基于PLC温度控制系统的设计论文

南京工程学院

自动化学院

本科毕业设计（论文）

题目： 基于PLC温度控制系统的设计

专 业： 测控技术与仪器

班 级： 测控072 学 号： xxx 学生姓名： xxx 指导教师： xxx 教 授

xxx 副教授

起迄日期： xxx设计地点： xxx

Graduation Design (Thesis)

The Design Of The Temperature Examination In PLC

Temperature Control System

By WANG Zhu Jie

Supervised by Prof. XIA Qing Guan Associate Prof. LU Hong

School of Automation Nanjing Institute of Technology

June, 2011

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摘 要

本文介绍基于PLC的温度控制系统的设计，包括A/D转换、标度变换、温度检测环节、积分分离PID算法以及过零数字触发电路的设计。主要内容：实际温度经温度传感器检测，得到模拟电压值，模拟量再经A/D转换和标度变换后得到实际炉温。数字控制器根据恒温给定值与实际温度的偏差e（k）按积分分离PID控制算法，得到输出控制量u（k），控制可控硅导通时间，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。本系统对温度检测和调节环节做了进一步的优化设计，使该系统更实用、易行和可靠，同时也提高了产品质量和减轻人工劳力负担。它在实际应用中具有一定参考价值。

关键词：温度检测；温度传感器；A/D转换；PID

I

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ABSTRACT

The introduction of temperature-based PLC control system design, including A/D conversion, scaling transformation, temperature checking links, scoring a zero separation PID algorithms and digital triggering circuit design. Main elements : the actual temperature of the test temperature sensors, analog voltage is the value, volume via simulation A/D after his conversion and scaling practical furnace temperature. Digital signal controllers will be under constant temperature to the value and the actual temperature deviations e (k) by scoring separation PID control algorithms, with the volume of export control u (k), lead-time silicon-controlled rectifier control, regulate furnace temperature changes to the current agreement with the given constant temperature. Achieve thermostatic control purposes. Temperature of the system to do further testing and regulatory aspects of the design optimization, enabling the system more practical and easy OK and reliable, while also raising product quality and reducing the burden of manual labor. It must have practical application in reference value.

Key words：temperature testing; Temperature sensors; A/D conversion; PID

II

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目 录

前言 ............................................................................................................. 1 第一章 系统总体方案 .............................................................................. 2 第二章 系统硬件设计 .............................................................................. 4 2.1 PLC选择..................................................................................................... 4 2.1.1 FX2N-48MR-001PLC ......................................................................... 4

2.1.2 FX2N-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 3.4.2 A/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 致谢 ............................................................................................................ 29

III

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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

IV

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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。

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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。（给定值范围为280~700℃）。

（2）PLC：主要完成PID调节功能以及数据变换。

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（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Q0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。

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第二章 系统硬件设计

2.1 PLC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。 2.1.1 FX2N-48MR-001 PLC

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—48MR PLC，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 I6XX I7XX I8XX 中断周期（ms） 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 表2-2 输入中断标号指针表

输入编号 X0 指针编号 上升中断 I001 下降中断 I000 中断禁止特殊辅助继电器 M8050 中断禁止特殊辅助继电器 M8056 M8057 M8058 4

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X1 X2 X3 X4 X5 I101 I201 I301 I401 I501 I100 I200 I300 I400 I500 M8051 M8052 M8053 M8054 M8055 注：M8050~M8058=“0”表允许；M8050~M8058=“1”表禁止。

2.1.2 FX2N-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 电压输入 项 目 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 DC ：-10～+10V（输入DC ：-20～+20mA（输入电阻250Ω） （注意：若输入电流超过±32mA，单元会被损坏） 模拟量输入范围 电阻200KΩ） （注意：若输入电压超过±15V，单元会被损坏） 数字输出 分辨率 总体精度 转换速度 12位的转换结果以16位二进制补码方式存储（-2048~+2047） 5mV ±1%（对于-10～+10V范围） 20μA ±1%（对于-20～+20mA范围） 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2-4 BFM数据缓冲存储器分布表

