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1、 科目：综合控制系统 题目：温度控制系统课程设计 姓 名：LC 学 号：系 别：班 级：完成时间：华南理工大学广州学院电子信息工程学院 1 目 录 前言.1 第一章 系统总体方案.2 第二章 系统硬件设计.3 2.1 PLC 选择.3 2.1.1 FX2N-48MR-001PLC.3 2.1.2 FX2N-2AD 特殊功能模块.4 2.1.3 FX2N-2DA特殊功能模块 4 2.2 硬件电路设计.5 2.2.1 温度值给定电路.6 2.2.2 温度检测电路.9 2.2.3 过零检测电路.10 2.2.4 晶闸管电功率控制电路.11 2.2.5 脉冲输出通道.13 2.2.6 报警指示电路.1
2、3 2.2.7 复位电路.14 第三章 系统软件设计.14 3.1 编程与通信软件的使用.14 3.2 程序设计.16 3.3 系统程序流程图.16 3.4 控制系统控制程序的开发.17 3.4.1 温度设计.17 3.4.2 A/D 转换功能模块.18 3.4.3 标度变换程序.19 3.4.4 恒温控制程序（PID)设计.19 3.4.5 数字触发器程序设计.22 3.4.6 显示程序.25 3.4.7 恒温指示程序.25 3.4.8 报警程序.25 第四章 总结与展望.26 4.1 总结.26 4.2 展望.27 参考文献.28 附录：系统程序（梯形图）.29 2 前 言 随着时代的发展
3、,当今的技术日趋完善，竞争也愈演愈烈;传统的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要求和提升高新技术企业的形象。在生产实践中,自动化给人们带来了极大的便利和产品质量上的保证,同时也减轻了人员的劳动强度,减少了人员上的编制。在许多复杂的生产过程中难以实现的目标控制、整体优化、最佳决策等,熟练的操作工、技术人员或专家、管理者却能够容易判断和操作,可以获得满意的效果。人工智能的研究目标正是利用计算机来实现、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,为解决十分复杂的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
4、用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、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，控制各种类型的机械或生产过程。在工业生产过程中，加热管温度控制是十分常见的。温度控制的传统方法是人工仪表控制。其重复性差，工艺要求难以保证，人工劳动强度大。目前大多数使用微机代替常规控制。以微机为核心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为核心的控制系统，虽然成本较高，但 PLC 本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单得多。所以，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、重复
5、性好、自动化程度高，可以大大提高产品质量和减轻工人的劳动负担。本文介绍了以PLC 为核心实现 PID 算法的温度控制系统的设计方法。3 第一章 系统总体方案 根据设计任务和要求，采用常规 PID 控制的温度控制系统结构如图 1-1所示。图 1-1 常规 PID 温度控制系统的结构 对应图 1-1 的系统结构，确定总体设计方案如图 1-2 所示：图 1-2 总体设计方案 该总体方案主要由以下几个部分组成（1）触摸屏：主要功能是设定和显示相应的温度值，以及停止和开始功能。（2）PLC：主要完成 PID 调节功能以及数据变换。（3）测温电路和 A/D 模块：主要功能是 0-10V温度测量信号经FX2
6、N-A/D转换成数字信号输入 PLC 处理。（4）输出调节电路：主要功能是把 PLC 处理运算发出的控制信号，经FX2N-D/A 转换 0-10V 模拟信号，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，4 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 Q0与实际加热管温度 Q 的偏差 e（k）按积分分离 PID 控制算法，得到输出控制量 u（k），控制晶闸管导通时间，调节加热管温度的变化使之与给定恒温值一致，达到恒温控制目的。当达到恒温值
