基于PLC的觸摸屏溫度控制系統(tǒng)

PLC 技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目說明書技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目說明書 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 題題 目目 學(xué)學(xué) 院院 機(jī)械工程學(xué)院 2015 年 1 月 9 日 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 茲發(fā)給 2011 級(jí)機(jī)電 X 班 班學(xué)生 張 XX 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書，內(nèi)容如下： 1 設(shè)計(jì)題目： 基于 PLC 的溫度控制系統(tǒng) 2 應(yīng)完成的項(xiàng)目： （1）選題的背景和意義； （2）明確設(shè)計(jì)任務(wù)，擬定總體設(shè)計(jì)方案（有機(jī)械結(jié)構(gòu)的要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三 維軟件建模）； （3）硬件設(shè)計(jì)，傳感器、PLC（和電機(jī)）選型，設(shè)計(jì)信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換電路， 畫出 PLC 端口分配圖、接線控制端子連接圖； （4）軟件設(shè)計(jì)，編寫控制程序流程圖（或重要程序），設(shè)計(jì)人機(jī)界面； （5）課程設(shè)計(jì)說明書 1 份。 3 參考資料以及說明： （1）金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用（第二版）M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 （2）鐘肇新.可編程控制器原理及應(yīng)用M.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2003 （3）常曉玲.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 （4）蓋超會(huì)，陽勝峰.三菱 PLC 與變頻器、觸摸屏綜合培訓(xùn)教程M.北京： 中國(guó)電力出版社，2011 （5）濮良貴，陳國(guó)定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京：高等教育出版社，2013 4 本設(shè)計(jì)任務(wù)書于 2014 年 12 月 19 日發(fā)出，應(yīng)于 2015 年 1 月 9 日前完成， 然后進(jìn)行答辯。 指導(dǎo)教師 簽發(fā) 2014 年 12 月 19 日 課程設(shè)計(jì)評(píng)語： 課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 目目 錄錄 前 言 .2 第一章 系統(tǒng)總體方案 .3 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).5 2.1 PLC 選擇.5 2.1.1 FX2N-48MR PLC.5 2.1.2 FX2N-2AD 特殊功能模塊 .6 2.1.3 FX2N-2DA 特殊功能模塊 .7 2.2 硬件電路設(shè)計(jì) .8 2.2.1 溫度值給定電路 .8 2.2.2 溫度檢測(cè)電路 .11 2.2.3 過零檢測(cè)電路 .12 2.2.4 晶閘管電功率控制電路 .13 2.2.5 脈沖輸出通道 .14 2.2.6 報(bào)警指示電路.15 2.2.7 復(fù)位電路.15 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .16 3.1 程序設(shè)計(jì) .16 3.2 系統(tǒng)程序流程圖 .17 3.3 控制系統(tǒng)控制程序的開發(fā) .18 3.3.1 溫度設(shè)定.18 3.3.2 A/D 轉(zhuǎn)換功能模塊的控制程序 .18 3.3.3 標(biāo)度變換程序 .19 3.4.4 恒溫控制程序（PID）設(shè)計(jì).20 3.4.6 顯示程序 .26 3.4.7 恒溫指示程序.26 3.4.8 報(bào)警程序 .27 第四章 總結(jié)與展望.28 4.1 總結(jié) .28 4.2 展望 .28 參 考 文 獻(xiàn).29 附錄 系統(tǒng)程序（梯形圖） .30 摘摘 要要 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，加熱管溫度控制是十分常見的。溫度控制的傳統(tǒng)方 法是人工 儀表控制。其重復(fù)性差，工藝要求難以保證，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大。 目前大多數(shù)使用微機(jī)代替常規(guī)控制。以微機(jī)為核心控制系統(tǒng)雖然成本較低， 但微機(jī)的可靠性和抗干擾性較差而使其硬件設(shè)計(jì)較復(fù)雜。而以PLC 為核心 的控制系統(tǒng)，雖然成本較高，但PLC 本身就有很強(qiáng)的抗干擾性和可靠性，因 而系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)單得多。 本設(shè)計(jì)以工業(yè)水溫加熱為背景，設(shè)計(jì)以三菱FX2N-48MR PLC 為控制器， 使用電熱偶為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)，本文主要內(nèi)容包括：PLC 選擇， 溫度控制電路設(shè)計(jì)分析，加熱管控制電路設(shè)計(jì)分析，PLC 程序編寫，采用 PID 控制。 