畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于PLC實現(xiàn)的水溫控制.doc

陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 基于基于 PLC 實現(xiàn)的水溫控制實現(xiàn)的水溫控制 XXX （陜西理工學(xué)院 電氣工程系 自動化專業(yè)，2007 級 2 班，陜西 漢中 723003） 指導(dǎo)教師：XXX 摘要摘要 針對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中現(xiàn)有的水溫控制系統(tǒng)可靠性低、控制精度差、成本高等缺點。我們利用三菱 FX0N60-MR 型 PLC 構(gòu)建了一個水溫控制系統(tǒng)對這一問題進(jìn)行了研究。在整個控制系統(tǒng)中以電阻爐作為被控對象， 以水溫為被控變量，以三菱 FX0N60-MR 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 機接口設(shè)置目標(biāo)溫度；控制算法的選擇經(jīng)過對模糊控制和 PID 算法的實驗對比，最終選擇采用 PID。PLC 程序利用 梯形圖編程語言進(jìn)行編寫。在系統(tǒng)搭建完成后我們利用試湊法，通過大量實驗對 PID 控制器的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn) 過測試系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計要求。除此之外該系統(tǒng)還具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)可靠性高、制作成本低廉、控制器參數(shù) 易于調(diào)試等優(yōu)點。能夠利用小型 PLC 實現(xiàn)對水溫較高精度的控制。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞PLC 溫度控制 PID 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 PLC-based temperature control to achieve Liao zhong lin (Grade 07,Class2,Major Automation ，Department of Electrical Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi) Tutor: Liu pei Abstract According to the existing water temperature in the industry and agriculture production control system reliability, low cost, high control precision poor shortcomings. We use mitsubishi FX0N60-MR type PLC has constructed a water temperature control system for this problem is studied. In the whole control system to resistance furnace as controlled object to water temperature as controlled variables, the mitsubishi FX0N60-MR type PLC as the controller, input part plus photoelectric couplers, buttons and digital tube and constructing the man-machine interface set target temperature; The choice of control algorithm based on fuzzy control and PID algorithm experimental, finally choosing PID. PLC program use ladder diagram programming language to write. After the completion of the structures in the system we use trail-and-error, through a large number of experiments of PID controller parameters are optimized, the test system can meet the design requirements. Besides this system also has the hardware structure is simple, system reliability high, production cost is low, and the controller parameters is easy to debug, etc. Can use small PLC to control the water temperature higher accuracy. Key words PLC temperature control PID 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 目 錄 緒論 1 1設(shè)計方案的論證 2 1.1 PLC 的選型2 1.1.1 常用 PLC 的特點比較.2 1.1.2 本設(shè)計 PLC 的選型.3 1.2 控制方案的選擇3 1.2.1 采用模糊控制的溫度控制3 1.2.2 采用 PID 算法的溫度控制 .3 1.2.3 控制方案的選擇.4 2硬件電路的設(shè)計 5 2.1 PLC 硬件資源分配設(shè)計5 2.2 溫度傳感器 .8 2.2.1 利用溫度變送器采集.8 2.2.2 利用 DS18B20 采集.8 2.3 輸入部分電路設(shè)計 .10 2.3.1 設(shè)置輸入部分電路設(shè)計.10 2.3.2 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入部分電路設(shè)計10 2.4 輸出部分電路設(shè)計10 3系統(tǒng)軟件的設(shè)計 13 3.1 PLC 編程語言簡介 .13 3.2 輸入部分程序設(shè)計15 3.3 顯示部分程序 .15 3.4 PID 運算部分程序設(shè)計.15 4系統(tǒng)的調(diào)試 19 4.1 硬件調(diào)試19 4.2 軟件調(diào)試19 4.1 軟硬件聯(lián)合調(diào)試19 4.3 實驗數(shù)據(jù)19 參考文獻(xiàn) 20 英語科技文獻(xiàn)翻譯 21 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 附錄 34 附錄 A：源程序34 附錄 B：元器件清單37 附錄 C：電路總圖38 附錄 D：實物圖39 致 謝 40 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 共 40 頁 緒論 溫度控制系統(tǒng)在各行各業(yè)的應(yīng)用雖然很廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平 仍然不高。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中現(xiàn)有的溫度控制系統(tǒng)存在著可靠性低、控制精度差、成本高等缺點。