基于PLC温度控制系统的设计本科生毕业论文

1、1 / 52 工程学院自动化学院自动化学院 本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）题目： 基于基于 PLCPLC 温度控制系统的设计温度控制系统的设计 专 业： 测控技术与仪器测控技术与仪器 GraduationGraduation DesignDesign (Thesis)(Thesis)The Design Of The Temperature Examination In PLCTemperature Control System2 / 52ByWANG Zhu JieSupervised byProf. XIA Qing GuanAssociate Prof. LU HongScho

2、ol of AutomationNanjing Institute of TechnologyJune, 2011毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明使用授权

3、说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明学位论文原创性声明2 / 52本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人

4、完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评阅书3 / 52指导教师评价：指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 与格

5、 不与格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 与格 不与格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 与格 不与格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 与格 不与格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 与格 不与格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？ 优 良 中 与格 不与格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订与附件）？ 优 良 中 与格 不与格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 与格 不与格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创

6、意？ 优 良 中 与格 不与格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 与格 不与格建议成绩：建议成绩：优优 良良 中中 与格与格 不与格不与格（在所选等级前的画“”）指导教师：指导教师： （签名） 单位：单位： （盖章）年年 月月 日日评阅教师评阅书评阅教师评阅书评阅教师评价：评阅教师评价：一、论文（设计）质量一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？ 优 良 中 与格 不与格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订与附件）？ 优 良 中 与格 不与格二、论文（设计）水平二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 与

7、格 不与格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 与格 不与格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 与格 不与格建议成绩：建议成绩：优优 良良 中中 与格与格 不与格不与格（在所选等级前的画“”）评阅教师：评阅教师： （签名） 单位：单位： （盖章）年年 月月 日日I / 52教研室（或答辩小组）与教学系意见教研室（或答辩小组）与教学系意见摘摘 要要教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 与格 不与格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 与格 不与格3、学生

8、答辩过程中的精神状态 优 良 中 与格 不与格二、论文（设计）质量二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？ 优 良 中 与格 不与格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订与附件）？ 优 良 中 与格 不与格三、论文（设计）水平三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 与格 不与格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 与格 不与格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 与格 不与格评定成绩：评定成绩：优优 良良 中中 与格与格 不与格不与格（在所选等级前的画“”）教研室主任（或答辩小组组长）：教

9、研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年年 月月 日日教学系意见：教学系意见：系主任：系主任： （签名）年年 月月 日日II / 52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 算法以与过零数字触发电路 的设计。 主要容：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

10、优化设计，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：关键词：温度检测；温度传感器；A/D 转换；PIDABSTRACTABSTRACTIII / 52The introduction of temperature-based PLC control system design, including A/D conversion, scaling transformation, temperature checking links, scoring a zero separation PID algorithms and digi

11、tal 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

12、 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 cont

13、rol 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 va

14、lue. KeywordsKeywords：temperature testing;Temperature sensors; A/D conversion; PIDIV / 52目目 录录前言前言1第一章第一章 系统总体方案系统总体方案2第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计42.1 PLC 选择 .42.1.1 FX2N-48MR-001PLC.42.1.2 FX2N-4AD 特殊功能模块 .5 2.2 硬件电路设计.72.2.1 温度值给定电路.82.2.2 温度检测电路.82.2.3 过零检测电路.102.2.4 晶闸管电功率控制电路 .102.2.5 脉冲输出通道.132.2.6 报警

15、指示与显示电路 .132.2.7 复位电路.14第三章第三章 系统软件设计系统软件设计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.183.4.1 温度设计.183.4.2 A/D 转换功能模块 .183.4.3 标度变换程序.203.4.4 恒温控制程序.203.4.5 数字触发器程序设计.243.4.6 显示程序.263.4.7 恒温指示程序.273.4.8 报警程序.27第四章第四章 总结与展望总结与展望28 4.1 总结.28V / 52 4.2 展望.28致致 29参考文献参考文献 30附录一：三菱附录

16、一：三菱 FXFX 系列系列 PLCPLC 指令一览表指令一览表.31附录二：热电偶温度传感器和信号放大器附录二：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）附录三：系统程序（梯形图）.361 / 52前前 言言随着时代的发展 ,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

17、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，它采用可编程序的存储器，用来在其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

18、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。2 / 52第第一一章章 系系统统总总体体方方案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

19、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。（给定值围为 280700） 。3 / 52（2）PLC：主要完成 PID 调节功能以与数据变换。（3）电源同步信号产生电路：主要功能是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

20、指示电路：主要功能是完成电阻炉温度的实时显示以与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0Q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。4 / 52第二章第二章 系统硬件设计