關(guān)鍵詞：加熱 溫度控制 PLC PID 第第一一章章 緒緒論論 隨著時(shí)代的發(fā)展 ,當(dāng)今的技術(shù)日趨完善，競(jìng)爭(zhēng)也愈演愈烈 ;傳統(tǒng)的人工 的操作已不能滿足于目前的制造業(yè)前景 ,也無法保證更高質(zhì)量的要求和提升 高新技術(shù)企業(yè)的形象。 在生產(chǎn)實(shí)踐中 ,自動(dòng)化給人們帶來了極大的便利和產(chǎn)品質(zhì)量上的保證, 同時(shí)也減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度 ,減少了人員上的編制。在許多復(fù)雜的生產(chǎn)過 程中難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)控制、整體優(yōu)化、最佳決策等,熟練的操作工、技術(shù)人 員或?qū)＜摇⒐芾碚邊s能夠容易判斷和操作 ,可以獲得滿意的效果。人工智能 的研究目標(biāo)正是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)、模擬這些智能行為,通過人腦與計(jì)算機(jī) 協(xié)調(diào)工作 ,以人機(jī)結(jié)合的模式 ,為解決十分復(fù)雜的問題尋找最佳的途徑。 可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng) 用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順 序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入 和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，加熱管溫度控制是十分常見的。溫度控制的傳統(tǒng)方 法是人工 儀表控制。其重復(fù)性差，工藝要求難以保證，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大。 目前大多數(shù)使用微機(jī)代替常規(guī)控制。以微機(jī)為核心控制系統(tǒng)雖然成本較低， 但微機(jī)的可靠性和抗干擾性較差而使其硬件設(shè)計(jì)較復(fù)雜。而以PLC 為核心 的控制系統(tǒng)，雖然成本較高，但PLC 本身就有很強(qiáng)的抗干擾性和可靠性，因 而系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)單得多。所以，相比較于微機(jī)控制，PLC 控制在過 程控制方面更具有優(yōu)勢(shì)。這種系統(tǒng)控制精度高、重復(fù)性好、自動(dòng)化程度高， 可以大大提高產(chǎn)品質(zhì)量和減輕工人的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。本文介紹了以PLC 為核心 實(shí)現(xiàn) PID 算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 第第二二章章 系系統(tǒng)統(tǒng)總總體體方方案案 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，采用常規(guī)PID 控制的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1- 1 所示。 圖 1-1 常規(guī) PID 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 對(duì)應(yīng)圖 1-1 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確定總體設(shè)計(jì)方案如圖1-2 所示： 圖 1-2 總體設(shè)計(jì)方案 該總體方案主要由以下幾個(gè)部分組成 （1）觸摸屏：主要功能是設(shè)定和顯示相應(yīng)的溫度值，以及停止和開始功 能。 （2）PLC：主要完成 PID 調(diào)節(jié)功能以及數(shù)據(jù)變換。 （3）測(cè)溫電路和 A/D 模塊：主要功能是 0-10V 溫度測(cè)量信號(hào)經(jīng) FX2N- A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入 PLC 處理。 （4）輸出調(diào)節(jié)電路：主要功能是把PLC 處理運(yùn)算發(fā)出的控制信號(hào)通過脈 寬調(diào)制裝置輸出脈沖信號(hào)對(duì)加熱管進(jìn)行加熱 系統(tǒng)工作原理：溫度變送器將加熱管溫度變換為模擬信號(hào)，經(jīng)低通濾波器濾 掉干擾信號(hào)后送放大器，將信號(hào)放大后送A/D 模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送 PLC， 數(shù)字量經(jīng)標(biāo)度變換，得到實(shí)際加熱管溫度。數(shù)字控制器根據(jù)恒溫給定值Q0 與實(shí)際加熱管溫度 Q 的偏差 e（k）按積分分離 PID 控制算法，得到輸出控 制量 u（k），控制晶閘管導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)加熱管溫度的變化使之與給定恒溫 值一致，達(dá)到恒溫控制目的。當(dāng)達(dá)到恒溫值、輸入錯(cuò)誤或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)， 系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)用GT1040-QBBD-C 觸摸屏對(duì)加熱管溫度進(jìn)行實(shí)時(shí) 顯示和溫度給定輸入。 第二章第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.12.1 PLCPLC 選擇選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)方案的分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要使用A/D 轉(zhuǎn)換器和 D/A 轉(zhuǎn)換器來 完成溫度采樣。