BFM编号 内容 #0 #1 通道初始化，缺省值=H0000 通道1 存放采样值（1～4096），用于得到平均结果。缺省值 5

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#2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 通道2 设为8（正常速度），高速操作可选择1 通道3 通道4 通道1 通道2 通道3 通道4 通道1 通道2 通道3 通道4 这些缓冲区用于存放每个输入通道读入的当前值 缓冲器#5～#8独立存储通道CH1～CH4平均输入采样值 #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 保留 #20 #21 #22 #23 #24 复位到缺省值和预设，缺省值=0 禁止调整偏差、增益值，缺省值=（0，1）允许 偏移，增益调整 G4 偏移值，缺省值=0 增益值，缺省值=5000 O4 G3 O3 G2 O2 G1 O1 #25~#28 保留 #29 #30 #31 错误状态 识别码 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时设定输入范围为-10V～+10V；X=1时，设定输入范围为+4mA～+20mA；X=2时，设定输入范围为-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。

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表2-5 BFM#29的状态信息设置 #29缓冲器位 ON 当b1~b4为ON时，b0=ON B0：错误 若b2~b4任意一位为无错误 ON，A/D转换器的所有通道停止 B1：偏移量与增益值错偏移量与增益值修正错误 B2：电源不正常 B3：硬件错误 B10：数字范围错误 误 24VDC错误 A/D或其他硬件错误 数字输出值小于-2048或大于+2047 数字平均采样值大于B11：平均值错误 4096或小于0（使用8平均值正常（1~4096） 位缺省值） B12：偏移量与增益值#21缓冲器的禁止位#21缓冲器的（b1,b0）修正禁止 （b1,b0）设置为（1，0） 设置为（0，1） 偏移量与增益值正常 电源正常 硬件正常 数字输出正常 OFF

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 X0 X1 X2 电源周波信号输入端 温度给定允许 启动/关闭 输出地址 Y0 Y1 Y4 Y5 Y6 X10~X21

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功能说明 VT1触发脉冲（电源正半波） VT2触发脉冲（电源负半波） 恒温完成指示信号 断偶报警 温度给定超出范围报警 12位8421（三组）BCD码输出 SB2~SB11 Y10~Y23 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）

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。给定值范围为280~700℃，若输入值超过给定值范围，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

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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ui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u0为

56Ku0(u1u2)11.2(u1u2)

5K

式中，u2为零点迁移值。根据设计要求，恒温值为400~600℃，本系统选取测温范围为280~700℃，将280℃作为测温起点（零点）。调整多圈电位器RP，使u2=50*11.38=569mV，当炉温为280℃时，ui=11.38mV，u1=569mV，于是u0=0。经零点迁移后，炉温为280~700℃时，ui=11.38~29.13mV，

u0=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。

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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集成块内部装有四个独立的电压比较器，共模范围很大；差动输入电压范围较大，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。

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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，使得一个周期内电源均加在电热元件上，通过控制一个控制周期内晶闸管导通周波数，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=nmax/utmax 为比例系数（约为1），nmax为一个控制周期内的电源周波数，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，didt很大，它与线路电感共同作用产生的电压L*didt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=80Ω C=0.15μF

电容C的交流耐压为：

UCN1.5Um1.52202467V

电阻R的功率应满足：

U2R10220280PR10*220.086W 262RXC80(1/3140.1510) 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IFU按下式选取：

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IFU51.57ITN 6式中，5/6为修正参数，为保证可靠与选用方便，一般取IFUITN。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

2202V，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ITN应为：

ITN(1.5~2)IL/213.7~18.2A

额定电压UTN应为：

UTN(2~3)2202622~933V

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。

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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

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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。本次软件设计即是利用计算机编程，在三菱PLC编程软件Fxgpwin下完成程序编写和通信。