21、系统硬件设计2.12.1 PLCPLC 选择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。2.1.12.1.1 FX2N-48MR-001FX2N-48MR-001 PLCPLCFX2N 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 点最大可扩展到 256

22、 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,附8000 步 RAM。其部资源如下：（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）数据寄存器 D

23、（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I6XXM8056I7XXM8057I8XX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M8058表 2-2 输入中断标号指针表指针编号输入编号上升中断下降中断中断禁止特殊辅助继电器5 / 52X0I001I000M8050X1I101I100M8051X2I201I200M8052X3I301I300M8053X4I401I400M8054X5I501I500M8055注：M8050M8058=“0”表允许； M80

24、50M8058=“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块块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 模拟量输出性能表电压输入电流输入项 目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

25、）（注意：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围）1%（对于-20+20mA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编号容#0通道初始化，缺省值 =H00006 / 52#1通道1#2通道 2#3通道 3#4通道 4存放采样值（ 14096），用于得到平均结果。缺省值

26、设为8（正常速度），高速操作可选择 1#5通道 1#6通道 2#7通道 3#8通道 4缓冲器#5#8独立存储通道 CH1CH4平均输入采样值#9通道 1#10通道 2#11通道 3#12通道 4这些缓冲区用于存放每个输入通道读入的当前值#13#14保留设0，则选择正常速度， 15ms/通道（缺省）#15选择A/D转换速度设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 =

27、5000#25#28保留#29错误状态#30识别码#31不能使用通道选择：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时设定输入围为 -10V+10V；X=1时，设定输入围为+4mA+20mA；X=2时，设定输入围为 -20mA+20mA；X=3时，关断通道。7 / 52 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

28、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：硬件错误A/D 或其他硬件错误硬件正常B10：数字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. .2 2 硬硬件件电电路路设设计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

29、 地址表输入地址功能说明输出地址功能说明Y0VT1 触发脉冲（电源正半波）X0电源周波信号输入端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启动/关闭Y5断偶报警8 / 52Y6温度给定超出围报警X10X21SB2SB11Y10Y2312 位 8421（三组） BCD 码输出2 2. .2 2. .1 1 温温度度值值给给定定电电路路按设计要求，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。给定值围为 280700，若输入值超过给定值围，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

30、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 温度值给定电路2 2. .2 2. .2 2 温温度度检检测测电电路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9 /

31、52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与参数详见附录二。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

32、，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-iu4AD 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0u)(2 .11)(55621210uuuuKKu式中，为零点迁移值。根据设计要求，恒温值为400600，本系统选2u取测温围为 280700，将 280作为测温起点（零点）。调整多圈电位器RP，使=50*11.38=569mV，当炉温为 280时，2u=11.38mV，=569mV，于是=0。经零点迁移后，炉温为 280700时，iu1u0u=11.3829.13mV，=09.94V，A/D 转换后的

33、数字量为 02047。iu0u10 / 522 2. .2 2. .3 3 过过零零检检测测电电路路按设计要求，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 集成块部装有四个独立的电压比较器，共模围很大；差动输入电压围较大，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） 过零检测电路的工作波形图2 2. .2 2. .4 4 晶晶闸闸管管电电功功率率控控制制电电路路

34、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。11 / 52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，因此，本系统采用单相电源供电，电源的通断由

35、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，使得一个周期电源均加在电热元件上，通过控制一个控制周期晶闸管导通周波数，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） ，为一个控制周期的电源周maxnmaxtumaxn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

36、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，很大，它与线路电感共同作用产生的电压L*可能损坏晶闸tiddtidd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 R 的功率应满足：WXRRUPCR086. 0)1015. 0314/1 (808022010*102622222 实选电容

37、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：FUITNFUII57. 16512 / 52式中，5/6 为修正参数，为保证可靠与选用方便，一般取。实选TNFUII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

38、到晶闸管的过载能力小与环境温度的变化等因素，V2220晶闸管的额定电流应为：TNIAIILTN2 .187 .132/)25 . 1 (额定电压应为：TNUVUTN9336222220)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. .2 2. .5 5 脉脉冲冲输输出出通通道道由于 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 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

39、。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. .2 2. .6 6 报报警警指指示示与与显显示示电电路路13 / 52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。显示电路由Y10Y23 经过三个 BCD-七段共阴数码管

40、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. .2 2. .7 7 复复位位电电路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 复位电路第第三三章章 系系统统软软件件设设计计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14 / 52用性差，而计算机除了可以进行PLC 的编程外

41、，还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 3. .1 1 编编程程与与通通信信软软件件的的使使用用三菱 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 以与监控 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

42、File（文件）菜单下的 New（新文件）子菜单，选择 FX2N PLC 型号，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

