基于PLC的触摸屏温度控制系统.doc

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PLC技术应用项目说明书

设计题目

学院机械工程学院

2015年1月9日

课程设计任务书

兹发给2011级机电X班班学生张XX课程设计任务书，内容如下：

1．设计题目：

基于PLC的温度控制系统

2．应完成的项目：

（1）选题的背景和意义；

（2）明确设计任务，拟定总体设计方案（有机械结构的要进行结构设计，三维软件建模）；

（3）硬件设计，传感器、PLC（和电机）选型，设计信号采集、转换电路，画出PLC端口分配图、接线控制端子连接图；

（4）软件设计，编写控制程序流程图（或重要程序），设计人机界面；

（5）课程设计说明书1份。

3．参考资料以及说明：

（1）金发庆.传感器技术与应用（第二版）[M].北京：

机械工业出版社，2004

（2）钟肇新.可编程控制器原理及应用[M].广州：

华南理工大学出版社，2003

（3）常晓玲.电气控制系统与可编程控制器[M].北京：

机械工业出版社，2004

（4）盖超会，阳胜峰.三菱PLC与变频器、触摸屏综合培训教程[M].北京：

中国电力出版社，2011

（5）濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京：

高等教育出版社，2013

4．本设计任务书于2014年12月19日发出，应于2015年1月9日前完成，然后进行答辩。

指导教师签发2014年12月19日

课程设计评语：

课程设计总评成绩：

指导教师签字：

年月日

目录

前言 2

第一章系统总体方案 3

第二章系统硬件设计 5

2.1PLC选择 5

2.1.1FX2N-48MRPLC 5

2.1.2FX2N-2AD特殊功能模块 6

2.1.3FX2N-2DA特殊功能模块 7

2.2硬件电路设计 8

2.2.1温度值给定电路 8

2.2.2温度检测电路 11

2.2.3过零检测电路 12

2.2.4晶闸管电功率控制电路 13

2.2.5脉冲输出通道 14

2.2.6报警指示电路 15

2.2.7复位电路 15

第三章系统软件设计 16

3.1程序设计 16

3.2系统程序流程图 17

3.3控制系统控制程序的开发 18

3.3.1温度设定 18

3.3.2A/D转换功能模块的控制程序 18

3.3.3标度变换程序 19

3.4.4恒温控制程序（PID）设计 20

3.4.6显示程序 26

3.4.7恒温指示程序 26

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

参考文献 29

附录系统程序（梯形图） 30

摘要

在工业生产过程中，加热管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。

本设计以工业水温加热为背景，设计以三菱FX2N-48MRPLC为控制器，使用电热偶为温度传感器的温度控制系统，本文主要内容包括：

PLC选择，温度控制电路设计分析，加热管控制电路设计分析，PLC程序编写，采用PID控制。

关键词：

加热温度控制PLCPID第一章绪论

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，加热管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。

第二章系统总体方案

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）触摸屏：

主要功能是设定和显示相应的温度值，以及停止和开始功能。

（2）PLC：

主要完成PID调节功能以及数据变换。

（3）测温电路和A/D模块：

主要功能是0-10V温度测量信号经FX2N-A/D转换成数字信号输入PLC处理。

（4）输出调节电路：

主要功能是把PLC处理运算发出的控制信号通过脉宽调制装置输出脉冲信号对加热管进行加热

系统工作原理：

温度变送器将加热管温度变换为模拟信号，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，得到实际加热管温度。

数字控制器根据恒温给定值Q0与实际加热管温度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，调节加热管温度的变化使之与给定恒温值一致，达到恒温控制目的。

当达到恒温值、输入错误或系统发生故障时，系统发出报警信号，同时用GT1040-QBBD-C触摸屏对加热管温度进行实时显示和温度给定输入。

第二章系统硬件设计

2.1PLC选择

根据设计方案的分析，系统设计需要使用A/D转换器和D/A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（基本I/O点数为24）和FX2N-2AD特殊功能模块。

2.1.1FX2N-48MRPLC

FX2N系列PLC是FX系列中最先进的系列、具有高速处理及可以扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点。

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FX2N-48MRPLC，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48~64,内附8000步RAM。

其内部资源如下：

（1）输入继电器X（X0~X27，24点，八进制）

（2）输出继电器Y（Y0~Y27，24点，八进制）

（3）辅助继电器M（M0~M8255）[通用辅助继电器（M0~M499）]

（4）状态继电器（S0~S999）

（5）定时器T（T0~T255）（T0~T245为常规定时器）

（6）计数器C（C0~C255）

（7）指针（P/I）见表2-1和表2-2

（8）数据寄存器D（D0~D8255）（D0~D199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10~99的整数。

I610为每10ms执行一次定时器中断

M8056

I7XX

M8057

I8XX

M8058

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

X0

I001

I000

M8050

X1

I101

I100

M8051

X2

I201

I200

M8052

X3

I301

I300

M8053

X4

I401

I400

M8054

X5

I501

I500

M8055

注：

M8050~M8058=“0”表允许；M8050~M8058=“1”表禁止。

2.1.2FX2N-2AD特殊功能模块

FX2N-2AD为模拟量输入模块,有两个模拟量输入通道（分别为CH1、CH2），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

模拟量输入范围

DC：

0～+10V（输入电阻200KΩ）

绝对最大输入：

-0.5V,+15V

DC：

4～+20mA（输入电阻250Ω）

绝对最大输入：

-2mA,+60mA

数字输出

12位二进制

分辨率

2.5mV（10V/4000）

1.25mV（5V/4000）

4μA（20mA/4000）

总体精度

±1%（满量程0～10V）

±1%（满量程4～20mA范围）

转换速度

2.5ms/通道（与顺空程序同步动作）

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2-4FX2N-2AD缓冲存储器的功能及分配

BFM

编号

内容

b15-b8

b7-b4

b3

b2

b1

b0

#0

保留

输入数据的当前值（低8位）

#1

保留

输入数据的当前值（高4位）

#2-#16

保留

#17

保留

模拟到数字转换开始

模拟到数字转换通道

#18

保留

BFM说明：

1）BFM#0：

存储由BFM#17指定通道的输入数据当前值低8位数据，当前值数据以二进制存储。

2）BFM#1：

存储由BFM#17指定通道的输入数据当前值高4位数据，当前值数据以二进制存储。

3）BFM#17：

b0：

指定由模拟到数字转换的通道（CH1,CH2）。

b0=0指定CH1

b0=1指定CH2

b1:

由0→1时A/D转换过程开始

2.1.3FX2N-2DA特殊功能模块

FX2N-2DA为模拟量输入模块,有两个模