7、、输入错误或系统发生故障时，系统发出报警信号，同时用 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 2.1 PLC 选择 根据设计方案的分析，系统设计需要使用 A/D 转换器和 D/A 转换器来完成温度采样。在课程学习中，我们学习了三菱的 FX 系列 PLC，因此，选择三菱 FX3U（基本 I/O 点数为 24）和 FX2N-2AD 特殊功能模块。2.1.1 FX3U PLC FX3U 系列 PLC 是 FX 系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。它由基本单元、扩展单元、扩展模块等构成。用户存储器容量可扩展到 16K 步。I/O 点最大
8、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很多大型 PLC。三菱 FX3U PLC，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 4864,内附 8000步 RAM。其内部资源如下：（1）输入继电器 X（X0X27，24 点，八进制）（2）输出继电器 Y（Y0Y27，24 点，八进制）（3）辅助继电器 M（M0M8255）通用辅助继电器（M0M499）（4）状态继电器（S0S999）（5）定时器 T（T0T255）（T0T245 为常规定时器）（6）计数器 C（C0C255）（7）指针（P/I）见表 2-1 和表 2-2（8）数据寄存
9、器 D（D0D8255）（D0D199 为通用型）表 2-1 定时器中断标号指针表 输入编号 中断周期（ms）中断禁止特殊辅助继电器 I6XX 在指针名称的 XX 部分中，输入 1099 的整数。I610 为每10ms 执行一次定时器中断 M8056 I7XX M8057 I8XX M8058 5 表 2-2 输入中断标号指针表 输入编号 指针编号 中断禁止特殊辅助继电器 上升中断 下降中断 X0 I001 I000 M8050 X1 I101 I100 M8051 X2 I201 I200 M8052 X3 I301 I300 M8053 X4 I401 I400 M8054 X5 I501
10、 I500 M8055 注：M8050M8058=“0”表允许；M8050M8058=“1”表禁止。2.1.2 FX2N-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，其分辨率为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 模拟量输入范围 DC：0+10V（输入电阻200K）绝 对 最 大 输 入：-0.5V,+15V DC：4+20mA（输入电阻250）绝对最大输入：-2mA,+60mA 数字输出 12位二进制 分辨率 2.5m
11、V(10V/4000)1.25mV(5V/4000)4A(20mA/4000)总体精度 1%（满量程010V）1%（满量程420mA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指令完成。同时在编程过程中重点用到了BFM数据缓冲存储器，具体分布情况如表2-4所示。表2-4 FX2N-2AD缓冲存储器的功能及分配 BFM 编号 内容 b15-b8 b7-b4 b3 b2 b1 b0 6#0 保留 输入数据的当前值（低8位）#1 保留 输入数据的当前值（高4位）#2-#16 保留#17 保留 模拟到数字转换开始 模拟到数字转换通道#18 保留
12、 BFM 说明：1）BFM#0：存储由 BFM#17 指定通道的输入数据当前值低 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当前值高 4 位数据，当 前值数据以二进制存储。3）BFM#17：b0：指定由模拟到数字转换的通道（CH1,CH2）。b0=0 指定 CH1 b0=1 指定 CH2 b1:由 01 时 A/D 转换过程开始 2.1.3 FX2N-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，其分辨率为12位。其模拟量输出性能
13、如表2-3所示。表 2-3 模拟量输出性能表 项 目 电压输出 电流输出 模拟量输入范围 DC：0+10V（输入电阻200K）绝 对 最 大 输 入：-0.5V,+15V DC：4+20mA（输入电阻250）绝对最大输入：-2mA,+60mA 数字输出 12位二进制 分辨率 2.5mV(10V/4000)1.25mV(5V/4000)4A(20mA/4000)总体精度 1%（满量程010V）1%（满量程420mA范围）转换速度 2.5ms/通道（与顺空程序同步动作）7 所有数据转换和参数设置的调整可通过FROM/TO指令完成。同时在编程过程中重点用到了BFM数据缓冲存储器，具体分布情况如表2-
