基于工控机的微型加热器温度控制系统概述(共41张PPT)
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+ C
2
+
+ C 1 1 0 0 μ
V 2 0 0 μ
2 0
8 0 5 0
源自文库2 7
2 0 μ P W
2 9
1 3 0 k 调 制 频 率 0 .5 H z R 3 9 1 0 0 R ∞
4 0
A D 5 9 0
宽 节 8
R R 8
4 4
温 度 传 感
R 3 1 器 1 0 k B
P T R 3 2 1 0 k
V Z 2 5 .0 V
V Z 5 .6 V
图4-5 微型加热器IPC控制系统电气原理图
2、输入信号放大与槽形电压表指示 输入信号采用单电源运算放大器N1A进行放大 所用运算放大器LM358内部有两个独立的、高增益、内部频率补
偿的双运算放大器
电压表PV1为槽形电压表 稳压二极管VZ1用于保护表头 3、SG3524型PWM控制芯片介绍
第 4章
基于工控机的微型加热器温度控制系统
4.1工控机实验装置 4.2系统总体设计 4.3系统硬件设计 4.4系统软件设计
返回总目录
4.1
工控机实验装置
4.1.1 工控机实验装置介绍
工控机（IPC）实验装置分类：柜式、台式及盒式。 研华IPC按结构分类： 1、普通台式——其I/O接口卡插在主机ISA或PCI插槽里，还有分布
或 A O C O M 0
图4-4 DO0继电器输出通道与PCLD-780型螺旋接线端子板单个通道电路图
(3)PCLD-780型螺旋接线端子板 PCLD-780型接线端子板具有2套10通道连接器，其单个通道的电路
图如图4-4b 所示。 共有4种设置方式： 直通连接（工厂出厂设置） R1=0Ω，R2和C取消。 1.6KHz（3 dB）低通滤波器 R1=10KΩ，C1=0.01μ F，R2取消。 10比1电压衰减器 R1=9Ω，R2=2Ω，C1取消。 0～20mA到0～5V（DC）信号转换器 R1=0Ω，R2=250Ω，C1取 消。
工业组态软件特点有：
(1)内置实时数据库 (2)图形化软PLC语言（梯形图LD和功能块图FBD等）编写非常直观 (3)能高速采样与控制 (4)拥有同其它语言进行通信的软件接口
4.3.4 主控设备选型及配置
工控机IPC及其I/O板卡是本课题的主要控制设备。 1、IPC主机
设备选型
(1)选定普通台式IPC。
加热元件的加热电阻R30（100Ω，10W） 采用功率管V20高效脉宽调制方式控制 SG3524是美国硅通用公司（SiliconGeneral）生产的
式RS-485远程控制I/O模块等
2、整体式——键盘和显示器均固定在主机上 3、模块式——模块种类有电源模块、CPU模块、输入输出I/O接口卡模块、工
业以太网接口模块、现场总线接口模块和分布式RS-485远程控制I/O模块等）多D/A
结
构（图2-1(a)）和共享D/A结构（图中2-1(b)） 。
4.2系统总体设计
4.2.1 系统设计流程
1、系统调研和设计任务书的拟订 自动化系统设计任务书是整个系统设计的依据，同时又是今后设备竣
工验收的依据。
2、方案设计 对同一控制对象和控制要求，往往有多种控制方案。在满足控制要求 的前提下，设计方案应该力求简单、经济和实用，不宜盲目追求高指
1
R 2 4 6 8 k R 2 5 2 k R 2 6 2 0 k 2 5 0
1 5
3
A I I 0 0 ～ 2 0 m A R
2 3
L M 7 R M 脉 调
3
1 1 1 1 3 5 2 4 6
2 0 k 2 5 0
V R
4 V Z 1 5 .0 V
3 2 1 4 4 5 8
压 R 3 0 + 1 8 V 1 0 0 1 0 W
4.3.5 系统电气电子原理图设计
一、IPC、I/O插卡、信号调理模块、按钮和指示灯电路的设计
工作原理：
图4-5
微型加热器IPC控制系统电气原理图(略）。
二、加热器电路的设计
加热器电路如图4-5所表示。
1、加热器的信号输入
加热器的信号输入端有两个，分别为AIU0和AII0，分别采用工业控制标准电压信号（0 ～5V）和电流信号（0～20mA）两种方式。
标。
3、安全性、可靠性考虑
4、硬件与软件设计
5、系统安装调试
4.2.2 控制方案设计
1、软硬件主要方案 （1）硬件部分前面已经叙述过，除了用工控机IPC及其I/O摸板控制已 经确定以外，还有：要求采用微型廉价测温传感器测量温度；要求采用 高效集成式控制电路控制加热器的加热元件。 （2）软件部分前面已经叙述过，用基于经典自动控制理论模拟PID的数 字式恒值温度控制和基于现代控制理论离散型动态规划及最小原理变值 温度控制控制，采用中文组态王Kingview及与其配套的软PLC语言 KingACT为编程语言。 2、控制算法与软件方案的拓宽
