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1、 南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目： 基于PLC温度控制系统的设计 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测控072 学 号： xxx学生姓名： xxx 指导教师： xxx 教 授 xxx 副教授 起迄日期： xxx设计地点： xxx Graduation Design (Thesis)The Design Of The Temperature Examination In PLCTemperature Control SystemByWANG Zhu JieSupervised byProf. XIA Qing GuanAssociate Prof. LU HongSchoo
2、l of Automation Nanjing Institute of TechnologyJune, 2011南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）摘 要本文介绍基于PLC的温度控制系统的设计，包括A/D转换、标度变换、温度检测环节、积分分离PID算法以及过零数字触发电路的设计。主要内容：实际温度经温度传感器检测，得到模拟电压值，模拟量再经A/D转换和标度变换后得到实际炉温。数字控制器根据恒温给定值与实际温度的偏差e（k）按积分分离PID控制算法，得到输出控制量u（k），控制可控硅导通时间，调节炉温的变化使之与给定恒温值一致。达到恒温控制目的。本系统对温度检测和调节环节做了进一步的优化
3、设计，使该系统更实用、易行和可靠，同时也提高了产品质量和减轻人工劳力负担。它在实际应用中具有一定参考价值。关键词：温度检测；温度传感器；A/D转换；PIDIII南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）ABSTRACTThe introduction of temperature-based PLC control system design, including A/D conversion, scaling transformation, temperature checking links, scoring a zero separation PID algorithms and dig
4、ital 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 an
5、d 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 con
6、trol 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 v
7、alue. Key words：temperature testing; Temperature sensors; A/D conversion; PID南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）目 录 前言1第一章 系统总体方案2第二章 系统硬件设计4 2.1 PLC选择4 2.1.1 FX2N-48MR-001PLC4 2.1.2 FX2N-4AD特殊功能模块5 2.2 硬件电路设计7 2.2.1 温度值给定电路8 2.2.2 温度检测电路8 2.2.3 过零检测电路10 2.2.4晶闸管电功率控制电路10 2.2.5 脉冲输出通道13 2.2.6报警指示与显示电路13 2.2.7 复位电
8、路14第三章 系统软件设计15 3.1 编程与通信软件的使用15 3.2 程序设计16 3.3 系统程序流程图17 3.4 控制系统控制程序的开发18 3.4.1 温度设计18 3.4.2 A/D转换功能模块18 3.4.3 标度变换程序20 3.4.4 恒温控制程序20 3.4.5 数字触发器程序设计24 3.4.6 显示程序26 3.4.7 恒温指示程序27 3.4.8 报警程序27第四章 总结与展望28 4.1 总结28 4.2 展望28致谢29参考文献30附录一：三菱FX系列PLC指令一览表31附录二：热电偶温度传感器和信号放大器33附录三：系统程序（梯形图）36 南京工程学院自动化学
9、院本科毕业设计（论文）前 言随着时代的发展,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
10、电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采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，加热炉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
11、更具有优势。这种系统控制精度高、重复性好、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。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）温度值给定电路：主要功能是在给定值输入允许的情况下，接收十进制温度值给定。（给定值范围为280700）。（2）PLC：主要完成PID调节功能以及数据变换。（3）电源同步信号产生电路：主要功能是
12、产生与电源同步的周波信号。电源周波信号用作数字触发电路的输入信号。（4）数字触发电路：主要功能是输出晶闸管触发脉冲，触发晶闸管导通，根据数字控制器的输出值，控制晶闸管的导通周波个数，以达到电功率控制功能。（5）温度检测电路：主要功能是将温度传感器的输出信号进行放大，并进行A/D转换。（6）温度显示与报警指示电路：主要功能是完成电阻炉温度的实时显示以及故障报警和恒温指示。（7）复位电路：完成系统的运行/停止。系统工作原理：温度传感器将炉温变换为模拟信号，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，数字量经标度变换，得到实际炉温。数字控制器根据恒温给定值与实际
13、炉温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，调节炉温的变化使之与给定恒温值一致，达到恒温控制目的。当恒温时间到、输入错误或系统发生故障时，系统发出报警信号，同时用三个数码管对电阻炉温度进行实时显示。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13个输入端口和17个输出端口，另外还需要一个A/D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FX2N-48MR-001（基本I/O点数为24）和FX2N-4AD特殊功能模块。2.1.1 FX2N-48MR-001 PLCFX2N系列PLC
14、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FX2N48MR 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）（T0T24
