基于PLC温度控制系统的设计论文文档格式.docx
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theactualtemperatureofthetesttemperaturesensors,analogvoltageisthevalue,volumeviasimulationA/Dafterhisconversionandscalingpracticalfurnacetemperature.Digitalsignalcontrollerswillbeunderconstanttemperaturetothevalueandtheactualtemperaturedeviationse（k）byscoringseparationPIDcontrolalgorithms,withthevolumeofexportcontrolu（k）,lead-timesilicon-controlledrectifiercontrol,regulatefurnacetemperaturechangestothecurrentagreementwiththegivenconstanttemperature.Achievethermostaticcontrolpurposes.Temperatureofthesystemtodofurthertestingandregulatoryaspectsofthedesignoptimization,enablingthesystemmorepracticalandeasyOKandreliable,whilealsoraisingproductqualityandreducingtheburdenofmanuallabor.Itmusthavepracticalapplicationinreferencevalue.
Keywords：
temperaturetesting;
Temperaturesensors;
A/Dconversion;
PID
前言1
第一章系统总体方案2
第二章系统硬件设计4
2.1PLC选择4
2.1.1FX2N-48MR-001PLC4
2.1.2FX2N-4AD特殊功能模块5
2.2硬件电路设计7
2.2.1温度值给定电路8
2.2.2温度检测电路8
2.2.3过零检测电路10
2.2.4晶闸管电功率控制电路10
2.2.5脉冲输出通道13
2.2.6报警指示与显示电路13
2.2.7复位电路14
第三章系统软件设计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18
3.4.1温度设计18
3.4.2A/D转换功能模块18
3.4.3标度变换程序20
3.4.4恒温控制程序20
3.4.5数字触发器程序设计24
3.4.6显示程序26
3.4.7恒温指示程序27
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
致29
参考文献30
附录一：
三菱FX系列PLC指令一览表31
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）36
前言
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。
第一章系统总体方案
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）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280~700℃）。
（2）PLC：
主要完成PID调节功能以及数据变换。
（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）温度显示与报警指示电路：
主要功能是完成电阻炉温度的实时显示以及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。
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。
2.1.1FX2N-48MR-001PLC
FX2N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,附8000步RAM。
其部资源如下：
（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
指针编号
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-4AD特殊功能模块
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
项目
电压输入
电流输入
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200KΩ）
（注意：
若输入电压超过±
15V，单元会被损坏）
-20～+20mA（输入电阻250Ω）
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
5mV
20μA
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2-4BFM数据缓冲存储器分布表
BFM编号
容
#0
通道初始化，缺省值=H0000
#1
通道1
存放采样值（1～4096），用于得到平均结果。
缺省值设为8（正常速度），高速操作可选择1
#2
通道2
#3
通道3
#4
通道4
#5
缓冲器#5～#8独立存储通道CH1～CH4平均输入采样值
#6
#7
#8
#9
这些缓冲区用于存放每个输入通道读入的当前值
#10
#11
#12
#13~#14
保留
#15
选择A/D转换速度
设0，则选择正常速度，15ms/通道（缺省）
设1，则选择高度，6ms/通道
BFM
B7
B6
B5
B4
B3
B2
B1
B0
#16~#19
#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
G4
O4
G3
O3
G2
O2
G1
O1
#23
偏移值，缺省值=0
#24
增益值，缺省值=5000
#25~#28
#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。
另外，BFM#29的状态信息设置如表2-5所示。
表2-5BFM#29的状态信息设置
#29缓冲器位
ON
OFF
B0：
错误
当b1~b4为ON时，b0=ON
若b2~b4任意一位为ON，A/D转换器的所有通道停止
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（1~4096）
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硬件电路设计
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地址表
输入地址
功能说明
输出地址
电源周波信号输入端
Y0
VT1触发脉冲（电源正半波）
Y1
VT2触发脉冲（电源负半波）
温度给定允许
Y4
恒温完成指示信号
启动/关闭
Y5
断偶报警
X10~X21
SB2~SB11
Y6
温度给定超出围报警
Y10~Y23
12位8421（三组）BCD码输出
2.2.1温度值给定电路
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280~700℃，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，SB2~SB11分别表示十进制数0~9。
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温度检测电路
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及参数详见附录二。
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，当温度为0~700℃时，输出电势
为0~29.13mV。
检测信号经二级放大后送FX2N-4AD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
式中，
为零点迁移值。
根据设计要求，恒温值为400~600℃，本系统选取测温围为280~700℃，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，
=11.38mV，
=569mV，于是
=0。
经零点迁移后，炉温为280~700℃时，
=11.38~29.13mV，
=0~9.94V，A/D转换后的数字量为0~2047。
2.2.3过零检测电路
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
2.2.4晶闸管电功率控制电路
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。
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α恒为0º
，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=80ΩC=0.15μF
电容C的交流耐压为：
电阻R的功率应满足：
实选电容0.15μF/630V一只，电阻80Ω/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：
式中，5/6为修正参数，为保证可靠与选用方便，一般取
。
实选熔体额定电流为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（α=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
，考虑到晶闸管的过载能力小及环境温度的变化等因素，晶闸管的额定电流
应为：
额定电压
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）
2.2.5脉冲输出通道
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。
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。
2.2.6报警指示与显示电路
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Y10~Y23经过三个BCD-七段共阴数码管译码器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
2.2.7复位电路
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
第三章系统软件设计
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，通用性差，而计算机除了可以进行PLC的编程外，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
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