43、具栏）完成。使用 Edit（编辑）菜单下的 Cut（剪切） 、Undo（撤消键入） 、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-15 / 52write(写

44、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 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

45、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 3. .2 2 程程序序设设计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，存分配如表 3-1 所示：表 3-1 存分配表存器特定意义存器特定意义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D35pKD100D121数据缓冲区D36dKD29断偶计数器D37iKD

46、38十键输入指定存储元件3 3. .3 3 系系统统程程序序流流程程图图系统程序流程图如图 3-1 所示。16 / 52 Y N Y N Y N Y N初始化温度给定输入值错误错误报警A/D 转换转换值2047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）10n=240数字调节器保存 n晶闸管触发准备等待中断恒温指示17 / 52图 3-1 系统程序流程图3 3. .4 4 控控制制系系统统控控制制程程序序的的开开发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）围任意设定（ X10X21 输入给定值） ，经过积分分离PID 调

47、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 3. .4 4. .1 1 温温度度设设定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 280700围时，将给定值（ D38）再送 D4 保存。否则输入出错报警（ Y6=1） 。3 3. .4 4. .2 2 A A/ /D D 转转换换功功能能模模块块的的控控制制程程序序温度检测硬件电路给定的 A/D

48、 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：18 / 52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 中的识别码（ K2010）送 D3，若识别码为 2010，则 M1=1。进而将H3330 送 BF

49、M#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10ms 到，系统执

50、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 3. .4 4. .3 3 标标度度变变换换程程序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19 / 52280700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

51、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 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3.4.43.4.4 恒温控制程序恒温控制程序（PIDPID）设计）设计3 3. .4 4. .4 4. .1 1 P PI ID D 算算法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

52、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)2() 1(2)()()1()() 1()(kekekeTTkeTTkekeKkukudip20 / 52式中，T、分别为采样周期、微分时间常数、积分时间常数和dTiTPK比例时间常数； e（k）为本次采样时 Q0 与 Q 之差。令 （3-1）iPiTTKK TTKKdpd则

53、有 式（3-2） )2() 1(2)()()1()() 1()(kekekeKKeKkekeKkukudip式中，、分别为调节器的比例、积分、微分系数 (待定参数 )。pKiKdK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T0.1sT0.5iTsT0.125dTsT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sTPiKK51pdKK45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pK调试较为简单方便。3 3. .4 4. .4 4. .2 2 恒恒温温控控制制程程序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1

54、0，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）10Yu(k)=240N计算 PD 项u（k）=u(k-1)+kpe(k)-e(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 数字控制器程序22 / 52图 3-7 数字控制器程序3.4.53.4.5 数字触发器程序设计数字触发器程序设计3 3. .4 4. .5 5. .1

55、 1 数数字字触触发发器器组组成成与与原原理理数字触发器按照调节器输出的控制量控制输送给电阻炉的能量。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，23 / 52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。准备程序在每个控制周期执行一次。当电源正半波到来时（由低电平变高电平），)(sgnku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

56、半波到来时（由高电平变低电平），若晶闸管允许触发标志为1，)(sgnku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 不再输出触发脉冲。3 3. .4 4. .5 5. .2 2 数数字字触触发发器器程程序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

57、）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24 / 52Y1）置 0，在 Y0（或 Y1）端形成一个宽约 0.01s 的正脉冲。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

58、 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。25 / 52图 3-11 数字触发器程序3 3. .4 4. .6 6 显显示示程程序序本设计系统用三个 LED 数码管（含 BCD 译码器）显示温度（本系统设定温度围为 280700） ，需要先将实际温度转换成BCD 码，从 Y10Y23端口输

59、出， BCD 码经过 BCD 译码器译码，由七段 LED 完成显示功能。显示程序如图 3-12 所示：图 3-12 显示程序将实际温度（D5）除以 100 得到百位数，存放 D122 中；同理，所得的余数（D103）除以 10 得到十位数存放 D121 中；余数 D105 为个位数存放 D120 中。D122、D121 和 D120 中的数据分别从 Y10Y13、Y14Y17 和 Y20Y23 端口输出。经译码器译成相应的段码，送七段 LED 显示。3.4.73.4.7 恒温指示程序恒温指示程序26 / 52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

60、 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 3. .4 4. .8 8 报报警警程程序序将 A/D 转换的数字量与 2047 比较，若连续两次检测到 A/D 转换的数字量大于 2047，则表示断偶，系统输出断偶报警信号， Y5 为 ON，亮红灯。如图 3-14 所示。图 3-14 报警程序27 / 52第四章第四章 总结与展望总结与展望4 4. .1 1 总总结结本文主要是针对 “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