恒温箱PLC系统控制.

一、题目恒温箱PLC系统控制二、指导思想和目的要求1）通过毕业设计培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力。

2）使学生受到PLC系统开发的综合训练，达到能够进行PLC 系统设计和实施的目的。

3）使学生掌握利用PLC对温度进行PID控制方法。

三、主要技术指标1、选用三菱FX2N系列可编程控制器作为主机2、主要参数温度范围：200—1050℃控制精度：±1℃输入电压：AC200—240V消耗功率：2KW外形尺寸：40×45×45cm3、系统构成通过一个温度传感器检测恒温箱的温度值并把它转换成标准电流（或电压）信号后，送到A/D转换模块，转换成的数字信号输送到PLC主机。

PLC主机得到一个控制量，该控制量的大小决定PLC输出控制的继电器的导通时间，从而控制温度值的大小。

4、控制要求采用PID控制算法，使PLC控制的恒温箱的温度变化能按照给定的曲线运行，如图所示四、要求1.设计电气控制原理图。

2、进行PLC的选择及I/O分配。

3、设计PLC硬件系统。

4、对系统所需电气元器件选型，编制电气元件明细表。

5、PLC控制程序设计。

五、主要参考书及参考资料1、自动控制原理及系统2、PLC及应用、目录摘要 (1)第1章可编程控制器基础知识 (2)1.1 PLC的定义 (2)1.2 PLC的类型选择 (3)第2章可编程器的系统运用 (5)2.1恒温箱工艺过程及控制要求 (5)2.2模块功能指令 (9)2.2.1展热电阻/热电偶模块用法 (9)2.2.2系统输入输出控制 (10)第3章恒温箱工作的基本原理 (13)3.1恒温箱工作原理 (13)3.2控制系统温度采集 (17)3.3恒温控制装置PLC接线图 (19)3.4系统的配置及I/O地址 (20)3.5梯形图（附录） (21)总结 (22)致谢 (23)附录 (24)参考文献 (31)摘要在日常生活、工业生产和实验室中电热恒温箱的应用随处可以见到。

在生活中我们保存食物用到恒温箱，工业生产中一些生产原料的保存用到恒温箱，实验室里，特别是生物的培育实验室，恒温箱的应用更是普遍。

在本设计中，我们针对培养箱而设计的一个恒温系统，在系统里，通过对恒温箱温度的检测与变送传到单片机，与给定值进行比较，单片机对数据进行处理，根据偏差信号的大小输出驱动PWM输出，通过改变PWM输出的周期和幅值，控制发热丝的功率，从而达到恒温箱内温度控制的目的。

本设计的单片机为51系列，对数据进行采集、比较、处理与输出，PWM通过单片机的脉冲输出，通过光电隔离输入放大电路对发热丝进行加温，直接对箱子温度进行提升，最终达到控制温度的目的。

关键词：PLC，控制,应用第1章可编程控制器基础知识1.1 PLC的定义可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。

为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association）经过四年的调查工作，于1984 年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC 作了如下定义：“PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。

用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。

一部数字电子计算机若是从事行PC 之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。

”以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987 年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。

但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编1.2 PLC类型的选择可编程控制器（programmable logical controller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。

所以，对PLC的正确选择是非常重要的。

面对众多生产厂家的各种类型PLC，它们各有优缺点，能够满足用户的各种需求，但在形态、组成、功能、网络、编程等方面各不相容，没有一个统一的标准，无法进行横向比较。

下面提出在自动控制系统设计中对PLC选型的一些看法，作为挑选PLC 时作为参考。

可以通过以下几方面的比较，挑选到适合的产品。

（1）工作量这一点尤为重要。

在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC 的首要条件，一般选择比控制点数多10%-30%的PLC。

（2）工作环境工作环境是PLC工作的硬性指标。

自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC 不尽相同。

一定要选择适应实际工作环境的产品。

（该设计环境正常，故不用特殊型号）（3）通信网络现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题。

（故尽量选取比较常用的品牌）（4）编程程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。

编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这一点也需考虑在内。

（要求有良好的编程软件）（5）可延性这里包括三个方面含义：1、产品寿命。

大致可以保证所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产品。

2、产品连续性。

生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。

3、产品的更新周期。

当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够保证有足够的备品（或备件）。

这时应考虑选择当时比较新型的PLC。

第2章可编程控制器系统运用2.1恒温箱温度控制系统基本构成恒温箱温度控制系统基本构成入图1所示，它由PLC主控系统、移相触发模块整、流器SCR、恒温箱、传感器等5个部分组成。