15、5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M8056I7XXM8057I8XXM8058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X0I001I000M8050X1I101I100M8051X2I201I200M8052X3I301I300M8053X4I401I400M8054X5I50
16、1I500M8055注：M8050M8058=“0”表允许；M8050M8058=“1”表禁止。2.1.2 FX2N-4AD 特殊功能模块FX2N-4AD为模拟量输入模块,有四个模拟量输入通道（分别为CH1、CH2、CH3和CH4），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电压或电流输入的选择基于对输入端子的选择，一次可使用4个输入点模拟量输入范围DC ：-10+10V（输入电阻200K）（注意：若输入电压超过15V，单元会被损坏）DC ：-20+20mA（输入电阻250）（注意
17、：若输入电流超过32mA，单元会被损坏）数字输出12位的转换结果以16位二进制补码方式存储（-2048+2047）分辨率5mV20A总体精度1%（对于-10+10V范围）1%（对于-20+20mA范围）转换速度15ms/通道（常速）6ms/通道（高速）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 BFM数据缓冲存储器分布表BFM编号内容#0通道初始化，缺省值=H0000#1通道1存放采样值（14096），用于得到平均结果。缺省值设为8（正常速度），高速操作可选择1#2通道2#3通道3#4通道4#5
18、通道1缓冲器#5#8独立存储通道CH1CH4平均输入采样值#6通道2#7通道3#8通道4#9通道1这些缓冲区用于存放每个输入通道读入的当前值#10通道2#11通道3#12通道4#13#14保留#15选择A/D转换速度设0，则选择正常速度，15ms/通道（缺省）设1，则选择高度，6ms/通道BFMB7B6B5B4B3B2B1B0#16#19保留#20复位到缺省值和预设，缺省值=0#21禁止调整偏差、增益值，缺省值=（0，1）允许#22偏移，增益调整G4O4G3O3G2O2G1O1#23偏移值，缺省值=0#24增益值，缺省值=5000#25#28保留#29错误状态#30识别码#31不能使用 通道选
19、择：在BFM#0中写入十六进制4位数字HXXXX进行A/D模块的初始化，最低位数字控制CH1，最高位数字控制CH4，各位数字的含义如下：X=0时设定输入范围为-10V+10V；X=1时，设定输入范围为+4mA+20mA；X=2时，设定输入范围为-20mA+20mA；X=3时，关断通道。 另外，BFM#29的状态信息设置如表2-5所示。表2-5 BFM#29的状态信息设置#29缓冲器位ONOFFB0：错误当b1b4为ON时，b0=ON若b2b4任意一位为ON，A/D转换器的所有通道停止无错误B1：偏移量与增益值错误偏移量与增益值修正错误偏移量与增益值正常B2：电源不正常24VDC错误电源正常B3
20、：硬件错误A/D或其他硬件错误硬件正常B10：数字范围错误数字输出值小于-2048或大于+2047数字输出正常B11：平均值错误数字平均采样值大于4096或小于0（使用8位缺省值）平均值正常（14096）B12：偏移量与增益值修正禁止#21缓冲器的禁止位（b1,b0）设置为（1，0）#21缓冲器的（b1,b0）设置为（0，1）2.2 硬件电路设计根据系统总体方案，设计系统的I/O地址分配如表2-6所示。表2-6 输入、输出信号I/O地址表输入地址功能说明输出地址功能说明X0电源周波信号输入端Y0VT1触发脉冲（电源正半波）Y1VT2触发脉冲（电源负半波）X1温度给定允许Y4恒温完成指示信号X2
21、启动/关闭Y5断偶报警X10X21SB2SB11Y6温度给定超出范围报警Y10Y2312位8421（三组）BCD码输出2.2.1 温度值给定电路按设计要求，共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。给定值范围为280700，若输入值超过给定值范围，系统会发出报警信号（亮红灯）。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。图2-1 温度
22、值给定电路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传感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炉温检测（热端检测炉温，冷端置于0温度中）、FX2N-4AD模块一个通道实现A/D转换。炉温检测与放大电路由热电
23、偶、低通滤波、信号放大和零点迁移电路四部分组成。其电路如图2-3所示。热电偶和放大器原理及参数详见附录二。图2-3 炉温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，炉温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0700时，输出电势为029.13mV。检测信号经二级放大后送FX2N-4AD模块，第一级放大倍数为50，第二级放大倍数为11.2，第二级放大还完成零点迁移，其输出电压为式中，为零点迁移值。根据设计要求，恒温值为400600，本系统选取测温范围为280700，将280作为测温起点（零点）。调整多圈电位器RP，使=50*11
24、.38=569mV，当炉温为280时，=11.38mV，=569mV，于是=0。经零点迁移后，炉温为280700时，=11.3829.13mV，=09.94V，A/D转换后的数字量为02047。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。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LM339输入保护。电路的工作波形如图2-4（b）所示。图2-4（b）
25、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，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，
26、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。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=/ 为比例系数（约为1），为一个控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
27、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，很大，它与线路电感共同作用产生的电压L*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： 电阻R的功率应满足： 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，其熔体电流按下式选取：式中，5/6为修正参数，为保证可靠与选用方便，一
