基于PLC的觸摸屏溫度控制系統(tǒng)

1、科目：綜合控制系統(tǒng)科目：綜合控制系統(tǒng)題目：溫度控制系統(tǒng)課程設(shè)計題目：溫度控制系統(tǒng)課程設(shè)計姓 名： LC 學(xué) 號： 系 別： 班 級： 完成時間： 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電子信息工程學(xué)院華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電子信息工程學(xué)院1目目 錄錄 前言前言.1第一章第一章 系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案.2第二章第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計.3 2.1 PLC 選擇 .3 2.1.1 FX2N-48MR-001PLC.3 2.1.2 FX2N-2AD 特殊功能模塊 .4 2.1.3 FX2N-2DA特殊功能模塊 4 2.2 硬件電路設(shè)計.5 2.2.1 溫度值給定電路.6 2.2.2 溫度檢測電路.9 2.2.

2、3 過零檢測電路.10 2.2.4 晶閘管電功率控制電路.11 2.2.5 脈沖輸出通道.13 2.2.6 報警指示電路.13 2.2.7 復(fù)位電路.14第三章第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 .14 3.1 編程與通信軟件的使用.14 3.2 程序設(shè)計.16 3.3 系統(tǒng)程序流程圖.16 3.4 控制系統(tǒng)控制程序的開發(fā).17 3.4.1 溫度設(shè)計.17 3.4.2 A/D 轉(zhuǎn)換功能模塊.18 3.4.3 標度變換程序.19 3.4.4 恒溫控制程序（PID)設(shè)計.19 3.4.5 數(shù)字觸發(fā)器程序設(shè)計.22 3.4.6 顯示程序.25 3.4.7 恒溫指示程序.25 3.4.8 報警程序.25

3、第四章第四章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 .26 4.1 總結(jié).26 4.2 展望.27參考文獻參考文獻.28附錄：系統(tǒng)程序（梯形圖）附錄：系統(tǒng)程序（梯形圖）.292前前 言言隨著時代的發(fā)展 ,當(dāng)今的技術(shù)日趨完善，競爭也愈演愈烈 ;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)實踐中 ,自動化給人們帶來了極大的便利和產(chǎn)品質(zhì)量上的保證,同時也減輕了人員的勞動強度 ,減少了人員上的編制。在許多復(fù)雜的生產(chǎn)過程中難以實現(xiàn)的目標控制、整體優(yōu)化、最佳決策等,熟練的操作工、技術(shù)人員或?qū)＜?、管理者卻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正

4、是利用計算機來實現(xiàn)、模擬這些智能行為,通過人腦與計算機協(xié)調(diào)工作 ,以人機結(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，它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作命令，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，人工勞動強度大。目前大多數(shù)使用微機代替常規(guī)控制。以微機為核心控制系統(tǒng)雖然成本較低，但微機的可靠性和抗干擾性較差而使其硬件設(shè)計較復(fù)雜。而

5、以PLC 為核心的控制系統(tǒng)，雖然成本較高，但PLC 本身就有很強的抗干擾性和可靠性，因而系統(tǒng)的硬件設(shè)計也簡單得多。所以，相比較于微機控制，PLC 控制在過程控制方面更具有優(yōu)勢。這種系統(tǒng)控制精度高、重復(fù)性好、自動化程度高，可以大大提高產(chǎn)品質(zhì)量和減輕工人的勞動負擔(dān)。本文介紹了以PLC 為核心實現(xiàn) PID 算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。3第第一一章章 系系統(tǒng)統(tǒng)總總體體方方案案根據(jù)設(shè)計任務(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) 對應(yīng)圖 1-1 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確定總體設(shè)計方案如圖1-2 所示：圖 1-2 總體設(shè)計方案 該總體方案主要由

6、以下幾個部分組成（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）測溫電路和 A/D 模塊：主要功能是 0-10V 溫度測量信號經(jīng) FX2N-A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入 PLC 處理。（4）輸出調(diào)節(jié)電路 ：主要功能 是把 PLC 處理運算發(fā)出的控制信號，經(jīng)FX2N-D/A 轉(zhuǎn)換 0-10V 模擬信號，通過脈寬調(diào)制裝置輸出脈沖信號對加熱管進行加熱系統(tǒng)工作原理：溫度變送器將加熱管溫度變換為模擬信號，經(jīng)低通濾波器濾掉干擾信號后送放大器，將信號放大后送A/D 模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送4PLC，數(shù)字量經(jīng)標度變換，得到實際加熱管溫

