【正文】 LC 構(gòu)建了一個(gè)水溫控制系統(tǒng)對(duì)這一問題進(jìn)行了研究。在整個(gè)控制系統(tǒng)中 以電阻爐 作為 被控對(duì)象，以 水 溫為被控變量 ，以 三菱 FX0N60MR型 PLC 為控制器， 輸入部分外加光電耦合器，并用按鍵和數(shù)碼管構(gòu)建了人機(jī)接口設(shè)置目標(biāo)溫度 ； 控制算法的選擇經(jīng)過對(duì)模糊控制和 PID 算 法的實(shí)驗(yàn)對(duì)比， 最終選擇采用 PID。能夠 利用小型 PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫較高精度的控制。 同 美國、 日本 、 歐洲 等先進(jìn)國家 和地區(qū) 相比仍然有著 很 大的差距。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度控制，常用有位式調(diào)節(jié)器和 PID 控制器等。溫度控制廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)與工業(yè)控制流程的各個(gè)方面，比如精細(xì)材料加工流程中溫度的控制、鍋爐供暖系統(tǒng)溫度的控制以及化學(xué)染色系統(tǒng)的溫度控制上。 本課題主要要解決問題是通過對(duì)水溫控制進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的高精度控制。 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)大體如下， PLC采用三菱 FX0N60MR，由于沒有熱電偶變送器及與三菱 FX0N60MR 搭配使用的 AD模塊，我們決定采用 DS18B20采集溫度，使用 AT89C2051單片機(jī)制作一個(gè) PLC輸入模塊，將溫度通過光電耦合器連接到 PLC的輸入節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置按鈕和數(shù)碼管做為人機(jī)交互模塊，通過 PLC 輸出接點(diǎn)驅(qū)動(dòng)繼電器，調(diào)節(jié)電熱爐工作的占空比。它具有抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)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(gè)領(lǐng)域中被廣泛地使用 。 圖 PLC 原理圖 常用 PLC 的特點(diǎn)比較 市面上最常見的是三菱、西門子、歐姆龍三家公司的 PLC，現(xiàn)在我對(duì)它們簡單的進(jìn)行一下對(duì)比介紹。指令表及梯形圖程序如果按一定的規(guī)則編寫，也可以實(shí)現(xiàn)到 SFC 圖的逆變換。 FX 的 PLC 支持順序控制。此外，還提供了可適應(yīng)更復(fù)雜的控制的浮點(diǎn)運(yùn)算及 PID 運(yùn)算等。這和西門子產(chǎn)品的質(zhì)量和性能有著十分大的關(guān)系 . 其中就有 S7200、S7300、 S7400。西門子 S7400 具有多種機(jī)架類型的機(jī)架系統(tǒng)，優(yōu)異的高速處理能力和通訊性能，可以在運(yùn)行中更改組態(tài)， PROFIBUS 上的等時(shí)模式 (圖 1)，還支持 PROFIBUS 連接分布式 I/O(如圖 2)，屬于故障安全和容錯(cuò)類型，熱插拔。增加了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)輸入輸出動(dòng)作的輸入濾波器功能、外部輸入中斷功能、快速響應(yīng)輸入功能、高速計(jì)數(shù)器功能，模擬設(shè)定定時(shí)器功能等采用快速山村，無電池的內(nèi)存支持得以實(shí)現(xiàn)，維護(hù)簡單化。 采用模糊控制的溫 度 控制 這個(gè) 設(shè)計(jì)方案 控制算法采用模糊控制，根據(jù) 以往 的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定的溫度計(jì)算偏差大小，根據(jù)偏差 劃分偏差 隸屬度區(qū)間 ，設(shè)定規(guī)則庫， 控制時(shí) 根據(jù)偏差 和相應(yīng)的規(guī)則庫調(diào)節(jié)控制量的大小 。 PID 控制的效果完全取決于其四個(gè)參數(shù) ,即采樣周期 ts、比例系數(shù) Kp、積分系數(shù) Ki、微分系數(shù) Kd。 運(yùn)用該方案最大的優(yōu)點(diǎn)就是控制精度要高方案一。所以本設(shè)計(jì)選擇了第二種方案。其中 FX2 是 1991 年推出的產(chǎn)品， FX0 是在 FX2 之后推出的超小型 PLC三菱 PLC。分為分支用指針、輸入中斷指針及定時(shí)中斷指針和記數(shù)中斷指針。執(zhí)行中斷后遇到 IRET（中斷返回）指令，則返回主程序。處理的時(shí)間也不受 PLC 掃描周期的限制。它常用于利用高速計(jì)數(shù)器優(yōu)先處理計(jì)數(shù)結(jié)果的場(chǎng)合。