14、4所示。表2-4 FX2N-2DA缓冲存储器的功能及分配 BFM 编号 内容 b15-b8 b7-b4 b3 b2 b1 b0#0 保留 输入数据的当前值（低8位）#1 保留 输入数据的当前值（高4位）#2-#16 保留#17 保留 模拟到数字转换开始 模拟到数字转换通道#18 保留 BFM 说明：4）BFM#0：存储由 BFM#17 指定通道的输入数据当前值低 8 位数据，当 前值数据以二进制存储。5）BFM#1：存储由 BFM#17 指定通道的输入数据当前值高 4 位数据，当 前值数据以二进制存储。6）BFM#17：b0：指定由模拟到数字转换的通道（CH1,CH2）。b0=0 指定 CH1
15、 b0=1 指定 CH2 b1:由 01 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 为了能同时使用触摸屏和开关按键实现温度给定值输入，触摸屏程序利用 GT Designer3 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，作为温度给定值的输入端口，接收十进制数（触摸屏程序和开关按键电路分别如下图所示）。给定值范围为 0100，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）：8 触摸屏启动控制：（左图第一个方形图形）触摸屏
16、停止控制：（左图第二个方形图形）9 触摸屏指示灯指示：恒温完成指示信号（Y0004）1 0 当前温度大于给定温度（Y0005）给定温度超出范围报警（Y0006）按键设计电路如图 2-1 所示：SB1 为温度值输入允许，SB2SB11 分别表示十进制数 09。先按下温度值给定允许开关 SB1，然后再输入给定温度值，先按下的数字为高位上的数值，后按下的数字为低位上的数值。比如，先后按下开关 SB5、SB2 和 SB2，则表示给定温度值为 300，并送PLC 数据寄存器保存。2.2.2 温度检测电路 温度检测是温度控制系统的一个很重要的环节，直接关系到系统性能。在 PLC 温度控制系统中，温度的检测
17、不仅要完成温度到模拟电压量的转换还要将电压转换为数字量送 PLC。其一般结构如图 2-2 所示。图 2-2 温度检测基本结构 温度变送器将测温点的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 转换要求的电压值。然后送 PLC 的 A/D 转换模块进行A/D 转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿，得到测温点的实际温度值。本系统利用热电偶完成加热管温度检测（热端检测加热管温度，冷端置于 0温度中）、FX2N-2AD 模块一个通道实现 A/D 转换。加热管温度检 温度变送器 1 1 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组成。其电路
18、如图 2-3 所示。热电偶和放大器原理及参数详见附录二。图 2-3 加热管温度检测与放大电路 图中，R1、C1 完成低通滤波，R2、RP、2CW51 组成零点迁移电路，加热管温度检测元件采用镍铬镍铝热电偶，分度号为 EU-2，查分度表可得，当温度为 0100时，输出电势iu为 04.095mV。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0u为)(2.11)(55621210uuuuKKu 式中，2u为零点迁移值。根据设计要求，给定温度值为 0100，本系统选取测温范围为 0100，将 0作为测温起点（零点）。调整多圈
19、电位器RP，使2u=50*11.2=560mV，当加热管温度为 0时，iu=0mV，1u=560mV，于是0u=0。经零点迁移后,加热管温度为 0100时，iu=04.095mV，0u=09.94V，A/D 转换后的数字量为 04000。2.2.3 过零检测电路 按设计要求，要求过零检测电路在每个电源周期开始时产生一个脉冲，作为触发器的同步信号，其设计电路如图 2-4（a）所示。1 2 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 LM
20、339 输入保护。电路的工作波形如图 2-4（b）所示。图 2-4（b）过零检测电路的工作波形图 2.2.4 晶闸管电功率控制电路 晶闸管是晶体闸流管的简称，也叫可控硅。它是一种半控型器件，是一种可以利用控制信号控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。它的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。也即说，若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加反向电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近零的某一数值以下。晶闸管控制电热元件消耗的电能有两种方法，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，