(2)具体选IPC-610型。 (3)全长All-in-One (4)
CPU卡选PCA-6187型。
1个硬盘，1个光驱，1个鼠标，1个键盘，1台17英寸彩色显示器。
2、插入式数据采集控制
考虑到作为一般的IPC实验和低速数据采集控制工业应用，选用 PCL-812PG型ISA多功能卡。 其性能指标为： 16路12位单端模拟量输入AI 2路12位AO输出 一个Intel 8253-5型可编程定时器/计数器 16位数字量输入DI，16位数字量输出DO 连接插座
L N
K M
I S A A 1 工 控 机 I P C - 6 1 0 S B 1 + 1 8 V + 1 2 V - 1 2 V + 5 V - 5 V S B 2 K M C O M 1 S B 0 ～
多 功
1
0
2
D I 1 5 D O 8 D O C O D O 7 号 M 调 B理 D O 4 D O 3 D I 0 D O 2 D O 1 D I C O M A I 1 5 D O 0 D O C O M A A O 1 A I 1 A O 0 A I 0 A I C O M A O C O M + V S G N D A T DA + D A T A V R 2 8 2 k D D D A D I 9 I 8 I 7 3 信 I 1 D O 1 5 8 2 5 3 R 1 4 | R 1 0 芯 V | V
4、远程通信模块和远程控制模块 (1)通信转换模块 选取AIAM-4520型光隔离RS232至RS-422/RS-485转换模块。 (2)远程数字量输入输出模块 选取2块AIAM-4050数字量输入输出模块（7点DI，8点DO），输入
电压电平0～ 30V，8路NPN型晶体管集电极开路数字量输出。
圆 工 作 台 -旋 转 编码器
17 吋 彩 色 显 示 器
开关、交直流 电源、继 电器、接 触器、熔断 器、热继电器模块 1350mm 420mm 1650mm
储藏柜
工业计算机 IP C 与 ISA 及 PCI 板 卡
730mm 1800mm
图4-1 IPC实验装置外形与结构
4.1.2 控制要求
（1）控制算法 （2）编程语言 （3）设计题目树
4.3系统硬件设计
4.3.1 系统组成结构
图4-2 加热器IPC控制系统组成结构
4.3.2 系统功能划分
1、工控机IPC IPC是整个控制系统的核心和大脑。从自动控制理论的角度出发，IPC
属于自动运算、 调节和控制环节。 2、ISA或PCI多功能卡 加热器的IPC控制，既有模拟量控制，又有开关量控制，故要有AI、 AO、DI和 DO输入输出点，要选择多功能卡。多功能卡产生TTL级的控制信号。 3、通信转换模块及远程模块 由于IPC另外还要控制电梯等对象，控制电梯需要较多的DI、DO点， 而多功能 卡上的DI、DO点不够用，故要增设这两个模块及RS232/485通信转 换模块，兼 有远程网络控制的功能。 4、信号调理模块 5、加热器模块 6、 AC电源和DC电源
4.3.3 工控机IPC概述
1、IPC硬件
研华公司是国际上最早从事工业计算机和自动化控制器的生产厂商之一研华产品的市场占有
率较高
。
研华主要产品系列有：
(1)工业计算机平台 (2)电子自动化 (3)嵌入式计算机 (4)数字视频平台
2、IPC软件与组态软件
除了可用通用汇编语言、VB和C++语言编程以外，还具有方便用户编程的多 实时工业组态软件，而一般IPC工业监控已较少使用前三种语言编程。
柜式工控机（IPC）
工 控 机 IP C -P L C -D C S - 单 片 机 实 验 装 置 大连轻工业学院信息学院设计
加热器 860mm
三 位 数 码 管 、 交 通 灯 、 舞 台 灯光
电 梯 -机 械滑台
IP C 信 号 调理模块、 或 IP C 远 变频器 程 模 块 、 P LC 、D C S 模 块 、单 片 机模块
1、硬件设计 (1)被控对象设计 (2)加热器电源设计 (3)主控装置设计 (4)加热器控制电路设计 (5)加热器电气及电子原理图设计 (6)信号调理模块和加热器模块电气及电子工艺设计 2、控制方式与控制指标
除了手动方式控制以外，还有自动方式控制。
3、软件设计 采用中国亚控公司中文组态王Kingview及与其配套的软PLC语言 KingACT为编程语言。
外
计
数
A2 P 1 -8 C
F U
能
S 卡 B 7 T T R R X X X X + + -
1
L N G 电 A 通
4 1
D I 0
S A
1
计 数 满 定 时 信 号 片 端 子 H L 4 + 5 V 4 | H L 0 0
L P 2
+ V S R S - 4 2 2 R S - 4 8 5 D A T A D A T A +
3、信号调理模块和端子板
(1)PCLD-782型光隔离数字量输入板 信号调理模块和端子板用于连接主机箱里的PCL-812PG多功能卡。