在課程學(xué)習(xí)中，我們學(xué)習(xí)了三菱的FX 系列 PLC，因此， 選擇三菱 FX2N（基本 I/O 點(diǎn)數(shù)為 24）和 FX2N-2AD 特殊功能模塊。 2.1.12.1.1 FX2N-48MRFX2N-48MR PLCPLC FX2N 系列 PLC 是 FX 系列中最先進(jìn)的系列 、具有高速處理及可以擴(kuò)展 大量滿足單個(gè)需要的特殊功能模塊等特點(diǎn) 。它由基本單元、擴(kuò)展單元、擴(kuò)展 模塊等構(gòu)成。用戶存儲(chǔ)器容量可擴(kuò)展到16K 步。I/O 點(diǎn)最大可擴(kuò)展到 256 點(diǎn)。它有 27 條基本指令，其基本指令的執(zhí)行速度超過了很多大型PLC。三 菱 FX2N-48MR PLC，為繼電器輸出類型，其輸入、輸出點(diǎn)數(shù)皆為是24 點(diǎn)， 可擴(kuò)展模塊可用的點(diǎn)數(shù)為 4864,內(nèi)附 8000 步 RAM。其內(nèi)部資源如下： （1）輸入繼電器 X（X0X27，24 點(diǎn)，八進(jìn)制） （2）輸出繼電器 Y（Y0Y27，24 點(diǎn)，八進(jìn)制） （3）輔助繼電器 M（M0M8255）通用輔助繼電器（ M0M499） （4）狀態(tài)繼電器（ S0S999） （5）定時(shí)器 T（T0T255）（T0T245 為常規(guī)定時(shí)器） （6）計(jì)數(shù)器 C（C0C255） （7）指針（ P/I）見表 2-1 和表 2-2 （8）數(shù)據(jù)寄存器 D（D0D8255）（D0D199 為通用型） 表 2-1 定時(shí)器中斷標(biāo)號(hào)指針表 輸入編號(hào)中斷周期（ ms）中斷禁止特殊輔助繼電器 I6XXM8056 I7XXM8057 I8XX 在指針名稱的 XX 部分中，輸 入 1099 的整數(shù)。 I610 為每 10ms 執(zhí)行一次定時(shí)器中斷M8058 表 2-2 輸入中斷標(biāo)號(hào)指針表 指針編號(hào)輸入編 號(hào)上升中斷下降中斷 中斷禁止特殊輔助繼 電器 X0I001I000M8050 X1I101I100M8051 X2I201I200M8052 X3I301I300M8053 X4I401I400M8054 X5I501I500M8055 注：M8050M8058=“0”表允許； M8050M8058=“1”表禁止。 2 2. .1 1. .2 2 F FX X2 2N N- -2 2A AD D 特特殊殊功功能能模模塊塊 FX2N-2AD為模擬量輸入模塊 ,有兩個(gè)模擬量輸入通道（分別為 CH1、CH2），每個(gè)通道都可進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)， 其分辨率為 12位。其模擬量輸出性能如表 2-3所示。 表 2-3 模擬量輸出性能表 項(xiàng) 目電壓輸入電流輸入 模擬量輸入范 圍 DC ：0+10V（輸入 電阻200K） 絕對(duì)最大輸入： - 0.5V,+15V DC ：4+20mA（輸入電阻 250） 絕對(duì)最大輸入： -2mA,+60mA 數(shù)字輸出12位二進(jìn)制 分辨率 2.5mV(10V/4000) 1.25mV(5V/4000) 4A(20mA/4000) 總體精度 1%（滿量程 010V） 1%（滿量程 420mA范圍） 轉(zhuǎn)換速度 2.5ms/通道（與順空程序同步動(dòng)作） 所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和參數(shù)設(shè)置的調(diào)整可通過 FROM/TO指令完成。同時(shí)在編程 過程中重點(diǎn)用到了 BFM數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器，具體分布情況如表 2-4所示。 表2-4 FX2N-2AD緩沖存儲(chǔ)器的功能及分配 B BF FM M內(nèi)內(nèi)容容 編編號(hào)號(hào)b b1 15 5- -b b8 8b b7 7- -b b4 4b b3 3b b2 2b b1 1b b0 0 # #0 0保保留留輸輸入入數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的當(dāng)當(dāng)前前值值（低低 8 8位位） # #1 1保保留留輸輸入入數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的當(dāng)當(dāng)前前值值（高高 4 4位位） # #2 2- -# #1 16 6保保留留 # #1 17 7 保保留留 模模擬擬到到數(shù)數(shù) 字字轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換開開 始始 模模擬擬到到數(shù)數(shù) 字字轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換通通 道道 # #1 18 8保保留留 BFM 說明： 1）BFM#0：存儲(chǔ)由 BFM#17 指定通道的輸入數(shù)據(jù)當(dāng)前值低8 位數(shù)據(jù)，當(dāng) 前值數(shù)據(jù)以二進(jìn)制存儲(chǔ)。 2）BFM#1：存儲(chǔ)由 BFM#17 指定通道的輸入數(shù)據(jù)當(dāng)前值高4 位數(shù)據(jù)，當(dāng) 前值數(shù)據(jù)以二進(jìn)制存儲(chǔ)。 3）BFM#17：b0：指定由模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的通道（ CH1,CH2）。 b0=0 指定 CH1 b0=1 指定 CH2 b1: 由 01 時(shí) A/D 轉(zhuǎn)換過程開始 2 2. .1 1. .3 3 F FX X2 2N N- -2 2D DA A 特特殊殊功功能能模模塊塊 FX2N-2DA為模擬量輸入模塊 ,有兩個(gè)模擬量輸出通道（分別為 CH1、CH2），每個(gè)通道都可進(jìn)行 D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)， 其分辨率為 12位。