3.1 编程与通信软件的使用

三菱FX系列PLC通信软件名称为Fxgpwin，它供对FX0/FX0S、FX1、FX2/FX2C、FX1S、FX1N和 FX2N/FX2NC系列三菱PLC以及监控PLC中各软元件的实时状态。它的运行环境为MS-window3.1或window95以上的版本，其具体应用说明如下。

（1）编程 •双击

图标，即可进入编程环境。

•首先打开File（文件）菜单下的New（新文件）子菜单，选择FX2N PLC型号，进入程序编制环境。（若想打开已有文件，打开File（文件）菜单下的Open（打开）子菜单，选择正确的文件和PLC型号后，按回车键即可。）

•采用梯形图编写程序：打开View（视图）菜单，选中Ladder view（梯形图）子菜单。然后选择View（视图）菜单中的Tool bar（工具栏）、Status（状态栏）、Function bar（功能键）和Palette（功能图）四栏。

•梯形图中的软元件的选择既可通过以上Function bar（功能键）和Palette（功能图）完成，也可通过Tool bar（工具栏）完成。

•使用Edit（编辑）菜单下的Cut（剪切）、Undo（撤消键入）、Paste（粘贴）、Copy（复制）和Delete（删除）等栏目，可对软元件进行剪切、复制和粘贴等操作。

（2）程序检查。

双击Option（选项）菜单下的Program Check（程序检查），进入程序检查环境，即可对程序进行检查，包括三项：检查软元件有无错误、检查输出软元件和检查各回路有无错误。

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（3）PLC程序下载

正确连接好编程电缆，打开编程界面的PLC菜单下的Ports(端口设置)选择正确的串行口、传送频率后，按OK。打开PLC菜单下的transfers->write(写出)，输入程序步数，按确定即可下载程序到PLC上。

（4）PLC运用和停止

下载完程序，把PLC机上的开关拨向RUN/STOP，或打开PLC菜单下的Remote Run/Stop(遥控运行/停止)栏目，即可运行/停止PLC。

（5）软元件监控

打开Monitor/Test（监控/测试）菜单下的Entry device monitor（进入元件遥控），选择所要的监控的软元件，即可监控各软元件。

（6）程序打印

打开File（文件）菜单下的Page Setup（页面设置）子菜单即可进行编程页面设置。打开File（文件）菜单下的Printer Setup（打印机设置）子菜单即可进行打印设置。

（7）退出主程序

打开File（文件）菜单下的Exit（退出）子菜单或按右上角的“X”按键，即可退出主程序。

3.2 程序设计

本设计系统采用三菱FX系列PLC控制。其输入、输出地址表如表2-6所示。另外，内存分配如表3-1所示：

表3-1 内存分配表

内存器 D0 D4 D5 D25 D26 D27 特定意义 A/D转换数字量结果 温度给定值Q0 炉温Q 触发周波数n 晶闸管允许触发标志 采样周期计数器 内存器 特定意义 D30 D31 D32 D33 D34 D35 D36 D37 u(k) u(k-1) e(k) e(k-1) e(k-2) Kp D100~D121 数据缓冲区 D29 D38 断偶计数器 Kd Ki 十键输入指定存储元件

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3.3 系统程序流程图

系统程序流程图如图3-1所示。

初始化

温度给定

Y 输入值错误 错误报警

N

A/D转换

Y 转换值>2047 断偶报警 N 标度变换

实际温度显示

给定值与实际温度比较

Y 差值e（k）=0

N

差值 e （ k ） >10 Y 恒温指示

n=240 N 数字调节器 保存n 晶闸管触发准备

等待中断 图3-1 系统程序流程图

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3.4 控制系统控制程序的开发

针对本系统任务书的要求，要求控制系统实现恒温控制的功能，温度在（280～700℃）范围内任意设定（X10~X21输入给定值），经过积分分离PID调节，实现恒温控制，并对实际温度进行实时LED数码显示，同时有恒温指示和断偶报警信号指示。特编写以下控制程序。（PLC指令见附录一，总程序见附录三）。 3.4.1 温度设定