+ 5V 330 D I0
+ 5V L M 339 4.7K
+5V 4.7K
∞
－
560
Iin
D I0 1K + 5V
1
1
+
+ 5V S A 2 500 1 M 10K
3 8
1 V
2
F
5 0 K R 4 1 1 5 k G 1 0 0 R 4 2 5 0 k
5
1 5 k ∞
0 ～ 5 V I
+
－
N 2 B + L F 3 5 8 4
输
A O I 0 0 ～ 2 0 m A
5 0 k D R 3 5 1 0 0 k
6
V 2出 1 9 0 1 3
3
扰 幅
动 度
3 k
2 5 0
+
74L S 240 S A 1
D IC O M 0
图4-3 PCLD-782型光隔离数字量输入板内部及外部接口电路
(2)PCLD-785型继电器输出模块
D O C O + 1 2 V M 0 D O B 0 D O 0 1 C L -8 1 2 P G D O K 0 P A I、 A O 插 座 + 5 V 4 7 0 a ) b ） R 2 C R 1 A I0 或 A O 0 A IC O M 0
最 远 达
G
直
流
G N D
源
信 号 输
接 加 热
字 量
A D A M - 4 5 2 0 信 转 换 模 块
1 2 0 0 m
接 信
加 热 器 电 号 输 出 端 + V S 程 模 D I 6 1 6 A N 2 1 9 C
3
压
D O 0 D O 1 A 5 A D D I 0 D I 1 信 号 输 入 R 5 V R
扰 开 S
动 关 R 3 3 1 0 k 零 C 点 调 R 5 节
3 4
增 8 ∞ R 3 6 1 k
益 R P 4 .7 k 3
3 0 0 H
4 3
A O U 0
信 号
7 R 1 k
4 5
+
－
+
－
R P 2 4 .7 k R P 2 k
1
6
N 1 B + L F 3 5 8 4
7
E R
3 7
2
N 2 A + L F 3 5 8 4 P V R
D O 7 A M - 4 0 5 0 数 字
D A T A + 量 输 入
D A T A 输 出 远
G N 块 D
A 输
C C
6
入
A D A M - 4 0 入5 0 器 数 输 出 远 程 模 块 端 电 N 4 7 8 1 2
8
2 1
A I U 0 0 ～
3 2
2 0 k
2 2
+
－
∞ N 1 A L F 3 5 + 8 1 P V
2
+
+ C 1 1 0 0 μ
V 2 0 0 μ
2 0
8 0 5 0
源自文库2 7
2 0 μ P W
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1 3 0 k 调 制 频 率 0 .5 H z R 3 9 1 0 0 R ∞
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A D 5 9 0
宽 节 8
R R 8
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温 度 传 感
R 3 1 器 1 0 k B
P T R 3 2 1 0 k
V Z 2 5 .0 V
V Z 5 .6 V
图4-5 微型加热器IPC控制系统电气原理图
2、输入信号放大与槽形电压表指示 输入信号采用单电源运算放大器N1A进行放大 所用运算放大器LM358内部有两个独立的、高增益、内部频率补
偿的双运算放大器
电压表PV1为槽形电压表 稳压二极管VZ1用于保护表头 3、SG3524型PWM控制芯片介绍
第 4章
基于工控机的微型加热器温度控制系统
4.1工控机实验装置 4.2系统总体设计 4.3系统硬件设计 4.4系统软件设计
返回总目录
4.1
工控机实验装置
4.1.1 工控机实验装置介绍
工控机（IPC）实验装置分类：柜式、台式及盒式。 研华IPC按结构分类： 1、普通台式——其I/O接口卡插在主机ISA或PCI插槽里，还有分布
或 A O C O M 0
图4-4 DO0继电器输出通道与PCLD-780型螺旋接线端子板单个通道电路图
(3)PCLD-780型螺旋接线端子板 PCLD-780型接线端子板具有2套10通道连接器，其单个通道的电路
图如图4-4b 所示。 共有4种设置方式： 直通连接（工厂出厂设置） R1=0Ω，R2和C取消。 1.6KHz（3 dB）低通滤波器 R1=10KΩ，C1=0.01μ F，R2取消。 10比1电压衰减器 R1=9Ω，R2=2Ω，C1取消。 0～20mA到0～5V（DC）信号转换器 R1=0Ω，R2=250Ω，C1取 消。
工业组态软件特点有：