其模擬量輸出性能如表 2-3所示。 表 2-3 模擬量輸出性能表 項(xiàng) 目電壓輸出電流輸出 模擬量輸入范 圍 DC ：0+10V（輸入 電阻200K） 絕對(duì)最大輸入： - 0.5V,+15V DC ：4+20mA（輸入電阻 250） 絕對(duì)最大輸入： -2mA,+60mA 數(shù)字輸出12位二進(jìn)制 分辨率 2.5mV(10V/4000) 1.25mV(5V/4000) 4A(20mA/4000) 總體精度1%（滿量程1%（滿量程 420mA范圍） 010V） 轉(zhuǎn)換速度 2.5ms/通道（與順空程序同步動(dòng)作） 所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和參數(shù)設(shè)置的調(diào)整可通過 FROM/TO指令完成。同時(shí)在編程 過程中重點(diǎn)用到了 BFM數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器，具體分布情況如表 2-4所示。 表2-4 FX2N-2DA緩沖存儲(chǔ)器的功能及分配 內(nèi)內(nèi)容容 B BF FM M 編編號(hào)號(hào)b b1 15 5- -b b8 8b b7 7- -b b4 4b b3 3b b2 2b b1 1b b0 0 # #0 0保保留留輸輸入入數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的當(dāng)當(dāng)前前值值（低低 8 8位位） # #1 1保保留留輸輸入入數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的當(dāng)當(dāng)前前值值（高高 4 4位位） # #2 2- -# #1 16 6保保留留 # #1 17 7 保保留留 模模擬擬到到數(shù)數(shù) 字字轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換開開 始始 模模擬擬到到數(shù)數(shù) 字字轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換通通 道道 # #1 18 8保保留留 BFM 說明： 4）BFM#0：存儲(chǔ)由 BFM#17 指定通道的輸入數(shù)據(jù)當(dāng)前值低8 位數(shù)據(jù)，當(dāng) 前值數(shù)據(jù)以二進(jìn)制存儲(chǔ)。 5）BFM#1：存儲(chǔ)由 BFM#17 指定通道的輸入數(shù)據(jù)當(dāng)前值高4 位數(shù)據(jù)，當(dāng) 前值數(shù)據(jù)以二進(jìn)制存儲(chǔ)。 6）BFM#17：b0：指定由模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的通道（ CH1,CH2）。 b0=0 指定 CH1 b0=1 指定 CH2 b1: 由 01 時(shí) A/D 轉(zhuǎn)換過程開始 2 2. .2 2 硬硬件件電電路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 2 2. .2 2. .1 1 溫溫度度值值給給定定電電路路 為了能同時(shí)使用觸摸屏和開關(guān)按鍵實(shí)現(xiàn)溫度給定值輸入，觸摸屏程序利 用 GT Designer3 設(shè)計(jì)觸摸屏溫度給定值輸入、觸摸屏溫度顯示、觸摸屏啟動(dòng) 控制、觸摸屏停止控制以及指示燈指示如下圖所示；本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了十個(gè)開 關(guān)按鍵，作為溫度給定值的輸入端口，接收十進(jìn)制數(shù)（觸摸屏程序和開關(guān)按 鍵電路分別如下圖所示） 。給定值范圍為 0100，若輸入值超過給定值范 圍，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)（亮紅燈） 。 觸摸屏溫度給定輸入：（右圖第一行數(shù)字即為溫度給定輸入）： 觸摸屏啟動(dòng)控制：（左圖第一個(gè)方形圖形） 觸摸屏停止控制：（左圖第二個(gè)方形圖形） 觸摸屏指示燈指示： 恒溫完成指示信號(hào)（Y0004） 當(dāng)前溫度大于給定溫度（Y0005） 給定溫度超出范圍報(bào)警（Y0006） 按鍵設(shè)計(jì)電路如圖 2-1 所示：SB1 為溫度值輸入允許， SB2SB11 分別 表示十進(jìn)制數(shù) 09。先按下溫度值給定允許開關(guān)SB1，然后再輸入給定溫度 值，先按下的數(shù)字為高位上的數(shù)值，后按下的數(shù)字為低位上的數(shù)值。比如， 先后按下開關(guān) SB5、SB2 和 SB2，則表示給定溫度值為 300，并送 PLC 數(shù)據(jù)寄存器保存 。 2 2. .2 2. .2 2 溫溫度度檢檢測(cè)測(cè)電電路路 溫度檢測(cè)是溫度控制系統(tǒng)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到系統(tǒng)性能。在 PLC 溫度控制系統(tǒng)中，溫度的檢測(cè)不僅要完成溫度到模擬電壓量的轉(zhuǎn)換還要 將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送 PLC。其一般結(jié)構(gòu)如圖 2-2 所示。 圖 2-2 溫度檢測(cè)基本結(jié)構(gòu) 溫度變送器將測(cè)溫點(diǎn)的溫度變換為模擬電壓，其值一般為mA 級(jí)，需 要放大為滿足 A/D 轉(zhuǎn)換要求的電壓值。然后送PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，得到表示溫度的電壓數(shù)字量，再用軟件進(jìn)行標(biāo)度變換與誤差補(bǔ)償， 得到測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)際溫度值。 