恒温箱PLC系统控制.docx
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恒温箱PLC系统控制
一、题目
恒温箱PLC系统控制
二、指导思想和目的要求
1）通过毕业设计培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力。
2）使学生受到PLC系统开发的综合训练，达到能够进行PLC系统设计和实施的目的。
3）使学生掌握利用PLC对温度进行PID控制方法。
三、主要技术指标
1、选用三菱FX2N系列可编程控制器作为主机
2、主要参数
温度范围：
200—1050℃
控制精度：
±1℃
输入电压：
AC200—240V
消耗功率：
2KW
外形尺寸：
40×45×45cm
3、系统构成
通过一个温度传感器检测恒温箱的温度值并把它转换成标准电流（或电压）信号后，送到A/D转换模块，转换成的数字信号输送到PLC主机。
PLC主机得到一个控制量，该控制量的大小决定PLC输出控制的继电器的导通时间，从而控制温度值的大小。
4、控制要求
采用PID控制算法，使PLC控制的恒温箱的温度变化能按照给定的曲线运行，如图所示
四、要求
1.设计电气控制原理图。
2、进行PLC的选择及I/O分配。
3、设计PLC硬件系统。
4、对系统所需电气元器件选型，编制电气元件明细表。
5、PLC控制程序设计。
五、主要参考书及参考资料
1、自动控制原理及系统
2、PLC及应用
、
目录
摘要……………………………………………………1
第1章可编程控制器基础知识………………………2
1.1PLC的定义………………………………………2
1.2PLC的类型选择………………………………3
第2章可编程器的系统运用………………………5
2.1恒温箱工艺过程及控制要求……………………5
2.2模块功能指令…………………………………9
2.2.1展热电阻/热电偶模块用法……………………9
2.2.2系统输入输出控制……………………………10
第3章恒温箱工作的基本原理……………………13
3.1恒温箱工作原理…………………………………13
3.2控制系统温度采集……………………………17
3.3恒温控制装置PLC接线图………………………19
3.4系统的配置及I/O地址………………………20
3.5梯形图（附录）…………………………………21
总结……………………………………………………22
致谢……………………………………………………23
附录……………………………………………………24
参考文献………………………………………………31
摘要
在日常生活、工业生产和实验室中电热恒温箱的应用随处可以见到。
在生活中我们保存食物用到恒温箱，工业生产中一些生产原料的保存用到恒温箱，实验室里，特别是生物的培育实验室，恒温箱的应用更是普遍。
在本设计中，我们针对培养箱而设计的一个恒温系统，在系统里，通过对恒温箱温度的检测与变送传到单片机，与给定值进行比较，单片机对数据进行处理，根据偏差信号的大小输出驱动PWM输出，通过改变PWM输出的周期和幅值，控制发热丝的功率，从而达到恒温箱内温度控制的目的。
本设计的单片机为51系列，对数据进行采集、比较、处理与输出，PWM通过单片机的脉冲输出，通过光电隔离输入放大电路对发热丝进行加温，直接对箱子温度进行提升，最终达到控制温度的目的。
关键词：
PLC，控制,应用
第1章可编程控制器基础知识
1.1PLC的定义
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。
为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：
“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。
用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。
一部数字电子计算机若是从事行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。
”
以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编
1.2PLC类型的选择
可编程控制器（programmablelogicalcontroller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。
所以，对PLC的正确选择是非常重要的。