(1)内置实时数据库 (2)图形化软PLC语言（梯形图LD和功能块图FBD等）编写非常直观 (3)能高速采样与控制 (4)拥有同其它语言进行通信的软件接口
4.3.4 主控设备选型及配置
工控机IPC及其I/O板卡是本课题的主要控制设备。 1、IPC主机
设备选型
(1)选定普通台式IPC。
加热元件的加热电阻R30（100Ω，10W） 采用功率管V20高效脉宽调制方式控制 SG3524是美国硅通用公司（SiliconGeneral）生产的
式RS-485远程控制I/O模块等
2、整体式——键盘和显示器均固定在主机上 3、模块式——模块种类有电源模块、CPU模块、输入输出I/O接口卡模块、工
业以太网接口模块、现场总线接口模块和分布式RS-485远程控制I/O模块等）多D/A
结
构（图2-1(a)）和共享D/A结构（图中2-1(b)） 。
4.2系统总体设计
4.2.1 系统设计流程
1、系统调研和设计任务书的拟订 自动化系统设计任务书是整个系统设计的依据，同时又是今后设备竣
工验收的依据。
2、方案设计 对同一控制对象和控制要求，往往有多种控制方案。在满足控制要求 的前提下，设计方案应该力求简单、经济和实用，不宜盲目追求高指
1
R 2 4 6 8 k R 2 5 2 k R 2 6 2 0 k 2 5 0
1 5
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A I I 0 0 ～ 2 0 m A R
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L M 7 R M 脉 调
3
1 1 1 1 3 5 2 4 6
2 0 k 2 5 0
V R
4 V Z 1 5 .0 V
3 2 1 4 4 5 8
压 R 3 0 + 1 8 V 1 0 0 1 0 W
4.3.5 系统电气电子原理图设计
一、IPC、I/O插卡、信号调理模块、按钮和指示灯电路的设计
工作原理：
图4-5
微型加热器IPC控制系统电气原理图(略）。
二、加热器电路的设计
加热器电路如图4-5所表示。
1、加热器的信号输入
加热器的信号输入端有两个，分别为AIU0和AII0，分别采用工业控制标准电压信号（0 ～5V）和电流信号（0～20mA）两种方式。
标。
3、安全性、可靠性考虑
4、硬件与软件设计
5、系统安装调试
4.2.2 控制方案设计
1、软硬件主要方案 （1）硬件部分前面已经叙述过，除了用工控机IPC及其I/O摸板控制已 经确定以外，还有：要求采用微型廉价测温传感器测量温度；要求采用 高效集成式控制电路控制加热器的加热元件。 （2）软件部分前面已经叙述过，用基于经典自动控制理论模拟PID的数 字式恒值温度控制和基于现代控制理论离散型动态规划及最小原理变值 温度控制控制，采用中文组态王Kingview及与其配套的软PLC语言 KingACT为编程语言。 2、控制算法与软件方案的拓宽
(2)具体选IPC-610型。 (3)全长All-in-One (4)
CPU卡选PCA-6187型。
1个硬盘，1个光驱，1个鼠标，1个键盘，1台17英寸彩色显示器。
2、插入式数据采集控制
考虑到作为一般的IPC实验和低速数据采集控制工业应用，选用 PCL-812PG型ISA多功能卡。 其性能指标为： 16路12位单端模拟量输入AI 2路12位AO输出 一个Intel 8253-5型可编程定时器/计数器 16位数字量输入DI，16位数字量输出DO 连接插座
L N
K M
I S A A 1 工 控 机 I P C - 6 1 0 S B 1 + 1 8 V + 1 2 V - 1 2 V + 5 V - 5 V S B 2 K M C O M 1 S B 0 ～
多 功
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D I 1 5 D O 8 D O C O D O 7 号 M 调 B理 D O 4 D O 3 D I 0 D O 2 D O 1 D I C O M A I 1 5 D O 0 D O C O M A A O 1 A I 1 A O 0 A I 0 A I C O M A O C O M + V S G N D A T DA + D A T A V R 2 8 2 k D D D A D I 9 I 8 I 7 3 信 I 1 D O 1 5 8 2 5 3 R 1 4 | R 1 0 芯 V | V
4、远程通信模块和远程控制模块 (1)通信转换模块 选取AIAM-4520型光隔离RS232至RS-422/RS-485转换模块。 (2)远程数字量输入输出模块 选取2块AIAM-4050数字量输入输出模块（7点DI，8点DO），输入
电压电平0～ 30V，8路NPN型晶体管集电极开路数字量输出。
圆 工 作 台 -旋 转 编码器
17 吋 彩 色 显 示 器
