毕业设计(论文)-基于PLC温度控制系统的设计论文.doc
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1、 南京工程学院 自动化学院自动化学院 本科毕业设计(论文)本科毕业设计(论文) 题目: 基于基于 PLC 温度控制系温度控制系统统的的设计设计 专 业: 测测控技控技术术与与仪仪器器 班 级: 测测控控 072 学 号: xxx 学生姓名: xxx 指导教师: xxx 教教 授授 xxx 副教授副教授 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 Supervise
2、d by Prof. XIA Qing Guan Associate Prof. LU Hong School of Automation Nanjing Institute of Technology June, 2011 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 摘摘 要要 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
3、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:关键词:温度检测;温度传感器;A/D 转换;PID 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) I ABSTRACT The introduction of temperature-based PLC control system design, including A/D conversion, scaling
4、 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 furna
5、ce 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 c
6、hanges 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 quali
7、ty 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 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) II 目目 录录 前言前言1 第一章第一章 系统总体方案系统总体方案2 第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计4 2.1 PLC 选择 .4 2.1.1 FX2N-48MR-001PLC4 2.1.2 FX2N-4
8、AD 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 第三章第三章 系统软件设计系统软件设计 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
9、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 第四章第四章 总结与展望总结与展望 28 4.1 总结.28 4.2 展望.28 致谢致谢29 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) III 参考文献参考文献.30 附录一:三菱附录一:三菱 FX 系列系列 PLC 指令一览表指令一览表31 附录二:热电偶温度传感器和信号放大器附录二: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)附录三:系统程序(梯形图)36 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 0 前前 言言 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
10、 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
11、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、
12、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。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 1 第第一一章章 系系统统总总体体方方案案 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 280700) 。 (
13、2)PLC:主要完成 PID 调节功能以及数据变换。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 2 (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
14、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与实 0 Q 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。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 3 第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计 2.12.1 PLCPLC 选择选择 根据设计方案的分析,系统设
15、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。 2.1.12.1.1 FX2N-48MR-001FX2N-48MR-001 PLCPLC 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
16、大型 PLC。三菱 FX2N48MR 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4864, 内附 8000 步 RAM。其内部资源如下: (1)输入继电器 X(X0X27,24 点,八进制) (2)输出继电器 Y(Y0Y27,24 点,八进制) (3)辅助继电器 M(M0M8255)通用辅助继电器( M0M499) (4)状态继电器( S0S999) (5)定时器 T(T0T255) (T0T245 为常规定时器) (6)计数器 C(C0C255) (7)指针( P/I)见表 2-1 和表 2-2 (8)数据寄存器 D(D0D8255) (D0D199
17、为通用型) 表 2-1 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 I6XXM8056 I7XXM8057 I8XX 在指针名称的 XX 部分中,输 入 1099 的整数。 I610 为每 10ms 执行一次定时器中断M8058 表 2-2 输入中断标号指针表 指针编号输入编 号上升中断下降中断 中断禁止特殊辅助继 电器 X0I001I000M8050 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 4 X1I101I100M8051 X2I201I200M8052 X3I301I300M8053 X4I401I400M8054 X5I501I500M8055 注:M8
18、050M8058=“0”表允许; M8050M8058=“1”表禁止。 2 2. .1 1. .2 2 F FX X2 2N N- -4 4A AD D 特特殊殊功功能能模模块块 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 电压输入电流输入 项 目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200K) (注意:若输入电
19、压超 过15V,单元会被损 坏) DC :-20+20mA(输入电阻 250) (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5mV20A 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通道初始化,缺省值 =H0
20、000 #1通道1存放采样值( 14096),用于得到平均结果。缺省值 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 5 #2通道 2 #3通道 3 #4通道 4 设为8(正常速度),高速操作可选择 1 #5通道 1 #6通道 2 #7通道 3 #8通道 4 缓冲器#5#8独立存储通道 CH1CH4平均输入采样值 #9通道 1 #10通道 2 #11通道 3 #12通道 4 这些缓冲区用于存放每个输入通道读入的当前值 #13#14保留 设0,则选择正常速度, 15ms/通道(缺省)#15选择A/D转换速度 设1,则选择高度, 6ms/通道 BFMB7B6B5B4B3B2B1B0 #16#19保留
21、 #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G4O4G3O3G2O2G1O1 #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。 南京工程学院
22、自动化学院本科毕业设计(论文) 6 另外,BFM#29 的状态信息设置如表 2-5 所示。 表 2-5 BFM#29 的状态信息设置 #29 缓冲器位ONOFF B0:错误 当 b1b4 为 ON 时, b0=ON 若 b2b4 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
23、8 位缺省值) 平均值正常( 14096) 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. .2 2 硬硬件件电电路路设设计计 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 输入地址功能说明输出地址功能说明 Y0VT1 触发脉冲(电源正半波) X0 电源周波信号 输入端Y1VT2 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 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 7 Y6温度
24、给定超出范围报警 X10X21SB2SB11 Y10Y23 12 位 8421(三组) BCD 码输 出 2 2. .2 2. .1 1 温温度度值值给给定定电电路路 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280700,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,SB2SB11 分别表示十进制数 09。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
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- 毕业设计 论文 基于 PLC 温度 控制系统 设计
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