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。目前，我國在這方面總體水平處于很 落后水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適用于一般的溫度系統(tǒng) 的控制，難以控制滯后、復(fù)雜、時變溫度系統(tǒng)控制。對于要求較高的控制場合的智能化、自適應(yīng)控 制儀表，國內(nèi)還不十分成熟?，F(xiàn)狀中的問題主要體現(xiàn)在以下兩個方面： 位式調(diào)節(jié)器依然占主導(dǎo)地位。工業(yè)現(xiàn)場對溫度控制，常用有位式調(diào)節(jié)器和 PID 控制器等。位式 調(diào)節(jié)器作為一種溫度控制儀表，具有一些無法消除的缺陷，當(dāng)爐溫大于給定值時不加電壓，會導(dǎo)致 超調(diào)大，常有控制精度差或出現(xiàn)失控【基于模糊控制的 PLC 在溫度控制中的運用 J. 電氣傳動， 2005 年，35 卷第 8 期,54-59.】 。 穩(wěn)定性差、可靠性低。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)與控制方法的不斷革新和發(fā)展，對實時溫度控制的精 度以及反應(yīng)快速性的要求越來越高。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。傳統(tǒng) 的模擬式溫度控制方法已經(jīng)不能適用干現(xiàn)代工業(yè)對系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性的需求，特別是當(dāng)系統(tǒng)的溫 度指令信號發(fā)生快速變化時，傳統(tǒng)的模擬控制器固有的反應(yīng)時間和器件特性使系統(tǒng)的反應(yīng)穩(wěn)定過程 較慢、而且易受干擾，不能適應(yīng)現(xiàn)代高精度溫度控制的需求。 【李國萍.基于 PLC 的溫度控制系統(tǒng)的 設(shè)計J.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010 年 7 期，86.】 。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對溫度控制系統(tǒng)的要求越來越高，因此，高精度、智能化、人 性化的溫度控制系統(tǒng)是國內(nèi)外必然發(fā)展的趨勢。 本課題主要要解決問題是通過對水溫控制進(jìn)行研究，實現(xiàn)對溫度的高精度控制。在硬件實現(xiàn)上， 我們要解決外圍電路與 PLC 的連接，解決好各種輸入輸出設(shè)備的協(xié)調(diào)工作。本題目以電阻爐為被控 對象，以水溫為被控參數(shù)，以 PLC 為控制器，構(gòu)成水溫控制系統(tǒng)；采用 PID 算法，運用 PLC 梯形圖 編程語言進(jìn)行編程，實現(xiàn)水溫的自動控制。本課題將要解決的主要問題是熟悉 PLC 的使用和編程， 并用 PLC 編程實現(xiàn) PID 算法，并通過實際調(diào)試優(yōu)化控制器參數(shù)，實現(xiàn)對水溫的高精度控制。 系統(tǒng)設(shè)計大體如下，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 單片機制作一個 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，并設(shè)置按鈕和數(shù)碼管做為人機交互模塊，通過 PLC 輸出接點驅(qū)動繼電器，調(diào)節(jié)電熱爐工作的占空比。實現(xiàn)對爐內(nèi)水溫的控制。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 共 40 頁 1設(shè)計方案的論證 設(shè)計水溫控制的方法有多種多樣，方案是多種多樣的，由于 PLC 型號的多樣性和控制理論的 發(fā)展，控制方法的多樣性，選擇不同型號的 PLC 或者采用不同的控制算法，都會產(chǎn)生不同的爐溫 控制方案，下面從 PLC 選型和控制算法兩方面進(jìn)行方案的選擇。 1.1 PLC 的選型的選型 可編程控制器簡稱 PLC（Programmable logic Controller)是一種工業(yè)控制用計算機，是繼承自動 控制技術(shù)、計算機和電子及通信技術(shù)為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜， 可靠性強，編程簡單，易學(xué)易用等特點，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)控制的各個領(lǐng)域中被廣泛地使用。它使用可編程序的記憶以存儲指令，用來執(zhí)行邏輯、順序、 計時、計數(shù)和演算等功能并通過數(shù)字或模擬的輸入輸出，以控制各種機械或生產(chǎn)過程。現(xiàn)在 PLC 的功能強大，質(zhì)量優(yōu)良，品牌很多，特點各異。其中著名品牌有西門子、三菱、歐姆龍、施耐德等 等。 圖1.1 PLC 原理圖 1.1.1 常用常用 PLC 的特點比較的特點比較 市面上最常見的是三菱、西門子、歐姆龍三家公司的 PLC，現(xiàn)在我對它們簡單的進(jìn)行一下對比 介紹。 三菱系列的 PLC 三菱 PLC 英文名又稱：Mitsubish Power Line Communication， 三菱 PLC 在中國市場常見的有 以下型號： FR-FX1N FR-FX1S FR-FX2N FR-FX3U FR-FX2NC FR-A FR-Q。FX 系列 PLC 的主要 特點：編程語言。在 FX 系列可編程控制器控制器中，除基本的指令表變成方式外，還可以采用在 圖形畫面上進(jìn)行階梯符號作圖的梯形圖編程方式，以及對應(yīng)機械動作流程進(jìn)行順控設(shè)計的 SFC（順 序功能圖）方式，而且，這些程序可以相互轉(zhuǎn)換換。指令表及梯形圖程序如果按一定的規(guī)則編寫， 也可以實現(xiàn)到 SFC 圖的逆變換。高速處理三菱系列 PLC 可以實現(xiàn)高速處理，F(xiàn)X 系列可編程控制器 內(nèi)置的高速計數(shù)器，對來自特定的輸入繼電器的高速脈沖進(jìn)行中斷處理，因此與掃描時間無關(guān)，可 以進(jìn)行高達(dá) 60kHz/h 的高速脈沖。在可編程控制器中設(shè)置了 C-R 濾波器，以防止輸入信號的震動和 噪音的影響?？梢詫γ}沖進(jìn)行捕捉，在脈沖捕捉中可以監(jiān)視來自特定輸入的脈沖信號，也可以在輸 入時采用中斷處理設(shè)置特殊輔助繼電器。FX 的 PLC 支持順序控制?？删幊炭刂破鞯膾呙柚芷谑呛?定模式，采用次模式可以以固定的周期處理和運算同步執(zhí)行的指令。在設(shè)備不停機的情況下也可以 對運行過程中的程序進(jìn)行改變的功能。應(yīng)用指令 FX 系列 PLC 基于追求“基本功能、高速處理、便 于使用”的規(guī)范理念，F(xiàn)X 可編程控制器具有數(shù)據(jù)的傳送和比較，四則運算及邏輯運算、數(shù)據(jù)的循環(huán) 和位移等基本指令，還有輸入輸出刷新、中斷、高速計算器專用比較指令、高速脈沖輸出等高速處 理指令，以及在 SFC 控制方面，將機械控制的標(biāo)準(zhǔn)動作封袋化的狀態(tài)初始化指令等。此外，還提 供了可適應(yīng)更復(fù)雜的控制的浮點運算及 PID 運算等。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 共 40 頁 西門子系列 PLC 西門子 SIAMTIC 模塊化控制器有著很大的優(yōu)勢，它可以即買即用，長期兼容性和可用性， 可以在惡劣環(huán)境下工作，模塊還可以擴展和升級。