本设计系统利用十键数字输入指令，设定恒温给定值。程序如图3-2所示。

图3-2 读取温度给定

当温度设定允许（X1=1）时，执行十键输入指令，输入给定温度值，

送D38，当给定值在280～700℃范围内时，将给定值（D38）再送D4保存。否则输入出错报警（Y6=1）。 3.4.2 A/D转换功能模块的控制程序

温度检测硬件电路给定的A/D转换通道号CH2，完成炉温的A/D转换。为了提高抗干扰能力，程序采用了数字滤波措施，滤波方法是取8次输入的平均值作为检测结果。

在此过程中设定炉温的模拟量送入FX2N-4AD模块的2#通道（CH2）。根据三菱公司的用户手册中的模块编号规则，FX2N-4AD直接连PLC 的为0号模块。A/D转换功能的PLC程序如图3-3所示：

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图3-3 A/D转换程序

当控制周期到（M331=1）和X2为ON时，将FX2N-4AD在0#位置BFM#30中的识别码（K2010）送D3，若识别码为2010，则M1=1。进而将H3330送BFM#0（A/D通道初始化），CH2为电压输入（DC ：-10～+10V），CH1、CH3和CH4关断，采样次数缺省为8次，正常速度）。然后再将BFM#29的状态信息分别写到M25～M10（16位）中，若无错（M10=0）和数字输出值正常（M20=0），则BFM #6的内容（CH2通道的平均输入采样值）将传送到PLC的D0中。

本程序设计以4.8s为一个控制周期，当控制周期到才读取A/D转换结果。

控制周期计时中断服务程序（I610）如图3-4所示。

图3-4 计时中断程序

I610为每计时10ms便自动执行一次中断。当计时10ms到，系统执行I610中断服务程序，控制周期计数器（D27）加1，将D27与480比较，若相等则M331为ON（4.8s计时到），同时将控制周期计数器（D27）清0。 3.4.3 标度变换程序

另外针对本次设计所选择的功能模块FX2N-4AD的输入输出特性，有280～700℃经零点迁移后所对应的数字量为0～2047（0～10V对应的数字

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量），通过模数转换得到的温度的数字量存入D0，根据此特性，输入数据对应的模拟量应该为数字量占2047的百分比，即实际温度=（700-280）*数字量/2047+280≈数字量*21/102+280。从而得到实际的温度的数值而送入D5，同时将所得的余数与0.5℃所对应的数字量(约等于2)进行比较，如果大于2，则将D5中的数加一，反之则不变。所得结果再加上280，就完成了对采样温度值的标度变换。标度变换功能的PLC程序如图3-5所示：

图3-5 标度变换程序

3.4.4 恒温控制程序（PID）设计

3.4.4.1 PID算法

根据给定的工艺要求，温度控制分为三段：自由升温段、恒温段和自然降温段。自然降温无需控制和检测温度，自由升温只需监视炉温是否到达恒温值，只有恒温段需要控制与检测炉温。用于恒温控制的调节器有多种形式，如大林算法、PD调节、PID调节、开关调节等，本系统选用实际中切实可行的积分分离PID调节，它能有效地减小系统的超调和稳态误差。

PID调节器的位置式控制方程为：

u(t)Ke(t)Tde(t)1p[ddtTe(t)dt]

i式中，e（t）为t时刻给定的恒温值Q0与实际炉温Q之差。将其离散化，

得

u(k)u(k1)KTTp{[e(k)e(k1)]Te(k)d[e(k)2e(k1)e(k2)]}

iT式中，T、Td、Ti、KP分别为采样周期、微分时间常数、积分时间常数和比例时间常数；e（k）为本次采样时Q0与Q之差。

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令 KiKP则有 式（3-2）

TT KdKpd （3-1） TiTu(k)u(k1)Kp[e(k)e(k1)]Kie(K)Kd[e(k)2e(k1)e(k2)]

