水箱加热系统的PLC位式温度控制课程设计

目 录 一、前 言............................................. 1 1. 可编程序控制器的概述 ............................ 1 2．FX2N系列PLC简介 ................................. 2 3．特殊功能模块 .................................... 2 4. 调功器 .......................................... 3 5. 温度变送器 ..................................... 3 二、系统设计........................................... 4 1．系统设计要求 .................................... 4 2．系统硬件设计 .................................... 4 2.1． 水箱温度自动调节系统：.................... 4 2.2． 输入输出点数的分配表...................... 5 2.3． 相关元器件的选型.......................... 5 2.4． PLC的外部接线原理图....................... 6 3．系统软件设计 .................................... 7 3.1． 模拟量与数字量的对应关系.................. 7 3.2． 系统流程图的设计.......................... 7 3.3． 系统梯形图................................ 8 3.4． 系统指令表................................ 9 3.5． 系统实时监控图........................... 10 三、总 结............................................ 12 四、参考文献.......................................... 13 五、附 录............................................. 13 5.1.课介绍 ................................... 13 5.2.控制要求 ................................... 13 第一章 前 言 1.1 可编程序控制器的概述 随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机 控制已经广泛应用在所有的工业领域。现代社会要求制造业对市 场这一需求迅速做出反应，生产出小批量、多品种、多规格、低 成本和高质量的产品。可编程控制器就是顺应这一需要出现的， 它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。编程控制器不仅可 以按事先编好的程序进行各种逻辑控制，还具有随意编程、自动 诊断、通用性好、体积小、可靠性高的特点。因此，可编程控制 器正逐步取代着继电器－接触器控制系统。 国际电工委员会（IEC）于 1982 年 11 月和 1985 年 1 月对可 编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器（PLC）是一种 数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采 用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控 制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式 的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制 器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易 于扩充功能的原则而设计”。可编程序控制器（PLC）主要由 CPU 模块、输出模块和编程器组成。PLC 的特殊功能模块能完成某些特 殊的任务。从使用方式 PLC 分为： 1）整体式 PLC（又称单元式或 箱体式）整体式 PLC 是将电源、CPU、I／0 部件都集中装在一个机 箱内。一般小型 PLC 采用这种结构；2）模块式 PLC，将 PLC 各部 分分成若干个单独的模块，模块式 PLC 由框架和各种模块组成。 模块插在插座上。一般大、中型 PLC 采用模块式结构 3）PLC 将整 体式和模块式结合起来，称为叠装式 PLC。 1 2.2 FX2N 系列 PLC 简介 本次设计中，我们将采用 FX2n 系列 PLC,FX 系列 PLC 为单元 型，内含 CPU、电源和固定搭配的输入/输出。 Q4AR 系列为双机 热备系列，最大输入输出点数为 8192 点。 A 系列 PLC 的最大输入 输出点数为2048点。 F系列程控器的最大输入输出点数为256点。 三菱小型 FX 2（N）系列程控器的输入输出点最大不超过 256 点。 每台主机可连模入、模出、高速记数、定位等特殊功能模块，不 超过 8个。 FX 系列在日本三菱的姬路制作所生产。三菱姬路制作 所累计已生产超过三百万台 FX 系列 PLC。目前 FX 系列 PLC 为中 国内地销量最多的小型 PLC。FX2n 系列 PLC 是该系列中功能最强、 速度最快的微型 PLC。有 RAM, EPROM 和 EEPROM FX2N 系列 PLC 的 特点超高速的运算速度 0.08 微秒. 比 FX2 的 0.48 微秒快六倍. 容量极大 8K 步(最大 16K 步).比 FX2 大四倍.