1、 PAGE20 / NUMPAGES20基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計摘要 可編程控制器(plc)作為傳統(tǒng)繼電器控制裝置的替代產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，由于它可通過軟件來改變控制過程，而且具有體積小，組裝靈活，編程簡單抗干擾能力強(qiáng)與可靠性高等特點(diǎn)，非常適合于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下使用。本文所涉與到的溫度控制系統(tǒng)能夠監(jiān)控現(xiàn)場的溫度，其軟件控制主要是編程語言，對PLC而言是梯形語言，梯形語言是PLC目前用的最多的編程語言。關(guān)鍵字： PLC 編程語言 溫度Design of the temperature controlSystemsbased on PLCAbstract Programming

2、 controler ( plc ) the replacing product as traditional relay control equipment each that already applies industrial control extensively field ，Since it can change control course through software ，It is little to have volume，Assembly is flexible , the programming simple ability of interference rejec

3、tion is strong and reliability higher characteristic, suit very much in bad industrial environment use. The temperature control system that this paper is concerned with can the temperature of monitoring , its software control is programming language mainly, for PLC is ladder-shaped language, ladder-

4、shaped language is the most programming language that PLC now uses. Keyword：PLC Programming language Temperature 目 錄摘要1Abstrack11引言3課題研究背景3 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r31.3總體設(shè)計分析62系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊 63.1 PLC的定義73.2 PLC的發(fā)展8HYPERLINK l _Toc1998224663.2.1 我國PLC的發(fā)展83.3 PLC的系統(tǒng)組成和工作原理93.3.1 PLC的組成結(jié)構(gòu)93.3.2 PLC的掃描工作原理93.4 PLC的發(fā)展趨勢103.5

5、 PLC的優(yōu)勢103.6 PLC的類型選擇114.1 PID控制程序設(shè)計124.1.1 PID控制算法124.1.2 PID在PLC中的回路指令144.1.3 PID參數(shù)設(shè)置164.2 3A模塊與其溫度控制174.2.13A模塊的介紹174.2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換184.2.3軟件編程的思路195 程序的流程圖196 整個系統(tǒng)的軟件編程207 結(jié)束語23詞24參考文獻(xiàn)241 引言1.1 課題研究背景溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中, 溫度控制占有著極為重要的地位, 特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有

6、舉足輕重的作用。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等1。溫度控制系統(tǒng)的工藝過程復(fù)雜多變，具有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進(jìn)的控制技術(shù)和控制理論?？删幊炭刂破鳎≒LC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機(jī)，是繼承計算機(jī)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強(qiáng)，價格便宜，可靠性強(qiáng)，編程簡單，易學(xué)易用等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中被廣泛地使用2。目前在控制領(lǐng)域中，雖然逐步采

7、用了電子計算機(jī)這個先進(jìn)技術(shù)工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（DCS）。但就其控制策略而言，占統(tǒng)治地位的仍然是常規(guī)的PID控制。PID結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型3。PID的使用已經(jīng)有60多年了，有人稱贊它是控制領(lǐng)域的常青樹。1.2 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研以與日常生活等領(lǐng)域占有重要的地位。溫度控制系統(tǒng)是人類供熱、取暖的主要設(shè)備的驅(qū)動來源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。期間，從低級到高級，從簡單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對溫度控制精度要求的不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術(shù)得到迅速發(fā)展。當(dāng)

8、前比較流行的溫度控制系統(tǒng)有基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機(jī)（IPC）的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）等。單片機(jī)的發(fā)展歷史雖不長，但它憑著體積小，成本低，功能強(qiáng)大和可靠性高等特點(diǎn)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)已經(jīng)由開始的4位機(jī)發(fā)展到32位機(jī)，其性能進(jìn)一步得到改善5?；趩纹瑱C(jī)的溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作精度高。但相對其他溫度系統(tǒng)而言，單片機(jī)響應(yīng)速度慢、中斷源少，不利于在復(fù)雜的，高要求的系統(tǒng)中使用。PLC是一種數(shù)字控制專用電子計算機(jī)，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)與演算等功能，并通過模