21、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。1 3 图 2-5 电功率控制电路 这种控制方法的原理是：各晶闸管的触发角恒为 0，使得一个周期内电源均加在电热元件上，通过控制一个控制周期内晶闸管导通周波数，就可控制电热元件消耗的电能。根据电热炉的数字模型可知，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晶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=maxn/maxtu 为比例系数（约为 1），maxn为一个控
22、制周期内的电源周波数，温度偏差不同，则 u（k）、n 不同，电热炉消耗的电能亦不同，达到了根据温度偏差调节输入电能，保证炉温按要求变化的目的。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，晶闸管元件流过反向电流，接近终止时，tidd很大，它与线路电感共同作用产生的电压 L*tidd可能损坏晶闸管，必须采取保护措施，在晶闸管两端并联阻容吸收装置。设计电路中的元器件的选择如下：（1）R 和 C 的选择 阻容吸收装置的参数按晶闸管 ITN 根据经验值选取为：R=80 C=0.15F 电容 C 的交流耐压为：VUUmCN46722205.15.1 电阻
23、 R 的功率应满足：WXRRUPCR086.0)1015.0314/1(808022010*102622222 实选电容 0.15F/630V 一只，电阻 80/0.5W 一只。（2）快速熔断器 FU 的选择 快速熔断器是专门用来保护晶闸管的，其熔体电流FUI按下式选取：1 4 TNFUII57.165 式中，5/6 为修正参数，为保证可靠与选用方便，一般取TNFUII。实选熔体额定电流为 20A 的 RLS-50 螺旋式快速熔断器二只，分别与二只晶闸管串联，其额定电压为 500V。（3）晶闸管的选择 电阻炉的额定功率为 4KW，电源电压为 220V，故负载电流 IL=18.2A。由于每个晶闸
24、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 9.1A。关断时，承受正反向峰值电压为V2220，考虑到晶闸管的过载能力小及环境温度的变化等因素，晶闸管的额定电流TNI应为：AIILTN2.187.132/)25.1(额定电压TNU应为：VUTN9336222220)32(根据以上计算，主回路的二只晶闸管选择为 KP20-10(参数为：20A，1KV，0.1A，3V)2.2.5 脉冲输出通道 由于 PLC 有很强的抗干扰性和可靠性，且 FX2N-48MR-001 为继电器输出2A/1 点（KP20-10 晶闸管的触发电流和电压分别为 0.1A 和 3V），因而 F
25、X2N-48MR-001 的输出点能可靠地触发晶闸管导通，而无须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。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 输入的同步信号为高（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 1 5 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 按设计要求，报警指示电路设计了一个恒温指示（绿灯）灯、故障报警（红灯）和输入出错报警（黄灯），完成指示、报警功能。显示及给定温度值均
26、由 GT1040-QBBD-C 触摸屏完成。设计电路如图 2-7 所示。图 2-7 报警指示电路 2.2.7 复位电路 复位电路由一个开关 SB12 完成开/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。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成。但由于手持编程器在程序输入或阅读理解分析时比较烦琐；专用编程器价格高，通用性差，而计算机除了可以进行 PLC 的编程外，还可作为一般计算 1 6 机的用途，兼容性好，利用率高。因此，利用计算机进行