7、度。數(shù)字控制器根據(jù)恒溫給定值 Q0與實際加熱管溫度 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)通時間，調(diào)節(jié)加熱管溫度的變化使之與給定恒溫值一致，達到恒溫控制目的。當(dāng)達到恒溫值、輸入錯誤或系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，同時用GT1040-QBBD-C 觸摸屏對加熱管溫度進行實時顯示和溫度給定輸入。第二章第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計2.12.1 PLCPLC 選擇選擇 根據(jù)設(shè)計方案的分析，系統(tǒng)設(shè)計需要使用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 FX3U（基本 I/O 點

8、數(shù)為 24）和 FX2N-2AD 特殊功能模塊。2.1.12.1.1 FX3UFX3U PLCPLCFX3U 系列 PLC 是 FX 系列中功能最強、速度最高的微型可編程序控制器。它由基本單元、擴展單元、擴展模塊等構(gòu)成。用戶存儲器容量可擴展到16K 步。I/O 點最大可擴展到 256 點。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 FX3U PLC，為繼電器輸出類型，其輸入、輸出點數(shù)皆為是 24 點，可擴展模塊可用的點數(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，八進制）（2）輸出繼電器 Y（Y0Y27，24

9、點，八進制）（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）定時器 T（T0T255） （T0T245 為常規(guī)定時器）（6）計數(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 定時器中斷標號指針表輸入編號中斷周期（ ms）中斷禁止特殊輔助繼電器I6XXM8056I7XXM8057I8XX在指針名稱的 XX 部分中，輸入 1099 的整數(shù)。 I610 為每10ms 執(zhí)行一次定時器中斷M80585表 2-2 輸入中斷標號指針表指針編號輸入

10、編號上升中斷下降中斷中斷禁止特殊輔助繼電器X0I001I000M8050X1I101I100M8051X2I201I200M8052X3I301I300M8053X4I401I400M8054X5I501I500M8055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 ,有兩個模擬量輸入通道（分別為CH1、CH2） ，每個通道都可進行 A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，其分辨率為 12位。其模擬量輸出性能如表 2-3所

11、示。表 2-3 模擬量輸出性能表項 目電壓輸入電流輸入模擬量輸入范圍DC ：0+10V（輸入電阻200K）絕對最大輸入： -0.5V,+15VDC ：4+20mA（輸入電阻250）絕對最大輸入： -2mA,+60mA數(shù)字輸出12位二進制分辨率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。同時在編程過程中重點用到了 BFM數(shù)據(jù)緩沖存儲器，具體分布情況如表 2-4所示。表2-4 FX2N-2AD

12、緩沖存儲器的功能及分配 B BF FM M內(nèi)內(nèi)容容6 編編號號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)以二進制存

13、儲。2）BFM#1：存儲由 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)以二進制存儲。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 CH2b1: 由 01 時 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 ,有兩個模擬量輸出通道（分別為CH1、CH2） ，每個通道都可進行 D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號，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

14、能表項 目電壓輸出電流輸出模擬量輸入范圍DC ：0+10V（輸入電阻200K）絕對最大輸入： -0.5V,+15VDC ：4+20mA（輸入電阻250）絕對最大輸入： -2mA,+60mA數(shù)字輸出12位二進制分辨率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）7010V）轉(zhuǎn)換速度2.5ms/通道（與順空程序同步動作）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。同時在編程過程中重點用到了 BFM數(shù)據(jù)緩沖存儲器，具體分布情況如表 2-4所示。表2-4 FX2N-2DA緩沖存儲器的功能及分配內(nèi)內(nèi)

15、容容 B BF FM M 編編號號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)以二進制存儲。5）BFM#1：存儲由

16、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)以二進制存儲。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 CH2b1: 由 01 時 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)計計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使用觸摸屏和開關(guān)按鍵實現(xiàn)溫度給定值輸入，觸摸屏程序利用 GT Designer3 設(shè)計觸摸屏溫度給定值輸入、觸摸屏溫度顯示、觸摸屏啟動控制、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)計了十個開關(guān)按鍵，作為溫度給定值的輸入端口，接收十進制

