FX2N系列PLC实现温度PID控制毕业设计.docx

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FX2N系列PLC实现温度PID控制毕业设计

FX2N系列PLC实现温度PID控制

内容摘要

温度作为工业生产和科学实验中最普遍、也是最重要的热工参数之一。

其精度对产品或实验结果会产生重大的影响。

而可编程控制器（PLC）可靠性高，抗干扰能力强，易学易用，采用PLC控制是其中一种比较优越的控制。

本设计主题为“通过三菱PLC实现温度PID控制”。

主要内容为通过FX2N-16MR和其扩展单元FX2N-4AD通过PID特殊功能指令实现单回路闭环系统控制。

系统实现恒温箱内温度快速调整为设定值（110

）保持恒定，当温度与设定值相差超过5

时系统实现自动报警。

系统可以自动根据所测量恒温箱内的当前实际温度与设定温度差异通过调节恒温箱内电热丝通断时间调节温度，使恒温箱内温度快速准确调整为设定值。

关键词

温度控制；PLC；PID调节；A/D模块

Abstract

Temperatureasindustrialproductionandscientificexperiments,themostcommon,andmostimportantthermodynamicparameters.Theaccuracyoftheproductoritsresultswillhaveasignificantimpact.Theprogrammablelogiccontroller（PLC）,highreliability,stronganti-interference,easytouse,PLCcontrolisoneoftherelativelysuperiorcontrol.

Thedesignthemeis"realizedthroughMitsubishiPLCPIDtemperaturecontrol."ThemaincontentsarethroughFX2N-16MRanditsexpansionunitsFX2N-4ADspecialfunctioncommandsthroughthePIDclosed-loopsystemtoachievesingle-loopcontrol.Systemtoachieverapidadjustmentofthermostaticchambertemperaturesetvalue（110℃）remainsconstantwhenthetemperatureandthesetvaluedifferbymorethan5℃,automaticalarmsystem.Thesystemcanautomaticallybasedonthemeasuredtemperatureinsidethecurrentdifferencebetweentheactualtemperatureandthesettemperaturebyregulatingthetemperatureinsidetheheatingwireofftime,thetemperatureinsidethetemperaturequicklyandaccuratelyadjustthesettings.

Keywords

Temperaturecontrol;PLC;PIDregulator;A/Dmodule

一、绪论1

1.1PID控制技术概述1

1.2温度控制技术1

1.3系统过程分析2

二、硬件设计3

2.1硬件选型3

2.1.1可编程控制器选型4

2.1.2温度转换器选型5

2.1.3热电偶接触器选型6

2.1.4继电器选型8

2.2硬件接线图9

2.2.1输入接口电路10

2.2.2输出接口电路11

三、软件设计15

3.1指令分析部分15

3.1.1PID调节部分15

3.1.2PID模块参数整定18

3.1.3脉宽指令调节部分19

3.1.4系统报警部分21

3.1.5模拟量数字量转换部分22

3.2指令编写部分22

3.3附录26

四、设计总结27

五、参考文献28

一、绪论

1.1PID控制技术发展概述

自从上世纪三十年代以来，自动化技术获得惊人成果，在现在的工业生产和科学发展中起着重要作用。

当前，自动化装置已成为大型设备不可分割的一部分。

如果不配备适当的自动化设备，大型生产过程根本无法进行。

因此，自动化水平高低已经成为衡量工业企业现代化发展程度的一个重要标志。

在生产过程中，PID控制技术已经成为最普遍也最实用的控制技术之一。

此后，随着计算机和PLC的发展，计算机和PLC与模糊ID控制技术相结合，可以通过计算机控制PLC产生PID参数，控制单闭环控制系统的被控对象以及反馈数据给计算机进行处理。

并通过比例增益、积分增益和微分增益实现控制技术的快速性、准确性。

1.2温度控制技术概述

近几年，温度检测技术在理论发展上已经比较成熟，但在实际测量和控制中，怎样才能快速实时地对温度进行采集，确保数据的正常传输，并能对所测温度进行较快速、精确的控制，仍然是目前迫切需要解决的问题。

目前国内温度控制系统仪表的发展，相对国外而言在性能上还存在一定差距，它们之间最大的差别主要在控制算法方面，具体表现为国内温度控制仪在量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。

这种不足的原因由多方面造成的，如不同的被控对象，或由于控制算法的不足导致控制精度不稳定。

温度作为表征物体的冷热程度最基本的物理量，在很多生产过程中，尤其是在冶金、建材、机械、食品等工业中，温度的测量和控制技术都直接和安全生产、生产效率、产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。

因此，温度的测量与控制技术在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。

对于不同工艺、不同场所所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺、控制温度的精度、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。