图1 恒温箱温度控制系统基本组成恒温箱温度控制实现过程是：首先传感器将恒温箱的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量，然后 PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行处理，给移相触发模块，再给三相整流电路（SCR）一个触发脉冲（既控制脉冲），这样通过SCR的输出我们控制了恒温箱电阻丝两端的电压，也既恒温箱温度控制得到实现。

其中PLC主控系统为恒温箱温度控制系统的核心部分起重要作用。

1） PLC控制系统的硬件配置在恒温箱温度控制系统中PLC采用日本三菱公司FX2N，其硬件采用模块化设计，配合了多种特殊功能模块及功能扩展模块，可实现模拟量控制、位置控制等功能。

该系列PLC可靠性高，抗干扰强、配置灵活、性价比高。

本温度控制系统中PLC我们选择FX2N-48MR-001型，它与外部设备的连接如图2、表 1所示。

图2表1 PLCI/O地址分配表2）流程设计根据恒温箱温度控制要求，本系统控制流程图如图所示。

恒温箱控制流程图3）控制运算方法由于温度控制本身有一定的滞后性和惯性，这使系统控制出现动态误差。

为了减小误差提高系统控制精度，采用PID控制算法，另外考虑到系统的控制对象，采用增量型PID算法。

△V(n)=U(n)-U(n-1) + [e(n)-2e(n-1)+e(n-2)>}=KP{△e(n)+ e(n)+ [△e(n)-△e(n-1)>}式中e(n)、e(n-1)、e(n-2)为PID连续三次的偏差输入。

△e(n)、△e(n-1)为系统连续两次执行的误差。

KP为比例放大系数T、TI、TD分别为采样周期、积分时间、微分时间。

当恒温箱刚启动恒温箱时，由于测到的恒温箱温度为常温，sp-pv＝△U为正值且较大，△U为PID调节器的输入，此时PID调节器中P起主要作用，使SCR为最大电压给恒温箱。

当恒温箱温度达到100℃以上时，sp-pv＝△U为负值，经PID调节，使SCR输出电压减小，恒温箱温度降低。

当温度正好达到 100℃时，△U为零PID不调节，此时SCR输出的电压正好平衡恒温箱消耗的热量，系统达到动态平衡。

1、 K型热电偶分度电压拟合（1）根据具体问题，确定拟合多项式的次数为n。

（2）由公式Sk=(k=0,1,2, ……2n)tr= yi(r=0,1,2, ……n)计数出Sk与Tr（3）解正规方程组求出a0，a1，…，an（4）写出拟合公式多项式Pn（X）=一次多项式也叫作线性拟合。

由上述方法可拟合出K分度电压随温度变化公式为：V=0.04T（其中V为电压，T为温度）。

此拟合公式是在温度从0℃到 120℃之间变化的近似公式，因此正规方程只用到S0、S1、S2拟合的多项式次数为n＝1，电压随温度的变化可近似为线性变化。

如果温度变化范围比较大，则电压随温度变化为非线性变化，上述电压随温度变公式需要重新拟合，拟合多项式的次数也必然大于2。

2、系统调试系统调试分为两大步骤，一是系统软件调试；二是系统硬件调试。

（1）系统软件调试。

系统软件调试是在PC机上进行，我们将PLC 控制程序输入PC机后，根据运行要求，设定若干数字开关量，模拟量，对系统的每一个功能进行检测测试并在此基础上不断完善程序以达到系统要求。

（2）系统硬件调试。

相应的系统硬件也是在实验室里进行，用一个设备来摸仪控制对象。

首先检查设备的诸个单元是否合乎要求，其次将软件和硬件结合起来进行测试。

并不断完善PLC软硬件的配置以达到最优的结果。

2.2模块功能的指令2.2.1展热电阻/热电偶模块用法在PLC控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块—热电阻/电阻信号输入模块。