式中，Kp、Ki、Kd分别为调节器的比例、积分、微分系数(待定参数)。

为了减少在线整定参数的数目，常常假定约束条件，以减少独立变量的个数，本次设计选取

T≈0.1Ts

Ti≈0.5Ts Td≈0.125Ts

其中，Ts为纯比例控制时的临界振荡周期。将它们代入式（3-1）。即有

1KP 55KdKp

4因此，对四个参数的整定便简化成了对一个参数Kp的整定。因而使调

Ki试较为简单方便。 3.4.4.2 恒温控制程序

为了减少超调和消除振荡现象，当自由升温小于给定的恒温值10℃，系统就开始进行恒温控制，恒温控制采用积分分离PID调节。系统的控制算法如下：

当炉温Q大于给定恒温值10℃时，系统全速升温，令u（k）=240，240为一个控制周期（4.8s）的工频电源周波数。

当e（k）<5℃时，按式（3-2）进行PID调节。

除上述两种情况外，系统均进行PD调节，去掉（3-2）中的Kie（k）。 温度数字调节器程序框图如图3-6所示。

温度数字调节器的PLC程序框图和梯形图分别如图3-7所示。 将实际温度（D5）与设定值（D4）比较得到的差值e（k）存于D32。若e（k）大于10，则送240给D30（u（k））；若e（k）小于10而大于5时，则进行PD算式运算（去掉（4-2）中的积分项Kie（k）的剩余项）。若e（k）小于5时则进行PID算式运算（实现式（4-2））。最后保存u（k），更新u（k-1）、e（k-1）和e（k-2）以备下次运算。

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开始 e（k）=Q0-Q Y e（k）>10 N

计算PD项 u（k）=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] u(k)=240 N e(k)<5 Y 计算PD+I项 u(k)=u(k)+kie(k) u(k)->u(k-1) e(k-1)->e(k-2) e(k)->e(k-1) 保存u(k) 结束 图3-6 数字控制器程序 21

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图3-7 数字控制器程序

3.4.5 数字触发器程序设计

3.4.5.1 数字触发器组成与原理

数字触发器按照调节器输出的控制量控制输送给电阻炉的能量。由于晶闸管移相触发存在很大的谐波干扰“污染”电网，本系统采用过零触发，触发器的组成如图3-8所示。

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图3-8 过零数字触发器组成

工作原理如下：数字触发器准备程序将控制量u（k）变换为晶闸管的导通周波数n，且当n>0时，置晶闸管允许触发标志为1。准备程序在每

个控制周期执行一次。当电源正半波到来时（usgn(k)由低电平变高电平），若晶闸管允许触发标志为1，则在Y0端产生一个触发脉冲，经光电隔离和功率放大后触发晶闸管VT1导通，使电源正半波加到电阻丝上。当电源负半波到来时（usgn(k)由高电平变低电平），若晶闸管允许触发标志为1，则在Y1端产生一个触发脉冲，经光电隔离和功率放大后触发晶闸管VT2导通，使电源负半波加到电阻丝上，使负载得到一个完整的电压波形。程序还完成晶闸管已导通周波数计数工作，当已导通周波数等于n时，表示本控制周期内向电阻丝输送的能量已达到控制要求，将晶闸管允许触发标志清0，Y0、Y1不再输出触发脉冲。 3.4.5.2 数字触发器程序

数字触发器程序由两部分组成：准备程序和触发程序 其程序框图如图3-9和图3-10所示。

电源在一个控制周期（4.8s）有240个周波，而u（k）的最大亦也240，因此，晶闸管在一个控制周期的导通周波数n与控制量u（k）的关系为

n=u（k）

脉冲输出通道要求PLC输出的触发脉冲为正脉冲，故程序先使Y0（或Y1）由0变1，延时约0.01s后（半个周波时间），再将Y0（或Y1）置0，在Y0（或Y1）端形成一个宽约0.01s的正脉冲。

