基于PLC温度控制系统设计定稿.docx
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基于PLC温度控制系统设计定稿
编号:
毕业论文（设计）
题目基于PLC温度控制系统的设计
指导教师
学生姓名
学号
专业自动化
教学单位机电工程学院
二O一四年四月二十五日
德州学院毕业论文（设计）开题报告书
2013年12月20日
院（系）
机电工程学院
专业
自动化
姓名
学号
论文（设计）题目
基于PLC温度控制系统的设计
一、选题目的和意义
在各种控制领域中，温度控制在电子业、机械业、冶金业等工业领域应用非常广泛。
由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。
近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
可编程控制器（PLC）在控制中还能够根据设计要求的需求进行一定的扩展输入输出模块，尤其是对于一些控制的智能控制模块进行扩展，从而最终能够组成不同的控制系统，并且可以最终将模拟量输入输出的控制和现代控制的方法互相融为一体，实现各种功能一体的综合控制。
现代社会的发展可编程控制器（PLC）正在以集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定受到广大社会的普遍欢迎，在各种的工业的现代化控制中发挥着其独有的重要作用,并且对温度控制尤其适合。
相信在不久的未来，可编程控制器（PLC）会有更为广阔的发展前景和市场。
二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势
目前，在我国的工业控制自动化领域中，可编程控制器（PLC）则在社会的发展中以其拥有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等各种优点获得了广大的好评，因此被各种自动控制设计者应用于现代工业的自动控制之中。
对于我国的国内温度控制系统的发展方面，也有了重大的突破。
当然相对于在自适应、参数自整定等方面面对一些发达国家还是有很大的差距，在这几个方面，则以美国、德国、瑞典等国的技术比较领先，都自主的生产出了一批性能优越，操作简便的温度控制器及仪器仪表,并在世界的各行有了广泛的应用。
随着社会生活的高速的发展，人们在生活和生产中对温度控制系统的要求也变得越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。
三、课题设计方案
本文介绍基于可编程控制器（PLC）的温度控制系统的设计，在这里面共有包括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。
四、计划进度安排
毕业论文（设计）的进度计划：
2013.9.20----2013.12.20收集资料、文献，在教师指导下选题和构思论文，完成开题报告。
2013.12.21----2014.3.30严格整理资料，确定论文内容，并且完成论文初稿。
2014.4.1----2014.4.15完成中期检查表，并且根据导师意见对论文做进一步的修改和完善。
2014.4.16----2014.4.30根据导师提出的定稿意见，做最后完善。
2014.5.1----2014.5.10准备设计（论文）答辩。
五、主要参考文献
[1]袁任光.可编程序控制器技术与实例[M].广州：
华南理工大学出版社，2013.
[2]刘敏.可编程控制器技术[M].北京：
机械工业出版，2010.
[3]邱公伟.可编程控制器网络通信及应用[M].北京：
清华大学出版社，2011.
[4]陈宏.可编程控制器（PLC）的选型[J].化工进展，2013.
[5]胡学芝.可编程控制器的选择[J].机械制造与自动化，2010.