西門子的產(chǎn)品十分的抗震動，通過集中式和 分布式 I/O 控制。所以西門子在最近的一些年內(nèi)能夠很有力的打進(jìn)中國的市場并能在中國的市 場牢牢的扎根。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 S7-200、S7- 300、S7-400。S7-200 它適用于一系列機械設(shè)備的制造或用作獨立的解決方案，微型自動化系統(tǒng) 的組成部分，STEP 7 Micro/WIN 工程組態(tài)軟件應(yīng)用于它， ，應(yīng)用于性能要求較低的自動化任務(wù)。它 是低成本的微型系統(tǒng)。西門子 S7-300 它設(shè)計緊湊，安裝在 DIN 導(dǎo)軌上，在 CPU 中集成了許多功 能，通過在微型存儲器上保持?jǐn)?shù)據(jù)實現(xiàn)免維護(hù)， PROFIBUS 上的等時模式，屬于故障安全類型。 西門子 S7-400 具有多種機架類型的機架系統(tǒng)，優(yōu)異的高速處理能力和通訊性能，可以在運行中更 改組態(tài)，PROFIBUS 上的等時模式(圖 1)，還支持 PROFIBUS 連接分布式 I/O(如圖 2)，屬于故障安 全和容錯類型，熱插拔。S7-400 的 三個 H CPU，支持硬件同步, 功能強大的解決方案，不會發(fā)生 任何信息損失，且可對工程任務(wù)提供高級支持，無需額外的編程費用, 可以為安全應(yīng)用輕松擴展 H 系統(tǒng)。西門子 plc 現(xiàn)在不僅全面使用 16 位、32 位高性能微處理器，高性能位片式微處理器， RISC(reduced instruction set computer)精簡指令系統(tǒng) CPU 等高級 CPU，而且在一臺 PLC 中配置多個 微處理器，進(jìn)行多通道處理，同時生產(chǎn)了大量內(nèi)含微處理器的智能模塊，使得第四代 PLC 產(chǎn)品成 為具有邏輯控制功能、過程控制功能、運動控制功能、數(shù)據(jù)處理功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能的真正名符其 實的多功能控制器 歐姆龍 PLC 歐姆龍 PLC 包括微型機，中型機，大中型機三種。CPM1A 微型機屬于結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低的 PLC，在 CPU 單元中裝配了 1040 點的輸入輸出端子，為一體化組建型的 plc。增加了實現(xiàn)平穩(wěn)輸 入輸出動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、高速計數(shù)器功能，模擬設(shè) 定定時器功能等采用快速山村，無電池的內(nèi)存支持得以實現(xiàn)，維護(hù)簡單化。 1.1.2 本設(shè)計本設(shè)計 PLC 的選型的選型 由于硬件環(huán)境的限制學(xué)校實驗室現(xiàn)僅有三菱 FX0N60MR 和西門子 S7-200 兩種型號的 PLC，由 于在此之前對三菱 PLC 進(jìn)行過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，而且三菱系列的 PLC 配有手持編程器，易于在現(xiàn)場對 PID 參數(shù)進(jìn)行整定所以選擇了三菱 FX0N60MR 型 PLC 為控制器。 1.2 控制方案的選擇控制方案的選擇 采用不同的控制算法，產(chǎn)生的控制結(jié)果也會大不相同，根據(jù)現(xiàn)有的知識，初步?jīng)Q定從經(jīng)典控制 理論和智能控制理論中選取了 PID 和模糊控制兩種控制方案。現(xiàn)將兩種控制方案大致介紹如下。 1.2.1 采用模糊控制的溫度控制采用模糊控制的溫度控制 這個設(shè)計方案控制算法采用模糊控制，根據(jù)以往的經(jīng)驗，根據(jù)實測溫度與設(shè)定的溫度計算偏差 大小，根據(jù)偏差劃分偏差隸屬度區(qū)間，設(shè)定規(guī)則庫，控制時根據(jù)偏差和相應(yīng)的規(guī)則庫調(diào)節(jié)控制量的 大小。運用 PLC 編程時，數(shù)據(jù)運算處理比較繁瑣，但是 PLC 內(nèi)部具有比較指令和區(qū)間比較指令， 用其實現(xiàn)模糊推理相對容易，所以該方案在編程實現(xiàn)上具有一定優(yōu)勢。 1.2.2 采用采用 PID 算法的溫度控制算法的溫度控制 PID 控制是迄今為止最通用的控制方法之一。因為其可靠性高、算法簡單、魯棒性好，所以被 廣泛應(yīng)用于過程控制中,尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。PID 控制的效果完全取決于 其四個參數(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。因而,PID 參數(shù)的整定與優(yōu)化 一直是自動控制領(lǐng)域研究的重要課題。PID 在工業(yè)過程控制中的應(yīng)用已有近百年的歷史，在此期間 雖然有許多控制算法問世,但由于 PID 算法以它自身的特點，再加上人們在長期使用中積累了豐富 經(jīng)驗，使之在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。在 PID 算法中，針對 P、I、D 三個參數(shù)的整定和優(yōu)化的 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 共 40 頁 問題成為關(guān)鍵問題。運用該方案最大的優(yōu)點就是控制精度要高方案一。 1.2.3 控制方案的選擇控制方案的選擇 第一種方案采用模糊控制的溫度控制設(shè)計其優(yōu)點是，控制原理簡單、思路清晰，能夠滿足一般 的控制精度。但對控制精度要求較高場合的不適應(yīng)，切組建模糊規(guī)則需經(jīng)過長時間大量實驗修改確 定。而第二種方案采用 PID 算法的溫度控制不僅能夠繼承上一種方案的各種優(yōu)點，還能改進(jìn)上一種 設(shè)計方案設(shè)計不靈活，隸屬度函數(shù)組建困難，調(diào)試耗時，控制精度低等缺點。所以本設(shè)計選擇了第 二種方案。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 共 40 頁 2硬件電路的設(shè)計 2.1 PLC 硬件資源分配設(shè)計硬件資源分配設(shè)計 本設(shè)計中選用是三菱公司的 FX0N-MR60 型 PLC。M 表示是基本模塊，R 表示是繼電器輸出。 FX 系列 PLC 是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，以逐步替代三菱公司原 F、F1、F2 系列 PLC 產(chǎn)品。其中 FX2 是 1991 年推出的產(chǎn)品，F(xiàn)X0 是在 FX2 之后推出的超小型 PLC 三菱 PLC。其具有系統(tǒng)配置即固定又靈活；編程簡單；備有可自由選擇，豐富的品種外設(shè)； 令人放心的高性能；高速運算；可使用于多種特殊用途等特點。 圖 2.1 三菱 FX0N-60MR 型 PLC 外形圖 三菱 FX 系列 PLC 常數(shù)（K、H） K 是表示十進(jìn)制整數(shù)的符號，主要用來指定定時器或計數(shù)器的設(shè)定值及應(yīng)用功能指令操作數(shù)中 的數(shù)值；H 是表示十六進(jìn)制數(shù)，主要用來表示應(yīng)用功能指令的操作數(shù)值。 