1、 xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）题 目 ： 基于 PLC 温度控制系统的设计 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测控 072 学 号： xxx学生姓名： xxx 指导教师： xxx 教 授 xxx 副教授 起迄日期： xxx 设计地点： xxx Graduation Design (Thesis)The Design Of The Temperature Examination In PLCTemperature Control SystemByxxxxxxSupervised byxxxxxAssociate Prof. LU HongSchool of Automation
2、 xxxx Institute of TechnologyJune, 2011xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）I摘 要本 文 介 绍 基 于 PLC 的 温 度 控 制 系 统 的 设 计 ， 包 括 A/D 转 换 、 标 度 变 换 、温 度 检 测 环 节 、 积 分 分 离 PID 算 法 以 及 过 零 数 字 触 发 电 路 的 设 计 。 主 要 内容 ： 实 际 温 度 经 温 度 传 感 器 检 测 ， 得 到 模 拟 电 压 值 ， 模 拟 量 再 经 A/D 转 换和 标 度 变 换 后 得 到 实 际 炉 温 。 数 字 控 制 器 根 据 恒 温 给 定
3、值 与 实 际 温 度 的 偏 差e（ k） 按 积 分 分 离 PID 控 制 算 法 ， 得 到 输 出 控 制 量 u（ k） ， 控 制 可 控 硅 导通 时 间 ， 调 节 炉 温 的 变 化 使 之 与 给 定 恒 温 值 一 致 。 达 到 恒 温 控 制 目 的 。 本 系统 对 温 度 检 测 和 调 节 环 节 做 了 进 一 步 的 优 化 设 计 ， 使 该 系 统 更 实 用 、 易 行和 可 靠 ， 同 时 也 提 高 了 产 品 质 量 和 减 轻 人 工 劳 力 负 担 。 它 在 实 际 应 用 中 具有 一 定 参 考 价 值 。关键词：温度检测；温度传感器
4、；A/D 转换；PIDxx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）IIABSTRACTThe introduction of temperature-based PLC control system design, including A/D conversion, scaling transformation, temperature checking links, scoring a zero separation PID algorithms and digital triggering circuit design. Main elements : the actual tempera
5、ture of the test temperature sensors, analog voltage is the value, volume via simulation A/D after his conversion and scaling practical furnace temperature. Digital signal controllers will be under constant temperature to the value and the actual temperature deviations e (k) by scoring separation PI
6、D control algorithms, with the volume of export control u (k), lead-time silicon-controlled rectifier control, regulate furnace temperature changes to the current agreement with the given constant temperature. Achieve thermostatic control purposes. Temperature of the system to do further testing and
7、 regulatory aspects of the design optimization, enabling the system more practical and easy OK and reliable, while also raising product quality and reducing the burden of manual labor. It must have practical application in reference value. Key words：temperature testing; Temperature sensors; A/D conv
8、ersion; PIDxx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）III目 录前言 1第一章 系统总体方案 2第二章 系统硬件设计 42.1 PLC 选择 .42.1.1 FX2N-48MR-001PLC42.1.2 FX2N-4AD 特殊功能模块 52.2 硬件电路设计.72.2.1 温度值给定电路82.2.2 温度检测电路82.2.3 过零检测电路102.2.4 晶闸管电功率控制电路.102.2.5 脉冲输出通道132.2.6 报警指示与显示电路.132.2.7 复位电路14第三章 系统软件设计 153.1 编程与通信软件的使用 .153.2 程序设计.163.3 系统程序流程图.173.