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图3-9 晶闸管触发准备程序 图3-10 数字触发程序

数字触发器功能的PLC程序如下图3-11所示：

当X2为ON时，将u（k）送D25作触发周波数n，将其与0比较，若n大于0，则置位D26（触发允许标志）允许触发并将Y0和Y1置1。X0为电源周波信号输入端，当允许晶闸管触发时，当X0的上升沿（下降沿）到时Y0（Y1）输出1，延时半个周波时间后Y0（Y1）输出0，即在Y0（Y1）端口产生正脉冲去触发晶闸管导通。同时每完成一个周波触发，将D25减1。直到D25为0止。D25为0而采样周期未到D26被清0，系统将不再对晶闸管输出触发脉冲。

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图3-11 数字触发器程序

3.4.6 显示程序

本设计系统用三个LED数码管（含BCD译码器）显示温度（本系统设定温度范围为280~700℃），需要先将实际温度转换成BCD码，从Y10~Y23端口输出，BCD码经过BCD译码器译码，由七段LED完成显示功能。

显示程序如图3-12所示：

图3-12 显示程序

将实际温度（D5）除以100得到百位数，存放D122中；同理，所得的余数（D103）除以10得到十位数存放D121中；余数D105为个位数存放D120中。D122、D121和D120中的数据分别从Y10~Y13、Y14~Y17和Y20~Y23端口输出。经译码器译成相应的段码，送七段LED显示。

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3.4.7 恒温指示程序

当实际温度与温度给定值相等时，系统发出恒温指示信号（Y4=1，绿灯亮）。恒温指示程序如图3-13所示：

图3-13 恒温显示程序

将实际温度值（D5）与温度设定值（D4）进行比较，如果相等则令Y4为ON，恒温指示灯亮。同时令触发脉冲个数为0，系统将不对电阻炉加热。

3.4.8 报警程序

将A/D转换的数字量与2047比较，若连续两次检测到A/D转换的数字量大于2047，则表示断偶，系统输出断偶报警信号，Y5为ON，亮红灯。如图3-14所示。

图3-14 报警程序

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第四章 总结与展望

4.1 总结

本文主要是针对“基于PLC的模拟量控制”的研究。

PLC完成对系统现场的控制过程。通过功能模块实现了对模拟量、开关量、脉冲量的转换，从而达到了对上述变量的控制，以及显示、报警等功能。同时，控制系统现场对变量的变换有着直观的显示作用。

本文所做的主要工作:

（1）温度设定由输入端口获得（十进制输入），具备实时显示和报警功能，人机界面良好。

（2）PLC编程实现积分分离PID算法。

（3）基于PLC模拟量控制和过程控制实现温度控制。 （4）过零触发晶闸管实现电功率的控制。

由于本人能力尚存在不足，同时时间、条件的限制令本次系统的开发尚存在着不足，在今后的学习以及工作中会不断克服障碍

4.2 展望

由于PLC的诸多优点，也已经在工控领域得到了广泛引用，但是，还没有形成系统化、理论化的开发方法。随着可编程序控制器技术的发展，PLC已越来越多地应用于对模拟量的控制，所以应增加D/A,A/D转换及运算功能的仿真。同时，要尽量抑制干扰，尤其是控制回路之外的干扰。

过程控制系统开发工具功能的不断完善，使过程控制将具有更广阔的应用前景，对我国国民生产生活各个领域的自动化水平的提高都有着重要的意义。

随着微机的软硬件技术和网络通讯技术的飞速发展，工业自动化领域发生了革命性的技术进步。而PLC及工控机作为工业控制的设备基础，通过技术的不断革新，在工业控制中的地位日益加强，并且成为工业控制技术进步的主要工具。

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致 谢

本文是在夏庆观和路红老师的悉心指导下完稿的。在这几个月的学习生活中，夏老师、路老师渊博的学识，实干的作风和宽厚的师长作风，令我在生活、学习和思想上都受益匪浅。我在学习、生活、为人等诸多方面都得到了夏老师和路老师热心帮助和教导。夏老师和路老师创造性的学术思想、严谨的治学态度、坚持理论联系实际的工作作风，都给我留下了深刻的印象。在这毕业设计即将结束之际，我谨向夏老师和路老师表达我由衷的谢意：夏老师、路老师，谢谢你们！

