基于PLC的触摸屏温度控制系统.doc

1、PLC 技术应用项目说明书设 计 题 目 学 院 机械工程学院 2015 年 1 月 9 日课 程 设 计 任 务 书兹发给 2011 级机电 X 班 班学生 张 XX 课程设计任务书，内容如下：1 设计题目： 基于 PLC 的温度控制系统 2 应完成的项目：（1）选题的背景和意义； （2）明确设计任务，拟定总体设计方案（有机械结构的要进行结构设计，三维软件建模）； （3）硬件设计，传感器、PLC（和电机）选型，设计信号采集、转换电路，画出 PLC 端口分配图、接线控制端子连接图； （4）软件设计，编写控制程序流程图（或重要程序），设计人机界面； （5）课程设计说明书 1 份。 3 参考资料以

2、及说明：（1）金发庆.传感器技术与应用（第二版）M.北京：机械工业出版社，2004 （2）钟肇新.可编程控制器原理及应用M.广州：华南理工大学出版社，2003 （3）常晓玲.电气控制系统与可编程控制器M.北京：机械工业出版社，2004 （4）盖超会，阳胜峰.三菱 PLC 与变频器、触摸屏综合培训教程M. 北京：中国电力出版社，2011 （5）濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计M.北京：高等教育出版社，2013 4 本设计任务书于 2014 年 12 月 19 日发出，应于 2015 年 1 月 9 日前完成，然后进行答辩。指导教师 签发 2014 年 12 月 19 日课程设计评语：课程设计总评

3、成绩：指导教师签字：年 月 日目 录 前 言 .2第 一 章 系 统 总 体 方 案 .3第二章 系统硬件设计 .52.1 PLC 选择 .52.1.1 FX2N-48MR PLC.52.1.2 FX2N-2AD 特 殊 功 能 模 块 .62.1.3 FX2N-2DA 特 殊 功 能 模 块 .72.2 硬 件 电 路 设 计 .82.2.1 温 度 值 给 定 电 路 .82.2.2 温 度 检 测 电 路 .112.2.3 过 零 检 测 电 路 .122.2.4 晶 闸 管 电 功 率 控 制 电 路 .132.2.5 脉 冲 输 出 通 道 .142.2.6 报警指示电路 .152.

4、2.7 复位电路 .15第 三 章 系 统 软 件 设 计 .163.1 程 序 设 计 .163.2 系 统 程 序 流 程 图 .173.3 控 制 系 统 控 制 程 序 的 开 发 .183.3.1 温度设定 .183.3.2 A/D 转 换 功 能 模 块 的 控 制 程 序 .183.3.3 标 度 变 换 程 序 .193.4.4 恒温控制程序（PID）设计 .203.4.6 显 示 程 序 .263.4.7 恒温指示程序 .263.4.8 报 警 程 序 .27第四章 总结与展望 .284.1 总 结 .284.2 展 望 .28参 考 文 献 .29附 录 系 统 程 序 （

5、 梯 形 图 ） .30摘 要在 工 业 生 产 过 程 中 ， 加 热 管 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

6、 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 。本 设 计 以 工 业 水 温 加 热 为 背 景 ， 设 计 以 三 菱 FX2N-48MR PLC 为 控 制 器 ，使 用 电 热 偶 为 温 度 传 感 器 的 温 度 控 制 系 统 ， 本 文 主 要 内 容 包 括 ： PLC 选 择 ，温 度 控 制 电 路 设 计 分 析 ， 加 热 管 控 制 电 路 设 计 分 析 ， PLC 程 序 编 写 ， 采 用PID 控 制 。关 键 词 ： 加 热 温 度 控 制 PLC PID第 一 章 绪 论随 着 时 代

7、 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

8、 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

9、 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 管 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

10、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

11、 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 。第 二 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（

12、 1） 触 摸 屏 ： 主 要 功 能 是 设 定 和 显 示 相 应 的 温 度 值 ， 以 及 停 止 和 开 始 功能 。（ 2） PLC： 主 要 完 成 PID 调 节 功 能 以 及 数 据 变 换 。（ 3） 测 温 电 路 和 A/D 模 块 ： 主 要 功 能 是 0-10V 温度测量信号经 FX2N-A/D 转换成数字信号输入 PLC 处理。（ 4） 输 出 调 节 电 路 ： 主 要 功 能 是 把 PLC 处理运算发出的控制信号通过脉宽调制装置输出脉冲信号对加热管进行加热系 统 工 作 原 理 ： 温 度 变 送 器 将 加 热 管 温 度 变 换 为 模 拟 信 号