數(shù)據(jù)寄存器有以下幾種類型。特殊數(shù)據(jù)寄存器的作用是用來監(jiān)控 PLC 的運(yùn)行狀態(tài)。 ③ 變址寄存器 （ V/Z） FX2N 系列 PLC 有 V0～ V7 和 Z0～ Z7 共 16 個(gè)變址寄存器，它們都是 16 位的寄存器。它可以提供無限對(duì)常開常閉延時(shí)觸點(diǎn)。它們是通過對(duì)一定周期的時(shí)鐘脈沖的進(jìn)行累計(jì)而實(shí)現(xiàn)定時(shí)的，時(shí)鐘脈沖有周期為 1ms、 10ms、 100ms 三種，當(dāng)所計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)觸點(diǎn)動(dòng)作。 100ms 通用定時(shí)器（ T0～ T199）共 200 點(diǎn)，其中 T192～ T199 為子程序和中斷服務(wù)程序?qū)Ｓ枚〞r(shí)器。 ② 積算定時(shí)器 積算定時(shí)器具有計(jì)數(shù)累積的功能。 100ms 積算定時(shí)器（ T250～ T255）共 6 點(diǎn)，是對(duì) 100ms 時(shí)鐘脈沖進(jìn)行累積計(jì)數(shù)的定時(shí)的時(shí)間范圍為 ～ 。這類計(jì)數(shù)器為遞加計(jì)數(shù)，應(yīng)用前先對(duì)其設(shè)置一設(shè)定值，當(dāng)輸入信號(hào)（上升沿）個(gè)數(shù)累加到設(shè)定值時(shí)，計(jì)數(shù)器動(dòng)作，其常開觸點(diǎn)閉合、常閉觸點(diǎn)斷開。輔助繼電器的常開與常閉觸點(diǎn)在 PLC 內(nèi)部編程時(shí)可無限次使用。當(dāng)電源再次接通時(shí)，除了因外部輸入信號(hào)而變?yōu)?ON 的以外，其余的仍將保持OFF 狀態(tài)，它們沒有斷電保護(hù)功能。它與普通輔助繼電器不同的是具有斷電保護(hù)功能，即能記憶電源中斷瞬時(shí)的狀態(tài)，并在重新通電后再現(xiàn)其狀態(tài)。 FX2N 系列中有 256 個(gè)特殊輔助繼電器，可分成觸點(diǎn)型和線圈型兩大類 。 M801 M801 M8013 和 M8014 分別是產(chǎn)生 10ms、 100ms 、 1s 和 1min 時(shí)鐘脈沖的特殊輔助繼電器。 M8039：若使其線圈得電，則 PLC 按D8039 中指定的掃描時(shí)間工作。 在使用用狀態(tài)器時(shí)應(yīng)注意：狀態(tài)器與輔助繼電器一樣有無數(shù)的常開和常閉觸點(diǎn)；狀態(tài)器不與步進(jìn)順控指令 STL 配合使用時(shí)，可作為輔助繼電器 M 使用 。 FX 系列 PLC 的輸出繼電器也是八進(jìn)制編號(hào)其中 FX0N60MR 編號(hào)范圍為 Y00~Y27（ 24 點(diǎn)）。 輸入繼電器必須由外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)，不能用程序驅(qū)動(dòng)，所以在程序中不可能出現(xiàn)其線圈。例如：基本單元 FX0N64MR 的輸入繼電器編號(hào)為 X000~X037（ 32 點(diǎn)） 。 起初方案是采用 ADC0809 做轉(zhuǎn)換芯片， NE555 做 08009 的時(shí)鐘源，做出來是 ，用 PLC 控制 0809 的時(shí)序，但是由于這是個(gè)轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)處理都很復(fù)雜。主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制。故稱為溫度變送器。 Pt100是鉑熱電阻溫度變送是一種可選的溫度變送器， Pt100的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。C 范圍內(nèi) ,精度為 177。 2176。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持 3V~ 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。C。省略了存儲(chǔ)用 戶定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù)的EEPROM，精度降低為 177。 DS18B20 和 DS1822 使電壓、特陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 40 頁 性及封裝有更多的選擇，可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)。 光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。 轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18B20 的兩個(gè) 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實(shí)際溫度。