三菱 FX 系列 PLC 指針（P、I） 在 FX 系列中，指針用來指示分支指令的跳轉(zhuǎn)目標(biāo)和中斷程序的入口標(biāo)號。分為分支用指針、 輸入中斷指針及定時中斷指針和記數(shù)中斷指針。 分支用指針（P0P127） FX2N 有 P0P127 共 128 點分支用指針。分支指針用來指示跳轉(zhuǎn)指令（CJ）的跳轉(zhuǎn)目標(biāo)或子 程序調(diào)用指令（CALL）調(diào)用子程序的入口地址。 中斷指針（I0I60） 中斷指針是用來指示某一中斷程序的入口位置。執(zhí)行中斷后遇到 IRET（中斷返回）指令，則 返回主程序。中斷用指針有以下三種類型。 輸入中斷用指針（I00I50）共 6 點，它是用來指示由特定輸入端的輸入信號而產(chǎn)生中斷的中 斷服務(wù)程序的入口位置，這類中斷不受 PLC 掃描周期的影響，可以及時處理外界信息。 定時器中斷用指針（I6I8）共 3 點，是用來指示周期定時中斷的中斷服務(wù)程序的入口位置， 這類中斷的作用是 PLC 以指定的周期定時執(zhí)行中斷服務(wù)程序，定時循環(huán)處理某些任務(wù)。處理的時 間也不受 PLC 掃描周期的限制。表示定時范圍，可在 1099ms 中選取。 計數(shù)器中斷用指針（I010I060）共 6 點，它們用在 PLC 內(nèi)置的高速計數(shù)器中。根據(jù)高速計數(shù) 器的計數(shù)當(dāng)前值與計數(shù)設(shè)定值之關(guān)系確定是否執(zhí)行中斷服務(wù)程序。它常用于利用高速計數(shù)器優(yōu)先處 理計數(shù)結(jié)果的場合。 三菱 FX 系列 PLC 數(shù)據(jù)寄存器（D） 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 共 40 頁 PLC 在進(jìn)行輸入輸出處理、模擬量控制、位置控制時，需要許多數(shù)據(jù)寄存器存儲數(shù)據(jù)和參數(shù)。 數(shù)據(jù)寄存器為 16 位，最高位為符號位?？捎脙蓚€數(shù)據(jù)寄存器來存儲 32 位數(shù)據(jù)，最高位仍為符號位。 數(shù)據(jù)寄存器有以下幾種類型。 通用數(shù)據(jù)寄存器（D0D199） 共 200 點。當(dāng) M8033 為 ON 時，D0D199 有斷電保護(hù)功能；當(dāng) M8033 為 OFF 時則它們無斷 電保護(hù)，這種情況 PLC 由 RUN STOP 或停電時，數(shù)據(jù)全部清零。 特殊數(shù)據(jù)寄存器（D8000D8255） 共 256 點。特殊數(shù)據(jù)寄存器的作用是用來監(jiān)控 PLC 的運行狀態(tài)。如掃描時間、電池電壓等。 未加定義的特殊數(shù)據(jù)寄存器，用戶不能使用。具體可參見用戶手冊。 變址寄存器（V/Z） FX2N 系列 PLC 有 V0V7 和 Z0Z7 共 16 個變址寄存器，它們都是 16 位的寄存器。變址寄 存器 V/Z 實際上是一種特殊用途的數(shù)據(jù)寄存器，其作用相當(dāng)于微機中的變址寄存器變，用于改變元 件的編號（變址），例如 V0=5，則執(zhí)行 D20V0 時，被執(zhí)行的編號為 D25（D20+5）。變址寄存器 可以象其它數(shù)據(jù)寄存器一樣進(jìn)行讀寫，需要進(jìn)行 32 位操作時，可將 V、Z 串聯(lián)使用（Z 為低位，V 為高位）。 三菱 FX 系列 PLC 定時器（T） PLC 中的定時器（T）相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的通電型時間繼電器。它可以提供無限對常開 常閉延時觸點。定時器中有一個設(shè)定值寄存器（一個字長），一個當(dāng)前值寄存器（一個字長）和一 個用來存儲其輸出觸點的映象寄存器（一個二進(jìn)制位），這三個量使用同一地址編號。但使用場合 不一樣，意義也不同。 FX2N 系列中定時器時可分為通用定時器、積算定時器二種。它們是通過對一定周期的時鐘脈 沖的進(jìn)行累計而實現(xiàn)定時的，時鐘脈沖有周期為 1ms、10ms、100ms 三種，當(dāng)所計數(shù)達(dá)到設(shè)定值時 觸點動作。設(shè)定值可用常數(shù) K 或數(shù)據(jù)寄存器 D 的內(nèi)容來設(shè)置。 通用定時器 通用定時器的特點是不具備斷電的保持功能，即當(dāng)輸入電路斷開或停電時定時器復(fù)位。通用定 時器有 100ms 和 10ms 通用定時器兩種。 100ms 通用定時器（T0T199）共 200 點，其中 T192T199 為子程序和中斷服務(wù)程序?qū)Ｓ枚?時器。這類定時器是對 100ms 時鐘累積計數(shù)，設(shè)定值為 132767，所以其定時范圍為 0.13276.7s。 10ms 通用定時器（T200T245）共 46 點。這類定時器是對 10ms 時鐘累積計數(shù)，設(shè)定值為 132767，所以其定時范圍為 0.01327.67s。 積算定時器 積算定時器具有計數(shù)累積的功能。在定時過程中如果斷電或定時器線圈 OFF，積算定時器將保 持當(dāng)前的計數(shù)值（當(dāng)前值），通電或定時器線圈 ON 后繼續(xù)累積，即其當(dāng)前值具有保持功能，只有 將積算定時器復(fù)位，當(dāng)前值才變?yōu)?0。積算定時器有 1ms 和 100ms 積算定時器兩種。 1ms 積算定時器（T246T249）共 4 點，是對 1ms 時鐘脈沖進(jìn)行累積計數(shù)的，定時的時間范 圍為 0.00132.767s。 100ms 積算定時器（T250T255）共 6 點，是對 100ms 時鐘脈沖進(jìn)行累積計數(shù)的定時的時間 范圍為 0.13276.7s。 三菱 FX 系列 PLC 內(nèi)部計數(shù)器 內(nèi)部計數(shù)器是在執(zhí)行掃描操作時對內(nèi)部信號（如 X、Y、M、S、T 等）進(jìn)行計數(shù)。內(nèi)部輸入信 號的接通和斷開時間應(yīng)比 PLC 的掃描周期稍長。16 位增計數(shù)器（C0C199）共 200 點，其中 C0C99 為通用型，C100C199 共 100 點為斷電保持型（斷電保持型即斷電后能保持當(dāng)前值待通 電后繼續(xù)計數(shù)）。這類計數(shù)器為遞加計數(shù)，應(yīng)用前先對其設(shè)置一設(shè)定值，當(dāng)輸入信號（上升沿）個 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 40 頁 數(shù)累加到設(shè)定值時，計數(shù)器動作，其常開觸點閉合、常閉觸點斷開。計數(shù)器的設(shè)定值為 132767（16 位二進(jìn)制），設(shè)定值除了用常數(shù) K 設(shè)定外，還可間接通過指定數(shù)據(jù)寄存器設(shè)定。 三菱 FX 系列 PLC 輔助繼電器（M） 輔助繼電器是 PLC 中數(shù)量最多的一種繼電器，一般的輔助繼電器與繼電器控制系統(tǒng)中的中間 繼電器相似。 輔助繼電器不能直接驅(qū)動外部負(fù)載，負(fù)載只能由輸出繼電器的外部觸點驅(qū)動。輔助繼電器的常 開與常閉觸點在 PLC 內(nèi)部編程時可無限次使用。 輔助繼電器采用 M 與十進(jìn)制數(shù)共同組成編號（只有輸入輸出繼電器才用八進(jìn)制數(shù)）。 通用輔助繼電器（M0M499） FX2N 系列共有 500 點通用輔助繼電器。通用輔助繼電器在 PLC 運行時，如果電源突然斷電， 則全部線圈均 OFF。當(dāng)電源再次接通時，除了因外部輸入信號而變?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。