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目錄
1 設(shè)計(jì)方案的確定 6
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9
2.1硬件分配 9
2.2 I/O電器接口圖 9
2.3 恒溫控制的PLC 控制裝置示意圖 9
2.4工藝過程及控制要求說明 10
2.5 I/O地址表 11
2.6溫度傳感器 12
2.6.1 熱電偶 12
2.6.2 溫度采集 13
2.6.3 A/D轉(zhuǎn)換部分 13
2.7 PLC主機(jī) 14
2.8 執(zhí)行單元 16
2.9 LED顯示器顯示方式 16
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 16
3.1恒溫系統(tǒng)控制流程圖 16
3.2 恒溫系統(tǒng)梯形圖 18
致 謝 31
1 設(shè)計(jì)方案的確定
1.1 各控制方案的比較
根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)要求,恒溫水箱的水溫需要運(yùn)用PID控制。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。
首先， PID 應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時(shí)變的，但通過對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣 PID 就可控制了。
其次，PID 參數(shù)較易整定。也就是PID 參數(shù) Kp ，Ki 和 Kd 可以根據(jù)過程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化， PID 參數(shù)就可以重新整定。
第三，PID 控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，PID 參數(shù)自整定就是為了處理 PID 參數(shù)整定這個(gè)問題而產(chǎn)生的?！?
許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡(jiǎn)單過程模型自動(dòng)計(jì)算 PID 參數(shù)。
1.1.1 純模擬電路控制
傳統(tǒng)的溫度控制較多地使用純模擬電路并采用繼電器一接觸器或者雙向晶閘管進(jìn)行模擬部分驅(qū)動(dòng)制冷器件。純模擬電路溫度控制有很多不足之處，比如:模擬電路復(fù)雜、控制精度不高、控制參數(shù)的調(diào)整要依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，很難做到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、系統(tǒng)操作復(fù)雜，不利于遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)控制以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集等等。本
文在分析了溫度控制的特點(diǎn)后，建立在PID參數(shù)自整定方法的溫度控制方法，具
有控制精度高、控制溫度范圍大、制冷響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。
1.1.2 PLC控制
PLC控制系統(tǒng)有以下 一些特點(diǎn)：
1.可靠性高。它采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路完成。
2.應(yīng)用靈活。PLC已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系統(tǒng)化，標(biāo)準(zhǔn)化的積木硬件結(jié)構(gòu)和單元化的軟件設(shè)計(jì)，使它不僅可以適應(yīng)規(guī)模不同，功能繁復(fù)的控制要求，而且可以適應(yīng)各種工藝流程變更較多的場(chǎng)合。
3.功能強(qiáng)，通用性好。PLC產(chǎn)品已經(jīng)形成系列化，單元化，并配合品種齊全的控制單元供用戶選擇，還可以組成滿足各種要求的控制系統(tǒng)。
4.編程簡(jiǎn)單。采用梯形圖編程方式。它與傳統(tǒng)的繼電器接觸控制線路圖有許多相似，操作容易。
5.PLC具有體積小，能耗低，質(zhì)量少。
1.1.3 單片機(jī)控制
單片機(jī)常用的是C，匯編與Basic。就算是C，也有許多不同的開發(fā)工具(如ICCAVR，CodeVersion,IAR,GCC..)，彼此不兼容。這種百花齊放的局面，它讓我們的交流變得更加困難。
綜上所述,結(jié)合各個(gè)控制方案的特點(diǎn),所以選擇用PLC來進(jìn)行控制。
1.2 PLC溫控系統(tǒng)原理
由感溫元件熱電偶檢測(cè)溫度，通過溫度變送器把溫度傳送給 ，A/D轉(zhuǎn)換過程中，溫度變?yōu)槟M電壓輸入給PLC。PLC為控制裝置主機(jī)，通過PID運(yùn)算，調(diào)整模擬量大小，完成溫度控制任務(wù)。
控制中將模擬量變?yōu)槊}沖數(shù)字輸出，用數(shù)字顯示，溫度的控制由程序設(shè)定，
用PLC的PID控制功能調(diào)節(jié)。為了防止干擾，在PLC輸人、輸出模塊前、后加裝了隔離變壓器，同時(shí)加設(shè)了上限及故障報(bào)警裝置。
圖1 PLC控制的溫控系統(tǒng)工作原理框圖
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攀枝花學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1硬件分配