9、4 控制系统控制程序的开发.183.4.1 温度设计183.4.2 A/D 转换功能模块 .183.4.3 标度变换程序203.4.4 恒温控制程序203.4.5 数字触发器程序设计243.4.6 显示程序263.4.7 恒温指示程序273.4.8 报警程序27第四章 总结与展望 284.1 总结 .284.2 展望.28致谢29xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）IV参考文献 .30附录一：三菱 FX 系列 PLC 指令一览表 31附录二：热电偶温度传感器和信号放大器33附录三：系统程序（梯形图）36xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）1前 言随 着 时 代 的 发 展 ,当
10、 今 的 技 术 日 趋 完 善 ， 竞 争 也 愈 演 愈 烈 ;传 统 的 人 工的 操 作 已 不 能 满 足 于 目 前 的 制 造 业 前 景 ,也 无 法 保 证 更 高 质 量 的 要 求 和 提 升高 新 技 术 企 业 的 形 象 。在 生 产 实 践 中 ,自 动 化 给 人 们 带 来 了 极 大 的 便 利 和 产 品 质 量 上 的 保 证 ,同 时 也 减 轻 了 人 员 的 劳 动 强 度 ,减 少 了 人 员 上 的 编 制 。 在 许 多 复 杂 的 生 产 过程 中 难 以 实 现 的 目 标 控 制 、 整 体 优 化 、 最 佳 决 策 等 ,熟 练 的
11、 操 作 工 、 技 术人 员 或 专 家 、 管 理 者 却 能 够 容 易 判 断 和 操 作 ,可 以 获 得 满 意 的 效 果 。 人 工智 能 的 研 究 目 标 正 是 利 用 计 算 机 来 实 现 、 模 拟 这 些 智 能 行 为 ,通 过 人 脑 与计 算 机 协 调 工 作 ,以 人 机 结 合 的 模 式 ,为 解 决 十 分 复 杂 的 问 题 寻 找 最 佳 的 途径 。可 编 程 序 控 制 器 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
12、 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 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 。在 工 业 生 产 过 程 中 ， 加 热 炉 温 度 控 制 是 十 分 常 见 的 。 温 度 控 制 的 传 统 方法 是 人 工 仪 表 控 制 。 其 重 复 性 差 ， 工 艺 要 求 难 以 保 证 ， 人 工 劳 动 强 度 大 。目 前 大 多 数 使 用 微 机 代 替 常 规 控 制 。 以 微 机 为 核 心 控
13、制 系 统 虽 然 成 本 较 低 ，但 微 机 的 可 靠 性 和 抗 干 扰 性 较 差 而 使 其 硬 件 设 计 较 复 杂 。 而 以 PLC 为 核 心的 控 制 系 统 ， 虽 然 成 本 较 高 ， 但 PLC 本 身 就 有 很 强 的 抗 干 扰 性 和 可 靠 性 ，因 而 系 统 的 硬 件 设 计 也 简 单 得 多 。 所 以 ， 相 比 较 于 微 机 控 制 ， PLC 控 制 在过 程 控 制 方 面 更 具 有 优 势 。 这 种 系 统 控 制 精 度 高 、 重 复 性 好 、 自 动 化 程 度 高 ，可 以 大 大 提 高 产 品 质 量 和 减 轻
14、 工 人 的 劳 动 负 担 。 本 文 介 绍 了 以 PLC 为 核 心实 现 PID 算 法 的 温 度 控 制 系 统 的 设 计 方 法 。xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）2第 一 章 系 统 总 体 方 案根 据 设 计 任 务 和 要 求 ， 采 用 常 规 PID 控 制 的 温 度 控 制 系 统 结 构 如 图1-1 所 示 。图 1-1 常 规 PID 温 度 控 制 系 统 的 结 构对 应 图 1-1 的 系 统 结 构 ， 确 定 总 体 设 计 方 案 如 图 1-2 所 示 ：图 1-2 总 体 设 计 方 案该 总 体 方 案 主 要 由 以 下