17、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8范圍，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號（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）：觸摸屏啟動控制：（左圖第一個方形圖形）觸摸屏停止控制：（左圖第二個方形圖形）9觸摸屏指示燈指示：恒溫完成指示信號（Y0004）當(dāng)前溫度大于給定溫度（Y0005）給定溫度超出范圍報警（Y0006）10按鍵設(shè)計電路如圖 2-1 所示：SB1 為溫度值輸入允許， SB2SB11 分別表示十進制數(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

18、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 溫溫度度檢檢測測電電路路溫度檢測是溫度控制系統(tǒng)的一個很重要的環(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 溫度檢測基本結(jié)構(gòu)溫度變送器將測溫點的溫度變換為模擬電壓，其值一般為mA 級，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)換模塊進行A/D 轉(zhuǎn)換，得到表示溫度的電壓數(shù)字量，再用軟件進行標度變換與誤差補償，得到測溫點的

19、實際溫度值。本系統(tǒng)利用熱電偶完成加熱管溫度檢測（熱端檢測加熱管溫度，冷端置于 0溫度中） 、FX2N-2AD 模塊一個通道實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。加熱管溫度檢測與放大電路由熱電偶、低通濾波、信號放大和零點遷移電路四部分組成。其電路如 圖 2-3 所示。熱電偶和放大器原理及參數(shù)詳見附錄二。溫度變送器11圖 2-3 加熱管溫度檢測與放大電路圖中，R1、C1 完成低通濾波， R2、RP、2CW51 組成零點遷移電路，加熱管溫度檢測元件采用鎳鉻 鎳鋁熱電偶，分度號為 EU-2，查分度表可得，當(dāng)溫度為 0100時，輸出電勢為 04.095mV。檢測信號經(jīng)二級放大后iu送 FX2N-2AD 模塊，第一級放大倍

20、數(shù)為 50，第二級放大倍數(shù)為 11.2零點遷移，其輸出電壓為0u)(2 .11)(55621210uuuuKKu式中，為零點遷移值。根據(jù)設(shè)計要求，給定溫度值為0100，本系統(tǒng)2u選取測溫范圍為 0100，將 0作為測溫起點（零點）。調(diào)整多圈電位器RP，使=50*11.2=560mV，當(dāng)加熱管溫度為 0時，=0mV，=560mV，2uiu1u于是=0。經(jīng)零點遷移后 ,加熱管溫度為 0100時，0u=04.095mV，=09.94V，A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為 04000。iu0u2 2. .2 2. .3 3 過過零零檢檢測測電電路路按設(shè)計要求，要求過零檢測電路在每個電源周期開始時產(chǎn)生一個脈沖，作

21、為觸發(fā)器的同步信號，其設(shè)計電路如 圖 2-4（a）所示。圖 2-4（a） 過零檢測電路圖中，GND 為+5V 電源地， LM339 為過零比較器 .LM339 集成塊內(nèi)部裝有四個獨立的電壓比較器，共模范圍很大；差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓。 二極管用作 LM339 輸入保護。電路的工作波形如 圖 2-4（b）所示。12圖 2-4（b） 過零檢測電路的工作波形圖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

22、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)控制會產(chǎn)生較大的諧波干擾信號“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，使得一個周期內(nèi)電源均加在電熱元件上，通過控制一個控

23、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） ，為一個控制周期內(nèi)的電源maxnmaxtumaxn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，由于空穴積蓄效應(yīng)，晶閘管反向阻斷能力的恢復(fù)需要一段時間。在這段時間里，晶閘管元件流過反向電流，接近終止時，很大，它與線路電感

24、共同作用產(chǎn)生的電壓L*可能損壞晶閘tiddtidd管，必須采取保護措施，在晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收裝置。13設(shè)計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)驗值選取為：R=80 C=0.15F 電容 C 的交流耐壓為：VUUmCN46722205 . 15 . 1 電阻 R 的功率應(yīng)滿足：WXRRUPCR086. 0)1015. 0314/1 (808022010*102622222 實選電容 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晶閘管的，其熔體電流按下式選?。篎UITNFUI