机体小型化 比 FX2 小 50% .兼容 FX2 的编程设计.备有多种不同的 FX2N 扩展单元及特 殊模块. 2.3 特殊功能模块 在工业控制中，某些输入量（例如压力、温度、流量、转速等） 是连续变化的模拟量，某些执行机构要求 PLC 输出模拟信号，而 PLC 的 CPU 只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换成 标准的电流和电压。其中，D/A 转换器将 PLC 的数字输出量转换成 模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量 I/O 模块的主要任 务就是完成 A/D 转换和 D/A 转换。根据设计要求，本次设计选用 模拟量输入模块 FX2N-4AD，该模块用 4个 12 位模拟量输入通道， 输入量程为 DC-10V--+10V 和 4—20MA，转换速度为 15MS/通道或 6MS/通道（高速）。 2 2.4 调功器 调功器是应用晶闸管（又称可控硅）及其触发控制电路用 于调整负载功率的盘装功率调整单元。 在电子设备中起重要作用的晶闸管（也称可控硅，英文缩 写SCR）被广泛用于各类生产部门，正在成为自动化、高效化 不可缺少的装置。在最新的温度控制中晶闸管的利用明显的普 及起来。但在国内对其有不同的叫法，如晶闸管调整器、可控 硅调整器、晶闸管控制器、可控硅控制器、晶闸管调压器、可 控硅调压器、晶闸管调功器、可控硅调功器、调压器、调功器、 晶闸管交流电力控制器、可控硅交流电力控制器 、电力调整 器、电力控制器、电压调整器、电压控制器等。 2.5 温度变送器 温度变送器，专应于热电阻或热点偶，讲温度转换成 4-20MA 的电流信号。 至于要不要加模块，要看接受的控制器对于输入信号是 0-10V 还是 4-20MA。一般现在的控制器，都直接配有相应的温度变送器 模拟量输入模块，如温控器，PLC 的热电阻模拟量模块等 温度变送器的作用是与热电偶或热电阻配合，将温度或温差信 号转换成 4—20 毫安的统一的直流电信号，并将这些信号输送给 调节器或显示仪表。PT100 的热电阻输出的是电阻信号，变送器输 出的是毫安信号, 温度变送器 0-100 度与 0-150 度最大值时输出电流均为 20MA， 所以当温度同为 100 度时，0-100 度的变送器输出电流为 20MA， 而 0-150 度的变送器输出电流为 14-15MA 左右。所以在不改变接 收装置参数的情况下它们不可以互换。 3 第二章 系统设计 2.1 系统设计要求 本系统的被控对象是 1KW 电加热管，被控制量是水箱的水温 T，PLC 的模拟量输出控制调功器的输出，由调功器控制电加热管 的通断，被控对象为水箱中的单相电热管，被控制量为水箱水温。 它由铂电阻 PT100 测定，输入到温度变送器上，量程为 0~100℃。 温度变送器变换为 4~20mA 传送给 PLC 的模拟量输入通道。根据给 定值加上 dF 与测量的温度值相比较的结果，PLC 模拟量输出通道 向晶闸管调功器发出控制信号，从而达到控制水箱温度的目的 2.2 系统硬件设计 根据对系统设计内容的分析，确定控制系统所需要的输入输出 点数为 1/3 点。选用 FX 系列 PLC, 输入输出点数的分配如表 2-1 所示，由于系统必须对温度信号进行采集和控制，还必须使用到 模拟量输入/输出模块 FX-4AD 模块、晶闸管跳功模块、温度变送 器。 2.2.1 水箱温度自动调节系统： 4 温度设定值 C（t） 该闭环系统的组成中，刮号中的部分即用 FX 系列的 PLC 和模 拟量 FX-4AD 模块实现；用热电偶水箱温度，温度变送器将温 _ 温度变送器A/D PID调节器 D/A 调功器 单相电热管 度转换为标准量程的电流送给模拟量输入模块，经过 PLC 的内部 处理将模拟量转化成可识别的数字量与设定值比较处理，在将控 制信号作用于控制调功器上，以此来控制水箱中电热管的开关情 况，实现对水箱温度的闭环控制。 2.2.2 输入输出点数的分配表 表 2-1 输入和输出点分配表 功能键设定 辅助继电器 输出继电器 开始加热控制 M0 Y0 持续加热控制 M1 Y1 停止加热控制 M2 Y2 总停控制 SB1(外部元件) X0(内部地址) 2.2.3 相关元器件的选型 表 2-2 元器件明细表 序 号 元器件 技术要求 选 型 数量 1 可编程控制器 输入点数＞24 输出点数＞8 三菱 FX2N-48MR 1台 2 模拟量输入模块 标准电流 4~20mA 三菱 FX2N-4AD 1套 3 单相加热管 输出功率 1KW 符合技术要求即可 1支 4 温度变送器 量程 0~100， 标准电流 4~20mA 符合技术要求即可 1套 5 编程软件包 具有编辑、诊断、通讯功能 FXGP_WIN-C 1套 6 连接导线 红、黑两种颜色 若干 5 2.2.4 PLC 的外部接线原理图 FX2n-48R FX2n-4AD L N X1 Y0 Y1 Y2 +2 4-2 4+2 4 -2 4 V+ V- 温度变送器 晶闸 管调 功电 路 水箱 热电阻 N L 22 0V MAX:100 C RL PU T LI NE LO AD A UT O 0V N L FU2 FU1 水箱温度信号AI1 Q1 COM0 +2 V4 +5V 图 2-4 PLC 的外部接线原理图 6 第三章 系统软件设计 3.1 模拟量与数字量的对应关系 转化时应综合考虑变送器的输出、出入量程和模拟量输入模 块的量程，找出被测物理量与 A/D 转换后的数据之间的关系。 根据系统要求，所要测量的温度量程为 0-100C,所对应的数 据量为 0-2000，由此可根据公式： 测量温度=(100*D0/2000)C=0.05D0C 其中，D0 为 PLC 转换出来的数字量 3.2 系统流程图的设计 7 模拟量输入 数字量输出 M0 M1 M2 A\D转换 Y0 Y1 Y2 X0 D0>D1 D0方案

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