15、几 个 部 分 组 成（ 1） 温 度 值 给 定 电 路 ： 主 要 功 能 是 在 给 定 值 输 入 允 许 的 情 况 下 ， 接 收十 进 制 温 度 值 给 定 。 （ 给 定 值 范 围 为 280700 ） 。（ 2） PLC： 主 要 完 成 PID 调 节 功 能 以 及 数 据 变 换 。xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）3（ 3） 电 源 同 步 信 号 产 生 电 路 ： 主 要 功 能 是 产 生 与 电 源 同 步 的 周 波 信 号 。电 源 周 波 信 号 用 作 数 字 触 发 电 路 的 输 入 信 号 。（ 4） 数 字 触 发 电 路 ： 主
16、 要 功 能 是 输 出 晶 闸 管 触 发 脉 冲 ， 触 发 晶 闸 管 导通 ， 根 据 数 字 控 制 器 的 输 出 值 ， 控 制 晶 闸 管 的 导 通 周 波 个 数 ， 以 达 到 电 功 率控 制 功 能 。（ 5） 温 度 检 测 电 路 ： 主 要 功 能 是 将 温 度 传 感 器 的 输 出 信 号 进 行 放 大 ，并 进 行 A/D 转 换 。（ 6） 温 度 显 示 与 报 警 指 示 电 路 ： 主 要 功 能 是 完 成 电 阻 炉 温 度 的 实 时 显示 以 及 故 障 报 警 和 恒 温 指 示 。（ 7） 复 位 电 路 ： 完 成 系 统 的 运
17、 行 /停 止 。系 统 工 作 原 理 ： 温 度 传 感 器 将 炉 温 变 换 为 模 拟 信 号 ， 经 低 通 滤 波 器 滤 掉干 扰 信 号 后 送 放 大 器 ， 将 信 号 放 大 后 送 A/D 模 块 转 换 为 数 字 量 送 PLC，数 字 量 经 标 度 变 换 ， 得 到 实 际 炉 温 。 数 字 控 制 器 根 据 恒 温 给 定 值 与 实0Q际 炉 温 Q 的 偏 差 e（ k） 按 积 分 分 离 PID 控 制 算 法 ， 得 到 输 出 控 制 量u（ k） ， 控 制 晶 闸 管 导 通 时 间 ， 调 节 炉 温 的 变 化 使 之 与 给 定
18、恒 温 值 一 致 ， 达到 恒 温 控 制 目 的 。 当 恒 温 时 间 到 、 输 入 错 误 或 系 统 发 生 故 障 时 ， 系 统 发 出 报警 信 号 ， 同 时 用 三 个 数 码 管 对 电 阻 炉 温 度 进 行 实 时 显 示 。xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）4第二章 系统硬件设计2.1 PLC 选择 根 据 设 计 方 案 的 分 析 ， 系 统 设 计 需 要 使 用 13 个 输 入 端 口 和 17 个 输 出端 口 ， 另 外 还 需 要 一 个 A/D 转 换 器 来 完 成 温 度 采 样 。 在 课 程 学 习 中 ， 我 们学 习 了 三
19、 菱 的 FX 系 列 PLC， 因 此 ， 选 择 三 菱 FX2N-48MR-001（ 基 本 I/O点 数 为 24） 和 FX2N-4AD 特 殊 功 能 模 块 。2.1.1 FX2N-48MR-001 PLCFX2N 系 列 PLC 是 FX 系 列 中 功 能 最 强 、 速 度 最 高 的 微 型 可 编 程 序 控 制器 。 它 由 基 本 单 元 、 扩 展 单 元 、 扩 展 模 块 等 构 成 。 用 户 存 储 器 容 量 可 扩 展 到16K 步 。 I/O 点 最 大 可 扩 展 到 256 点 。 它 有 27 条 基 本 指 令 ， 其 基 本 指 令 的执
20、行 速 度 超 过 了 很 多 大 型 PLC。 三 菱 FX2N48MR PLC， 为 继 电 器 输 出类 型 ， 其 输 入 、 输 出 点 数 皆 为 是 24 点 ， 可 扩 展 模 块 可 用 的 点 数 为 4864,内 附 8000 步 RAM。 其 内 部 资 源 如 下 ：（ 1） 输 入 继 电 器 X（ X0X27， 24 点 ， 八 进 制 ）（ 2） 输 出 继 电 器 Y（ Y0Y27， 24 点 ， 八 进 制 ）（ 3） 辅 助 继 电 器 M（ M0M8255） 通 用 辅 助 继 电 器 （ M0M499） （ 4） 状 态 继 电 器 （ S0S999）
