X2N系列PLC实现温度PID控制毕业设计.docx
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X2N系列PLC实现温度PID控制毕业设计
题目FX2N系列PLC实现温度PID控制
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
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（也称为测量端），温度较低的一端为自由端（也称为补偿端），自由端通常处于某个恒定的温度下。
根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。
在本次系统设计中将用到K型热电偶，它作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。
K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。
K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。
K型热电偶（镍铬-偶）是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。
热电偶的分类及不同规格热电偶的特点和适用范围如下表：
表2-1不同类别热电偶特点
分度号
材质
特点
K
镍铬镍硅
抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000℃，短期1200℃。
在所有热电偶中使用最广泛；
E
镍铬铜镍
在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。
宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800℃；
J
铁铜镍
既可用于氧化性气氛（使用温度上限750℃），也可用于还原性气氛（使用温度上限950℃），并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工；
T
纯铜铜镍
在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300℃以下的温度。
B
铂铑30铂铑6
在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。
它的长期使用温度为1600℃，短期1800℃。
可在氧化性或中性气氛中使用，也可在真空条件下短期使用。
R
铂铑13纯铂
S分度号相比除热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同；
S
铂铑10纯铂
抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400℃，短期1600℃。
在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶；
N
镍铬硅镍硅
1300℃下高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好，可以部分代替S分度号热电偶；
在本次设计中恒温箱初始温度设定值为110
，根据不同热电偶特性的区别以及温度控制系统的设计要求在该设计中选用K型热电偶测量恒温箱内温度值。
2.1.4继电器选型
继电器的工作原理和特性，继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
表2-2继电器按作用原理及结构特征分类
序号
名称
说明
电磁继电器
由控制电流通过线圈所产生的电磁吸力驱动磁路中的可动部分而实现触点开闭或转换功能的继电器。
电磁
继电器
1
直流电磁继电器
控制电流为直流的电磁继电器。
2
交流电磁继电器
控制电流为交流的电磁继电器。
3
混合式继电器
由电子元件和电磁继电器组合而成的继电器。
一般，输入部分由电子线路组成，起放大、整流、延时、传感等作用，输出部分采用电磁继电器。
4
固体继电器
利用电子器件的导通或截止功能实现开关控制、输入输出之间具有隔离的电子开关。
5
高频继电器
用来切换频率大于10千赫的交流线路的继电器。
6
同轴射频继电器
用来切换高频、射频线路而具有最小损耗的继电器。
考虑到在实际应用中主电路控制开关可能会频繁进行通断动作，故在本设计中选用固态继电器。
固态继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐冲击，耐振荡，防爆、防潮、防腐蚀、能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。
2．2硬件接线图
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
1、电源：
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
2、中央处理单元（CPU）：
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CP
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