开关、交直流 电源、继 电器、接 触器、熔断 器、热继电器模块 1350mm 420mm 1650mm
储藏柜
工业计算机 IP C 与 ISA 及 PCI 板 卡
730mm 1800mm
图4-1 IPC实验装置外形与结构
4.1.2 控制要求
（1）控制算法 （2）编程语言 （3）设计题目树
4.3系统硬件设计
4.3.1 系统组成结构
图4-2 加热器IPC控制系统组成结构
4.3.2 系统功能划分
1、工控机IPC IPC是整个控制系统的核心和大脑。从自动控制理论的角度出发，IPC
属于自动运算、 调节和控制环节。 2、ISA或PCI多功能卡 加热器的IPC控制，既有模拟量控制，又有开关量控制，故要有AI、 AO、DI和 DO输入输出点，要选择多功能卡。多功能卡产生TTL级的控制信号。 3、通信转换模块及远程模块 由于IPC另外还要控制电梯等对象，控制电梯需要较多的DI、DO点， 而多功能 卡上的DI、DO点不够用，故要增设这两个模块及RS232/485通信转 换模块，兼 有远程网络控制的功能。 4、信号调理模块 5、加热器模块 6、 AC电源和DC电源
4.3.3 工控机IPC概述
1、IPC硬件
研华公司是国际上最早从事工业计算机和自动化控制器的生产厂商之一研华产品的市场占有
率较高
。
研华主要产品系列有：
(1)工业计算机平台 (2)电子自动化 (3)嵌入式计算机 (4)数字视频平台
2、IPC软件与组态软件
除了可用通用汇编语言、VB和C++语言编程以外，还具有方便用户编程的多 实时工业组态软件，而一般IPC工业监控已较少使用前三种语言编程。
柜式工控机（IPC）
工 控 机 IP C -P L C -D C S - 单 片 机 实 验 装 置 大连轻工业学院信息学院设计
加热器 860mm
三 位 数 码 管 、 交 通 灯 、 舞 台 灯光
电 梯 -机 械滑台
IP C 信 号 调理模块、 或 IP C 远 变频器 程 模 块 、 P LC 、D C S 模 块 、单 片 机模块
1、硬件设计 (1)被控对象设计 (2)加热器电源设计 (3)主控装置设计 (4)加热器控制电路设计 (5)加热器电气及电子原理图设计 (6)信号调理模块和加热器模块电气及电子工艺设计 2、控制方式与控制指标
除了手动方式控制以外，还有自动方式控制。
3、软件设计 采用中国亚控公司中文组态王Kingview及与其配套的软PLC语言 KingACT为编程语言。
外
计
数
A2 P 1 -8 C
F U
能
S 卡 B 7 T T R R X X X X + + -
1
L N G 电 A 通
4 1
D I 0
S A
1
计 数 满 定 时 信 号 片 端 子 H L 4 + 5 V 4 | H L 0 0
L P 2
+ V S R S - 4 2 2 R S - 4 8 5 D A T A D A T A +
3、信号调理模块和端子板
(1)PCLD-782型光隔离数字量输入板 信号调理模块和端子板用于连接主机箱里的PCL-812PG多功能卡。
+ 5V 330 D I0
+ 5V L M 339 4.7K
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扰 幅
动 度
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D IC O M 0
图4-3 PCLD-782型光隔离数字量输入板内部及外部接口电路
(2)PCLD-785型继电器输出模块
D O C O + 1 2 V M 0 D O B 0 D O 0 1 C L -8 1 2 P G D O K 0 P A I、 A O 插 座 + 5 V 4 7 0 a ) b ） R 2 C R 1 A I0 或 A O 0 A IC O M 0
最 远 达
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直
流
G N D
源
信 号 输
接 加 热
字 量
A D A M - 4 5 2 0 信 转 换 模 块
1 2 0 0 m
接 信
加 热 器 电 号 输 出 端 + V S 程 模 D I 6 1 6 A N 2 1 9 C
3
压
D O 0 D O 1 A 5 A D D I 0 D I 1 信 号 输 入 R 5 V R
扰 开 S
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A O U 0
信 号
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C C
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