25、I57. 165式中，5/6 為修正參數(shù)，為保證可靠與選用方便，一般取。實選TNFUII熔體額定電流為 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，故負載電流IL=18.2A。由于每個晶閘管只導(dǎo)通半個電源周波且本系統(tǒng)采用過零觸發(fā)（=0） ，流過每個晶閘管的平均電流為9.1A。關(guān)斷時，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，V2220晶閘管的額定電流應(yīng)為：TNIAIILTN2 .187 .132/)25 . 1 (額定電壓應(yīng)為：TNUVUTN9336

26、222220)32(根據(jù)以上計算，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 有很強的抗干擾性和可靠性，且FX2N-48MR-001 為繼電器輸出2A/1 點（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 的輸出點能可靠地觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，而無須設(shè)計光電14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， Y0 和 Y1 都為低電平，當(dāng)系統(tǒng)檢測到從X0 輸入的同步信號為高（低）電平時， Y0（

27、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， Y0（Y1）脈沖結(jié)束，電路恢復(fù)為初態(tài)。2 2. .2 2. .6 6 報報警警指指示示電電路路按設(shè)計要求，報警指示電路設(shè)計了一個恒溫指示（綠燈）燈、故障報警（紅燈）和輸入出錯報警（黃燈），完成指示、報警功能。顯示及給定溫度值均由 GT1040-QBBD-C 觸摸屏完成。設(shè)計電路如圖2-7 所示。 圖 2-7 報警指示電路2 2. .2 2. .7 7 復(fù)復(fù)位位電電路路復(fù)位電路由一個開關(guān) SB12 完成開/關(guān)功能，當(dāng)按下開關(guān) SB12 時系統(tǒng)啟動，正常運行

28、，執(zhí)行任務(wù)；當(dāng)斷開SB12 時，系統(tǒng)停止運行，不執(zhí)行任何任務(wù)。設(shè)計電路如圖 2-8 所示。15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)計計PLC 程序輸入可以通過手持編程器、專用編程器或計算機完成。但由于手持編程器在程序輸入或閱讀理解分析時比較煩瑣；專用編程器價格高，通用性差，而計算機除了可以進行PLC 的編程外，還可作為一般計算機的用途，兼容性好，利用率高。因此，利用計算機進行PLC 編程和通信更具優(yōu)勢。本次軟件設(shè)計即是利用計算機編程，在三菱PLC 編程軟件GTDESINER 下完成程序編寫和通信。3 3. .1 1 編編程程與與通通信信軟軟件件的的使使用用三菱 FX 系列 P

29、LC 通信軟件名稱為 GXWORK，它供對FX0/FX0S、FX1、FX2/FX2C、FX1S、FX1N 和 FX2N/FX2NC 系列三菱 PLC 以及監(jiān)控 PLC 中各軟元件的實時狀態(tài)。它的運行環(huán)境為MS-window3.1 或window95 以上的版本，其具體應(yīng)用說明如下。（1）編程雙擊圖標，即可進入編程環(huán)境。首先打開 File（文件）菜單下的 New（新文件）子菜單，選擇 FX3U PLC 型號，進入程序編制環(huán)境。（若想打開已有文件，打開File（文件）菜單下的 Open（打開）子菜單，選擇正確的文件和PLC 型號后，按回車鍵即可。 ）采用梯形圖編寫程序：打開View（視圖）菜單，選

30、中 Ladder view（梯形圖）子菜單。然后選擇View（視圖）菜單中的 Tool bar（工具欄） 、Status（狀態(tài)欄） 、Function bar（功能鍵）和 Palette（功能圖）四欄。梯形圖中的軟元件的選擇既可通過以上Function bar（功能鍵）和Palette（功能圖）完成，也可通過Tool bar（工具欄）完成。16使用 Edit（編輯）菜單下的 Cut（剪切） 、Undo（撤消鍵入） 、Paste（粘貼） 、Copy（復(fù)制）和 Delete（刪除）等欄目，可對軟元件進行剪切、復(fù)制和粘貼等操作。（2）程序檢查。雙擊 Option（選項）菜單下的 Program Ch