27、 PLC 编程和通信更具优势。本次软件设计即是利用计算机编程，在三菱 PLC 编程软件GTDESINER 下完成程序编写和通信。3.1 编程与通信软件的使用 三菱 FX 系列 PLC 通信软件名称为 GXWORK，它供对 FX0/FX0S、FX1、FX2/FX2C、FX1S、FX1N 和 FX2N/FX2NC 系列三菱 PLC 以及监控 PLC 中各软元件的实时状态。它的运行环境为 MS-window3.1 或 window95 以上的版本，其具体应用说明如下。（1）编程 双击图标，即可进入编程环境。首先打开 File（文件）菜单下的 New（新文件）子菜单，选择 FX3U PLC型号，进入程
28、序编制环境。（若想打开已有文件，打开 File（文件）菜单下的 Open（打开）子菜单，选择正确的文件和 PLC 型号后，按回车键即可。）采用梯形图编写程序：打开 View（视图）菜单，选中 Ladder view（梯形图）子菜单。然后选择 View（视图）菜单中的 Tool bar（工具栏）、Status（状态栏）、Function bar（功能键）和 Palette（功能图）四栏。梯形图中的软元件的选择既可通过以上 Function bar（功能键）和Palette（功能图）完成，也可通过 Tool bar（工具栏）完成。使用 Edit（编辑）菜单下的 Cut（剪切）、Undo（撤消键入）
29、、Paste（粘贴）、Copy（复制）和 Delete（删除）等栏目，可对软元件进行剪切、复制和粘贴等操作。（2）程序检查。双击 Option（选项）菜单下的 Program Check（程序检查），进入程序检查环境，即可对程序进行检查，包括三项：检查软元件有无错误、检查输出软元件和检查各回路有无错误。（3）PLC 程序下载 正确连接好编程电缆，打开编程界面的 PLC 菜单下的 Ports(端口设置)选 择 正 确 的 串 行 口、传 送 频 率 后，按OK。打 开PLC菜 单 下 的transfers-write(写出)，输入程序步数，按确定即可下载程序到 PLC 上。（4）PLC 运用和停
30、止 下载完程序，把 PLC 机上的开关拨向 RUN/STOP，或打开 PLC 菜单下 1 7 的 Remote Run/Stop(遥控运行/停止)栏目，即可运行/停止 PLC。（5）软元件监控 打开 Monitor/Test（监控/测试）菜单下的 Entry device monitor（进入元件遥控），选择所要的监控的软元件，即可监控各软元件。（6）程序打印 打开 File（文件）菜单下的 Page Setup（页面设置）子菜单即可进行编程页面设置。打开 File（文件）菜单下的 Printer Setup（打印机设置）子菜单即可进行打印设置。（7）退出主程序 打开 File（文件）菜单下的
31、 Exit（退出）子菜单或按右上角的“X”按键，即可退出主程序。3.2 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。另外，内存分配如表 3-1 所示：表 3-1 内存分配表 内存器 特定意义 内存器 特定意义 D0 A/D 转换数字量结果 D30 u(k)D4 温度给定值 Q0 D31 u(k-1)D5 加热管温度 Q D32 e(k)D25 触发周波数 n D33 e(k-1)D26 晶闸管允许触发标志 D34 e(k-2)D27 采样周期计数器 D35 pK D100D121 数据缓冲区 D36 dK D29 断偶计数器 D37 iK D38
32、 十键输入指定存储元件 3.3 系统程序流程图 初始化 温度给定 1 8 Y N Y N Y N Y N 图 3-1 系统程序流程图 3.4 控制系统控制程序的开发 针对本系统任务书的要求，要求控制系统实现恒温控制的功能，温度在（0100）范围内任意设定（X10X21 输入给定值），经过积分分离PID 调节，实现恒温控制，并对实际温度进行实时 LED 数码显示，同时有输入值错误 错误报警 A/D 转换 转换值4000 断偶报警 标度变换 实际温度显示 差值 e（k）=0 给定值与实际温度比较 差值 e（k）10 n=240 数字调节器 保存 n 晶闸管触发准备 等待中断 恒温指示 等待中断 1
33、 9 恒温指示和断偶报警信号指示。特编写以下控制程序。（总程序见附录二）。3.4.1 温度设定 本设计系统利用十键数字输入指令，设定恒温给定值。程序如图 3-2所示。图 3-2 读取温度给定 当温度设定允许（X1=1）时，执行十键输入指令，输入给定温度值，送 D38，当给定值在 0100范围内时，将给定值（D38）再送 D4 保存。否则输入出错报警（Y6=1）。3.4.2 A/D 转换功能模块的控制程序 温度检测硬件电路给定的 A/D 转换通道号 CH1，完成加热管温度的 A/D转换。为了提高抗干扰能力，程序采用了数字滤波措施，滤波方法是取 8次输入的平均值作为检测结果。在此过程中设定炉温的模