面对众多生产厂家的各种类型PLC，它们各有优缺点，能够满足用户的各种需求，但在形态、组成、功能、网络、编程等方面各不相容，没有一个统一的标准，无法进行横向比较。
下面提出在自动控制系统设计中对PLC选型的一些看法，作为挑选PLC时作为参考。
可以通过以下几方面的比较，挑选到适合的产品。
（1）工作量
这一点尤为重要。
在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%-30%的PLC。
（2）工作环境
工作环境是PLC工作的硬性指标。
自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。
一定要选择适应实际工作环境的产品。
（该设计环境正常，故不用特殊型号）
（3）通信网络
现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题。
（故尽量选取比较常用的品牌）
（4）编程
程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。
编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这一点也需考虑在内。
（要求有良好的编程软件）
（5）可延性
这里包括三个方面含义：
1、产品寿命。
大致可以保证所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产品。
2、产品连续性。
生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。
3、产品的更新周期。
当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够保证有足够的备品（或备件）。
这时应考虑选择当时比较新型的PLC。
第2章可编程控制器系统运用
2.1恒温箱温度控制系统基本构成
恒温箱温度控制系统基本构成入图1所示，它由PLC主控系统、移相触发模块整、流器SCR、恒温箱、传感器等5个部分组成。
图1恒温箱温度控制系统基本组成
恒温箱温度控制实现过程是：
首先传感器将恒温箱的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行处理，给移相触发模块，再给三相整流电路（SCR）一个触发脉冲（既控制脉冲），这样通过SCR的输出我们控制了恒温箱电阻丝两端的电压，也既恒温箱温度控制得到实现。
其中PLC主控系统为恒温箱温度控制系统的核心部分起重要作用。
1）PLC控制系统的硬件配置
在恒温箱温度控制系统中PLC采用日本三菱公司FX2N，其硬件采用模块化设计，配合了多种特殊功能模块及功能扩展模块，可实现模拟量控制、位置控制等功能。
该系列PLC可靠性高，抗干扰强、配置灵活、性价比高。
本温度控制系统中PLC我们选择FX2N-48MR-001型，它与外部设备的连接如图2、表1所示。
图2
表1PLCI/O地址分配表
2）流程设计
根据恒温箱温度控制要求，本系统控制流程图如图所示。
恒温箱控制流程图
3）控制运算方法
由于温度控制本身有一定的滞后性和惯性，这使系统控制出现动态误差。
为了减小误差提高系统控制精度，采用PID控制算法，另外考虑到系统的控制对象，采用增量型PID算法。
△V（n）=U（n）-U（n-1）+[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）>}=KP{△e（n）+e（n）+[△e（n）-△e（n-1）>}
式中e（n）、e（n-1）、e（n-2）为PID连续三次的偏差输入。
△e（n）、△e（n-1）为系统连续两次执行的误差。
KP为比例放大系数T、TI、TD分别为采样周期、积分时间、微分时间。
当恒温箱刚启动恒温箱时，由于测到的恒温箱温度为常温，sp-pv＝△U为正值且较大，△U为PID调节器的输入，此时PID调节器中P起主要作用，使SCR为最大电压给恒温箱。
当恒温箱温度达到100℃以上时，sp-pv＝△U为负值，经PID调节，使SCR输出电压减小，恒温箱温度降低。
当温度正好达到100℃时，△U为零PID不调节，此时SCR输出的电压正好平衡恒温箱消耗的热量，系统达到动态平衡。
1、K型热电偶分度电压拟合
（1）根据具体问题，确定拟合多项式的次数为n。
（2）由公式
Sk=
（k=0,1,2,……2n）
tr=yi
（r=0,1,2,……n）
计数出Sk与Tr
（3）解正规方程组求出a0，a1，…，an
（4）写出拟合公式多项式Pn（X）=
一次多项式也叫作线性拟合。
