【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，開(kāi)辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。元件映象寄存器用來(lái)存儲(chǔ) PLC 的開(kāi)關(guān)量輸入 /輸出和定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的 ON/OFF 狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來(lái)存放各種數(shù)據(jù)，它的標(biāo)準(zhǔn)格式是每一個(gè)數(shù)據(jù)占一個(gè)字。它存儲(chǔ)用戶程序執(zhí)行時(shí)的某些可變參數(shù)值，如定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值和設(shè)定值。它還用來(lái)存放 A/0 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果等。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在停電時(shí)用后備電池維持其當(dāng)前值，在停電時(shí)可保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。 I/0 單元 I/0 單元也稱為 I/0 模塊。 PLC 通過(guò) I/0 單元與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)相聯(lián)系。 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 輸入單元接收用戶設(shè)備的各種控制信號(hào)，如限位開(kāi)關(guān)、操作按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)以及其他一些傳感器的信號(hào)。通過(guò)接口電路將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識(shí)別和處理的信號(hào)，并存到輸入映像寄存器。運(yùn)行時(shí) CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、指示燈被控設(shè)備的執(zhí)行元件 . 電源部分 PLC 一般使用 220V的交流電源，內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源為 PLC 的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供 5V, +12V, +24V的直流電源，使 PLC 能正常工作。 電源部件的位置形式可有多種，對(duì)于整體式結(jié)構(gòu)的 CPU，通常電源封裝到機(jī)殼內(nèi)部 。對(duì)于模塊式 PLC，有的采用單獨(dú)電源模塊，有的將電源與 CPU 封裝到一個(gè)模塊中。 擴(kuò)展接口 擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使 PLC 的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 通信接口 為了實(shí)現(xiàn)“人一機(jī)”或“機(jī)一機(jī)”之間的對(duì)話， PLC 配有多種通信接口。PLC 通過(guò)這些通信接 口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)和其他的 PLC 或計(jì)算機(jī)相連。當(dāng)PLC 與打印機(jī)相連時(shí)，可將過(guò)程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印 。當(dāng)與監(jiān)視器相連時(shí) .可將過(guò)程圖像顯示出來(lái) 。當(dāng)與其他 PLC 相連時(shí)，可以組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的控制 。當(dāng)與計(jì)算機(jī)相連時(shí)，可以組成多級(jí)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 3 模塊方案的選擇與論證 總體方案的選擇 方案一： 此方案采用傳統(tǒng)的模擬控制方法，選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，反饋的溫度值與給定的溫度值比較后，決定加熱或不加熱。本方案的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易容易實(shí)現(xiàn)，但系 統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)靜差大，不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，而且不易實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制及對(duì)溫度的顯示，人機(jī)交換性能差。 方案二： 采用 PLC 來(lái)作為整機(jī)的控制單元，系統(tǒng)的工作中，經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)及變換電路把被測(cè)對(duì)象的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入 PLC 中，與給定的對(duì)應(yīng)所要控制的多組溫度值進(jìn)行比較，找出現(xiàn)溫度值所在范圍，根據(jù) PLC 中設(shè)置的參數(shù)，轉(zhuǎn)化為占空比，控制功率轉(zhuǎn)換器件，帶動(dòng)被控對(duì)象，并且把被控對(duì)象的溫度經(jīng)過(guò)變換電路和 D/A 轉(zhuǎn)換器反饋到 PLC 中，與輸出的初值進(jìn)行比較，其偏差被 PID 程序計(jì)算出后重新輸出，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)循環(huán)。對(duì)于欠溫度，控制加速功率。對(duì)于過(guò)溫度，控制吹風(fēng)冷卻裝置。 方案三： 采用 AP89S52 來(lái)作為整機(jī)的控制單元。他是一個(gè)功耗，高性能CMOS8 位微控制器，經(jīng)過(guò)信號(hào)采集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理來(lái)控制溫度。此方案比方案一簡(jiǎn)單，比方案二復(fù)雜。 比較以上三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案二簡(jiǎn)單、靈活、可擴(kuò)展性好，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精確度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，能達(dá)到題目設(shè)計(jì)要求，因此采用方案二實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì) . 圖 PLC 的組成框圖 本系統(tǒng)的基本工作原理： 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 假定實(shí)際爐溫等于給定爐溫，這時(shí) ( ) ( ) 0u u r u t? ? ? ?，反饋值與給定值相同，電爐處于規(guī)定的恒溫狀態(tài)。如果增加工件，電爐負(fù)荷加大，給定值暫時(shí)不變，爐溫就要下降，使得給出溫度 ()t? 下降，則有 ( ) ( ) 0u u r u t? ? ? ?，經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)以及變換電路把對(duì)側(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng) D/A 變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入 PLC 中，與給定的對(duì)應(yīng)所要控制的多組溫度值進(jìn)行比較，得知系統(tǒng)處于欠溫度狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)加大占空比信號(hào)，控制加熱功率，從而使?fàn)t溫回升，直到重新等于 給定值（即 ( ) ( )u t u r? ）為止。如果負(fù)荷減小，則爐溫升高。 u(t)隨之加大，使得 ( ) ( ) 0u u r u t? ? ? ?。經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)及變換電路把被測(cè)對(duì)象的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng) D/A 變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入 PLC 中，與給定的對(duì)應(yīng)所要控制的多組溫度值進(jìn)行比較，得知系統(tǒng)處于過(guò)溫度狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)風(fēng)扇，控制吹風(fēng)冷卻裝置，從而使?fàn)t溫下降，知道重新等于給定值為止。 