PLC控制的恒溫箱溫控系統(tǒng)硬件包括：1.溫度傳感器 2.放大器部分3. A/D轉(zhuǎn)換部分。4.FX0N-60MR。5.執(zhí)行單元。6.LED顯示器
2.2 I/O電器接口圖
圖2 I/O電器接口圖
2.3 恒溫控制的PLC 控制裝置示意圖
圖 所示為水溫恒溫控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，它包括控制恒溫水箱、冷卻風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)、攪拌電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)水箱、加熱裝置、溫度檢測(cè)裝置、溫度顯示、功率顯示、流量顯示、閥門以及有關(guān)狀態(tài)顯示等。
圖3 控制裝置示意圖
2.4工藝過程及控制要求說明
本系統(tǒng)是一個(gè)恒溫控制系統(tǒng)，要求設(shè)定的溫度在某一個(gè)數(shù)值。加熱采用電加熱，功率為1.5KW，溫度設(shè)定范圍在20~80攝氏度之間。恒溫水箱內(nèi)有一個(gè)加熱裝置、一個(gè)攪拌電動(dòng)機(jī)、兩個(gè)液位檢測(cè)開關(guān)、兩個(gè)溫度傳感器。液位檢測(cè)開關(guān)為開關(guān)量傳感器，檢測(cè)水位的高低，反映無水或水溢出狀態(tài)。兩個(gè)溫度傳感器分別為測(cè)量水箱入口處的水溫和水箱中的水的溫度。儲(chǔ)水箱中，也裝有一個(gè)溫度傳感器。恒溫水箱中的水可以通過一個(gè)電磁閥或手動(dòng)開關(guān)閥將水放到儲(chǔ)水箱中。儲(chǔ)水箱中的水可以通過一個(gè)電磁閥引入到恒溫水箱中。水由一個(gè)水泵提供動(dòng)力，使水在系統(tǒng)中循環(huán)。水的流速由流量計(jì)測(cè)量。恒溫水箱中的水溫，入水口的水溫，儲(chǔ)
水箱中的水溫度、流速及加熱功率均有LED顯示。兩個(gè)電磁閥的通斷，攪拌和冷卻開關(guān)均有指示燈顯示?？刂葡到y(tǒng)的控制過程：當(dāng)設(shè)定溫度后，啟動(dòng)泵向恒溫水箱中供水，水上升到液位后，啟動(dòng)攪拌電動(dòng)機(jī)，測(cè)量水箱水溫并與設(shè)定值比較；若溫度差小于5，。要采用PID調(diào)節(jié)加熱。當(dāng)水溫高于設(shè)定值5~10時(shí)，要
進(jìn)冷水。當(dāng)水溫在設(shè)定值0~5范圍內(nèi)，仍然采用PID調(diào)節(jié)加熱。當(dāng)水溫高于設(shè)定值10以上時(shí)，采用進(jìn)水與風(fēng)機(jī)冷卻同時(shí)進(jìn)行的方法實(shí)現(xiàn)降溫控制。此外對(duì)溫度、流量、加熱的電功率要進(jìn)行實(shí)測(cè)并顯示。若進(jìn)水時(shí)無流量或加熱、冷卻時(shí)水溫度無變化時(shí)應(yīng)報(bào)警。
2.5 I/O地址表
表1 I/O地址
信號(hào)名稱
器件代號(hào)
地址編號(hào)
功能說明
輸入信號(hào)
SB1
X10
系統(tǒng)啟動(dòng)開關(guān)
SB2
X15
系統(tǒng)停止開關(guān)
SQ1
X11
上液位開關(guān)
SQ2
X12
下液位開關(guān)
SP
X5
流量檢測(cè)開關(guān)
輸出信號(hào)
KA1
YO
啟動(dòng)泵
YV1
Y1
水電磁閥1
YV2
Y2
水電磁閥2
KA2
Y3
冷卻風(fēng)機(jī)
KA3
Y4
攪拌電動(dòng)機(jī)
KA4
Y5
加熱裝置
HL
Y7
報(bào)警指示燈
8241碼
Y10~Y10
顯示數(shù)據(jù)用
輸出信號(hào)
C1
Y20
溫度顯示1LED信號(hào)地址
C2
Y21
溫度顯示2LED信號(hào)地址
C3
Y22
溫度顯示3LED信號(hào)地址
C4
Y23
流量顯示LED信號(hào)地址
C5
Y24
功率顯示LED信號(hào)地址
2.6溫度傳感器
2.6.1 熱電偶
本文采用J型熱電偶。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。熱電偶溫度計(jì)是由三部分組成：1.熱電偶（感溫元件）；2.連接熱電偶和測(cè)量測(cè)量?jī)x表
的導(dǎo)線（對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線及銅線）；3.測(cè)量?jī)x表；
其優(yōu)點(diǎn)是：①測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的
影響。
②測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50~ 1600℃均可邊續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá) 2800℃（如鎢-錸）。
③構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。
熱電偶測(cè)溫基本原理：將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體AB的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。
為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下：
①組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；
②兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；
③補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；
④保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。
2.6.2 溫度采集
電阻爐溫度控制系統(tǒng)的模擬量主要為溫度。溫度的檢測(cè)有很多種方法，常用的有熱電阻法、熱電偶法等等。它們的原理都基本相似，主要是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)，如果轉(zhuǎn)換的信號(hào)大小在模擬量轉(zhuǎn)換模塊輸入范圍內(nèi)，.IJ以通過精密放大器將信號(hào)進(jìn)行處理。但通常溫度轉(zhuǎn)換的數(shù)字J默認(rèn)的比例關(guān)系大小相襯時(shí)，則需要對(duì)偏移量和增益量進(jìn)行假設(shè)，所謂偏移量指的是數(shù)字量為當(dāng)時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值。增益量指的是數(shù)字量為1000時(shí)對(duì)應(yīng)溫度值t7。例如我們測(cè)溫范圍為OCPC,采用Pt100作為熱敏電阻，在輸入PLC前將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，溫度在0 -800C范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的電壓為18V,與電壓成線性關(guān)系，例如我們以選用的數(shù)字量范圍為0- 2000，若數(shù)字量為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓為1V，則偏移量為1 V;數(shù)字量為2000時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓為8V，則數(shù)字量為1000時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓為4. 5V。
2.6.3 A/D轉(zhuǎn)換部分
FXON-60MR型PLC采集模擬量，需要擴(kuò)展模塊，采用FXON-3A模擬量輸入模塊。該模塊提供包括8位精度分辨率, 2通道電壓輸入或電流輸入,電壓輸入和電流輸入可以自已選擇。如果輸入為電壓接一個(gè)端子;如果輸入為電流，則需要接個(gè)端子。當(dāng)電壓超過正常范圍時(shí),電流超過正常范圍32mA時(shí)，會(huì)對(duì)這個(gè)模塊造成損壞。當(dāng)存在過多的電氣干擾時(shí)，以將連接FG的外殼地端和模塊的接地端相連接 PLC基本單元， FX0N-3A之間的數(shù)據(jù)通信是由FROM /TO指令來執(zhí)行的。FROM是從FX0N- 3A中讀數(shù)據(jù)的指令，而TO是將數(shù)據(jù)寫入FX0N- 3A的指令。實(shí)際上讀寫的操作都是對(duì)FXON-3AD的緩沖寄存器BFM進(jìn)行的操作。該緩沖區(qū)由32個(gè)16b 的寄存器組成。其中包括通道是否開通，電壓輸入還是電流輸入的選擇等。
2.7 PLC主機(jī)
PLC的硬件主要由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴(kuò)展接口電源等部分組成。其中，CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場(chǎng)輸入/輸出設(shè)備與CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計(jì)算機(jī)等外設(shè)連接。
對(duì)于整體式PLC，所有部件都裝在同一機(jī)殼內(nèi)；對(duì)于模塊式PLC，各部件獨(dú)立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機(jī)架或?qū)к壣?。無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都可根據(jù)用戶需要進(jìn)行配置與組合。
PLC的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。系統(tǒng)程序由PLC制造廠商設(shè)計(jì)編寫的，并存入PLC的系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等。
PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應(yīng)用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實(shí)現(xiàn)控制目的。由于PLC是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術(shù)人員，為了滿足他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力，PLC的主要編程語言采用比計(jì)算機(jī)語言相對(duì)簡(jiǎn)單、易懂、形象的專用語言。
PLC編程語言是多種多樣的，對(duì)于不同生產(chǎn)廠家、不同系列的PLC產(chǎn)品采用的編程語言的表達(dá)方式也不相同，但基本上可歸納兩種類型：一是采用字符表達(dá)方式的編程語言，如語句表等；二是采用圖形符號(hào)表達(dá)方式編程語言，如梯形圖等。
PLC的發(fā)展趨勢(shì)：1、向高速度、大容量方向發(fā)展為了提高PLC的處理能力，要求PLC