因而，对温度的测控方法也变得多种多样。

1.3本设计目标

在该温度控制系统中，热电偶传感器检测到的温度经模拟量与数字量转换器转换成数字量，PLC将它与温度设定值比较，并按PID控制调节规律对误差值进行运算，将运算结果送给输出模块，控制开关量并根据当前温度值与设定值的差异，决定主电路控制开关闭和时间，即电热丝工作时间实现对温度的闭环控制。

图1-1系统硬件结构框图

二、硬件设计

可编程控制器（PLC）作为一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。

它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

2.1硬件选型

对于一个系统设计来说，硬件选型尤为重要。

首先应该确定系统是单机控制还是由多个PLC组成网络实现相对复杂控制。

这样做有两个目的，其一、大致算出PLCDI/DO点数，进一步可以确定DI/DO模块型号和数量；其二、可以根据要求选择合适的网络模块。

其次，确定系统是否有压力检测、温度检测，以及检测速度要求等方面要求，确定所需AD/DA/PT/TC等模块的型号和数量。

最后，根据PLC输出端所带的负载是直流还是交流、是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，确定采用继电器输出，或是晶体管输出。

不同的负载选用不同的输出方式，这些对系统的稳定运行是很重要的。

对系统主要硬件进行选型，系统主要控制模块可选用FX2N-16MR；模拟量与数字量转换模块可选用转换器FX2N-4AD；温度采集模块可选用K型热电偶传感器；主电路控制开关选用固态继电器等。

2.1.1可编程控制器的选型

可编程控制器是一种工业控制计算机，简称PLC。

因为个人计算机也简称PC，为避免和个人计算机相混淆，因此一般简称可编程控制器为PLC。

可编程控制器和外界交换信息的通道主要为I/O接口电路。

I/O接口电路是可编程控制器连接外部设备的接口电路。

I/O接口电路包括输入模块、输出模块、编程器接口、存储器接口、扩展板接口、特殊模块接口和通讯接口。

I/O接口电路实现可编程控制器与外部设备的信息交换。

输入模块用来接收和采集输入信号，输出模块用来把可编程控制器产生的控制信号传送到其控制对象上，编程器接口主要用于把编程器连接到可编程控制器，存储器接口用于扩展存储器，扩展板接口用于连接扩展板（如通讯扩展板），特殊功能模块接口用于把特殊功能模块（如A/D模块、D/A模块）连接到可编程控制器上，通讯接口用于可编程控制器之间或可编程控制器与上位机之间的通讯。

广义地说，可编程控制器上输入信号（数字信号或模拟信号）的一个通道称为一个输入点，可编程控制器上输出信号（数字信号或模拟信号）的一个通道称为一个输出点，可编程控制器的所有输入点和输出点的总和称为可编程控制器的I/O点数。

狭义的I/O点数仅指输入继电器与输出继电器的总数（输入输出信号为数字信号）。

图2-1FX2N-16MR实物

在本设计中，可编程控制器采用日本三菱公司的FX2N-16MR型PLC，该型号的PLC有8个输入点数和8个输出点数可满足系统需要，输出部分连接主电路控制开关对应的控制线圈，进而控制主电路的通断。

2.1.2温度采集模块的选型

随着电子产业数字化程度的不断发展，逐渐形成了以数字系统为主体的格局。

A/D转换器作为模拟和数字电路的接口，正受到日益广泛的关注。

随着数字技术的飞速发展，人们对A/D转换器的要求也越来越高，新型的模拟/数字转换技术不断涌现。

计算机、数字通讯等数字系统是处理数字信号的电路系统。

然而，在实际应用中，遇到的大都是连续变化的模拟量，因此，需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号。

A/D转换器正是基于这种要求应运而生的。

通常，A/D转换器具有四个功能：

采样、保持、量化、编码。

针对电气技术的不断更新，A/D转换器的发展方向将是高转换速度和高精度。

高转换速度:

现代数字系统的数据处理速度越来越快，要求获取数据的速度也要不断提高。

比如，在软件无线电系统中，A/D转换器的位置是非常关键的，它要求A/D转换器的最大输入信号频率在1GHz和5GHz之间，以目前的技术水平，还很难实现。

因此，向超高速A/D转换器方向发展的趋势是清晰可见的。

高精度：

现代数字系统的分辨率在不断提高，比如，高级仪表的最小可测值在不断地减小，因此，A/D转换器的分辨率也必须随之提高;在专业音频处理系统中，为了能获得更加逼真的声音效果，需要高精度的A/D转换器。

目前，最高精度可达24位的A/D转换器也不能满足要求。

现在，人们正致力于研制更高精度的A/D转换器。

根据本设计要求温度转换器选用FX2N-4AD，该温度转换器将来自K型、J型等热电偶传感器的信号放大，并将数据转换成12位的可读数据，存储在PLC的主单元中。

2.1.3温度传感器的选型

在本设计中温度采集模块是十分重要的一环。

热电偶是一种感温元件，是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体（称为热电偶丝或热电极）组成闭合回路，当接合点两端的温度不同，存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，即塞贝克效应。

两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端（也称为测量