21、（ 5） 定 时 器 T（ T0T255） （ T0T245 为 常 规 定 时 器 ）（ 6） 计 数 器 C（ C0C255）（ 7） 指 针 （ P/I） 见 表 2-1 和 表 2-2（ 8） 数 据 寄 存 器 D（ D0D8255） （ D0D199 为 通 用 型 ）表 2-1 定 时 器 中 断 标 号 指 针 表输 入 编 号 中 断 周 期 （ ms） 中 断 禁 止 特 殊 辅 助 继 电 器I6XX M8056I7XX M8057I8XX在 指 针 名 称 的 XX 部 分 中 ， 输入 1099 的 整 数 。 I610 为 每10ms 执 行 一 次 定 时 器 中
22、 断 M8058表 2-2 输 入 中 断 标 号 指 针 表指 针 编 号输 入 编号 上 升 中 断 下 降 中 断中 断 禁 止 特 殊 辅 助 继电 器X0 I001 I000 M8050xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）5X1 I101 I100 M8051X2 I201 I200 M8052X3 I301 I300 M8053X4 I401 I400 M8054X5 I501 I500 M8055注 ： M8050M8058=“0”表 允 许 ； M8050M8058=“1”表 禁 止 。2.1.2 FX2N-4AD 特 殊 功 能 模 块FX2N-4AD为 模 拟 量
23、输 入 模 块 ,有 四 个 模 拟 量 输 入 通 道 （ 分 别 为CH1、 CH2、 CH3和 CH4） ， 每 个 通 道 都 可 进 行 A/D转 换 ， 将 模 拟 量 信 号 转 换 成数 字 量 信 号 ， 其 分 辨 率 为 12位 。 其 模 拟 量 输 出 性 能 如 表 2-3所 示 。表 2-3 模 拟 量 输 出 性 能 表电 压 输 入 电 流 输 入项 目 电 压 或 电 流 输 入 的 选 择 基 于 对 输 入 端 子 的 选 择 ， 一 次 可 使用 4个 输 入 点模 拟 量 输 入 范围DC ： -10 +10V（ 输入 电 阻 200K ）（ 注 意
24、 ： 若 输 入 电 压 超过 15V， 单 元 会 被 损坏 ）DC ： -20 +20mA（ 输 入 电 阻250 ）（ 注 意 ： 若 输 入 电 流 超 过32mA， 单 元 会 被 损 坏 ）数 字 输 出12位 的 转 换 结 果 以 16位 二 进 制 补 码 方 式 存 储 （ -2048+2047）分 辨 率 5mV 20 A总 体 精 度1%（ 对 于 -10 +10V范 围 ）1%（ 对 于 -20 +20mA范 围 ）转 换 速 度 15ms/通 道 （ 常 速 ） 6ms/通 道 （ 高 速 ）所 有 数 据 转 换 和 参 数 设 置 的 调 整 可 通 过 FRO
25、M/TO指 令 完 成 。 同 时 在 编 程过 程 中 重 点 用 到 了 BFM数 据 缓 冲 存 储 器 ， 具 体 分 布 情 况 如 表 2-4所 示 。表 2-4 BFM 数 据 缓 冲 存 储 器 分 布 表BFM编 号 内 容#0 通 道 初 始 化 ， 缺 省 值 =H0000#1 通 道 1 存 放 采 样 值 （ 1 4096） ， 用 于 得 到 平 均 结 果 。 缺 省 值xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）6#2 通 道 2#3 通 道 3#4 通 道 4设 为 8（ 正 常 速 度 ） ， 高 速 操 作 可 选 择 1#5 通 道 1#6 通 道 2#
26、7 通 道 3#8 通 道 4缓 冲 器 #5 #8独 立 存 储 通 道 CH1 CH4平 均 输 入 采 样 值#9 通 道 1#10 通 道 2#11 通 道 3#12 通 道 4这 些 缓 冲 区 用 于 存 放 每 个 输 入 通 道 读 入 的 当 前 值#13#14 保 留设 0， 则 选 择 正 常 速 度 ， 15ms/通 道 （ 缺 省 ）#15 选 择 A/D转 换 速 度设 1， 则 选 择 高 度 ， 6ms/通 道BFM B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0#16#19 保 留#20 复 位 到 缺 省 值 和 预 设 ， 缺 省 值 =0#21 禁 止