本系統(tǒng)利用熱電偶完成加熱管溫度檢測(cè)（熱端檢測(cè)加熱管溫度，冷端置 于 0溫度中）、FX2N-2AD 模塊一個(gè)通道實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。加熱管溫度檢 測(cè)與放大電路由熱電偶、低通濾波、信號(hào)放大和零點(diǎn)遷移電路四部分組成。 其電路如 圖 2-3 所示。 溫度變送器 圖 2-3 加熱管溫度檢測(cè)與放大電路 圖中，R1、C1 完成低通濾波， R2、RP、2CW51 組成零點(diǎn)遷移電路，加熱 管溫度檢測(cè)元件采用鎳鉻 鎳鋁熱電偶，分度號(hào)為 EU-2，查分度表可得， 當(dāng)溫度為 0100時(shí)，輸出電勢(shì)為 04.095mV。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)二級(jí)放大后送 i u FX2N-2AD 模塊，第一級(jí)放大倍數(shù)為 50，第二級(jí)放大倍數(shù)為 11.2 零點(diǎn)遷移，其輸出電壓為 0 u )( 2 . 11)( 5 56 21210 uuuu K K u 式中，為零點(diǎn)遷移值。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，給定溫度值為0100，本系統(tǒng) 2 u 選取測(cè)溫范圍為 0100，將 0作為測(cè)溫起點(diǎn)（零點(diǎn)） 。調(diào)整多圈電位器 RP，使=50*11.2=560mV，當(dāng)加熱管溫度為 0時(shí)，=0mV，=560mV， 2 u i u 1 u 于是=0。經(jīng)零點(diǎn)遷移后 ,加熱管溫度為 0100時(shí)， 0 u =04.095mV，=09.94V，A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為 04000。 i u 0 u 2 2. .2 2. .3 3 過過零零檢檢測(cè)測(cè)電電路路 按設(shè)計(jì)要求，要求過零檢測(cè)電路在每個(gè)電源周期開始時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖， 作為觸發(fā)器的同步信號(hào)，其設(shè)計(jì)電路如 圖 2-4（a）所示。 圖 2-4（a） 過零檢測(cè)電路 圖中，GND 為+5V 電源地， LM339 為過零比較器 .LM339 集成塊內(nèi)部裝有四 個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，共模范圍很大；差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等 于電源電壓。 二極管用作 LM339 輸入保護(hù)。電路的工作波形如 圖 2-4（b） 所示。 圖 2-4（b） 過零檢測(cè)電路的工作波形圖 2 2. .2 2. .4 4 晶晶閘閘管管電電功功率率控控制制電電路路 晶閘管是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，也叫可控硅。它是一種半控型器件，是一 種可以利用控制信號(hào)控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷的電力電子器件。它的關(guān) 斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。也即說，若要使已導(dǎo)通 的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加反向電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流 降到接近零的某一數(shù)值以下。 晶閘管控制電熱元件消耗的電能有兩種方法，一是采用移相觸發(fā)控制輸 入電壓的大小，二是采用過零觸發(fā)控制輸入電壓加到電熱元件上的周波數(shù)。 由于移相觸發(fā)控制會(huì)產(chǎn)生較大的諧波干擾信號(hào)“污染”電網(wǎng)，因此采用過 零觸發(fā)控制。又由于本電路所控制的電阻爐只有一根電阻絲，功率也不大， 因此，本系統(tǒng)采用單相電源供電，電源的通斷由二個(gè)晶閘管反并控制，如 圖 2-5 所示。 圖 2-5 電功率控制電路 這種控制方法的原理是：各晶閘管的觸發(fā)角 恒為 0，使得一個(gè)周 期內(nèi)電源均加在電熱元件上，通過控制一個(gè)控制周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通周波數(shù)， 就可控制電熱元件消耗的電能。根據(jù)電熱爐的數(shù)字模型可知，溫度的增量與 它消耗的電能成正比，而電熱爐消耗的電能與晶閘管導(dǎo)通周波數(shù)成正比，因 此，晶閘管導(dǎo)通周波數(shù) n 與控制輸出控制量 u（k）的關(guān)系為 n=K*u(k) 式中，K=/ 為比例系數(shù)（約為 1），為一個(gè)控制周期內(nèi)的電源 max n maxt u max n 周波數(shù)，溫度偏差不同，則u（k）、n 不同，電熱爐消耗的電能亦不同，達(dá) 到了根據(jù)溫度偏差調(diào)節(jié)輸入電能，保證爐溫按要求變化的目的。 晶閘管由正向?qū)ǖ疥P(guān)斷時(shí)，由于空穴積蓄效應(yīng)，晶閘管反向阻斷能力 的恢復(fù)需要一段時(shí)間。在這段時(shí)間里，晶閘管元件流過反向電流，接近終止 時(shí)，很大，它與線路電感共同作用產(chǎn)生的電壓L*可能損壞晶閘 ti dd ti dd 管，必須采取保護(hù)措施，在晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收裝置。 設(shè)計(jì)電路中的元器件的選擇如下： （1）R 和 C 的選擇 阻容吸收裝置的參數(shù)按晶閘管ITN 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取為： R=80 C=0.15F 電容 C 的交流耐壓為： VUU mCN 46722205 . 15 . 1 電阻 R 的功率應(yīng)滿足： W XR RU P C R 086 . 0 )1015 . 