由上述方法可拟合出K分度电压随温度变化公式为：
V=0.04T（其中V为电压，T为温度）。
此拟合公式是在温度从0℃到120℃之间变化的近似公式，因此正规方程只用到S0、S1、S2拟合的多项式次数为n＝1，电压随温度的变化可近似为线性变化。
如果温度变化范围比较大，则电压随温度变化为非线性变化，上述电压随温度变公式需要重新拟合，拟合多项式的次数也必然大于2。
2、系统调试
系统调试分为两大步骤，一是系统软件调试；二是系统硬件调试。
（1）系统软件调试。
系统软件调试是在PC机上进行，我们将PLC控制程序输入PC机后，根据运行要求，设定若干数字开关量，模拟量，对系统的每一个功能进行检测测试并在此基础上不断完善程序以达到系统要求。
（2）系统硬件调试。
相应的系统硬件也是在实验室里进行，用一个设备来摸仪控制对象。
首先检查设备的诸个单元是否合乎要求，其次将软件和硬件结合起来进行测试。
并不断完善PLC软硬件的配置以达到最优的结果。
2.2模块功能的指令
2.2.1展热电阻/热电偶模块用法
在PLC控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块—热电阻/电阻信号输入模块。
在此模块中温度模拟量产生对应的16位A/D数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，无需在硬件级电路上作其他处理。
热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部变送器或外围电路，温度信号由热电阻采集，变换为电信号后，直接送人温度模块中。
热电偶/毫伏输入模块（1746-NT4）的功能与热电阻/电阻信号输入模块类似。
系统如图2.1所示。
扩展温度模块的温控系统
扩展通用A/D模块
在PLC温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。
通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，因此温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。
PLC常用的模拟量输入输出混合模块有—2路差分输入/2路电压输出模块，其A/D转换为16位。
由A/D转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，而且其软件和硬件的设计也比较复杂。
通用A/D转换模块温控系统
2.2.2系统输入输出控制
比较而言用温度模块构建的PLC温控系统具有较好的控制效果。
PLC控制器的输入通道中一个热电阻模块最多可以接4个温度热电阻温度传感器。
输出通道为模拟量输出模块，其输出信号是电压信号，可以通过电压调整器控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。
在被控对象要求较高的控温精度时，PLC控制器可以采用PLC自身具有的PID指令进行PID控制算法的研究[3>。
SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：
输出=Kc[（E）+1/Ti∫（E）dt+Td·D（PV）/Dt>+bias
程序设计时，输入PID指令后，要输入控制块，过程变量和控制变量的地址。
对于SLC500PID指令，过程变量（PV）和控制变量（CV）两者的量度范围为0到16383。
在使用工程单位输入时，必须首先把用户的模拟量范围整定在0-16383数字量度范围之内，为了实现这个目的，需要在PID指令之前使用数值整定指令（SCP指令）进行整定。
整定原理如图5。
图2.3数值整定原理
整定了PID指令的模拟量I/O范围，用户就能输入适用的最小和最大的工程单位。
过程变量，偏差，设定点和死区将在PID数据监视屏上以工程单位显示。
图为PID指令的设置界面。
PID模块参数说明
一般温控系统的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系统工作的大多数时间内，为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。
在温度响应曲线的由初态向设定点的上升段过程中，大致采用三段控制。
首先置电源为满开度，以最大的功输出克服热惯性;接下来转入PID控制;接近设定点时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。
基于以上要求，PID指令各参数可设置如表2所示。