27、调 整 偏 差 、 增 益 值 ， 缺 省 值 =（ 0， 1） 允 许#22 偏 移 ， 增 益 调 整 G4 O4 G3 O3 G2 O2 G1 O1#23 偏 移 值 ， 缺 省 值 =0#24 增 益 值 ， 缺 省 值 =5000#25#28 保 留#29 错 误 状 态#30 识 别 码#31 不 能 使 用通 道 选 择 ： 在 BFM#0中 写 入 十 六 进 制 4位 数 字 HXXXX进 行 A/D模 块 的 初 始化 ， 最 低 位 数 字 控 制 CH1， 最 高 位 数 字 控 制 CH4， 各 位 数 字 的 含 义 如 下 ：X=0时 设 定 输 入 范 围 为
28、-10V +10V； X=1时 ， 设 定 输 入 范 围 为+4mA +20mA； X=2时 ， 设 定 输 入 范 围 为 -20mA +20mA； X=3时 ， 关 断 通 道 。xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）7另 外 ， BFM#29 的 状 态 信 息 设 置 如 表 2-5 所 示 。表 2-5 BFM#29 的 状 态 信 息 设 置#29 缓 冲 器 位 ON OFFB0： 错 误当 b1b4 为 ON 时 ，b0=ON若 b2b4 任 意 一 位 为ON， A/D 转 换 器 的 所有 通 道 停 止无 错 误B1： 偏 移 量 与 增 益 值 错误偏 移 量
29、与 增 益 值 修 正 错误偏 移 量 与 增 益 值 正 常B2： 电 源 不 正 常 24VDC 错 误 电 源 正 常B3： 硬 件 错 误 A/D 或 其 他 硬 件 错 误 硬 件 正 常B10： 数 字 范 围 错 误数 字 输 出 值 小 于 -2048或 大 于 +2047数 字 输 出 正 常B11： 平 均 值 错 误数 字 平 均 采 样 值 大 于4096 或 小 于 0（ 使 用 8位 缺 省 值 ）平 均 值 正 常 （ 14096）B12： 偏 移 量 与 增 益 值修 正 禁 止#21 缓 冲 器 的 禁 止 位（ b1,b0） 设 置 为（ 1， 0）#21
30、缓 冲 器 的 （ b1,b0）设 置 为 （ 0， 1）2.2 硬 件 电 路 设 计根 据 系 统 总 体 方 案 ， 设 计 系 统 的 I/O 地 址 分 配 如 表 2-6 所 示 。表 2-6 输 入 、 输 出 信 号 I/O 地 址 表输 入 地 址 功 能 说 明 输 出 地 址 功 能 说 明Y0 VT1 触 发 脉 冲 （ 电 源 正 半 波 ）X0电 源 周 波 信 号输 入 端 Y1 VT2 触 发 脉 冲 （ 电 源 负 半 波 ）X1 温 度 给 定 允 许 Y4 恒 温 完 成 指 示 信 号X2 启 动 /关 闭 Y5 断 偶 报 警xx 工程学院自动化学院本
31、科毕业设计（论文）8Y6 温 度 给 定 超 出 范 围 报 警X10X21 SB2SB11Y10Y2312 位 8421（ 三 组 ） BCD 码 输出2.2.1 温 度 值 给 定 电 路按 设 计 要 求 ， 共 设 计 了 十 个 开 关 按 键 ， 作 为 温 度 给 定 值 的 输 入 端 口 ， 接收 十 进 制 数 。 给 定 值 范 围 为 280700 ， 若 输 入 值 超 过 给 定 值 范 围 ， 系 统会 发 出 报 警 信 号 （ 亮 红 灯 ） 。 设 计 电 路 如 图 2-1 所 示 ： SB1 为 温 度 值 输 入允 许 ， SB2SB11 分 别 表
32、示 十 进 制 数 09。 先 按 下 温 度 值 给 定 允 许 开 关SB1， 然 后 再 输 入 给 定 温 度 值 ， 先 按 下 的 数 字 为 高 位 上 的 数 值 ， 后 按 下 的 数字 为 低 位 上 的 数 值 。 比 如 ， 先 后 按 下 开 关 SB5、 SB2 和 SB2， 则 表 示 给 定温 度 值 为 300 ， 并 送 PLC 数 据 寄 存 器 保 存 。图 2-1 温 度 值 给 定 电 路2.2.2 温 度 检 测 电 路温 度 检 测 是 温 度 控 制 系 统 的 一 个 很 重 要 的 环 节 ， 直 接 关 系 到 系 统 性 能 。在 PL