28、般取。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，考虑到晶闸管的过载能力小及环境温度的变化等因素，晶闸管的额定电流应为：额定电压应为：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
29、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FX2N-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 报警指示与显示电路按设计要求，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
30、警（黄灯），完成指示、报警功能。显示电路由Y10Y23经过三个BCD-七段共阴数码管译码器74LS248，外接三个七段LED数码管（带）完成显示功能。设计电路如图2-7所示。图2-7 报警指示与显示电路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
31、可作为一般计算机的用途，兼容性好，利用率高。因此，利用计算机进行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Fxgpwin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Fxgpwin，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FX2N PLC型
32、号，进入程序编制环境。（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）、Paste（粘
33、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运用和停止 下载完程序，把PLC机上的开关拨向RUN/STOP，或打开PLC
34、菜单下的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
35、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D0A/D转换数字量结果D30u(k)D4温度给定值Q0D31u(k-1)D5炉温QD32e(k)D25触发周波数nD33e(k-1)D26晶闸管允许触发标志D34e(k-2)D27采样周期计数器D35D100D121数据缓冲区D36D29断偶计数器D37D38十键输入指定存储元件3.3 系统程序流程图系统程序流程图如图3-1所示。初始化温度给定输入值错误错误报警 Y NA/D转换转换值2047断偶报警 Y N标度变换实际温度显示给定值与实际温度比较差值e（k）=0 Y N差值e
36、（k）10 恒温指示 Yn=240 N数字调节器保存n晶闸管触发准备等待中断图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（280700）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，同时有恒温指示和断偶报警信号指示。特编写以下控制程序。（PLC指令见附录一，总程序见附录三）。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
37、，当给定值在280700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CH2，完成炉温的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拟量送入FX2N-4AD模块的2#通道（CH2）。根据三菱公司的用户手册中的模块编号规则，FX2N-4AD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：图3-3 A/D转换程序当控制周期到（M331=1）和X2为ON时，将FX2N-4AD在0#位置BFM#30中的
38、识别码（K2010）送D3，若识别码为2010，则M1=1。进而将H3330送BFM#0（A/D通道初始化），CH2为电压输入（DC ：-10+10V），CH1、CH3和CH4关断，采样次数缺省为8次，正常速度）。然后再将BFM#29的状态信息分别写到M25M10（16位）中，若无错（M10=0）和数字输出值正常（M20=0），则BFM #6的内容（CH2通道的平均输入采样值）将传送到PLC的D0中。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1
39、0ms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-4AD的输入输出特性，有280700经零点迁移后所对应的数字量为02047（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2047的百分比，即实际温度=（700-280）*数字量/2047+280数字量*21/102+280。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
40、(约等于2)进行比较，如果大于2，则将D5中的数加一，反之则不变。所得结果再加上280，就完成了对采样温度值的标度变换。标度变换功能的PLC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，自由升温只需监视炉温是否到达恒温值，只有恒温段需要控制与检测炉温。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
41、为：式中，e（t）为t时刻给定的恒温值Q0与实际炉温Q之差。将其离散化，得式中，T、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 （3-1）则有 式（3-2） 式中，、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T0.10.50.125其中，为纯比例控制时的临界振荡周期。将它们代入式（3-1）。即有因此，对四个参数的整定便简化成了对一个参数的整定。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
42、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：当炉温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）5时，按式（3-2）进行PID调节。除上述两种情况外，系统均进行PD调节，去掉（3-2）中的e（k）。温度数字调节器程序框图如图3-6所示。温度数字调节器的PLC程序框图和梯形图分别如图3-7所示。将实际温度（D5）与设定值（D4）比较得到的差值e（k）存于D32。若e（k）大于10，则送240给D30（u（k）；若e（k）小于10而大于5时，则进行PD算式运算（去掉（4-2）中的积分项e（k）的剩余项）。若e（k）小于5时则进行PID算式运算（实现式（4-2）。最后保存u（k），更新u（k-1）、e（k-1）和e（k-2）以备下次运算。开始e（k）=Q0-Q