温控系统中热电阻模拟量输入模块的电压信号范围一般是0—4124，SCP指令把它整定为0—16383的工程单位，将其值放入PV（过程变量）的内存地址N7:
38中，把控制输出值放入N7:
39当中。
最后用MOV指令把N7:
39中的过程变量传递到1746NIO4V模拟量输出模块中。
控制效果如下：
（1）SP-PV≥50时，输出值为最大值32767，使电压调节器开度最大，即给恒温箱器最大电压供电，使被测对象温度快速上升。
（2）SP-PV>-30和SP-PV<50时，输出为PID控制输出，此范围为PID参数调节的范围。
（3）SP-PV<-30时，输出值为最小值0，电压调节器开度为零，即停止恒温。
第3章恒温箱工作的基本原理
3.1恒温箱工作的原理
恒温箱用于加热化学产品，恒温箱可设定温度，加温时间是0～72小时。
恒温箱的结构由第三方设计，恒温箱的大致结构如图1所示。
恒温箱的产品安置槽用于放置待加热的产品或试验品。
试验品放在小金属桶内，然后再安置在产品安置槽内。
另外恒温箱有测温热敏电阻、电加热器、保温材料、及硅油等。
在恒温箱工作时，电加热器加热恒温箱加热体内的硅油，硅油在加热体内传导热量，硅油在热能的作用下循环流动，将热量均匀的传播到产品安装槽周围。
使恒温箱内所有的产品都能被均匀加热，并使温度波动控制在0.1℃范围以内。
恒温箱的硅油腔内的硅油的作用有三个方面，1）硅油起热传导的作用。
2）硅油可以使恒温箱内所有产品安置槽周围的温度均匀相等。
3）硅油有一定的储热作用，可使产品安置槽周围的温度不易受试验品在放置和取出过程的影响。
温控箱设两个测温电阻，测温电阻a和测温电阻b。
测温电阻a用于测量被控点的温度。
产品安置槽周围的温度是被控温度。
之所以要设热测温阻b是因为被控对象的热惯性太大。
为了保证被控点温度波动能小于0.1℃，所以紧挨着加热器设一测温电阻b，作为控制温度参考点。
当测温电阻b测到电加热器的温度过高时，mega128便控制电加热器的工作电流，使其工作电流减少，这时控制算法不再对其工作电流的调整起作用。
通过这一温度参考点可限制加热器的温度波动范围，同时能提前预测被控温度点的温度趋势。
在温控箱中加热器和产品有很厚的硅油层，由于有了硅油，使所有的产品安置槽周围的温度很均匀。
由于硅油能储热使产品安置槽周围的温度不易被扰动。
有利于试验的准确性。
但同时带来的问题是由于被控对象的热容大，使温度反馈大大滞后于电加热器的工作状态，被控点的温度很难控制。
温控箱增设一个测温电阻b，可用于预测测温电阻a的温度变化趋势，在控制策略中简化考虑硅油流动的热力学模型，进而可以简化控制模型，同时保证温控精度。
另外恒温箱设有控制键盘、显示器和微型打印机。
这些外设的接口是通过CPLD实现的。
恒温箱的软件设计是整个设备的很重要的一部分。
恒温箱的设计要求是温度范围是70℃～150℃，恒温稳定度是0.1℃。
恒温箱加热器是个温度惯性很大的被控对象。
Mega128的A/D分辨率是10位。
为了能使控制单元的性能达到控制要求，在软件上要对A/D采集的数据作数字处理，使A/D的10位分辨率提高到18位分辨率。
首先考虑的是对于mega128的A/D转换数据能否分辨率提升，应该说是可行的。
因为测温电阻的信号在经测温电阻信号调理单元调理时加载了噪声。
这就为提高A/D输出数据的分辨率提供了可能。
对mega128的A/D输出的数据进行积分和数字滤波就可达到提高A/D分辨率的目的，同时也可剔除信号中的噪声。
数据处理的原理是用mega128的A/D进行过采样，然后对采样数据进行积分和滤波，得到相当于18位分辨率的A/D转换数据。
图3.1恒温箱控制单元原理框图
恒温箱热传导的示意图如图所示。
恒温箱的热传导有硅油的对流循环传导和恒温箱体金属壁的热传导，另外还有与电加热器贴在一起的箱体底部热辐射。
在这里硅油的对流循环传导速度最慢，但它是主要的热传导途径。
电加热器释放的热量有99﹪通过硅油的对流循 环传导。
辐射和金属壁传导要快些，但它的量很小。
对于分辨率很低的A/D采集器很难采到。
只有分辨率很高的数据采集器能感觉到这一信号的存在。
对于这种大滞后的被控对象捕捉这一信号是很有用的。
对提高控制精度，减弱超调有一定的作用。
因此很有必要对mega128采到的数据作降噪和提高分辨率的处理。
这个恒温箱有三个特点。
1）闭环反馈的滞后很大，这是由它的结构所决定的。
2）恒温箱是个带保温层的箱体，升温容易降温很难是恒温箱的温控不对称性。
3）加热片的余热容易引起恒温箱的超调，这一特性与2）描述的特性有关。
普通的PID算法用于恒温箱的控制很容易超调，且温度超过设定值后很难降下来。