33、C 温 度 控 制 系 统 中 ， 温 度 的 检 测 不 仅 要 完 成 温 度 到 模 拟 电 压 量 的 转 换还 要 将 电 压 转 换 为 数 字 量 送 PLC。 其 一 般 结 构 如 图 2-2 所 示 。图 2-2 温 度 检 测 基 本 结 构温 度 传 感 器 将 测 温 点 的 温 度 变 换 为 模 拟 电 压 ， 其 值 一 般 为 mA 级 ， 需xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）9要 放 大 为 满 足 A/D 转 换 要 求 的 电 压 值 。 然 后 送 PLC 的 A/D 转 换 模 块 进 行A/D 转 换 ， 得 到 表 示 温 度 的 电
34、压 数 字 量 ， 再 用 软 件 进 行 标 度 变 换 与 误 差 补 偿 ，得 到 测 温 点 的 实 际 温 度 值 。本 系 统 利 用 热 电 偶 完 成 炉 温 检 测 （ 热 端 检 测 炉 温 ， 冷 端 置 于 0 温 度中 ） 、 FX2N-4AD 模 块 一 个 通 道 实 现 A/D 转 换 。 炉 温 检 测 与 放 大 电 路 由 热电 偶 、 低 通 滤 波 、 信 号 放 大 和 零 点 迁 移 电 路 四 部 分 组 成 。 其 电 路 如 图 2-3所 示 。 热 电 偶 和 放 大 器 原 理 及 参 数 详 见 附 录 二 。图 2-3 炉 温 检 测
35、 与 放 大 电 路图 中 ， R1、 C1 完 成 低 通 滤 波 ， R2、 RP、 2CW51 组 成 零 点 迁 移 电 路 ， 炉 温检 测 元 件 采 用 镍 铬 镍 铝 热 电 偶 ， 分 度 号 为 EU-2， 查 分 度 表 可 得 ， 当 温度 为 0700 时 ， 输 出 电 势 为 029.13mV。 检 测 信 号 经 二 级 放 大 后 送iuFX2N-4AD 模 块 ， 第 一 级 放 大 倍 数 为 50， 第 二 级 放 大 倍 数 为 11.2， 第 二 级放 大 还 完 成零 点 迁 移 ， 其 输 出 电 压 为0u)(2.1)(5621uuK式 中 ，
36、 为 零 点 迁 移 值 。 根 据 设 计 要 求 ， 恒 温 值 为 400600 ， 本 系 统 选2u取 测 温 范 围 为 280700 ， 将 280 作 为 测 温 起 点 （ 零 点 ） 。 调 整 多 圈 电 位器 RP， 使 =50*11.38=569mV， 当 炉 温 为 280 时 ，=11.38mV， =569mV， 于 是 =0。 经 零 点 迁 移 后 ， 炉 温 为 280700 时 ，iuuu=11.3829.13mV， =09.94V， A/D 转 换 后 的 数 字 量 为 02047。ixx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）102.2.3 过 零
37、检 测 电 路按 设 计 要 求 ， 要 求 过 零 检 测 电 路 在 每 个 电 源 周 期 开 始 时 产 生 一 个 脉 冲 ，作 为 触 发 器 的 同 步 信 号 ， 其 设 计 电 路 如 图 2-4（ a） 所 示 。图 2-4（ a） 过 零 检 测 电 路图 中 ， GND 为 +5V 电 源 地 ， LM339 为 过 零 比 较 器 .LM339 集 成 块 内 部 装 有 四个 独 立 的 电 压 比 较 器 ， 共 模 范 围 很 大 ； 差 动 输 入 电 压 范 围 较 大 ， 大 到 可 以 等于 电 源 电 压 。 二 极 管 用 作 LM339 输 入 保
38、 护 。 电 路 的 工 作 波 形 如 图 2-4（ b） 所 示 。图 2-4（ b） 过 零 检 测 电 路 的 工 作 波 形 图2.2.4 晶 闸 管 电 功 率 控 制 电 路晶 闸 管 是 晶 体 闸 流 管 的 简 称 ， 也 叫 可 控 硅 。 它 是 一 种 半 控 型 器 件 ， 是 一种 可 以 利 用 控 制 信 号 控 制 其 导 通 而 不 能 控 制 其 关 断 的 电 力 电 子 器 件 。 它 的 关断 完 全 是 由 其 在 主 电 路 中 承 受 的 电 压 和 电 流 决 定 的 。 也 即 说 ， 若 要 使 已 导 通的 晶 闸 管 关 断 ， 只