0 314/1 (80 8022010 *10 262 2 22 2 實(shí)選電容 0.15F/630V 一只，電阻 80/0.5W 一只。 （2）快速熔斷器 FU 的選擇 快速熔斷器是專門用來保護(hù)晶閘管的，其熔體電流按下式選?。?FU I TNFU II57 . 1 6 5 式中，5/6 為修正參數(shù)，為保證可靠與選用方便，一般取。實(shí)選熔 TNFU II 體額定電流為 20A 的 RLS-50 螺旋式快速熔斷器二只，分別與二只晶閘管串 聯(lián)，其額定電壓為 500V。 （3）晶閘管的選擇 電阻爐的額定功率為 4KW，電源電壓為 220V，故負(fù)載電流 IL=18.2A。 由于每個(gè)晶閘管只導(dǎo)通半個(gè)電源周波且本系統(tǒng)采用過零觸發(fā)（=0）， 流過每個(gè)晶閘管的平均電流為9.1A。關(guān)斷時(shí)，承受正反向峰值電壓為 ，考慮到晶閘管的過載能力小及環(huán)境溫度的變化等因素，晶閘管的額V2220 定電流應(yīng)為： TN I AII LTN 2 . 18 7 . 132/)25 . 1 ( 額定電壓應(yīng)為： TN U VUTN9336222220)32( 根據(jù)以上計(jì)算，主回路的二只晶閘管選擇為KP20-10(參數(shù)為： 20A，1KV，0.1A，3V) 2 2. .2 2. .5 5 脈脈沖沖輸輸出出通通道道 由于 PLC 有很強(qiáng)的抗干擾性和可靠性，且FX2N-48MR-001 為繼電器輸 出2A/1 點(diǎn)（KP20-10 晶閘管的觸發(fā)電流和電壓分別為0.1A 和 3V）， 因而 FX2N-48MR-001 的輸出點(diǎn)能可靠地觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，而無須設(shè)計(jì)光電隔 離和功率放大。脈沖輸出通道電路如 圖 2-6 所示。 圖 2-6 脈沖輸出通道 圖中，初始時(shí)， Y0 和 Y1 都為低電平，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到從X0 輸入的同步信號(hào) 為高（低）電平時(shí)， Y0（Y1）由低電平變高電平，輸出電流值為2A 的觸發(fā) 電流，去觸發(fā)晶閘管 VT1（VT2）導(dǎo)通；當(dāng) X0 從高電平變低電平（從低電平 變高電平）時(shí)， Y0（Y1）脈沖結(jié)束，電路恢復(fù)為初態(tài)。 2.2.62.2.6 報(bào)警指示電路報(bào)警指示電路 按設(shè)計(jì)要求，報(bào)警指示電路設(shè)計(jì)了一個(gè)恒溫指示（綠燈）燈、故障報(bào)警 （紅燈）和輸入出錯(cuò)報(bào)警（黃燈） ，完成指示、報(bào)警功能。顯示及給定溫度 值均由 GT1040-QBBD-C 觸摸屏完成。設(shè)計(jì)電路如圖2-7 所示。 圖 2-7 報(bào)警指示電路 2.2.72.2.7 復(fù)位電路復(fù)位電路 復(fù)位電路由一個(gè)開關(guān) SB12 完成開/關(guān)功能，當(dāng)按下開關(guān) SB12 時(shí)系統(tǒng)啟 動(dòng)，正常運(yùn)行，執(zhí)行任務(wù)；當(dāng)斷開SB12 時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行，不執(zhí)行任何任 務(wù)。設(shè)計(jì)電路如圖 2-8 所示。 圖 2-8 復(fù)位電路 第第三三章章 系系統(tǒng)統(tǒng)軟軟件件設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) PLC 程序輸入可以通過手持編程器、專用編程器或計(jì)算機(jī)完成。但由于 手持編程器在程序輸入或閱讀理解分析時(shí)比較煩瑣；專用編程器價(jià)格高，通 用性差，而計(jì)算機(jī)除了可以進(jìn)行PLC 的編程外，還可作為一般計(jì)算機(jī)的用 途，兼容性好，利用率高。因此，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行PLC 編程和通信更具優(yōu) 勢(shì)。本次軟件設(shè)計(jì)即是利用計(jì)算機(jī)編程，在三菱PLC 編程軟件 GTDESINER 下完成程序編寫和通信。 3 3. .1 1 程程序序設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用三菱 FX 系列 PLC 控制。其輸入、輸出地址表如表2-6 所示。另外，內(nèi)存分配如表 3-1 所示： 表 3-1 內(nèi)存分配表 儲(chǔ)存器特定意義儲(chǔ)存器特定意義 D0A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)字量結(jié)果D30u(k) D4溫度給定值 Q0D31u(k-1) D5加熱管溫度 QD32e(k) D25觸發(fā)周波數(shù) nD33e(k-1) D26晶閘管允許觸發(fā)標(biāo)志D34e(k-2) D27采樣周期計(jì)數(shù)器D35 p K D100D121數(shù)據(jù)緩沖區(qū)D36 d K D29斷偶計(jì)數(shù)器D37 i K D38十鍵輸入指定存儲(chǔ)元件 3 3. .2 2 系系統(tǒng)統(tǒng)程程序序流流程程圖圖 Y N Y N 初始化 溫度給定 輸入值錯(cuò)誤 錯(cuò)誤報(bào)警 A/D 轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換值4000斷偶報(bào)警 標(biāo)度變換 實(shí)際溫度顯示 給定值與實(shí)際溫度比較 Y N Y N 圖 3-1 系統(tǒng)程序流程圖 3 3. .3 3 控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)控控制制程程序序的的開開發(fā)發(fā) 針對(duì)本系統(tǒng)要求控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒溫控制的功能，溫度在（0100） 范圍內(nèi)任意設(shè)定（ X10X21 輸入給定值） ，經(jīng)過積分分離 PID 調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn) 恒溫控制，同時(shí)有恒溫指示和斷偶報(bào)警信號(hào)指示。