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。輸入部分采用輸入節(jié)點(diǎn) X10~X17。 7448 是 7 段陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 40 頁 顯示譯碼器 ,輸出高電平有效的譯碼器。按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陰極數(shù)碼管是指將所 有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。 圖 程序總流程圖 PLC 編程語言簡介 在 PLC 中有多種程序設(shè)計(jì)語言 ,如梯形圖語言、布爾助記符語言、功能表圖語言、功能模塊圖語言及結(jié)構(gòu)化語句描述語言等。功能模塊圖語言采用功能模塊圖的形式，通過軟連接的方式完成所要求的控制功能，它不僅在 PLC 中得到了廣泛的應(yīng)用，在集散是 開始 初始化數(shù)據(jù) 設(shè)定目標(biāo)值 X3 閉合否 計(jì)算 U（ k） max 進(jìn)行 PID 運(yùn)算 輸出 顯示實(shí)時(shí)溫度 否 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 40 頁 控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)時(shí)也常常被采用。在梯級(jí)中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在右面。 梯形圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)是 : ⑵ 布爾助記符 (Boolean Mnemonic)程序設(shè)計(jì)語言 布爾助記符程序設(shè)計(jì)語言是用布爾助記符來描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語言。 ⑶ 功能表圖 (Sepuential Function Chart)程序設(shè)計(jì)語言 功能表圖程序設(shè)計(jì)語言是用功能表圖來描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語言。以功能為主線，條理清楚，便于對(duì)程序操作的理解和溝通 。對(duì)大型的程序，可分工設(shè)計(jì)，采用較為靈活的程序結(jié)構(gòu)，可節(jié)省程序設(shè)計(jì)、調(diào)試時(shí)間 。近幾年推出的可編程控制器和小型集散控制系統(tǒng)中也已提供了采用功能表圖描述語言進(jìn)行編程的軟件。由于采用軟連接的方式進(jìn)行功能模塊之間及功能模塊與外部端子的連接，因此控制方案的更改、陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 40 頁 信號(hào)連接的替換等操作可以很方便實(shí)現(xiàn)。功能模塊是用圖形化的方法描述功能，它的直觀性大大方便了設(shè)計(jì)人員的編程和組態(tài)，有 較好的易操作性 。對(duì)控制規(guī)模較大、控制關(guān)系較復(fù)錄的系統(tǒng)，由于控制功能的關(guān)系可以較清楚地表達(dá)出來，因此，編程和組態(tài)時(shí)間可以縮短，調(diào)試時(shí)間也能減少 。它也被用于集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)。采用高級(jí)語言進(jìn)行編程，可以完成較復(fù)雜的控制運(yùn)算 。直觀性和易操作性等較差 。 輸入部分程序設(shè)計(jì) 輸入部分主要用于處理溫度控制目標(biāo)值的設(shè)定，在通常的大氣壓條件下，水的沸點(diǎn)為 100 攝氏度，所以 系統(tǒng) 設(shè)定 值 的 范圍為 50100。 PID 運(yùn)算部分程序設(shè)計(jì) 模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是 PID 控制， PID 在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有 60 多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 在微分控制 (D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變 化率）成正比關(guān)系。 圖 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng) 如圖 所示， PID 控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。增量式 PID 的算式為： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 2 1 2P I Du k e k e k e k e k e k e kK K K? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? FX0N—60MR 型 PLC 使用 PID 指令時(shí)需要專用擴(kuò)展模塊的支持，由于 使用的 PLC 沒有該擴(kuò)展模塊，所以必須自行編寫 PID 計(jì)算程序。 軟件調(diào)試 最初編寫軟件時(shí)我們分別編寫了模糊控制和 PID 控制兩種方案的程序，分別對(duì)其進(jìn)行了調(diào)試，測(cè)得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)后期的調(diào)試總結(jié)了大量經(jīng)驗(yàn)， 由于與一維模糊控制相比 PID 具有控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，所以 經(jīng)過初步調(diào)試我們決定 選擇使用 PID 算法。一般可以通過理論計(jì)算來確定，但誤差太大。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 系統(tǒng)硬件組裝完畢，軟件 PID 參數(shù)調(diào)試結(jié)束后，我們實(shí)測(cè)了幾組試驗(yàn)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。但是經(jīng)過我們對(duì) PID 參數(shù)的反復(fù)整定我們還是將誤差控制在 了 3%左右，達(dá)到了預(yù)期的控制精度。主要是因?yàn)槲覀優(yōu)榱藴p小超調(diào)量給的控制 器 參數(shù)比較保守，一味求穩(wěn)而使系統(tǒng)喪失了 一定的 快速性。 經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法，它 不需要進(jìn)行事先的計(jì)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(duì)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 所示。 軟硬件聯(lián)合 調(diào)試 將軟硬件有機(jī)組合后，我們就開始了系統(tǒng)的軟硬聯(lián)調(diào)，也就是看系統(tǒng)能否按要求如期運(yùn)行，經(jīng)過前期分別對(duì)軟件和硬件的調(diào)試，基本沒有出現(xiàn)大的故障，所以聯(lián)合 調(diào)試最主要就是對(duì) 控制效果既PID 控制器參數(shù)的整定。由于該系統(tǒng)需要使用 DC 5V、 DC 24V、AC 220V 三種電源，電壓高低差異較大，所以我們需要驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性能，在這個(gè)問題上我們使用了光電耦合器、增設(shè) 中間繼電器等手段，減少硬件干擾。其離散化的規(guī)律如表 所示 。但是容易引入干擾且 不能消除余差。 在積分控制 (I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。所以我們選擇 PID 為控制 器算法。同時(shí)還應(yīng)該在對(duì)設(shè)定值進(jìn)行 限制，不得小于 50，大于 100。常被用于采用功能模塊等其他語言較難實(shí)現(xiàn)的一些控制功能的實(shí)施。需要有一定的計(jì)算機(jī)高級(jí)程序 設(shè)計(jì)語言的知識(shí)和編程技巧，對(duì)編程人員的技能要求較高，普通電氣人員難以完成。大多數(shù)制造廠商采用的語句描述程序設(shè)計(jì)語言與 BASIC 語言、 PASCAL 語言或 C 語言等高級(jí)語言相類似，但為了應(yīng)用方便，在語句的表達(dá)方法及語句的種類等方面都進(jìn)行了簡化。它是一種類似于高級(jí)語言的程序設(shè)計(jì)語言。由于每種功能模塊需要占用一定的程序內(nèi)存，對(duì)功能模塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行時(shí)間，因此，這種設(shè)計(jì)語言在大中型 PLC 和集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)中才被采用。以功能模塊為單位，從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變得容易 。它有若干個(gè)輸入端和輸出端，通過軟連接的方式，分別 連接到所需的其它端子，完成所需的控制運(yùn)算或控制功能。只有在活動(dòng)步的命令和操作被執(zhí)行，對(duì)活動(dòng)步后的轉(zhuǎn)換進(jìn)行掃描，因此整個(gè)程序的掃描時(shí)間較其他程序編制的程序掃描時(shí)間要短得多。常用于系統(tǒng)規(guī)模校大、程序關(guān)系較復(fù)雜的場(chǎng)合 。采用 功能表圖的描述，控制系統(tǒng)被分為若干個(gè)子系統(tǒng)，從功能入手，使系統(tǒng)的操作具有明確的含義，便于設(shè)計(jì)人員和操作人員設(shè)計(jì)思想的溝通，便于程序的分工設(shè)計(jì)和檢查調(diào)試。 布爾助