13、， 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 加 热 管 温 度 。 数 字 控 制 器 根 据 恒 温 给 定 值 Q0与 实 际 加 热 管 温 度 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 加 热 管 温 度 的 变 化 使 之 与 给 定 恒 温值 一 致 ， 达 到 恒 温 控 制 目 的 。 当 达 到

14、 恒 温 值 、 输 入 错 误 或 系 统 发 生 故 障 时 ，系 统 发 出 报 警 信 号 ， 同 时 用 GT1040-QBBD-C 触 摸 屏 对 加 热 管 温 度 进 行 实 时显 示 和 温 度 给 定 输 入 。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 A/D 转 换 器 和 D/A 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（ 基 本 I/O 点 数 为 24） 和 FX2N-2AD

15、特 殊 功 能 模 块 。2.1.1 FX2N-48MR PLCFX2N 系 列 PLC 是 FX 系 列 中 最 先 进 的 系 列 、 具 有 高 速 处 理 及 可 以 扩 展大 量 满 足 单 个 需 要 的 特 殊 功 能 模 块 等 特 点 。 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

16、 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 ）

17、（ 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 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I6XX M8056I7XX M8057I8XX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

18、 上 升 中 断 下 降 中 断中 断 禁 止 特 殊 辅 助 继电 器X0 I001 I000 M8050X1 I101 I100 M8051X2 I201 I200 M8052X3 I301 I300 M8053X4 I401 I400 M8054X5 I501 I500 M8055注 ： M8050M8058=“0”表 允 许 ； M8050M8058=“1”表 禁 止 。2.1.2 FX2N-2AD 特 殊 功 能 模 块FX2N-2AD为 模 拟 量 输 入 模 块 ,有 两 个 模 拟 量 输 入 通 道 （ 分 别 为CH1、 CH2） ， 每 个 通 道 都 可 进 行 A/D

19、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 表项 目 电 压 输 入 电 流 输 入模 拟 量 输 入 范围DC ： 0 +10V（ 输 入电 阻 200K ）绝 对 最 大 输 入 ： -0.5V,+15VDC ： 4 +20mA（ 输 入 电 阻250 ）绝 对 最 大 输 入 ： -2mA,+60mA数 字 输 出 12位 二 进 制分 辨 率2.5mV(10V/4000)1.25mV(5V/4000)4 A(20mA/4000)总 体

20、 精 度1%（ 满 量 程0 10V）1%（ 满 量 程 4 20mA范 围 ）转 换 速 度 2.5ms/通 道 （ 与 顺 空 程 序 同 步 动 作 ）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 FX2N-2AD缓 冲 存 储 器 的 功 能 及 分 配BFM 内 容编 号 b15-b8 b7-b4 b3 b2 b1 b0#0 保 留 输 入 数 据 的 当 前 值 （ 低 8位 ）#

21、1 保 留 输 入 数 据 的 当 前 值 （ 高 4位 ）#2-#16 保 留#17保 留模 拟 到 数字 转 换 开始模 拟 到 数字 转 换 通道#18 保 留BFM 说 明 ：1） BFM#0： 存 储 由 BFM#17 指 定 通 道 的 输 入 数 据 当 前 值 低 8 位 数 据 ， 当 前 值 数 据 以 二 进 制 存 储 。2） BFM#1： 存 储 由 BFM#17 指 定 通 道 的 输 入 数 据 当 前 值 高 4 位 数 据 ， 当 前 值 数 据 以 二 进 制 存 储 。3） BFM#17： b0： 指 定 由 模 拟 到 数 字 转 换 的 通 道 （ C

22、H1,CH2） 。b0=0 指 定 CH1b0=1 指 定 CH2b1: 由 0 1 时 A/D 转 换 过 程 开 始 2.1.3 FX2N-2DA 特 殊 功 能 模 块 FX2N-2DA为 模 拟 量 输 入 模 块 ,有 两 个 模 拟 量 输 出 通 道 （ 分 别 为CH1、 CH2） ， 每 个 通 道 都 可 进 行 D/A转 换 ， 将 数 字 量 信 号 转 换 成 模 拟 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 表项 目 电 压 输 出 电 流 输 出模 拟 量 输 入 范围DC ： 0 +10V（ 输 入电 阻 200K ）绝 对 最 大 输 入 ： -0.5V,+15VDC ： 4 +20mA（ 输 入 电 阻250 ）绝 对 最 大 输 入 ： -2mA,+60mA数 字 输 出 12位 二 进 制分 辨 率2.5mV(10V/4000)1.25mV(5V/4000)4 A(20mA/4000)总 体 精 度 1%（ 满 量 程 1%（ 满 量 程 4 20mA范 围 ）