31、eck（程序檢查） ，進入程序檢查環(huán)境，即可對程序進行檢查，包括三項：檢查軟元件有無錯誤、檢查輸出軟元件和檢查各回路有無錯誤。（3）PLC 程序下載正確連接好編程電纜，打開編程界面的PLC 菜單下的 Ports(端口設(shè)置 )選擇正確的串行口、傳送頻率后，按OK。打開 PLC 菜單下的 transfers-write(寫出)，輸入程序步數(shù)，按確定即可下載程序到PLC 上。（4）PLC 運用和停止 下載完程序，把 PLC 機上的開關(guān)撥向 RUN/STOP，或打開 PLC 菜單下的 Remote Run/Stop(遙控運行 /停止)欄目，即可運行 /停止 PLC。（5）軟元件監(jiān)控打開 Monitor

32、/Test（監(jiān)控/測試）菜單下的 Entry device monitor（進入元件遙控），選擇所要的監(jiān)控的軟元件，即可監(jiān)控各軟元件。（6）程序打印打開 File（文件）菜單下的 Page Setup（頁面設(shè)置）子菜單即可進行編程頁面設(shè)置。打開 File（文件）菜單下的 Printer Setup（打印機設(shè)置）子菜單即可進行打印設(shè)置。（7）退出主程序打開 File（文件）菜單下的 Exit（退出）子菜單或按右上角的 “X”按鍵，即可退出主程序。3 3. .2 2 程程序序設(shè)設(shè)計計本設(shè)計系統(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：

33、表 3-1 內(nèi)存分配表內(nèi)存器特定意義內(nèi)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)17D5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)標志D34e(k-2)D27采樣周期計數(shù)器D35pKD100D121數(shù)據(jù)緩沖區(qū)D36dKD29斷偶計數(shù)器D37iKD38十鍵輸入指定存儲元件3 3. .3 3 系系統(tǒng)統(tǒng)程程序序流流程程圖圖Y N Y N Y N Y初始化溫度給定輸入值錯誤錯誤報警A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換值4000斷偶報警標度變換實際溫度顯示差值 e（k）=0給定值與實際溫度比較差值 e（k）10n=240恒溫指示18

34、 N 圖 3-1 系統(tǒng)程序流程圖3 3. .4 4 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)針對本系統(tǒng)任務(wù)書的要求，要求控制系統(tǒng)實現(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)，實現(xiàn)恒溫控制，并對實際溫度進行實時LED 數(shù)碼顯示，同時有恒溫指示和斷偶報警信號指示。特編寫以下控制程序。 （總程序見附錄二）。3 3. .4 4. .1 1 溫溫度度設(shè)設(shè)定定本設(shè)計系統(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 讀取溫度給定當(dāng)溫度設(shè)定允許（ X1=1）時，執(zhí)行十鍵輸入指令，輸入給定溫度值，送 D38，當(dāng)給定值在

35、 0100范圍內(nèi)時，將給定值（ D38）再送 D4 保存。否則輸入出錯報警（ Y6=1） 。3 3. .4 4. .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硬件電路給定的 A/D 轉(zhuǎn)換通道號 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，濾波方法是取數(shù)字調(diào)節(jié)器保存 n晶閘管觸發(fā)準備等待中斷等待中斷198 次輸入的平均值作為檢測結(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中的模塊編號規(guī)則，F(xiàn)X2N-2AD 直接連 PLC 的為 0 號模塊。 A/D 轉(zhuǎn)換功能的

36、PLC 程序如圖 3-3所示：圖3-3 A/D 轉(zhuǎn)換程序本程序設(shè)計以 4.8s 為一個控制周期，當(dāng)控制周期到才讀取A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。 控制周期計時中斷服務(wù)程序（ I610）如圖 3-4 所示。圖 3-4 計時中斷程序I610 為每計時 10ms 便自動執(zhí)行一次中斷。當(dāng)計時10ms 到，系統(tǒng)執(zhí)行 I610 中斷服務(wù)程序，控制周期計數(shù)器（ D27）加 1，將 D27 與 480 比較，若相等則 M331 為 ON（4.8s 計時到） ，同時將控制周期計數(shù)器（ D27）清0。3 3. .4 4. .3 3 標標度度變變換換程程序序另外針對本次設(shè)計所選擇的功能模塊FX2N-2AD 的輸入輸出特性，有0

37、100經(jīng)零點遷移后所對應(yīng)的數(shù)字量為04000（010V 對應(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)對應(yīng)的模擬量應(yīng)該為數(shù)字量占 4000 的百分比，即實際溫度 =100*數(shù)字量/4000=數(shù)字量*1/40。從而得到實際的溫度的數(shù)值而送入D5，同時將所得的余數(shù)與 0.5所對應(yīng)的數(shù)字量 (約等于 20)進行比較，如果大于 20，則將 D5 中的數(shù)加一，反之則不變。如此就完成了對采樣溫度值的標度變換。20標度變換功能的 PLC 程序如圖 3-5 所示： 圖 3-5 標度變換程序3.4.43.4.4 恒溫控制程序恒溫控制程序（PIDPID）設(shè)計）設(shè)計3 3. .4 4.