9、擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機(jī)械或工作程序。PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單，易于被工程人員掌握和使用，目前在工業(yè)領(lǐng)域上被廣泛應(yīng)用6。相對于IPC，DCS，F(xiàn)SC等系統(tǒng)而言，PLC是具有成本上的優(yōu)勢。因此，PLC占領(lǐng)著很大的市場份額，其前景也很有前途。工控機(jī)（IPC）即工業(yè)用個人計算機(jī)。IPC的性能可靠、軟件豐富、價格低廉，應(yīng)用日趨廣泛。它能夠適應(yīng)多種工業(yè)惡劣環(huán)境，抗振動、抗高溫、防灰塵，防電磁輻射。過去工業(yè)鍋爐大多用人工結(jié)合常規(guī)儀表監(jiān)控，一般較難達(dá)到滿意的結(jié)果，原因是工業(yè)鍋爐的燃燒系統(tǒng)是一個多變量輸入的復(fù)雜系統(tǒng)。影響燃燒的因素十分復(fù)雜，較正確的數(shù)學(xué)模型不易建立，以經(jīng)典的PID為基

10、礎(chǔ)的常規(guī)儀表控制，已很難達(dá)到最佳狀態(tài)。而計算機(jī)提供了諸如數(shù)字濾波，積分分離PID，選擇性PID。參數(shù)自整定等各種靈活算法，以與“模糊判斷”功能，是常規(guī)儀表和人力難以實(shí)現(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)的7。在工業(yè)鍋爐溫度檢測控制系統(tǒng)中采用控機(jī)工可大大改善了對鍋爐的監(jiān)控品質(zhì)，提高了平均熱效率7。但如果單獨(dú)采用工控機(jī)作為控制系統(tǒng)，又有易干擾和可靠性差的缺點(diǎn)。集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS）是一種功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系統(tǒng)。與常規(guī)儀表相比具有豐富的監(jiān)控、協(xié)調(diào)管理功能等特點(diǎn)。DCS的關(guān)鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計就決

11、定了總體的靈活性和安全性?；綝CS的溫度控制系統(tǒng)提供了生產(chǎn)的自動化水平和管理水平，能減少操作人員的勞動強(qiáng)度，有助于提高系統(tǒng)的效率8。但DCS在設(shè)備配置上要求網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源甚至模件等都為冗余結(jié)構(gòu)，支持無擾切換和帶電插拔，由于設(shè)計上的高要求，導(dǎo)致DCS成本太高?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段的系統(tǒng)。其優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)化、分散化控制。基于總線控制系統(tǒng)（FCS）的溫度控制系統(tǒng)具有高精度，高智能，便于管理等特點(diǎn)，F(xiàn)CS系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場化，能直接執(zhí)行傳感、控制、報警和計算功能。而且它可以對現(xiàn)場裝置(含變送器、執(zhí)行器等)進(jìn)行遠(yuǎn)程

12、診斷、維護(hù)和組態(tài)，這是其他系統(tǒng)無法達(dá)到的9。但是，F(xiàn)CS還沒有完全成熟，它才剛剛進(jìn)入實(shí)用化的現(xiàn)階段，另一方面，另一方面，目前現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)共有12種之多，這給FSC的廣泛應(yīng)用添加了很大的阻力。各種溫度系統(tǒng)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，用戶需要根據(jù)實(shí)際需要選擇系統(tǒng)配置，當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)用中，為了達(dá)到更好的控制系統(tǒng)，可以采取多個系統(tǒng)的集成，做到互補(bǔ)長短。溫度控制系統(tǒng)在國各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比有著較大差距。成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制與常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時變溫度系統(tǒng)控制

13、。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國外技術(shù)與我國開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場調(diào)試確定。國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國、德國、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器與儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前，國外溫度控制系統(tǒng)與儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展10。在現(xiàn)代化的今天，現(xiàn)代化控制是一個國家現(xiàn)代化水平的標(biāo)志之一，在工業(yè)自動化領(lǐng)域，可編程控制器(PLC)作為

14、自動控制的三大技術(shù)支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一，成為大多數(shù)自動化系統(tǒng)的設(shè)備基礎(chǔ)?？删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用來在部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控定時、計數(shù)和算術(shù)等操作的指令，并采用數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種的機(jī)械或生產(chǎn)過程。長期以來，PLC始終處于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?yīng)用。它能夠?yàn)樽詣踊刂茟?yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對自動化的需要。1969年美國DEC公司研制出第一臺可編程控制器，用在GM公司生產(chǎn)線上的獲得成功。其后日本、德國