由此看出系統(tǒng)是通過(guò)熱電偶測(cè)量被控量，并反饋到系統(tǒng)的輸入端，從而形成了閉合回路，此反饋信號(hào)通過(guò)比較線路與給定值進(jìn)行加法或減法運(yùn)算，獲得偏差信號(hào)，系統(tǒng)再根據(jù)偏差信號(hào)的大小和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以，爐溫控制系統(tǒng)是一個(gè)按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)。 各獨(dú)立模塊方案論證 溫度檢測(cè)模塊 采用西門子 S7200，它集成 14 個(gè)輸入 /10 輸出共 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 168 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。 16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。 5 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 1 個(gè) R5485 通訊編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議，MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力， I/O 端能容易的整體拆卸。具有較強(qiáng)的控制力。 使用西門子 S7200，其提供一個(gè) 4 點(diǎn) 12 位模擬量輸入和溫度傳感輸入模塊，輸入為 DC5~+5v 和 0~20mA 電壓或電流。 主控模塊 PLC S7200 cup 224 集成 14 輸入 /10 輸出共 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。可連續(xù) 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 168 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)， 16K 字節(jié)程序基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。 6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 1 個(gè) R5485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議， MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。 圖 CUP 224 模塊接線圖 圖 CPU224 AC/DC/繼電器 輸入 接線型式簡(jiǎn)圖 圖 24V DC 輸入圖 繼電器輸出 圖 24VDC 輸出 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 功率輸出電路及其控制原理的分析 加熱絲輸出功率大小的調(diào)節(jié)，可以使用移相調(diào)壓電路，也可以采用占空比開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制。在采用移想調(diào)壓電路時(shí)，即將計(jì)算到的控制量經(jīng) D/A 變換，控制可控硅的移相觸發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的無(wú)極調(diào)節(jié)。由于電壓輸出波形的不完整，含有高次諧波分量，對(duì)電網(wǎng)有一定的干擾。 采用占空比開(kāi)關(guān)電路控制，即考慮可控硅控制電壓和被控的交流電壓之間以及電熱絲產(chǎn)生的熱量和所家 的電壓之間的非線性，通過(guò)調(diào)節(jié)周期時(shí)間內(nèi)的通電時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的大小，可以避免 D/A 轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大造成的不必要的誤差，也可以通過(guò)可控硅的過(guò)零觸發(fā)電路避免對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾。在本系統(tǒng)中采用占空比開(kāi)關(guān)電路控制，功率輸出電路設(shè)計(jì)如圖 。 圖 功率輸出圖 溫度調(diào)節(jié)模塊 本系統(tǒng)中風(fēng)扇的作用是，當(dāng)爐溫過(guò)高時(shí)控制風(fēng)扇對(duì)其進(jìn)行降溫。當(dāng)系統(tǒng)處于過(guò)溫度狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)風(fēng)扇，控制吹風(fēng)冷卻裝置，從而使?fàn)t溫下降，知道重新等于給定值為止。本系統(tǒng)中熱電 阻的作用是，當(dāng)爐溫過(guò)低時(shí)，控制熱電阻對(duì)其進(jìn)行加熱。當(dāng)系統(tǒng)處于欠溫狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)熱電阻，控制加熱功率，從而使?fàn)t溫回升，直到重新等于給定值為止。 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主要的工作流程 本系統(tǒng)采用 PLC 作為核心處理器件，把經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)電路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集到的溫度數(shù)據(jù)，存入 PLC 的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，送 LED 顯示，并與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，然后由 PLC 輸出信號(hào)去控制加熱器。進(jìn)行溫度控制程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：實(shí)時(shí)采集溫度、溫度顯示、與上位 PLC 通信程序、警告和處理。軟件設(shè)計(jì)主要有：主程序、初值設(shè)定子程序、溫度讀 取子程序、顯示子程序和輸出控制子程序等。初值設(shè)定子程序完成對(duì)溫度初值的設(shè)定及數(shù)據(jù)保存；溫度讀子程序完成對(duì)溫度傳感器數(shù)據(jù)的讀取、并通過(guò)液晶顯示子程序顯示溫度值等等。 數(shù)字 PID 的數(shù)學(xué)建模 典型的數(shù)字 P1D 控制系統(tǒng)如圖 3 所示，圖中 SP(t)是給定值 PV(t)為反饋量，C(t)為輸出值， PID 控制器的輸入輸出關(guān)系可表示為： 1 ( )1( ) ( ) ( )0 d e tM t K c e t e t d t T dT i d t??? ? ?????? 式 在 PLC 控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過(guò) PID 控制指令實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)入 PLC 的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，必須 經(jīng)過(guò)采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入存儲(chǔ)器和寄存器，而在PLC 中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，使 PID 算法離散化，將描述連續(xù)時(shí)間 PID 算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲞B續(xù)時(shí)間 PID 算法的差分方程。 PID 的子程序流程圖如圖 3 所示，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)到得溫度值和設(shè)定溫度比較，求出相應(yīng)的溫度偏差值 E，根據(jù) E 與 a 的比較判斷采用 PID 算法或是 PD算法，隨后進(jìn)行算法處理，求出控制值。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中使用的是數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)，就是對(duì)式 離散化，離散 化時(shí)，令 ( ) ( )u t u kt? ( ) ( )e t e kT? 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 ( ) ( )e t T e jT? ?? ， ( ) / [ ( ) ( ) ] /d e t d t e k t e k T T T? ? ? 式中 T 是采樣周期，顯然，上述周期 T 必須足夠短，才能保證有足夠的精