这就很难保证恒温箱的控制温度的波动范围在0.1℃范围内。
为了能保证很好的控制恒温箱产品安置槽周围的温度，要对普通得PID作些修改。
公式的KI不能是常数，而是一个变量。
恒温箱是一个升温快降温慢的被控对象，而且是一个带保温层的储热温箱，因此温箱的降温非常慢。
为了使恒温箱温度能在不很长的时间内稳定在设定温度点，缩短波动时间。
要尽可能防止温度高于设定点的超差过大。
因此要使积分调整到最佳值，第一使温度高于设定点的超差尽可能小，第二使波动周期尽可能少。
这里使KI成为测温电阻b和e（k）的函数，在用e（k）调整KI时要仔细考虑，否则容易产生震荡。
由于恒温箱体热容大，而加热器输出功率相对小，因此恒温箱的预热时间很长，在恒温箱预热过程中KI将累积很大的值，它会使PID输出达到饱和。
当恒温箱的温度快接近设定温度时要调整KI使它减小，同时对KI进行限幅。
防止恒温箱超调。
以便恒温箱在尽可能短的时间内稳定在设定温度。
由于恒温箱这一被控对象从控制理论的角度看，它是个柔性被控制对象，同时是一个不对称的被控对象。
因此公式的KD[e（k）-e（k-1）]项的KD也不能是一个一直不变的常数。
在加热初期KD可以设得很小，在临近温度设定点时要将KD调整的比较大。
当恒温箱的温度超过设定点时KD要适当减小。
应为被控对象降温比升温要难。
但太小会引起长周期震荡。
2.A/D数值处理
为了能满足控制要求，需要将mega128的10位采集数据变成18位采集数据，提高温度信号的分辨率。
提高分辨率的方法是，用A/D采集通道对数据进行过采样，然后进行数字滤波，得到相当于18位的热电阻a测得的温度信号。
过采样、噪声成形、数字滤波和抽取是增量累加转换器用来降低噪声并产生高分辨率输出数据的4种重要方法。
假定以频率fS对一个数据转换器的输入信号采样，根据数据的奈奎斯特定理（Nyquisttheorem），fS必须至少是输入频率的2倍（fIN＝fS/2）。
过采样是以高于输入信号频率两倍的频率对输入信号采样。
我们都知道A/D数值的最后一位是噪声位，对某一电平进行大量多次采集，A/D数值的最后一位是“1”或“0”变化的。
假若对某一电平进行20次过采样，分析统计这20个采样值最后一位“1”或“0”所占的比例，可得出一个更真实的数值。
将这大量的采集数据作积分后得到一个更接近真实的而且分辨率比原A/D数值更高的反映原模拟量电平的数据。
过采样量越多可得到更高位和更接近真实值的A/D值。
3.2控制系统温度的采集
在热敏电阻的测量过程中，精确采集恒温箱的温度至关重要。
对热敏电阻进行精确测量的前提条件是能够高精度、高分辨率地检测温度值。
对恒温箱温度的采集由图3.2的电路原理图实现。
温度信号采集电路
在电路当中，电压源的电压由AD公司生产的精密电压源AD780提供，其输出电压为2.5V±1mV，温度系数为5ppm。
精密电压源的引入为精确的测量温度提供了良好的基础。
温度传感器选用铂电阻PT1000，它在0~100℃范围内线性度好，灵敏度较高，温度系数为0.4%，适于表面或狭缝测温使用。
电阻R0选用阻值为1.5kΩ±0.05%的高精度电阻，其温度系数达5ppm。
铂电阻PT1000在温度为―50℃~100℃之间线性度较好。
因此，该测试仪的测温范围在―50℃~100℃之间。
热敏电阻测试仪的硬件部分包括六个功能模.电压源电路：
为AD7731提供+2.5V高精度参考电压，为数据采集电路提供+5V电压源。
数据采集电路：
将电阻值转化为相应的电压，传送到AD7731的数据采集引脚进行模数转换。
图中，左侧部分为电阻值数据采集电路，它和中间的保护电路共同将热敏电阻阻值转化为电压。
右侧是对恒温箱温度进行测量的电路，它将2.5V电压通过铂电阻PT1000和一个阻值为1.5kΩ的高精度电阻进行分压后送入AD输入端。
模数转换电路：
由四片AD7731芯片组成，对20路模拟输入进行采集，采集结果送入单片机。
AD7731是美国ADI公司开发的具有低噪声、高通过率等特性的∑－Δ模数转换器。
它可直接接收来自传感器的输入信号，适合于测量具有广泛动态范围的低频信号，可广泛应用于应变测量、温度测量、压力测量及工业过程控制等领域。
在测试仪中AD7731芯片的主要任务是采集数据，并将数据传送给单片机。
模拟输入和参考输入都是差模信号，加到模拟调制器上的电压是共模电压，而AD7731较好的共模抑制比能有效去除输入端的共模噪声。
数字滤波器可有效去除电路板上供电电压的噪声。
因此，AD7731芯片比传
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