15、等相續(xù)引入，可編程控制器迅速發(fā)展起來。 進(jìn)入20世紀(jì)80年代，由于計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，極大的推動了PLC的發(fā)展，使的PLC的功能日益增強(qiáng)。PLC可進(jìn)行模擬量控制、位置控制和PID控制等，易于實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通信功能的實(shí)現(xiàn)更使PLC 如虎添翼。目前，在先進(jìn)國家中，PLC已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，應(yīng)用面幾乎覆蓋了所有工業(yè)企業(yè)。之所以應(yīng)用廣泛，是因?yàn)镻LC有很多優(yōu)點(diǎn)，本文涉與的溫度監(jiān)控系統(tǒng)是以PLC為核心的監(jiān)控系統(tǒng)。該項(xiàng)目的最終目標(biāo)是開發(fā)一個能進(jìn)行加熱，能夠通過傳感器檢測實(shí)際的溫度值，而且能夠顯示溫度值，當(dāng)實(shí)際溫度值和設(shè)定溫度值不相等時發(fā)出報警信號，以便讓操作工控制。本系統(tǒng)在溫度

16、控制方面應(yīng)用廣泛，例如面包的生產(chǎn)，工業(yè)中的鍋爐加熱等。本系統(tǒng)的控制是采用PLC的編程語言梯形語言，梯形語言是在可編程控制器中的應(yīng)用最廣的語言，因?yàn)樗诶^電器的基礎(chǔ)上加進(jìn)了許多功能、使用靈活的指令，使邏輯關(guān)系清晰直觀，編程容易，可讀性強(qiáng)，所實(shí)現(xiàn)的功能也大大超過傳統(tǒng)的繼電器控制電路。溫度監(jiān)控系統(tǒng)作為一個應(yīng)用系統(tǒng)，要不斷地完善，適應(yīng)時代、市場的需要才能有所發(fā)展。1.3總體設(shè)計分析根據(jù)溫度系統(tǒng)的具體設(shè)計要求要求PLC系統(tǒng)能夠監(jiān)控反應(yīng)器的溫度。開始工作時全速加熱，到設(shè)定值時停止加熱。保溫過程中溫度過高/低時能發(fā)出報警，聲報警能用按鈕手動解除，光報警在正常時自動解除?；谝陨系囊?，所設(shè)計的系統(tǒng)必須有以下

17、結(jié)構(gòu)模塊：溫度變送器單元、加熱單元、PLC模擬量轉(zhuǎn)換模塊單元、SSR單元 。2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊三菱FX系列PLC控制的溫度控制系統(tǒng)，由PLC作為核心構(gòu)成的系統(tǒng)可方便地運(yùn)用軟件設(shè)置、調(diào)整參數(shù)，利用模擬功能模塊和功能指令，在外圍電路的配合下實(shí)現(xiàn)溫度模擬信號采集、轉(zhuǎn)換與處理。溫度控制系統(tǒng)廣泛運(yùn)用在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，溫控系統(tǒng)控制方法的好壞、運(yùn)行性能的合適與否，直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、運(yùn)行效率等。PLC在溫度控制系統(tǒng)中得到了有效的運(yùn)用，為溫控系統(tǒng)提供安全可靠和比較完善的解決方案。三菱FX系列PLC控制的溫度控制系統(tǒng)，由PLC作為核心構(gòu)成的系統(tǒng)可方便地運(yùn)用軟件設(shè)置、調(diào)整參數(shù)，利用模擬功能模塊和功能指令，在外

18、圍電路的配合下實(shí)現(xiàn)溫度模擬信號采集、轉(zhuǎn)換與處理。如下圖所示為溫度控制系統(tǒng)圖。I/O分配： X0：開始控制 Y0：故障顯示Y1：電加熱器圖13.1 PLC的定義可編程控制器（Programmable Controller，簡稱PC）是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上，為滿足不斷發(fā)展的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)柔性控制的要求而逐步發(fā)展起來的。其功能基本限于開關(guān)量邏輯控制，僅執(zhí)行邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)等順序控制功能所以當(dāng)時稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）。由于可編程序控制器仍然處于不斷發(fā)展之中，因此對它下一個確切的定義是困難的。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，美國