特編寫以下控制程序。 （總程序見附錄二） 。 3.3.13.3.1 溫度設(shè)定溫度設(shè)定 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用十鍵數(shù)字輸入指令，設(shè)定恒溫給定值。程序如圖3-2 所示。 圖 3-2 讀取溫度給定 差值 e（k）=0 差值 e（k） 10 n=240 數(shù)字調(diào)節(jié)器 保存 n 晶閘管觸發(fā)準(zhǔn) 備 等待中斷 恒溫指示 等待中斷 當(dāng)溫度設(shè)定允許（ X1=1）時(shí)，執(zhí)行十鍵輸入指令，輸入給定溫度值， 送 D38，當(dāng)給定值在 0100范圍內(nèi)時(shí)，將給定值（ D38）再送 D4 保存。 否則輸入出錯(cuò)報(bào)警（ Y6=1）。 3 3. .3 3. .2 2 A A/ /D D 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換功功能能模模塊塊的的控控制制程程序序 溫度檢測(cè)硬件電路給定的 A/D 轉(zhuǎn)換通道號(hào) CH1，完成加熱管溫度的 A/D 轉(zhuǎn)換。為了提高抗干擾能力，程序采用了數(shù)字濾波措施，濾波方法是取8 次輸入的平均值作為檢測(cè)結(jié)果。在此過程中設(shè)定爐溫的模擬量送入FX2N- 2AD 模塊 1#通道（CH1）。根據(jù)三菱公司的用戶手冊(cè)中的模塊編號(hào)規(guī)則， FX2N-2AD 直接連 PLC 的為 0 號(hào)模塊。 A/D 轉(zhuǎn)換功能的 PLC 程序如圖 3-3 所 示： 圖3-3 A/D 轉(zhuǎn)換程序 本程序設(shè)計(jì)以 4.8s 為一個(gè)控制周期，當(dāng)控制周期到才讀取A/D 轉(zhuǎn)換結(jié) 果。 控制周期計(jì)時(shí)中斷服務(wù)程序（ I610）如圖 3-4 所示。 圖 3-4 計(jì)時(shí)中斷程序 I610 為每計(jì)時(shí) 10ms 便自動(dòng)執(zhí)行一次中斷。當(dāng)計(jì)時(shí)10ms 到，系統(tǒng)執(zhí)行 I610 中斷服務(wù)程序，控制周期計(jì)數(shù)器（ D27）加 1，將 D27 與 480 比較， 若相等則 M331 為 ON（4.8s 計(jì)時(shí)到） ，同時(shí)將控制周期計(jì)數(shù)器（ D27）清 0。 3 3. .3 3. .3 3 標(biāo)標(biāo)度度變變換換程程序序 另外針對(duì)本次設(shè)計(jì)所選擇的功能模塊FX2N-2AD 的輸入輸出特性，有 0100經(jīng)零點(diǎn)遷移后所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為04000（010V 對(duì)應(yīng)的數(shù)字量） ，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的溫度的數(shù)字量存入D0，根據(jù)此特性，輸入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng) 的模擬量應(yīng)該為數(shù)字量占 4000 的百分比，即實(shí)際溫度 =100*數(shù)字量/4000= 數(shù)字量*1/40。從而得到實(shí)際的溫度的數(shù)值而送入D5，同時(shí)將所得的余數(shù)與 0.5所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量 (約等于 20)進(jìn)行比較，如果大于 20，則將 D5 中的數(shù) 加一，反之則不變。如此就完成了對(duì)采樣溫度值的標(biāo)度變換。標(biāo)度變換功能 的 PLC 程序如圖 3-5 所示： 圖 3-5 標(biāo)度變換程序 3.4.43.4.4 恒溫控制程序恒溫控制程序（PIDPID）設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì) 3 3. .4 4. .4 4. .1 1 P PI ID D 算算法法 根據(jù)給定的工藝要求，溫度控制分為三段：自由升溫段、恒溫段和自然 降溫段。自然降溫?zé)o需控制和檢測(cè)溫度，自由升溫只需監(jiān)視加熱管溫度是否 到達(dá)恒溫值，只有恒溫段需要控制與檢測(cè)加熱管溫度。用于恒溫控制的調(diào)節(jié) 器有多種形式，如大林算法、 PD 調(diào)節(jié)、PID 調(diào)節(jié)、開關(guān)調(diào)節(jié)等，本系統(tǒng)選 用實(shí)際中切實(shí)可行的積分分離PID 調(diào)節(jié)，它能有效地減小系統(tǒng)的超調(diào)和穩(wěn)態(tài) 誤差。 PID 調(diào)節(jié)器的位置式控制方程為： )( 1)( )()( dtte Tdt tde TteKtu i dp 式中，e（t）為 t 時(shí)刻給定的恒溫值 Q0 與實(shí)際加熱管溫度 Q 之差。將其離 散化，得 )2() 1(2)()()1()() 1()(kekeke T T ke T T kekeKkuku d i p 式中，T、分別為采樣周期、微分時(shí)間常數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和比 d T i T P K 例時(shí)間常數(shù)； e（k）為本次采樣時(shí) Q0 與 Q 之差。 令 （3-1） i Pi T T KK T T KK d pd 則有 式（3-2） )2() 1(2)()()1()() 1()(kekekeKKeKkekeKkuku dip 式中，、分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù) (待定參數(shù) )。 