生產情況。組態(tài)王提供內嵌式報表系統(tǒng)，工程人員可以任意設置報表格式，對報表進行組態(tài)。組態(tài)王為工程人員提供了豐富的報表函數(shù)，實現(xiàn)各種運算、數(shù)據(jù)轉換、統(tǒng)計分析、報表打印等。既可以制作實時報表，也可以制作歷史報表。本系統(tǒng)的報表如圖5-2所示圖5-2數(shù)據(jù)報表其中數(shù)據(jù)查詢按鈕按下時的命令語言為ReportSetHistData2();退出按鈕按下時的命令語言為ClosePicture("數(shù)據(jù)報表");ShowPicture("主畫面");1、實時數(shù)據(jù)報表屬性設置：圖5-3實時數(shù)據(jù)報表主要是來顯示系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)。除了在表格中實時顯示變量的值外，報表還可以按照單元格中設置的函數(shù)、公式等實時刷新單元格中的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用單元格中直接引用變量的方法來顯示實時數(shù)據(jù)。 在報表的單元格中直接輸入“=變量名”，既可在運行時在該單元格中顯示該變量的數(shù)值，當變量的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，單元格中顯示的數(shù)值也會被實時刷新。如圖所示，例如在單元格“C5”中要實時顯示當前溫度，在“C5”單元格中直接輸入“=\\本站點\實時溫度”，切換到運行系統(tǒng)后，該單元格中便會實時顯示實時溫度。2、歷史數(shù)據(jù)報表屬性設置： 歷史報表記錄了以往的生產記錄數(shù)據(jù)，對用戶來說是非常重要的。本系統(tǒng)使用歷史數(shù)據(jù)查詢函數(shù)的方法來顯示歷史數(shù)據(jù)。使用歷史數(shù)據(jù)查詢函數(shù)從組態(tài)王記錄的歷史庫中按指定的起始時間和時間間隔查詢指定變量的數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)查詢函數(shù)用ReportSetHistData2();ReportSetHistData2()的使用方法：ReportSetHistData2(StartRow,StartCol);函數(shù)參數(shù)：StartRow：指定數(shù)據(jù)查詢后，在報表中開始填充數(shù)據(jù)的起始行StartCol：指定數(shù)據(jù)查詢后，在報表中開始填充數(shù)據(jù)的起始列這兩個參數(shù)可以省略不寫（應同時省略），省略時默認值都為1。函數(shù)功能：使用該函數(shù)，不需要任何參數(shù)，系統(tǒng)會自動彈出歷史數(shù)據(jù)查詢對話框，如下圖所示:圖5-4該對話框共有三個屬性頁，用于定義歷史數(shù)據(jù)查詢的參數(shù)，分別介紹如下：“報表屬性”屬性頁：報表名稱：報表名稱列表框中列出當前畫面中所有報表的名稱，用戶通過單擊列表框向下箭頭后彈出的下拉表選擇執(zhí)行查詢后的數(shù)據(jù)填充的報表名稱。單元格屬性：選擇查詢后的數(shù)據(jù)在報表中填充開始的位置，輸入起始行數(shù)、列數(shù)。排列屬性：確定數(shù)據(jù)在報表中的填充方向：橫向填充、豎向填充。列屬性：有兩個選項：“顯示日期”、“顯示時間”。當用戶需要在查詢數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報表中同時顯示數(shù)據(jù)被采集的日期和時間時，可以選擇該項，或按實際需要任選一項?！皶r間屬性”屬性頁：設置數(shù)據(jù)查詢的時間屬性。如圖5-5所示:圖5-5起始時間：定義所查詢的歷史數(shù)據(jù)的起始點時間，包括起始日期和起始時間。終止時間：定義所查詢的歷史數(shù)據(jù)的截止點時間，包括終止日期和終止時間。時間間隔：定義查詢歷史數(shù)據(jù)時，查詢的數(shù)據(jù)點間的時間間隔?？芍苯虞斎耄蛲ㄟ^增加、減少按鈕修改?！白兞繉傩浴睂傩皂摚憾x所要查詢的變量。如圖5-6所示。圖5-6“記錄的變量”：該列表框中列出了當前工程中所有定義了數(shù)據(jù)歷史記錄的變量，變量顯示支持變量組方式，方便使用?！斑x擇的變量”：該列表框將顯示用戶選擇的需要進行歷史數(shù)據(jù)查詢的變量。變量選擇箭頭：—>：在“記錄的變量”列表框中選擇一個變量，單擊此按鈕，將選擇的變量加入到右側的“選擇的變量”