34、拟量送入FX2N-2AD 模块 1#通道（CH1）。根据三菱公司的用户手册中的模块编号规则，FX2N-2AD 直接连 PLC 的为 0 号模块。A/D 转换功能的 PLC 程序如图3-3 所示：2 0 图3-3 A/D 转换程序 本程序设计以 4.8s 为一个控制周期，当控制周期到才读取 A/D 转换结果。控制周期计时中断服务程序（I610）如图 3-4 所示。图 3-4 计时中断程序 I610 为每计时 10ms 便自动执行一次中断。当计时 10ms 到，系统执行I610 中断服务程序，控制周期计数器（D27）加 1，将 D27 与 480 比较，若相等则 M331 为 ON（4.8s 计时
35、到），同时将控制周期计数器（D27）清 0。3.4.3 标度变换程序 另外针对本次设计所选择的功能模块 FX2N-2AD 的输入输出特性，有 2 1 0100经零点迁移后所对应的数字量为 04000（010V 对应的数字量），通过模数转换得到的温度的数字量存入 D0，根据此特性，输入数据对应的模拟量应该为数字量占 4000 的百分比，即实际温度=100*数字量/4000=数字量*1/40。从而得到实际的温度的数值而送入 D5，同时将所得的余数与 0.5所对应的数字量(约等于 20)进行比较，如果大于 20，则将D5 中的数加一，反之则不变。如此就完成了对采样温度值的标度变换。标度变换功能的 P
36、LC 程序如图 3-5 所示：图 3-5 标度变换程序 3.4.4 恒温控制程序（PID）设计 3.4.4.1 PID 算法 根据给定的工艺要求，温度控制分为三段：自由升温段、恒温段和自然降温段。自然降温无需控制和检测温度，自由升温只需监视加热管温度是否到达恒温值，只有恒温段需要控制与检测加热管温度。用于恒温控制的调节器有多种形式，如大林算法、PD 调节、PID 调节、开关调节等，本系统选用实际中切实可行的积分分离 PID 调节，它能有效地减小系统的超调和稳态误差。PID 调节器的位置式控制方程为：)(1)()()(dtteTdttdeTteKtuidp 2 2 式中，e（t）为 t 时刻给定
37、的恒温值 Q0 与实际加热管温度 Q 之差。将其离散化，得)2()1(2)()()1()()1()(kekekeTTkeTTkekeKkukudip 式中，T、dT、iT、PK分别为采样周期、微分时间常数、积分时间常数和比例时间常数；e（k）为本次采样时 Q0 与 Q 之差。令 iPiTTKK TTKKdpd （3-1）则有 式（3-2）)2()1(2)()()1()()1()(kekekeKKeKkekeKkukudip 式中，pK、iK、dK分别为调节器的比例、积分、微分系数(待定参数)。为了减少在线整定参数的数目，常常假定约束条件，以减少独立变量的个数，本次设计选取 T0.1sT iT0
38、.5sT dT0.125sT 其中，sT为纯比例控制时的临界振荡周期。将它们代入式（3-1）。即有 PiKK51 pdKK45 因此，对四个参数的整定便简化成了对一个参数pK的整定。因而使调试较为简单方便。3.4.4.2 恒温控制程序 为了减少超调和消除振荡现象，当自由升温小于给定的恒温值 10，系统就开始进行恒温控制，恒温控制采用积分分离 PID 调节。系统的控制算法如下：当加热管温度 Q 大于给定恒温值 10时，系统全速升温，令 u（k）=240，240 为一个控制周期（4.8s）的工频电源周波数。当 e（k）10 u(k)=240 计算 PD 项 u（k）=u(k-1)+kpe(k)-e
39、(k-1)+kde(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)结束 图 3-6 数字控制器流程 2 4 图 3-7 数字控制器程序 3.4.5 数字触发器程序设计 3.4.5.1 数字触发器组成与原理 数字触发器按照调节器输出的控制量控制输送给加热管的能量。由于晶闸管移相触发存在很大的谐波干扰“污染”电网，本系统采用过零触发，触发器的组成如图 3-8 所示。图 3-8 过零数字触发器组成 工作原理如下：数字触发器准备程序将控制量 u（k）变换为晶闸管的导通周波数 n，且当 n0 时，置晶闸管允许触发标志为 1。准备程序在
40、每个控制周期执行一次。当电源正半波到来时（)(sgnku由低电平变高电平），若晶闸管允许触发标志为 1，则在 Y0 端产生一个触发脉冲，经光电隔离和功率放大后触发晶闸管 VT1 导通，使电源正半波加到电阻丝上。当电源负 2 5 半波到来时（)(sgnku由高电平变低电平），若晶闸管允许触发标志为 1，则在 Y1 端产生一个触发脉冲，经光电隔离和功率放大后触发晶闸管 VT2 导通，使电源负半波加到电阻丝上，使负载得到一个完整的电压波形。程序还完成晶闸管已导通周波数计数工作，当已导通周波数等于 n 时，表示本控制周期内向电阻丝输送的能量已达到控制要求，将晶闸管允许触发标志清 0，Y0、Y1 不再输