38、 .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需控制和檢測溫度，自由升溫只需監(jiān)視加熱管溫度是否到達恒溫值，只有恒溫段需要控制與檢測加熱管溫度。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)選用實際中切實可行的積分分離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)()()(dtteTdttdeTteKtuidp式中，e（t）為 t 時刻給定的恒溫值 Q0 與實際加熱管溫度 Q 之差。將其離散化，得)2() 1(2)()()

39、1()() 1()(kekekeTTkeTTkekeKkukudip式中，T、分別為采樣周期、微分時間常數(shù)、積分時間常數(shù)和dTiTPK比例時間常數(shù)； e（k）為本次采樣時 Q0 與 Q 之差。令 （3-1）iPiTTKK TTKKdpd則有 式（3-2） )2() 1(2)()()1()() 1()(kekekeKKeKkekeKkukudip21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) )。pKiKdK為了減少在線整定參數(shù)的數(shù)目，常常假定約束條件，以減少獨立變量的個數(shù)，本次設(shè)計選取T0.1sT0.5iTsT0.125dTsT其中，為純比例控制時的臨界振蕩周期。將它們代入式（3-

40、1） 。即有sTPiKK51pdKK45因此，對四個參數(shù)的整定便簡化成了對一個參數(shù)的整定。因而使pK調(diào)試較為簡單方便。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，系統(tǒng)全速升溫，令 u（k）=240，240 為一個控制周期（ 4.8s）的工頻電源周波數(shù)。當(dāng) e（k）10u(k)=240計算 PD 項u（k）=u(k-1)+kpe(k)-e(k-1)+kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)e(

41、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23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)計數(shù)字觸發(fā)器程序設(shè)計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24工作原理如下：數(shù)字觸發(fā)器準備程序?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，置晶閘管允許觸發(fā)標志為1。準備

42、程序在每個控制周期執(zhí)行一次。當(dāng)電源正半波到來時（由低電平變高電平），)(sgnku若晶閘管允許觸發(fā)標志為 1，則在 Y0 端產(chǎn)生一個觸發(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)電源負半波到來時（由高電平變低電平），若晶閘管允許觸發(fā)標志為1，)(sgnku則在 Y1 端產(chǎn)生一個觸發(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，使電源負半波加到電阻絲上，使負載得到一個完整的電壓波形。程序還完成晶閘管已導(dǎo)通周波數(shù)計數(shù)工作，當(dāng)已導(dǎo)通周波數(shù)等于n 時，表示本控制周期內(nèi)向電阻絲輸送的能量已達到控制要求，將晶閘管允許觸發(fā)標志清0，Y0、Y1 不再輸出觸發(fā)脈沖。.

43、 .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。電源在一個控制周期（ 4.8s）有 240 個周波，而 u（k）的最大亦也240，因此，晶閘管在一個控制周期的導(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，延時約 0.01s 后（半個周波時間），再將 Y0（或Y1）置 0，在 Y0（或 Y1）端形成一個寬約 0.01s 的正脈沖。25圖 3-9 晶閘管觸發(fā)準備程序 圖 3-10 數(shù)字觸發(fā)程序

44、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，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)允許標志）允許觸發(fā)并將Y0 和 Y1 置1。X0 為電源周波信號輸入端，當(dāng)允許晶閘管觸發(fā)時，當(dāng)X0 的上升沿（下降沿）到時 Y0（Y1）輸出 1，延時半個周波時間后 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。同時每完成一個周波觸發(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)將不再對晶閘管輸出觸發(fā)脈沖。圖 3-11 數(shù)字觸發(fā)器程序263 3. .4 4. .6 6 顯顯示示程程序序本設(shè)計系統(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