通用輔助繼電器常在邏輯運算中作為輔助運算、狀態(tài)暫存、移 位等。 根據(jù)需要可通過程序設(shè)定，將 M0M499 變?yōu)閿嚯姳３州o助繼電器。 斷電保持輔助繼電器（M500M3071） FX2N 系列有 M500M3071 共 2572 個斷電保持輔助繼電器。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的狀態(tài)，并在重新通電后再現(xiàn)其狀態(tài)。它之所以能在電源 斷電時保持其原有的狀態(tài)，是因為電源中斷時用 PLC 中的鋰電池保持它們映像寄存器中的內(nèi)容。 其中 M500M1023 可由軟件將其設(shè)定為通用輔助繼電器。 特殊輔助繼電器 PLC 內(nèi)有大量的特殊輔助繼電器，它們都有各自的特殊功能。FX2N 系列中有 256 個特殊輔助 繼電器，可分成觸點型和線圈型兩大類。觸點型其線圈由 PLC 自動驅(qū)動，用戶只可使用其觸點。 例如： M8000：運行監(jiān)視器（在 PLC 運行中接通），M8001 與 M8000 相反邏輯。M8002：初始脈沖（僅 在運行開始時瞬間接通），M8003 與 M8002 相反邏輯。M8011、M8012、M8013 和 M8014 分別是 產(chǎn)生 10ms、100ms 、1s 和 1min 時鐘脈沖的特殊輔助繼電器。線圈型由用戶程序驅(qū)動線圈后 PLC 執(zhí)行特定的動作。例如：M8033：若使其線圈得電，則 PLC 停止時保持輸出映象存儲器和數(shù)據(jù)寄 存器內(nèi)容。M8034：若使其線圈得電，則將 PLC 的輸出全部禁止。M8039：若使其線圈得電，則 PLC 按 D8039 中指定的掃描時間工作。 狀態(tài)器（S） 狀態(tài)器用來紀(jì)錄系統(tǒng)運行中的狀態(tài)。是編制順序控制程序的重要編程元件，它與后述的步進(jìn)順 控指令 STL 配合應(yīng)用。狀態(tài)器有五種類型：初始狀態(tài)器 S0S9 共 10 點；回零狀態(tài)器 S10S19 共 10 點；通用狀態(tài)器 S20S499 共 480 點；具有狀態(tài)斷電保持的狀態(tài)器有 S500S899，共 400 點； 供報警用的狀態(tài)器（可用作外部故障診斷輸出）S900S999 共 100 點。 在使用用狀態(tài)器時應(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；狀態(tài)器不與步 進(jìn)順控指令 STL 配合使用時，可作為輔助繼電器 M 使用。 三菱 FX 系列 PLC 輸出繼電器（Y） 輸出繼電器是用來將 PLC 內(nèi)部信號輸出傳送給外部負(fù)載（用戶輸出設(shè)備）。輸出繼電器線圈 是由 PLC 內(nèi)部程序的指令驅(qū)動，其線圈狀態(tài)傳送給輸出單元，再由輸出單元對應(yīng)的硬觸點來驅(qū)動 外部負(fù)載。 每個輸出繼電器在輸出單元中都對應(yīng)有維一一個常開硬觸點，但在程序中供編程的輸出繼電器， 不管是常開還是常閉觸點，都可以無數(shù)次使用。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 40 頁 FX 系列 PLC 的輸出繼電器也是八進(jìn)制編號其中 FX0N60MR 編號范圍為 Y00Y27（24 點）。 與輸入繼電器一樣，基本單元的輸出繼電器編號是固定的，擴展單元和擴展模塊的編號也是按與基 本單元最靠近開始，順序進(jìn)行編號。 三菱 FX 系列 PLC 輸入繼電器（X） 輸入繼電器與輸入端相連，它是專門用來接受 PLC 外部開關(guān)信號的元件。PLC 通過輸入接口 將外部輸入信號狀態(tài)（接通時為“1”，斷開時為“0”）讀入并存儲在輸入映象寄存器中。 輸入繼電器必須由外部信號驅(qū)動，不能用程序驅(qū)動，所以在程序中不可能出現(xiàn)其線圈。由于輸 入繼電器（X）為輸入映象寄存器中的狀態(tài)，所以其觸點的使用次數(shù)不限。 FX 系列 PLC 的輸入繼電器以八進(jìn)制進(jìn)行編號，F(xiàn)X2N 輸入繼電器的編號范圍為 X000X267（184 點）。注意，基本單元輸入繼電器的編號是固定的，擴展單元和擴展模塊是按與 基本單元最靠近開始，順序進(jìn)行編號。例如：基本單元 FX0N-64MR 的輸入繼電器編號為 X000X037（32 點）。 SWOPC-FXGP/WIN-C 是與電腦相連的三菱 PLC 的編程軟件，它可以將寫好的梯形圖直接下載 到 PLC 里，但需要下載線 RS232，由于沒有下載線，所以用編程器進(jìn)行編程。 經(jīng)過對 PLC 內(nèi)部資源的了解，我們對 PLC 端口資源作如下分配。輸入部分： 2.2 溫度傳感器溫度傳感器 溫度采集開始想的是用熱電偶測溫，通過對變送器送出來的是 1-5V 的電壓信號進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換 得到對應(yīng)溫度。起初方案是采用 ADC0809 做轉(zhuǎn)換芯片，NE555 做 08009 的時鐘源，做出來是 78.9KHZ，用 PLC 控制 0809 的時序，但是由于這是個轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)處理都很復(fù)雜。最主要是精 度較低，所以最終還是選用了 DS18B20 做溫度傳感器測水溫。下面將兩種方案簡單介紹如下。 2.2.1 利用溫度變送器采集利用溫度變送器采集 溫度變送器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的儀表。主要用于工業(yè)過程溫度 參數(shù)的測量和控制。 溫度變送器通常由兩部分組成：傳感器和信號轉(zhuǎn)換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻；信號轉(zhuǎn) 換器主要由測量單元、信號處理和轉(zhuǎn)換單元組成（由于工業(yè)用熱電阻和熱電偶分度表是標(biāo)準(zhǔn)化的， 因此信號轉(zhuǎn)換器作為獨立產(chǎn)品時也稱為變送器） ，有些變送器增加了顯示單元，有些還具有現(xiàn)場總 線功能。 變送器如果由兩個用來測量溫差的傳感器組成，輸出信號與溫差之間有一給定的連續(xù)函 數(shù)關(guān)系。故稱為溫度變送器。 變送器輸出信號與溫度變量之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關(guān)系（通常為 線性函數(shù)） ，早期生產(chǎn)的變送器其輸出信號與溫度傳感器的電阻值（或電壓值）之間呈線性函數(shù)關(guān) 系。 標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號主要為 0mA10mA 和 4mA20mA（或 1V5V）的直流電信號。不排除具有特殊規(guī) 定的其他標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號。 Pt100 是鉑熱電阻溫度變送是一種可選的溫度變送器，Pt100 的阻值會隨著溫度的變化而改變。 PT 后的 100 即表示它在 0時阻值為 100 歐姆，在 100時它的阻值約為 138.5 歐姆。它的工業(yè)原 理：當(dāng) PT100 在 0 攝氏度的時候他的阻值為 100 歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長的。 