19、國際電工委員會(IEC)于1982年頒布了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案，1985年提交了第二版，1987年的第三版對可編程序控制器作了如下的定義“可編程序控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破髋c其相關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按照易于與控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計?！?由此可見，可編程控制器是專門為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置?？傊?，可編程控制器也是一臺計算機(jī)，它是專為

20、工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計編制。3.2 PLC的發(fā)展提出PLC概念的是美國通用汽車公司。當(dāng)時，根據(jù)汽車制造生產(chǎn)線的需要，希望用電子化的新型控制器替代繼電器控制柜，以減少汽車改型時重新設(shè)計制造繼電器控制柜的成本和時間。通用汽車公司對新型控制器提出了10項(xiàng)指標(biāo)，概括起來，PLC的基本設(shè)計思想有以下4個方面。(1)把計算機(jī)功能完善、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便價格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來。(2)控制器的硬件是

21、標(biāo)淮的、通用的。(3)根據(jù)應(yīng)用對象、將控制容編成軟件寫入控制器的用戶程序存里。(4)控制器和被控對象連接方便。隨著微處理器和微型計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，70年代中期以后，PLC已廣泛地用微處理器作為中央處理器，輸入/輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的PLC已不再是僅具有邏輯判斷功能，同時還具有數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信、聯(lián)網(wǎng)等功能，總之PLC一直處于快速發(fā)展之中。3.2.1 我國PLC的發(fā)展我國PLC產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)，大體上經(jīng)歷了從順序控制器到1位處理器為主體的工業(yè)控制器，再到8位微處理器為主體的可編程控制器的三個發(fā)展階段。1974年，國一些高校、科研單位開始研

22、制順序控制器，大多使用分立元件。隨著我國改革開放政策的落實(shí)，同時國外PLC人大量進(jìn)入我國市場，一部分隨成套設(shè)備進(jìn)口，一部分直接引進(jìn)中小型PLC產(chǎn)品(大多為GE公司、西門子公司、三菱公司、立石公司等)，開始進(jìn)入以8位微處理器為核心的PLC時代。目前，可編程控制器已廣泛應(yīng)用子各個工業(yè)領(lǐng)域，并取得了明顯的效益。主要表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：使用低檔機(jī)型多，中、高檔機(jī)型少，使用國外進(jìn)口機(jī)型多，國產(chǎn)機(jī)型少；使用在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)多，在經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)少，用于單個設(shè)備或生產(chǎn)線的多、大批量產(chǎn)品配套的少。因此，國產(chǎn)化PLC的前景是令人鼓舞的，我們必須加快PLC國產(chǎn)化步伐，進(jìn)一步推廣PLC應(yīng)用技術(shù)，努力培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員。3.

23、3 PLC的系統(tǒng)組成與工作原理3.3.1 PLC的組成結(jié)構(gòu)PLC本質(zhì)上是一臺用于控制的專用計算機(jī)，因此它與一般的控制機(jī)在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性。PLC的主要特點(diǎn)是能力，也就是說，它的基本結(jié)構(gòu)主要是圍繞著適宜于過程控制的要求來進(jìn)行設(shè)計的。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。整體式PLC是將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。主機(jī)中，CPU是PLC的核心，I/O單元是連接CPU與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。組合式PLC將CPU單元、輸入單元、

24、輸出單元、智能I/O單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴(kuò)展底板。CPU底板與擴(kuò)展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10m。3.3.2 PLC的掃描工作原理與其它計算機(jī)系統(tǒng)一樣，PLC的CPU采用分時操作原理，每一時刻執(zhí)行一個操作，隨時間順序執(zhí)行各個操作。這種分時操作進(jìn)程稱為CPU對程序的掃描。PLC上電后，首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入循環(huán)工作過程。一次循環(huán)可歸納為五個工作階段，各階段完成的任務(wù)如下：公共處理。復(fù)位監(jiān)控定時器(WDT)，進(jìn)行硬件檢查，用戶存檢查等。檢查正常后，方可進(jìn)行下面的操作