39、 能 利 用 外 加 反 向 电 压 和 外 电 路 的 作 用 使 流 过 晶 闸 管 的 电 流降 到 接 近 零 的 某 一 数 值 以 下 。晶 闸 管 控 制 电 热 元 件 消 耗 的 电 能 有 两 种 方 法 ， 一 是 采 用 移 相 触 发 控 制 输入 电 压 的 大 小 ， 二 是 采 用 过 零 触 发 控 制 输 入 电 压 加 到 电 热 元 件 上 的 周 波 数 。xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）11由 于 移 相 触 发 控 制 会 产 生 较 大 的 谐 波 干 扰 信 号 “污 染 ”电 网 ， 因 此 采 用 过零 触 发 控 制 。 又
40、由 于 本 电 路 所 控 制 的 电 阻 炉 只 有 一 根 电 阻 丝 ， 功 率 也 不 大 ，因 此 ， 本 系 统 采 用 单 相 电 源 供 电 ， 电 源 的 通 断 由 二 个 晶 闸 管 反 并 控 制 ， 如图 2-5 所 示 。图 2-5 电 功 率 控 制 电 路这 种 控 制 方 法 的 原 理 是 ： 各 晶 闸 管 的 触 发 角 恒 为 0， 使 得 一 个 周期 内 电 源 均 加 在 电 热 元 件 上 ， 通 过 控 制 一 个 控 制 周 期 内 晶 闸 管 导 通 周 波 数 ，就 可 控 制 电 热 元 件 消 耗 的 电 能 。 根 据 电 热 炉
41、 的 数 字 模 型 可 知 ， 温 度 的 增 量 与它 消 耗 的 电 能 成 正 比 ， 而 电 热 炉 消 耗 的 电 能 与 晶 闸 管 导 通 周 波 数 成 正 比 ， 因此 ， 晶 闸 管 导 通 周 波 数 n 与 控 制 输 出 控 制 量 u（ k） 的 关 系 为n=K*u(k)式 中 ， K= / 为 比 例 系 数 （ 约 为 1） ， 为 一 个 控 制 周 期 内 的 电 源maxntumaxn周 波 数 ， 温 度 偏 差 不 同 ， 则 u（ k） 、 n 不 同 ， 电 热 炉 消 耗 的 电 能 亦 不 同 ， 达到 了 根 据 温 度 偏 差 调 节
42、输 入 电 能 ， 保 证 炉 温 按 要 求 变 化 的 目 的 。晶 闸 管 由 正 向 导 通 到 关 断 时 ， 由 于 空 穴 积 蓄 效 应 ， 晶 闸 管 反 向 阻 断 能 力的 恢 复 需 要 一 段 时 间 。 在 这 段 时 间 里 ， 晶 闸 管 元 件 流 过 反 向 电 流 ， 接 近 终 止时 ， 很 大 ， 它 与 线 路 电 感 共 同 作 用 产 生 的 电 压 L* 可 能 损 坏 晶 闸tid tid管 ， 必 须 采 取 保 护 措 施 ， 在 晶 闸 管 两 端 并 联 阻 容 吸 收 装 置 。设 计 电 路 中 的 元 器 件 的 选 择 如 下
43、 ：（ 1） R 和 C 的 选 择阻 容 吸 收 装 置 的 参 数 按 晶 闸 管 ITN 根 据 经 验 值 选 取 为 ：R=80 C=0.15 F电 容 C 的 交 流 耐 压 为 ： VUmCN4672.5.1电 阻 R 的 功 率 应 满 足 ：xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）12WXRUPC 086.)15.034/1(8082*10 2622 实 选 电 容 0.15 F/630V 一 只 ， 电 阻 80 /0.5W 一 只 。（ 2） 快 速 熔 断 器 FU 的 选 择快 速 熔 断 器 是 专 门 用 来 保 护 晶 闸 管 的 ， 其 熔 体 电 流 按
44、 下 式 选 取 ：FUITNFII57.16式 中 ， 5/6 为 修 正 参 数 ， 为 保 证 可 靠 与 选 用 方 便 ， 一 般 取 。 实 选TNFI熔 体 额 定 电 流 为 20A 的 RLS-50 螺 旋 式 快 速 熔 断 器 二 只 ， 分 别 与 二 只 晶 闸 管串 联 ， 其 额 定 电 压 为 500V。（ 3） 晶 闸 管 的 选 择电 阻 炉 的 额 定 功 率 为 4KW， 电 源 电 压 为 220V， 故 负 载 电 流IL=18.2A。 由 于 每 个 晶 闸 管 只 导 通 半 个 电 源 周 波 且 本 系 统 采 用 过 零 触 发（ =0）