2.2.2 利用利用 DS18B20 采集采集 DALLAS 最新單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 簡介新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬、 更經(jīng)濟 Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS1820 是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫 度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引 入全新概念。DS18B20、 DS1822 “一線總線”數(shù)字化溫度傳感器 同 DS1820 一樣，DS18B20 也 支 持“一線總線”接口，測量溫度范圍為 -55C+125C，在-10+85C 范圍內(nèi),精度為0.5C。DS1822 的精度較差為 2C ?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。與前 一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持 3V5.5V 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品 更便宜，體積更小。 DS18B20、 DS1822 的特性 DS18B20 可以程序設(shè)定 912 位的分辨率，精度 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 40 頁 為0.5C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報警溫度存儲 在 EEPROM 中，掉電后依然保存。DS18B20 的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價格比也非常出 色！ DS1822 與 DS18B20 軟件兼容，是 DS18B20 的簡化版本。省略了存儲用戶定義報警溫度、分 辨率參數(shù)的 EEPROM，精度降低為2C，適用于對性能要求不高，成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用，是經(jīng)濟 型產(chǎn)品。繼“一線總線”的早期產(chǎn)品后，DS1820 開辟了溫度傳感器技術(shù)的新概念。DS18B20 和 DS1822 使電壓、特性及封裝有更多的選擇，可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟的測溫系統(tǒng)。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā) 器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM 和一個非 易失性的可電擦除的 E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、TL 和結(jié)構(gòu)寄存器。 圖 2.2 DS18B20 引腳圖 GND 為電源地；VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地） ；DQ 為數(shù)字信號 輸入/輸出端。 光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的 序列號，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1） 。光刻 ROM 的作用是使 每一個 DS18B20 都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的。 圖 2.3 DS18B20 輸出數(shù)據(jù)格式 DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例:用 16 位符號擴展的二進(jìn)制 補碼讀數(shù)形式提供，以 0.0625/LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號位。 轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符 號位，如果測得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 0.0625 即可得到實際溫度；如 果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到實際溫度。暫存存儲 器包含了 8 個連續(xù)字節(jié)，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，第一個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 共 40 頁 個字節(jié)是溫度的高八位。第三個和第四個字節(jié)是 TH、TL 的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器 的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計算。 第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。 實際運用時采用單片機，讀取 DS18B20，再由單片機端口輸出溫度數(shù)據(jù)至 PLC 的 X10-X17 輸 入結(jié)點。 2.3 輸入部分電路設(shè)計輸入部分電路設(shè)計 2.3.1 設(shè)置輸入部分電路設(shè)計設(shè)置輸入部分電路設(shè)計 輸入部分主要主要完成對系統(tǒng)的設(shè)置啟動等操作，使用了四個按鈕分別實現(xiàn)對系統(tǒng)啟動、開 始控制、設(shè)定值加、設(shè)定值減等設(shè)定，分別從 X0、X1、X2、X3 對應(yīng)輸入。 2.3.2 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入部分電路設(shè)計轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入部分電路設(shè)計 圖 2.4 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入部分電路 由于沒有 FX0N 系列 PLC 專用 AD 模塊，所以使用 DS18B20 與 51 單片機聯(lián)合制作了一個簡 易的 AD 輸入模塊，它能夠?qū)崟r溫度轉(zhuǎn)換為 8 位數(shù)據(jù)送入 PLC，包括 7 位數(shù)據(jù)位，1 位符號位。 輸入部分采用輸入節(jié)點 X10X17。 為了提高 PLC 的可靠性，減少外界對 PLC 運行的干擾，同時根據(jù) PLC 的輸入要求，采用光耦 芯片 TLP521 制作輸入電路。 2.4 輸出部分電路設(shè)計輸出部分電路設(shè)計 輸出部分分顯示電路和控制電路兩部分，顯示部分主要使用顯示譯碼器 74LS48 和數(shù)碼管組成， 控制電路使用節(jié)點 Y1 外接繼電器控制電熱杯。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 共 40 頁 圖 2.5 繼電器輸出單元 顯示部分系統(tǒng)分配 X14X17 為個位，X20X23 為十位，X24X27 為百位。7448 是 7 段 顯示譯碼器 ,輸出高電平有效的譯碼器。工作電壓為5V，用于驅(qū)動共陰極數(shù)碼管， 7448 除了 有實現(xiàn) 8 段顯示譯碼器基本功能的輸入（ DCBA）和輸出（YaYg）端外，7448 還引入了燈 測試輸入端（ LT）和動態(tài)滅零輸入端（ RBI），以及既有輸入功能又有輸出功能的消隱輸入 / 動態(tài)滅零輸出（ BI/RBO）端，如圖 2.6 所示。 