指导教师意见及建议：
签名：
年月日
教学单位领导小组审批意见：
组长签名：
年月日
德州学院毕业论文（设计）中期检查表
院（系）：
机电工程学院专业：
自动化2014年4月7日
毕业论文（设计）题目：
基于PLC温度控制系统的设计
学生姓名
学号
指导教师
职称
计划完成时间：
2014年4月29日
毕业论文（设计）的进度计划：
2013.9.20----2013.12.20完成毕业设计（论文）开题报告。
2013.12.21----2014.3.30确定论文内容，并且完成论文初稿。
2014.4.1----2014.4.15完成中期检查表，根据导师意见对论文做进一步的修改和完善。
2014.4.16----2014.4.30根据导师提出的定稿意见，做最后完善。
2014.5.1----2014.5.10准备设计（论文）答辩。
完成情况：
到目前为止，我通过各种途径学到了很多关于可编程控制器（PLC）的知识，并且初步掌握了设计课题需要注意的事项和必要准备，现在我正在进一步的学习和论证。
并且开始有了明确的思路和设计的方案，现在正在分析整理中，将按照设计的要求清理设计思路，进行最后的硬件和软件设计，并开始撰写论文。
指导教师评议
签名：
年月日
基于PLC温度控制系统的设计
（德州学院机电工程学院，山东德州253023）
摘要：
本文主要介绍了基于日本三菱公司FX2N系列的可编程控制器从而进行硬件设计和软件设计，进而完成了一个完整的关于炉温控制系统的设计方案。
该设计编程时调用了PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。
在软件上，则是通过利用比较新型的三菱专用软件三菱（PLC）GXDeveloper8.86Q，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。
实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。
关键词：
温度控制；可编程控制器；三菱FX2N；PID控制模块
1引言
1.1课题背景以及研究的目的、意义
进入21世纪后，我国社会的各项发展突飞猛进,世界的技术更是日新月异，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,也无法保证高质量的要求，更不能提升高新技术企业的形象。
在各种控制领域中，温度控制在电子业、机械业、冶金业等工业领域应用非常广泛。
由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。
近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
目前,仍有部分工业和企业生产线，存在着控制精度不高、炉内温度均匀性差等问题,造成工艺要求不达标、装备运行成本费用高、产品品质低下，严重影响企业的经济效益，急需进行技术的改造。
目前，在我国的工业控制自动化领域中，可编程控制器（PLC）则在社会的发展中以其拥有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等各种优点获得了广大的好评，因此被各种自动控制设计者应用于现代工业的自动控制之中。
在现代的各种工业控制中,设计者通常会选用可编程控制器（PLC）作为自动设备的控制系统,用该系统进行相应的数据采集与处理、逻辑判断、输出控制等。
可编程控制器（PLC）在控制中还能够根据设计要求的需求进行一定的扩展输入输出模块，最终能够组成不同的控制系统，并且可以最终将模拟量输入输出的控制和现代控制的方法互相融为一体，实现各种功能一体的综合控制。
现代社会的发展可编程控制器（PLC）正在以集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定受到广大社会的普遍欢迎，在各种的工业的现代化控制中发挥着其独有的重要作用,并且对温度控制尤其适合。
1.2温控系统的现状
在我国，自改革开放以来，我国的工业由于飞速的发展，各种工业过程控制急需发展，同时，面对世界的控制发展，尤其是在电子技术和计算机技术的迅猛发展下，对自动控制和自动设计的方面都有了重大的推动。
对于我国的国内温度控制系统的发展方面，也有了重大的突破。
当然相对于在自适应、参数自整定等方面面对一些发达国家还是有很大的差距，在这几个方面，则以美国、德国、瑞典等国的技术比较领先，都自主的生产出了一批性能优越，操作简便的温度控制器及仪器仪表,并在世界的各行有了广泛的应用。
目前,我国发展的比较成熟的产品其实主要以“点位”控制及很普通的PID控制器为主,这种控制系统的性能很低，在一些温度控制中，其只能适应很普通的温度控制。
对于一些复杂、控制滞后、时变温度系统的控制，我国的产品就会感觉很乏力。
在许多的工业控制中，更需要一些智能化，自适应控制仪表等高性能的控制器。
但是随着我国经济的快速发展，控制能力的不足已经引起了我国政府及一些大企业的重视，并不断地进行自主更新，并且取得一些良好的产品效应。
通过一系列的有力措施，目前看来我国在一些温度仪表，温度控制等重要的工业中已经得到了比较迅速的发展。
随着社会生活的高速的发展，人们在生活和生产中对温度控制系统的要求也变得越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。
1.3项目研究内容
可编程控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术和通信技术等三种不同的但有关联的技术为一体的自动控制装置。
可编程控制器（PLC）性能非常的优越，现在已经被广泛的应用到工业控制的多种领域，并且已经成为了工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。