p K i K d K 為了減少在線整定參數(shù)的數(shù)目，常常假定約束條件，以減少獨(dú)立變量的 個(gè)數(shù)，本次設(shè)計(jì)選取 T0.1 s T 0.5 i T s T 0.125 d T s T 其中，為純比例控制時(shí)的臨界振蕩周期。將它們代入式（3-1）。即有 s T Pi KK 5 1 pd KK 4 5 因此，對(duì)四個(gè)參數(shù)的整定便簡(jiǎn)化成了對(duì)一個(gè)參數(shù)的整定。因而使調(diào) p K 試較為簡(jiǎn)單方便。 3 3. .4 4. .4 4. .2 2 恒恒溫溫控控制制程程序序 為了減少超調(diào)和消除振蕩現(xiàn)象，當(dāng)自由升溫小于給定的恒溫值10， 系統(tǒng)就開始進(jìn)行恒溫控制，恒溫控制采用積分分離PID 調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的控制 算法如下： 當(dāng)加熱管溫度 Q 大于給定恒溫值 10時(shí)，系統(tǒng)全速升溫，令 u（k） =240，240 為一個(gè)控制周期（ 4.8s）的工頻電源周波數(shù)。 當(dāng) e（k） 10 u(k)=240 計(jì)算 PD 項(xiàng) 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) 結(jié)束 圖 3-6 數(shù)字控制器流程 圖 3-7 數(shù)字控制器程序 3.4.53.4.5 數(shù)字觸發(fā)器程序設(shè)計(jì)數(shù)字觸發(fā)器程序設(shè)計(jì) 3 3. .4 4. .5 5. .1 1 數(shù)數(shù)字字觸觸發(fā)發(fā)器器組組成成與與原原理理 數(shù)字觸發(fā)器按照調(diào)節(jié)器輸出的控制量控制輸送給加熱管的能量。由于晶 閘管移相觸發(fā)存在很大的諧波干擾 “污染”電網(wǎng)，本系統(tǒng)采用過零觸發(fā)，觸 發(fā)器的組成如 圖 3-8 所示。 圖 3-8 過零數(shù)字觸發(fā)器組成 工作原理如下：數(shù)字觸發(fā)器準(zhǔn)備程序?qū)⒖刂屏縰（k）變換為晶閘管的 導(dǎo)通周波數(shù) n，且當(dāng) n0 時(shí)，置晶閘管允許觸發(fā)標(biāo)志為1。準(zhǔn)備程序在每個(gè) 控制周期執(zhí)行一次。當(dāng)電源正半波到來時(shí)（由低電平變高電平） ，)( sgn ku 若晶閘管允許觸發(fā)標(biāo)志為 1，則在 Y0 端產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖，經(jīng)光電隔離和 功率放大后觸發(fā)晶閘管 VT1 導(dǎo)通，使電源正半波加到電阻絲上。當(dāng)電源負(fù)半 波到來時(shí)（由高電平變低電平） ，若晶閘管允許觸發(fā)標(biāo)志為1，則在)( sgn ku Y1 端產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖，經(jīng)光電隔離和功率放大后觸發(fā)晶閘管VT2 導(dǎo)通， 使電源負(fù)半波加到電阻絲上，使負(fù)載得到一個(gè)完整的電壓波形。程序還完成 晶閘管已導(dǎo)通周波數(shù)計(jì)數(shù)工作，當(dāng)已導(dǎo)通周波數(shù)等于n 時(shí)，表示本控制周 期內(nèi)向電阻絲輸送的能量已達(dá)到控制要求，將晶閘管允許觸發(fā)標(biāo)志清 0，Y0、Y1 不再輸出觸發(fā)脈沖。 3 3. .4 4. .5 5. .2 2 數(shù)數(shù)字字觸觸發(fā)發(fā)器器程程序序 數(shù)字觸發(fā)器程序由兩部分組成：準(zhǔn)備程序和觸發(fā)程序 其程序框圖如 圖 3-9 和圖 3-10 所示。 電源在一個(gè)控制周期（ 4.8s）有 240 個(gè)周波，而 u（k）的最大亦也 240，因此，晶閘管在一個(gè)控制周期的導(dǎo)通周波數(shù)n 與控制量 u（k）的關(guān) 系為 n=u（k） 脈沖輸出通道要求 PLC 輸出的觸發(fā)脈沖為正脈沖，故程序先使Y0（或 Y1）由 0 變 1，延時(shí)約 0.01s 后（半個(gè)周波時(shí)間） ，再將 Y0（或 Y1）置 0，在 Y0（或 Y1）端形成一個(gè)寬約 0.01s 的正脈沖。 圖 3-9 晶閘管觸發(fā)準(zhǔn)備程序 圖 3-10 數(shù)字觸發(fā)程序 數(shù)字觸發(fā)器功能的 PLC 程序如下圖 3-11 所示： 當(dāng) X2 為 ON 時(shí)，將 u（k）送 D25 作觸發(fā)周波數(shù) n，將其與 0 比較， 若 n 大于 0，則置位 D26（觸發(fā)允許標(biāo)志）允許觸發(fā)并將Y0 和 Y1 置 1。X0 為電源周波信號(hào)輸入端，當(dāng)允許晶閘管觸發(fā)時(shí)，當(dāng)X0 的上升沿（下 降沿）到時(shí) Y0（Y1）輸出 1，延時(shí)半個(gè)周波時(shí)間后 Y0（Y1）輸出 0，即 在 Y0（Y1）端口產(chǎn)生正脈沖去觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。同時(shí)每完成一個(gè)周波觸發(fā)， 將 D25 減 1。直到 D25 為 0 止。D25 為 0 而采樣周期未到 D26 被清 0，系 統(tǒng)將不再對(duì)晶閘管輸出觸發(fā)脈沖。 圖 3-11 數(shù)字觸發(fā)器程序 3 3. .4 4. .6 6 顯顯示示程程序序 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)用 GT1040-QBBD-C 觸摸屏顯示溫度（本系統(tǒng)設(shè)定溫度范圍為 0100）， 顯示程序如圖 3-12 所示： 觸摸屏溫度顯示（右圖第二行數(shù)字即為溫度顯示）： 3.4.73.4.7 恒溫指示程序恒溫指示程序 當(dāng)實(shí)際溫度與溫度給定值相等時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出恒溫指示信號(hào)（Y4=1，綠 燈亮