Vcc 16 fgabcde 1 B CLT BI/RBO RBIDAGND 74LS48 圖 2.6 7448 引腳功能圖 表 2.1 7448/SN7448 譯碼器 0-9 真值表 LIRBID C B ABI/RBOYa Yb Yc Yd Ye Yf Yg顯示 110 0 0 011 1 1 1 1 1 00 1X0 0 0 110 1 1 0 0 0 01 1X0 0 1 011 1 0 1 1 0 12 1X0 0 1 111 1 1 1 0 0 13 1X0 1 0 010 1 1 0 0 1 14 1X0 1 0 111 0 1 1 0 1 15 1X0 1 1 010 0 1 1 1 1 16 1X0 1 1 111 1 1 0 0 0 07 1X1 0 0 011 1 1 1 1 1 18 1X1 0 0 110 0 0 1 1 0 19 數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八 段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示） ；按能顯示多少 個“8”可分為 1 位、2 位、4 位等等數(shù)碼管。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。共陽極數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 共 40 頁 極數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字 段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。 。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。共陰極數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到地 線 GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陽極為低 電平時，相應(yīng)字段就不亮。 圖 2.7 數(shù)碼管實物圖 圖 2.8 顯示部分電路圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 共 40 頁 3系統(tǒng)軟件的設(shè)計 軟件設(shè)計是該系統(tǒng)的要解決的核心問題，經(jīng)過分析結(jié)合設(shè)計要求，大致將軟件劃分為輸入部分、 顯示部分、PID 運算部分三個大模塊。 是 開始 初始化數(shù)據(jù) 設(shè)定目標(biāo)值 X3 閉合否 計算 U（k）max 進(jìn)行 PID 運算 輸出 顯示實時溫度 否 圖 3.1 程序總流程圖 3.1 PLC 編程語言簡介編程語言簡介 在 PLC 中有多種程序設(shè)計語言,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。梯形圖語言和布爾助記符語言是基本程序設(shè)計語言，它通常由一系 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 共 40 頁 列指令組成，用這些指令可以完成大多數(shù)簡單的控制功能，例如，代替繼電器、計數(shù)器、計時器完 成順序控制和邏輯控制等。通過擴展或增強指令集，它們也能執(zhí)行其它的基本操作。功能表圖語言 和語句描述語言是高級的程序設(shè)計語言，它可根據(jù)需要去執(zhí)行更有效的操作，例如，模擬量的控制， 數(shù)據(jù)的操縱，報表的報印和其他基本程序設(shè)計語言無法完成的功能。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 散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)時也常常被采用。由于它具有連接方便、操作簡單、易于掌握等特點，為 廣大工程設(shè)計和應(yīng)用人員所喜愛。 根據(jù) PLC 應(yīng)用范圍，程序設(shè)計語言可以組合使用，常用的程序設(shè)計語言有以下幾種，現(xiàn)做一 簡單對比介紹： 梯形圖(Ladder Diagram)程序設(shè)計語言 梯形圖程序設(shè)計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設(shè)計語言。采用梯形圖程序 設(shè)計語言，這種程序設(shè)計語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果，每個梯級是一個因果關(guān) 系。在梯級中，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)計語言是最常用的一種程序設(shè)計語言，它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。在 工業(yè)過程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉。因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā) 展而來的梯形圖受到歡迎，并得到廣泛的應(yīng)用。 梯形圖程序設(shè)計語言的特點是: 與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，易于撐握和學(xué)習(xí); 與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性; 與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點是:梯形圖中的能流(Power FLow)不是實際意義的電流， 內(nèi)部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此應(yīng)用時需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別 對待; 與布爾助記符程序設(shè)計語言有一一對應(yīng)關(guān)系，便于相互轉(zhuǎn)換和程序檢查。 布爾助記符(Boolean Mnemonic)程序設(shè)計語言 布爾助記符程序設(shè)計語言是用布爾助記符來描述程序的一種程序設(shè)計語言。布爾助記符程序設(shè) 計語言與計算機中的匯編語言非常相似，采用布爾助記符來表示操作功能。 布爾助記符程序設(shè)計語言具有下列特點: 采用助記符來表示操作功能，具有容易記憶，便于撐握的特點; 在編程器的鍵盤上采用助記符表示，具有便于操作的特點，可在無計算機的場合進(jìn)行編程設(shè) 計; 與梯形圖有一一對應(yīng)關(guān)系,其特點與梯形圖語言基本類同。 功能表圖(Sepuential Function Chart)程序設(shè)計語言 功能表圖程序設(shè)計語言是用功能表圖來描述程序的一種程序設(shè)計語言。它是近年來發(fā)展起來的 一種程序設(shè)計語言。采用功能表圖的描述，控制系統(tǒng)被分為若干個子系統(tǒng)，從功能入手，使系統(tǒng)的 操作具有明確的含義，便于設(shè)計人員和操作人員設(shè)計思想的溝通，便于程序的分工設(shè)計和檢查調(diào)試。 