可编程控制器（PLC）的应用已成为工业潮流中不可缺少的一员，随着社会的发展，相信可编程控制器（PLC）技术在我国将得到更为全面的推广和应用。
本篇的论文研究的就是可编程控制器（PLC）技术在锅炉的温度监控系统上的一种比较先进的自动控制应用。
该论文是从整体上分析了、研究了控制系统的硬件的设计、电路图的设计、程序的设计，以及控制算法的选择和参数的整定等各种具体详细的设计。
本篇的论文就是通过三菱FX2NPLC控制器，运用这种温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，然后会经过模拟量的输入模块转换成为数字量信号并送到PLC中进行PID调节，然后PID的控制器输出量会转化成占空比，通过固态继电器控制炉子的加热的通断来实现对炉子最终的温度的控制。
同时，在通过串行口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面的监控，从而会让使用的用户操作更为方便。
2系统硬件设计
2.1PLC选择
我们设计方案的要求，可以分析得出:
该设计以开关量控制为主，同时具有部分模拟量控制的应用系统。
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,所以应该选用一个控制系统功能比较稳定的控制器。
经过多重考虑和比较，我们最终决定选用三菱的FX系列可编程控制器中的FX2N-48MR-001（基本I/O点数为24），同时还选用了一个A/D转换器来完成温度采样系统。
因为三菱的FX系列可编程控制器既是我们所学所用的PLC，同时三菱FX系列可编程控制器中的FX2N-48MR-001的性价比很高，实施起来也比较方便。
2.1.1三菱的FX系列PLC
FX系列PLC具有庞大的发展体系。
主机系列就有：
FX0、FX0S、FX0N、FX1、FX2、FX2C、FX2N、FX2NC共9个系列。
在这9个系列中又分为多种不同的机型。
其中FX2NPLC是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。
根据FX2N系列可编程序控制器的型号和相关数据，我们最终决定选择FX2N-48MR-001型号的控制器。
我们所选用的FX2N系列可编程控制器中的FX2N-48MR-001，它由基本单元、扩展单元、扩展模块等构成。
该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-DPLC，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。
三菱FX2N—48MR-DPLC内部构造数据如下：
（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1和表2
（8）数据寄存器D（D0-D8255）（D0-D199为通用型）
表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-4AD特殊功能模块
FX2N-4AD是作为模拟量输入模块,FX2N-4AD有四个模拟量输入通道（分别为CH1、CH2、CH3和CH4），每个通道都可独立进行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3所示。
表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
模拟量输入范围
DC：
-10～+10V（输入电阻200KΩ）
（注意：
若输入电压超过±15V，单元会被损坏）
DC：
-20～+20mA（输入电阻250Ω）
（注意：
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范围）
±1%（对于-20～+20mA范围）
转换速度
15ms/通道（常速）6ms/通道（高速）
所有这些数据的转换和参数设置的调整都是可以通过FROM/TO的指令进行的完成。
除此之外的，我们还同时在编程过程中很注意的用到了BFM数据缓冲存储器，具体分布情况如下表4所示。
表4BFM数据缓冲存储器分布表
BFM编号
内容
#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
通道1
缓冲器#5～#8独立存储通道CH1～CH4平均输入采样值
#6
通道2
#7
通道3
#8
通道4
#9
通道1
这些缓冲区用于存放每个输入通道读入的当前值
#10
通道2
#11
通道3
#12
通道4
#13-#14
保留
#15
选择A/D转换速度
BFM
#16-#19
保留
#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
#23
偏移值，缺省值=0
#24
增益值，缺省值=5000
#25-#28
保留
#29
错误状态
#30
识别码
#31
不能使用
通道的选择：
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，最低位数字控制为CH1，最高位数字控制为CH4，在该通道中的各位数字的具体含义如下：
X=0时设定输入范围为-10V～+10V；并且当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5所示。
表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：
数字范围错误
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
根据这个系统总体设计的方案，设计系统的I/O地址具体的分配如下表6所示。
表6输入、输出信号I/O地址表
输入地址
功能说明
输出地址
功能说明
X0
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）
X1
温度给定允许
Y4