45、， 流 过 每 个 晶 闸 管 的 平 均 电 流 为 9.1A。 关 断 时 ， 承 受 正 反 向 峰值 电 压 为 ， 考 虑 到 晶 闸 管 的 过 载 能 力 小 及 环 境 温 度 的 变 化 等 因 素 ，V晶 闸 管 的 额 定 电 流 应 为 ：TNIIL2.187.32/)5.1(额 定 电 压 应 为 ：TUVTN960)(根 据 以 上 计 算 ， 主 回 路 的 二 只 晶 闸 管 选 择 为 KP20-10(参 数 为 ：20A， 1KV， 0.1A， 3V)2.2.5 脉 冲 输 出 通 道由 于 PLC 有 很 强 的 抗 干 扰 性 和 可 靠 性 ， 且 F
46、X2N-48MR-001 为 继 电 器 输出 2A/1 点 （ KP20-10 晶 闸 管 的 触 发 电 流 和 电 压 分 别 为 0.1A 和 3V） ，因 而 FX2N-48MR-001 的 输 出 点 能 可 靠 地 触 发 晶 闸 管 导 通 ， 而 无 须 设 计 光 电隔 离 和 功 率 放 大 。 脉 冲 输 出 通 道 电 路 如 图 2-6 所 示 。xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）13图 2-6 脉 冲 输 出 通 道图 中 ， 初 始 时 ， Y0 和 Y1 都 为 低 电 平 ， 当 系 统 检 测 到 从 X0 输 入 的 同 步 信号 为 高 （
47、低 ） 电 平 时 ， Y0（ Y1） 由 低 电 平 变 高 电 平 ， 输 出 电 流 值 为 2A 的触 发 电 流 ， 去 触 发 晶 闸 管 VT1（ VT2） 导 通 ； 当 X0 从 高 电 平 变 低 电 平 （ 从低 电 平 变 高 电 平 ） 时 ， Y0（ Y1） 脉 冲 结 束 ， 电 路 恢 复 为 初 态 。2.2.6 报 警 指 示 与 显 示 电 路按 设 计 要 求 ， 报 警 指 示 电 路 设 计 了 一 个 恒 温 指 示 （ 绿 灯 ） 灯 、 故 障 报 警（ 红 灯 ） 和 输 入 出 错 报 警 （ 黄 灯 ） ， 完 成 指 示 、 报 警 功
48、 能 。 显 示 电 路 由Y10Y23 经 过 三 个 BCD-七 段 共 阴 数 码 管 译 码 器 74LS248， 外 接 三 个 七 段LED 数 码 管 （ 带 ） 完 成 显 示 功 能 。 设 计 电 路 如 图 2-7 所 示 。图 2-7 报 警 指 示 与 显 示 电 路2.2.7 复 位 电 路复 位 电 路 由 一 个 开 关 SB12 完 成 开 /关 功 能 ， 当 按 下 开 关 SB12 时 系 统启 动 ， 正 常 运 行 ， 执 行 任 务 ； 当 断 开 SB12 时 ， 系 统 停 止 运 行 ， 不 执 行 任何 任 务 。 设 计 电 路 如 图
49、2-8 所 示 。xx 工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）14图 2-8 复 位 电 路第 三 章 系 统 软 件 设 计PLC 程 序 输 入 可 以 通 过 手 持 编 程 器 、 专 用 编 程 器 或 计 算 机 完 成 。 但 由 于手 持 编 程 器 在 程 序 输 入 或 阅 读 理 解 分 析 时 比 较 烦 琐 ； 专 用 编 程 器 价 格 高 ， 通用 性 差 ， 而 计 算 机 除 了 可 以 进 行 PLC 的 编 程 外 ， 还 可 作 为 一 般 计 算 机 的 用途 ， 兼 容 性 好 ， 利 用 率 高 。 因 此 ， 利 用 计 算 机 进 行 PLC 编 程 和 通 信 更 具优 势 。 本 次 软 件 设 计 即 是 利 用 计 算 机 编 程 ， 在 三 菱 PLC 编 程 软 件Fxgpwin 下 完 成 程 序 编 写 和 通 信 。3.1 编 程 与 通 信 软 件 的 使 用三 菱 FX 系 列 PLC 通 信 软 件 名 称 为 Fxgpwin， 它 供 对FX0/FX0S