25、。如果有異常情況，則根據(jù)錯誤的嚴(yán)重程度發(fā)出報警或停止PLC運(yùn)行。I/O刷新。輸入刷新時，CPU從輸入電路中讀出各輸入點(diǎn)狀態(tài)，并將此狀態(tài)寫入輸入映象寄存器中;輸出刷新時，將輸出繼電器的元件映象寄存器的狀態(tài)傳送到輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路隔離和功率放大，驅(qū)動外部負(fù)載。執(zhí)行用戶程序。在程序執(zhí)行階段，CPU按先左后右，先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行解釋、執(zhí)行，CPU從輸入映象寄存器和輸出映象寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再寫入輸出映象寄存器中。外設(shè)端口服務(wù)。完成與外設(shè)端口連接的外圍設(shè)備(如編程器)或通訊適配器的通信處理。3.4 PLC的發(fā)展趨勢目前的可編程控

26、制器有以下幾個方面的發(fā)展趨勢：(1)向小型化、專用化方向發(fā)展。當(dāng)前開發(fā)出許多簡易、經(jīng)濟(jì)、超小型可編程控制器，以使用于單機(jī)控制和機(jī)電一體化，真正成為繼電器的替代品。(2)向大型化、復(fù)雜化、高功能、分散型、多層分布式工廠自動化網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展?？删幊炭刂破鬏斎胼敵鋈萘恳殉^32K，掃描速度小于1mS/千步。（3）編程語言和編程工具朝著標(biāo)準(zhǔn)化和高級化方向發(fā)展。可編程控制器問世時間雖然不長，但已步入成熟階段。這種工業(yè)專用微機(jī)系統(tǒng)是高精技術(shù)普與化的典，使計算機(jī)進(jìn)入工業(yè)各行業(yè)，使機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)線控制更新?lián)Q代?？删幊炭刂破鲗⒊蔀楣I(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)控制設(shè)備。3.5 PLC的優(yōu)勢PLC的主要優(yōu)點(diǎn)可概括如

27、下:1、高可靠性(1)所有的輸入接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC部電路之間電氣上隔離。(2)各個輸入端口均采用RC濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為1020ms。(3)各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。(4)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。(5)對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。(6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟、硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取有效措施，以防止故障擴(kuò)大。(7)大型PLC還可以采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或用三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠性更進(jìn)一步提高。2、豐富的I/O接口模塊PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如:交流或直流;開關(guān)量或模擬量;電壓或電流;脈沖或電位;強(qiáng)電或弱電等。

28、有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如:按鈕;行程開關(guān);接近開關(guān);傳感器與變送器;電磁線圈;控制閥等直接連接。另外，為了提高操作性能，它還有多種人機(jī)對話的接口模塊;為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。3、采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計，由機(jī)架與電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4、編程簡單易學(xué)PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機(jī)的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)

29、人員所理解和掌握。5、安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。3.6 PLC類型的選擇目前，各個廠家生產(chǎn)的PLC其品種、規(guī)格與功能都各不一樣。本人選擇了日本三菱電工公司的FX系列PLC，主要有FX0N、FX1N和FX2N。之所以選擇三菱公司的PLC，是因?yàn)槠洚a(chǎn)品特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。豐富的指令系統(tǒng)在FX系列PLC中，即使是小型機(jī)，也具有近200

30、條指令。除能實(shí)現(xiàn)一般邏輯控制外，還可進(jìn)行運(yùn)動控制、復(fù)雜數(shù)據(jù)處理?？焖俚腃PU處理速度FX系列PLC各種機(jī)型的CPU速度均優(yōu)于同類產(chǎn)品。FX2N的CPU處理速度為0.9MS/千步。3 大程序容量FX2N具有2000步的大容量存與大容量的數(shù)據(jù)寄存器，可用于復(fù)雜控制與大數(shù)據(jù)量處理。4 通信功能由于FX2N的編程工具接口是RS-232C，所以連接個人電腦僅需一根電纜，不需適配器。5 價格便宜 相比于市場上其它類型的plc，三菱公司的同款類型是性價比最高的4.1PID控制程序設(shè)計4.1.1PID控制算法圖 4-1 帶PID控制器的閉控制系統(tǒng)框圖如圖4-1所示，PID控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀

31、態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系:(4.2)控制器的輸出為:(4.3)上式中,PID回路的輸出;比例系數(shù)P;積分系數(shù)I;微分系數(shù)D;PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為：(4.4)數(shù)字計算機(jī)處理這個函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對偏差周期采樣后，計算機(jī)輸出值。其離散化的規(guī)律如表4-5所示：表 4-5 模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以PID輸出經(jīng)過離散化后，它的輸出方程為:(4.6)式4.8中， 稱為比例項(xiàng)； 稱為積分項(xiàng)； 稱為微分項(xiàng)；上式中，積分項(xiàng)是包括第一個采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值17。計算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計算機(jī)的處理就是按照這種

32、思想。故可利用PLC中的PID指令實(shí)現(xiàn)位置式PID控制算法量10。4.1.2 PID在PLC中的回路指令現(xiàn)在很多PLC已經(jīng)具備了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是專用模塊，有些是指令形式。FX2N系列PLC中使用的是PID回路指令。見表4-7。表4-7 PID回路指令名稱PID運(yùn)算指令格式PID指令表格式PID TBL，LOOP梯形圖使用方法：當(dāng)EN端口執(zhí)行條件存在時候，就可進(jìn)行PID運(yùn)算。指令的兩個操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因?yàn)橐粋€PID回路占用了32個字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號，可

33、以是07，不可以重復(fù)使用。PID回路在PLC中的地址分配情況如表4-8所示。表4-8 PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據(jù)類型說明0過程變量（PVn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間4給定值（SPn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間8輸出值（Mn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間12增益（Kc）實(shí)數(shù)比例常數(shù)，可正可負(fù)16采樣時間（Ts）實(shí)數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20采樣時間（Ti）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時間（Td）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項(xiàng)前值（MX）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間32過程變量前值（PVn-1）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間 回路輸入輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法 本文中，設(shè)定的溫度是給定值

34、SP，需要控制的變量是爐子的溫度。但它不完全是過程變量PV，過程變量PV和PID回路輸出有關(guān)。在本文中，經(jīng)過測量的溫度信號被轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號溫度值才是過程變量，所以，這兩個數(shù)不在同一個數(shù)量值，需要他們作比較，那就必須先作一下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。溫度輸入變量的數(shù)10倍據(jù)轉(zhuǎn)化。傳感器輸入的電壓信號經(jīng)過EM231轉(zhuǎn)換后，是一個整數(shù)值，他的值大小是實(shí)際溫度的把A/D模擬量單元輸出的整數(shù)值的10倍。但PID指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)必須是實(shí)數(shù)型，所以需要把整數(shù)轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)。使用指令DTR就可以了。如本設(shè)計中，是從AIW0讀入溫度被傳感器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。其轉(zhuǎn)換程序如下:MOVW AIW0, AC1DTR AC1, AC1MOVR

35、AC1, VD1002) 實(shí)數(shù)的歸一化處理因?yàn)镻ID中除了采樣時間和PID的三個參數(shù)外，其他幾個參數(shù)都要求輸入或輸出值0.01.0之間，所以，在執(zhí)行PID指令之前，必須把PV和SP的值作歸一化處理。使它們的值都在0.01.0之間。歸一化的公式如4.9:（4.9）式中, 標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值；未標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值;補(bǔ)償值或偏置，單極性為0.0，雙極性為0.5;值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32000.雙極性為6400。本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為: （4.10）因?yàn)闇囟冉?jīng)過檢測和轉(zhuǎn)換后，得到的值是實(shí)際溫度的10倍，所以為了SP值和PV值在同一個數(shù)量值，我們輸入SP值的時候應(yīng)該是填寫一

36、個是實(shí)際溫度10倍的數(shù)，即想要設(shè)定目標(biāo)控制溫度為100時，需要輸入一個1000。另外一種實(shí)現(xiàn)方法就是，在歸一化的時候，值域大小可以縮小10倍，那么，填寫目標(biāo)溫度的時候就可以把實(shí)際值直接寫進(jìn)去11?；芈份敵鲎兞康臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換本設(shè)計中，利用回路的輸出值來設(shè)定下一個周期的加熱時間?；芈返妮敵鲋凳窃?.01.0之間，是一個標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)，在輸出變量傳送給D/A模擬量單元之前，必須把回路輸出變量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù)。這一過程是實(shí)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化過程。（4.11）FX2N不提供直接將實(shí)數(shù)一步轉(zhuǎn)化成整數(shù)的指令，必須先將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化成雙整數(shù)，再將雙整數(shù)轉(zhuǎn)化成整數(shù)。程序如下：ROUND AC1, AC1DTI AC1, VW34