在此，我还要感谢在毕业设计过程中为我提供三菱系列资料手册的尤正建同学，正是由于资料的齐备，才令我在课题设计中遇到障碍时，能尽快找到解决的方案。同时，我还要感谢孙文波同学和王江涛同学，感谢他们在这毕业设计的几个月的日常生活中，给予我热情的帮助和支持。正是有了夏老师、路老师和以上三位同学的帮助支持，才使我的论文顺利完成。

最后，我要感谢我的家人，有了他们的关心和支持，我才有机会迎来这个人生重要阶段的结束，同时又开启了一扇走向崭新未来的大门。

衷心感谢所有关心、支持和帮助过我的老师和同学，谢谢大家！

汪竹杰

二一一年五月 于南京

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参 考 文 献

[1] 郁汉琪主编. 电气控制与可编程序控制器应用技术[M]. 南京：东南大学出版社，2003

[2] 张永丰、刘祖润主编. 毕业设计指导[M]. 北京：工业大学出版社，1996 [3] 赖寿宏主编. 微型计算机控制技术[M]. 北京：机械工业出版社，2000 [4] 方承远主编. 工厂电气控制技术（第二版）[M]. 北京：机械工业出版社，2000 [5] 王炳实主编. 机床电气控制[M]. 北京：机械工业出版社，1999

[6] HEWLETT-PACKARD 8175A Digital Signal Generator. Operating and Programming Guide.

[7] 张万忠主编. 可编程序控制器应用技术[M]. 北京：化学工业出版社，2002 [8] 尚雅层，赵朝兰主编. Electromechanical Engineering English Readings [M]. 西安：电子科技大学，1994

[9] 三菱公司编. 三菱FX系列可编程序控制器特殊功能模块用户手册，2001 [10] 三菱公司编. 三菱可编程序控制器应用101例，1994

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附录一 三菱FX系列PLC指令一览表

一、基本指令（本系统所涉及） 指令助记符、名称 [LD]取 [LDI]取反 [LDP]取脉冲 功能 指令助记符、名称 [ORB]电路块或 [OUT]输出 [SET]置位 功能 串联电路块的并联连接 线圈驱动指令 线圈接通保持指令 触点运算开始 触点运算开始 上升沿检测运算开始 下降沿检测运算开始 串联连接 串联连接 并联连接 并联连接 [LDF]取脉冲 [AND]与 [ANDI]与非 [OR]或 [ORI]或非 [RST]复位 [MPS]进栈 [MRD]读栈 [MPP]出栈 [NOP]空操作 [END]结束 线圈接通清除指令 运算存储 存储读出 存储读出与复位 无动作 顺控程序结束 [ANB]电路块并联电路块的串联与

二、功能指令（本系统所涉及） 指令分类 功能号FNC NO. 00 01 02 程序流程 03 04 05 06 指令分类 功能号FNC NO. 连接 指令助记符 CJ CALL SRET IRET EI DI FEND 指令助记符 功能 条件跳转 子程序调用 子程序返回 中断返回 中断许可 中断禁止 主程序结束 功能 30

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10 传送与比较 11 12 18 20 21 四则逻辑运算 22 23 24 数据处理 40 70 外围设备I/O 73 78 79

CMP ZCP MOV BCD ADD SUB MUL DIV INC ZRST TKY SEGD FROM TO 比较 区域比较 传送 BCD转换 BIN加法 BIN减法 BIN乘法 BIN除法 BIN加一 批次复位 数字键输入（十键） 7段译码 BFM读出 BFM写入 31

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附录二 热电偶温度传感器和信号放大器

（1）热电偶传感器

热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛的一种传感器，具有精度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优点。