41、出触发脉冲。.4.5.2 数字触发器程序 数字触发器程序由两部分组成：准备程序和触发程序 其程序框图如图 3-9 和图 3-10 所示。电源在一个控制周期（4.8s）有 240 个周波，而 u（k）的最大亦也240，因此，晶闸管在一个控制周期的导通周波数 n 与控制量 u（k）的关系为 n=u（k）脉冲输出通道要求 PLC 输出的触发脉冲为正脉冲，故程序先使 Y0（或Y1）由 0 变 1，延时约 0.01s 后（半个周波时间），再将 Y0（或 Y1）置 0，在 Y0（或 Y1）端形成一个宽约 0.01s 的正脉冲。2 6 图 3-9 晶闸管触发准备程序 图 3-10 数字触发程序 数字触发器功
42、能的 PLC 程序如下图 3-11 所示：当 X2 为 ON 时，将 u（k）送 D25 作触发周波数 n，将其与 0 比较，若 n 大于 0，则置位 D26（触发允许标志）允许触发并将 Y0 和 Y1 置 1。X0 为电源周波信号输入端，当允许晶闸管触发时，当 X0 的上升沿（下降沿）到时 Y0（Y1）输出 1，延时半个周波时间后 Y0（Y1）输出 0，即在Y0（Y1）端口产生正脉冲去触发晶闸管导通。同时每完成一个周波触发，将 D25 减 1。直到 D25 为 0 止。D25 为 0 而采样周期未到 D26 被清 0，系统将不再对晶闸管输出触发脉冲。图 3-11 数字触发器程序 3.4.6
43、显示程序 本设计系统用 GT1040-QBBD-C 触摸屏显示温度（本系统设定温度范围为 0100），显示程序如图 3-12 所示：触摸屏温度显示（右图第二行数字即为温度显示）：2 7 3.4.7 恒温指示程序 当实际温度与温度给定值相等时，系统发出恒温指示信号（Y4=1，绿灯亮）。恒温指示程序如图 3-13 所示：图 3-13 恒温显示程序 将实际温度值（D5）与温度设定值（D4）进行比较，如果相等则令Y4 为 ON，恒温指示灯亮。同时令触发脉冲个数为 0，系统将不对电阻炉加热。3.4.8 报警程序 将 A/D 转换的数字量与 4000 比较，若连续两次检测到 A/D 转换的数字量大于 40
44、00，则表示断偶，系统输出断偶报警信号，Y5 为 ON，亮红灯。2 8 如图 3-14 所示。图 3-14 报警程序 第四章 总结与展望 4.1 总结 本文主要是针对“基于PLC的模拟量控制”的研究。PLC完成对系统现场的控制过程。通过功能模块实现了对模拟量、开关量、脉冲量的转换，从而达到了对上述变量的控制，以及显示、报警等功能。同时，控制系统现场对变量的变换有着直观的显示作用。本文所做的主要工作:（1）温度设定由输入端口获得（十进制输入）或由触摸屏实现温度设定，具备实时显示和报警功能，人机界面良好。（2）PLC编程实现积分分离PID算法。（3）基于PLC模拟量控制和过程控制实现温度控制。（4
45、）过零触发晶闸管实现电功率的控制.通过此次课设，让我了解了 plc 梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于 plc 设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不 2 9 停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设
46、计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题 4.2 展望 由于PLC的诸多优点，也已经在工控领域得到了广泛引用，但是，还没有形成系统化、理论化的开发方法。随着可编程序控制器技术的发展，PLC已越来越多地应用于对模拟量的控制，所以应增加D/A,A/D转换及运算功能的仿真。同时，要尽量抑制干扰，尤其是控制回路之外的干扰。过程控制系统开发工具功能的不断完善，使过程控制将具有更广阔的应用前景，对我国国民生产生活各个领域的自动化水平的提高都有着重要的意义。随着微机的软硬件技术和网络通讯技术的飞速发展，工业自动化领域发生了革命性的技术进步。而PLC及工控机作为工业控制的设备基础
47、，通过技术的不断革新，在工业控制中的地位日益加强，并且成为工业控制技术进步的主要工具。参 考 文 献 1 郁汉琪主编.电气控制与可编程序控制器应用技术M.南京：东南大学出版 3 0 社，2003 2 张万忠主编.可编程序控制器应用技术M.北京：化学工业出版社，2002 3 三菱公司编.三菱 FX 系列可编程序控制器特殊功能模块用户手册，2001 4 三菱公司编.三菱可编程序控制器应用 101 例，1994 5方希修、尤明珍饲料加工工艺与设备中国农业大学出版社 6于海生计算机控制技术 清华大学出版社 7过程控制及仪表教材 8熊幸明电气控制与 PLC 机械工业出版社 9传感器技术教材 10三菱触摸屏用户使用手册 附录 系统程序（梯形图）3 1 3 2