37、4.1.3 PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時間Ti和和微分時間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求12。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場湊試法，它不需要進(jìn)行事先的計算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，利用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn)，其規(guī)律如表4-12所示。表 4-12溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時間（分鐘）微分時間（分鐘）溫度滯后較大2060310

38、0.53實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為先比例，再積分，最后微分。 1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。 2）整定積分環(huán)節(jié)先將步驟1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。 3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)13。根據(jù)反復(fù)的試湊，調(diào)出比較好的結(jié)果是P=120. I=3.0 D=1.0。4.2 3A模塊與其溫度控

39、制4.2.13A模塊的介紹本設(shè)計采用的模擬模塊是FX0N-3A特殊功能模塊。FX0N-3A特殊功能模塊有兩個輸入通道和一個輸出通道，輸入通道輸入模擬信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸出通道接收數(shù)字信號并把它們轉(zhuǎn)換為等量的模擬信號輸出。1、占用I/O通道3A模塊有2個模擬量輸入通道：CH0、CH1， 與占用I/O通道分別為：CH0WX2（模擬量輸入通道）CH1WX3（模擬量輸入通道）根據(jù)本系統(tǒng)的要求選擇CH0通道2、3A輸入的轉(zhuǎn)換特性 輸入為直流電流 020MA輸入電流轉(zhuǎn)換值0.002.55005.010007.5150010.0200012.5250015.0300017.5350020.040004.

40、2.2 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換由于3A的輸出數(shù)據(jù)是十進(jìn)制的，也就是說DT0中的數(shù)據(jù)是十進(jìn)制的，那么必須將溫度25度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的十制才可以比較，即數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的問題?？赏ㄟ^以下計算思路，得出溫度與相對應(yīng)的十進(jìn)制值的關(guān)系。溫度傳感器的輸出信號為420mA的電流值，對應(yīng)于0度100度的溫度，溫度與電流是線性的，則有：y1=（25/4）x1+25其中 y1 代表溫度值，x1代表電流值，根據(jù)以上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換圖表，當(dāng)輸入4-20mA時，溫度值與十進(jìn)制存在以下關(guān)系：k2=250 x21000,且x2=20MA，k2=4000則有溫度值和十進(jìn)制的關(guān)系如下：(（4/25）y1)-4=(k2/250)-4其中y1和k2 分別代表

41、溫度值和十進(jìn)制值。當(dāng)溫度值為40度時,對應(yīng)的十進(jìn)制是1600。根據(jù)以上分析，我們可計算出任意模擬輸出的物理量與計算機(jī)所能處理的十進(jìn)制之間甚至二進(jìn)制的關(guān)系，從而為計算機(jī)與物理量數(shù)據(jù)的交互提供了一個通道。在本文的應(yīng)用中，通過PLC模擬單元對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳遞，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時模擬值與需求值不斷比較，直到達(dá)到需求值時所應(yīng)執(zhí)行的動作。因此在程序中用K1600與DM0中的數(shù)據(jù)比較；用CMP指令實(shí)現(xiàn)，同時產(chǎn)生一個標(biāo)志。但在本文應(yīng)用中需要注意兩點(diǎn)：一是由于PLC采用的掃描工作方式，存在著掃描時間，因此所采集的值到執(zhí)行件執(zhí)行時模擬值已發(fā)生變化，同時，若我們用CMP指令時，取值一般是小于等于或大于等于這個結(jié)果，因?yàn)镻LC運(yùn)行時，CPU只能分時地一個操作一個操作地執(zhí)行，那么模擬值等于需求值同時又在執(zhí)行CMP的指令的概率就很小，極其容易導(dǎo)致死循環(huán)。因此我們用以上介紹的方法時，應(yīng)用在執(zhí)行元件取值的圍允許大于PLC一個掃描周期模擬值變化的狀態(tài).4.2.3軟件編程的思路在程序開始時，首先要將設(shè)定值寫入輸出通道，以便進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，用第一次循環(huán)標(biāo)志R9012執(zhí)行。PLC上電后，需要約100ms開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，為了使數(shù)據(jù)完全轉(zhuǎn)換，在程序開始時，延時200到300ms后再從通道