热电偶是由两种不同材料的导体A和B连接在一起构成的感温元件，如图F-1所示。

图F-1 热电偶测温原理图

A和B的两个接点1和2之间存在温差时，回路中便产生电动势，形

成一定大小的电流，这一现象称为热电效应，也叫温差电效应。热电偶就是利用这个原理测量温度的。

如图F-2-1所示，热电偶的一端是将A、B两种导体焊接在一起，称为工作端，置于温度为Q的被测介质中；另一端称为参比端，也称自由端或冷端，该端的A、B两种导体是隔开的，放在温度为Q0的恒定温度下。当工作端（即被测介质）温度发生变化时，热电偶断开处的热电势随之发生变化，将它放大后送入显示、记录仪表或A/D转换器，即可得到工作端的温度值。

热电偶两端的电势可用下式表示：

EQ=eAB（Q）-eAB（Q0）

式中：EQ为热电偶的热电势；eAB（Q）是温度为Q时的热电势；eAB（Q0）是温度为Q0时的热电势。

当冷端的温度Q0恒定时，热电势是工作端温度的单值参数：FQ=f（Q）。 从理论上讲，只要是两种不同性质的导体都可配置成热电偶，但实际并非如此。组成热电偶时还要考虑灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件。

热电偶的种类很多，每一种热电偶都有一个代号和分度号，以便选择和配备二次仪表。我国统一设计的几种工业常用热电偶的材料、代号、分

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度号及测量范围如表F-2所示。

表F-2 几种常用热电偶的材料成分、代号、分度号及测温范围表

名称 材料成分 正级 负级 铜—康铜 镍铬—考铜 镍铬—镍硅 镍铬—镍铝 铂铑10—铂 铂铑30—铂6 纯铜 康铜 镍铬 考铜 镍铬 镍硅 镍铬 镍铝 铂铑 纯铂 铂铑 铂铑 WRC WRK WRN WRN WRP WRP CK EA-2 （K）BU-2 EU-2 （S）LB-3 LB-2 -200~+300 0~800 0~1300 0~1200 0~1600 0~1800 代号 分度号 测量温度范围 热电偶的输出电势与工作端温度的关系是一单调非线性函数。不同分度号的热电偶，有不同的温度-电势关系，分度表是冷端为0度时的工作端温度-电势关系的表格表示，分度曲线则是其图形表示，它们都是设计温度检测环节的重要依据。各分度号的分度表、分度曲线请查阅《电机工程手册》第二卷附录。

（2）半导体集成（IC）温度传感器

IC温度传感器是利用半导体PN结的电流、电压与温度有关这一特性进行温度—电流（或电压）变换。这种传感器输出线性好，精度也比较高，而且把传感器驱动电路、信号处理电路等与温度部分一起集成在同一个芯片上，因而体积小，使用方便。如AN6701、LM134、AD590等。

LM134是一种IC温度传感器。LM134的测量范围为-55度~125度，可为3~40V。IC温度传感器在PLC控制系统中，通常用于室温（或环境温度）检测，以便PLC对炉温测量值进行补偿。 （3）信号放大器

检测信号的放大，一般采用集成运算放大器。所选择的放大器应具有放大倍数大、共模抑制比高、温漂小的特点。在工业生产现场，信号中常常迭加有较高的共模干扰电压，有时可达上百伏。为了防止这样大的干扰信号损坏放大器，通常在输入回路加入低通滤波环节，或经隔离后送放大器。

F007是目前国内应用极为广泛的一种高增益通用运算放大器，其主要特点是输入级采用了NPN和PNP两种极性晶体管构成的共集——共基互

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补差动电路，具有很宽的共模及差模电压范围。同时该放大器的各级均采用有源负载，所以虽然只有两级增益级，却可获得高达5万倍到10万倍的电压增益。它的内部还设有输出短路保护，输入也有保护措施，应用中不堵塞。它采用内部补偿方式，并设有外接调零端。其外引线排列（顶视）如图F-3所示。

图F-3 F007外引线排列

F007的电特性：TA=25℃，V+=+15V，V-=-15V。其他参数如表F-4所示。

表F-4 F007的主要参数

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附录三 系统程序（梯形图）

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