恒温完成指示信号
X2
启动/关闭
Y5
断偶报警
X10-X21
SB2-SB11
Y6
温度给定超出范围报警
Y10-Y23
12位8421（三组）BCD码输出
2.2.1温度值给定电路
按系统总体设计的方案设计要求，一共设计了十个开关按键，这十个开关按键都可以作为温度给定值的输入端口，接收十进制数。
这些温度给定值范围为280-700℃，如果输入值超过给定值范围，该系统会自动发出报警信号（即亮红灯）。
该设计的电路如图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SB6、SB4和SB2，则表示给定温度值为420℃，并将该值送可编程控制器（PLC）数据寄存器中保存。
图1温度值给定电路
2.2.2温度检测电路
在该设计的整体结构中，温度检测系统是温度控制系统的一个非常重要而必须的环节，这将会直接关系到系统的性能。
在可编程控制器（PLC）温度控制系统中，该温度的检测不仅仅要完成温度到模拟电压量的转换，同时还要将电压转换为数字量送往可编程控制器（PLC）。
该温度检测系统其一般结构如下图2所示。
图2温度检测基本结构
温度传感器会先将需要测量的测温点的温度转换为模拟量的电压，其电压值一般为mA级，该数据一般会过小，不能满足系统的需要，所以我们需要将其放大为满足A/D转换要求的电压值。
然后再将放大后的模拟量电压送到可编程控制器（PLC）的A/D转换模块进行A/D转换，这样就可以得到表示温度的电压数字量，这时候就可以再利用软件进行标度变换与误差补偿，从而最终能够得到测温点的实际温度值。
该设计的温度控制系统是利用热电偶的传感器完成炉温检测（热端检测炉温，冷端置于0℃温度中），同时利用FX2N-4AD模块中的一个通道实现A/D转换。
炉温检测与放大电路则是由热电偶、低通滤波、信号放大和零点迁移等电路共四个部分组成。
其具体的电路如图3所示。
图3炉温检测与放大电路
在这个上面的图形中的R1、C1是用来完成这个的低通滤波，而由R2、RP、2CW51组成的系统则是用来组成零点迁移的电路，对于这个炉温检测元件事统一采用的镍铬—镍铝热电偶，这个他们的分度号分别都为EU-2，进一步在分度表可查得，当该测量温度为0-700℃的时候，输出的电势
即为0-29.13mV。
检测的信号则会经过二级放大之后会将其运送到FX2N-4AD的模块，这个系统的第一级放大倍数是为50，而相对于第二级放大倍数则为11.2，同时第二级放大还会将进一步去完成
对于零点的迁移，其输出电压
的计算即为
（1）
该式子中，
为零点迁移值。
根据该设计的要求，恒温值将为400-600℃，本系统选取测试的温度的范围则为280-700℃，该设计将280℃作为测温起点（零点）。
通过调整多圈电位器RP，使
=50*11.38=569mV，如果当炉温为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转换后的数字量即为0-2047。
2.2.3过零检测电路
根据该设计的要求，过零检测电路在每个电源周期开始时都会产生一个脉冲，该脉冲作为触发器的同步信号，该设计的电路如图4所示。
图4过零检测电路
图中，GND为+5V电源地，LM339作为过零比较器.可知由于LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，所以共模范围比较大；同时差动输入电压范围也较大，大到可以等于电源电压。
该系统的二极管是用作LM339输入保护。
电路的工作波形如图5所示。
图5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（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅。
晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：
阳极，阴极和门极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。
晶闸管的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。
也可以说，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主要有两种方法，一种是采用移相触发控制输入电压的大小，第二种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，因此会采用过零触发来进行控制。
同时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，电源的通断则由二个晶闸管反并控制，如图6所示。
图6电功率控制电路
这种控制方法的基本原理是：
各晶闸管的触发角α恒为0º，可使得一个周期内电源均加在电热元件上，即通过控制一个控制周期内晶闸管导通周波数，即可控制电热元件消耗的电能。
通过电热炉的数字模型可知，温度的增量与它消耗的电能是成正比的，而电热炉消耗的电能与晶闸管导通周波数也成正比，因此，可知晶闸管导通周波数n与控制输出控制量u（k）的关系为
n=K*u（k）
（2）
式中，K=
/
为比例系数（约为1），
为一个控制周期内的电源的周波数，由于温度偏差不同，则u（k）、n会不同，电热炉消耗的电能也会不同，即可根据温度偏差调节输入电能，这样就会保证炉温按要求变化的目的。
当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来完成。
在这段恢复的时间里，晶闸管元件流过反向电流，当接近终止时，
会变的很大，这时候它与线路电感共同作用产生的电压L*
可能会对晶闸管造成损坏，必须采取一定的保护措施，即在晶闸管两端并联阻容吸收装置。
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