功能表圖程序設(shè)計語言的特點是: 以功能為主線，條理清楚，便于對程序操作的理解和溝通; 常用于系統(tǒng)規(guī)模校大、程序關(guān)系較復(fù)雜的場合; 對大型的程序，可分工設(shè)計，采用較為靈活的程序結(jié)構(gòu)，可節(jié)省程序設(shè)計、調(diào)試時間; 只有在活動步的命令和操作被執(zhí)行，對活動步后的轉(zhuǎn)換進(jìn)行掃描，因此整個程序的掃描時間 較其他程序編制的程序掃描時間要短得多。 功能表圖來源于佩特利(Petri)網(wǎng)，由于它具有圖形表達(dá)方式，能比較簡單清楚地描述并發(fā)系統(tǒng) 和復(fù)雜系統(tǒng)的所有現(xiàn)象，并能對系統(tǒng)中存在的象死鎖、不安全等反?，F(xiàn)象進(jìn)行分析和建模，在模型 的基礎(chǔ)上可以直接編程，因此得到了廣泛的應(yīng)用。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。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 共 40 頁 功能模塊圖(Function Block)程序設(shè)計語言 功能模塊圖程序設(shè)計語言是采用功能模塊來表示模塊所具有的功能，不同的功能模塊有不同的 功能。它有若干個輸入端和輸出端，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 控制運算或控制功能。功能模塊可以分為不同的類型，在同一種類型中，也可能因功能參數(shù)的不同 而使功能或應(yīng)用范圍有所差別，例如，輸入端的數(shù)量、輸入信號的類型等的不同使它的使用范圍不 同。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、 信號連接的替換等操作可以很方便實現(xiàn)。功能模塊圖程序設(shè)計語言的特點是: 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; 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)計人員的編程和組態(tài)，有較 好的易操作性; 由于每種功能模塊需要占用一定的程序內(nèi)存，對功能模塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行時間，因此， 這種設(shè)計語言在大中型 PLC 和集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)中才被采用。 對控制規(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)時間可以縮短，調(diào)試時間也能減少; 結(jié)構(gòu)化語句(Structured Text)描述程序設(shè)計語言 結(jié)構(gòu)化語句描述程序設(shè)計語言是用結(jié)構(gòu)化的描述語句來描述程序的一種程序設(shè)計語言。它是一 種類似于高級語言的程序設(shè)計語言。在大中型的可編程序控制器系統(tǒng)中，常采用結(jié)構(gòu)化語句描述程 序設(shè)計語言來描述控制系統(tǒng)中各個變量的關(guān)系。它也被用于集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)。 結(jié)構(gòu)化語句描述程序設(shè)計語言采用計算機的描述語句來描述系統(tǒng)中各種變量之間的運算關(guān)系， 完成所需的功能或操作。大多數(shù)制造廠商采用的語句描述程序設(shè)計語言與 BASIC 語言、PASCAL 語言或 C 語言等高級語言相類似，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。 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言具有下列特點: 采用高級語言進(jìn)行編程，可以完成較復(fù)雜的控制運算; 需要有一定的計算機高級程序設(shè)計語言的知識和編程技巧，對編程人員的技能要求較高，普 通電氣人員難以完成。 直觀性和易操作性等較差; 常被用于采用功能模塊等其他語言較難實現(xiàn)的一些控制功能的實施。 進(jìn)過分析對比，由于在之前系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過梯形圖語言，用梯形圖編程直觀易懂，而且由梯形圖 轉(zhuǎn)化指令表較為容易，所以選擇使用梯形圖編程。 3.2 輸入部分程序設(shè)計輸入部分程序設(shè)計 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，水的沸點為 100 攝氏 度，所以系統(tǒng)設(shè)定值的范圍為 50-100。在輸入時采用兩個鍵一個對溫度設(shè)定值進(jìn)行加操作、另一個 對溫度設(shè)定值進(jìn)行減操作。同時還應(yīng)該在對設(shè)定值進(jìn)行限制，不得小于 50，大于 100。 3.3 顯示部分程序顯示部分程序 在設(shè)置目標(biāo)溫度時系統(tǒng)需要顯示設(shè)定值，在進(jìn)行控制時系統(tǒng)需要顯示當(dāng)前的實時溫度，根據(jù)需 求設(shè)計了三位數(shù)碼管顯示，顯示時首先對要顯示的數(shù)進(jìn)行分解取出百位、十位、個位對應(yīng)的數(shù)據(jù)， 然后逐一送出進(jìn)行顯示。 3.4 PID 運算部分程序設(shè)計運算部分程序設(shè)計 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。人們在應(yīng)用的過程中積累了許多的經(jīng)驗，PID 的研究已經(jīng)到達(dá)一個比較高的程度。 所以我們選擇 PID 為控制器算法。 比例控制(P)是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。其特點 是具有快速反應(yīng)，控制及時，但不能消除余差。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 共 40 頁 在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。積分控制可以消除余差， 但具有滯后特點，不能快速對誤差進(jìn)行有效的控制。 在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。微 分控制具有超前作用，它能猜測誤差變化的趨勢，避免較大的誤差出現(xiàn)。但是容易引入干擾且不能 消除余差。 PID 控制，P、I、D 各有自己的長處和缺點，它們一起使用的時候又和互相制約，但只要合理 地選取 PID 控制器的參數(shù)值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量。 + + + 比例（P） 積分（I） 微分（D） 執(zhí)行部件 設(shè)定Y（t） 反饋 e（t） 圖 3.2 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng) 如圖 3.1 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)。輸入量 r 和偏差 e、輸出量 c 的關(guān)系: （3-1）)()()(tctrte 控制器的輸出為： （3-2） )( )( 1 )()( 1 0 dt tde Tdtte T teKtu d i p -PID 回路輸出)(tu -比例系數(shù) P p K -積分系數(shù) I i T -微分系數(shù) D d T PID 調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)為 （3-3