1、基于基于 PLC 實現的水溫控制實現的水溫控制 XXX （陜西理工學院 電氣工程系 自動化專業，2007 級 2 班，陜西 漢中 ） 指導教師：XXX 摘要摘要 針對工農業生產中現有的水溫控制系統可靠性低、控制精度差、成本高等缺點。我們利用三菱 FX0N60-MR 型 PLC 構建了一個水溫控制系統對這一問題進行了研究。在整個控制系統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，并用按鍵和數碼管構建了人 機接口設置目標溫度；控制算法的選擇經過對模糊控制和 PID 算法的實驗對比，最終選擇采用 PID。PLC 程序利用 梯形

2、圖編程語言進行編寫。在系統搭建完成后我們利用試湊法，通過大量實驗對 PID 控制器的參數進行了優化，進 過測試系統能夠達到設計要求。除此之外該系統還具有硬件結構簡單、系統可靠性高、制作成本低廉、控制器參數 易于調試等優點。能夠利用小型 PLC 實現對水溫較高精度的控制。 關鍵詞關鍵詞PLC 溫度控制 PID PLC-based temperature control to achieve Liao zhong lin (Grade 07,Class2,Major Automation ，Department of Electrical Engineering，Shaanxi Universit

3、y of Technology，Hanzhong ，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 c

4、ontrol 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 m

5、an-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

6、 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 sm

7、all PLC to control the water temperature higher accuracy. Key words PLC temperature control PID 目 錄 緒論 .1 1設計方案的論證 .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硬件電路的設計 .5 2.1 PLC 硬件資源分配設計.5 2.2 溫度傳感器 .8 2.2.1 利用溫

8、度變送器采集.8 2.2.2 利用 DS18B20 采集.8 2.3 輸入部分電路設計 .10 2.3.1 設置輸入部分電路設計.10 2.3.2 AD 轉換結果輸入部分電路設計.10 2.4 輸出部分電路設計.10 3系統軟件的設計 .13 3.1 PLC 編程語言簡介 .13 3.2 輸入部分程序設計.15 3.3 顯示部分程序 .15 3.4 PID 運算部分程序設計.15 4系統的調試 .19 4.1 硬件調試.19 4.2 軟件調試.19 4.1 軟硬件聯合調試.19 4.3 實驗數據.19 參考文獻 .20 英語科技文獻翻譯 .21 附錄 .34 附錄 A：源程序.34 附錄 B：

9、元器件清單.37 附錄 C：電路總圖.38 附錄 D：實物圖.39 致 謝 .40 緒論 溫度控制系統在各行各業的應用雖然很廣泛，但從國內生產的溫度控制器來講，總體發展水平 仍然不高。工農業生產中現有的溫度控制系統存在著可靠性低、控制精度差、成本高等缺點。同美 國、日本、歐洲等先進國家和地區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，成熟產品主要以“點位”控制及常規的 PID 控制器為主，它只能適用于一般的溫度系統 的控制，難以控制滯后、復雜、時變溫度系統控制。對于要求較高的控制場合的智能化、自適應控 制儀表，國內還不十分成熟。現狀中的問題主要體現在以下兩個方面： 位式

10、調節器依然占主導地位。工業現場對溫度控制，常用有位式調節器和 PID 控制器等。位式 調節器作為一種溫度控制儀表，具有一些無法消除的缺陷，當爐溫大于給定值時不加電壓，會導致 超調大，常有控制精度差或出現失控【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.】 。 穩定性差、可靠性低。隨著現代傳感技術與控制方法的不斷革新和發展，對實時溫度控制的精 度以及反應快速性的要求越來越高。溫度控制廣泛的應用于生產與工業控制流程的各個方面，比如 精細材料加工流程中溫度的控制、鍋爐供暖系統溫度的控制以及化學染色系統的溫度控制上。傳統 的模擬式溫度控制

11、方法已經不能適用干現代工業對系統穩定性和快速性的需求，特別是當系統的溫 度指令信號發生快速變化時，傳統的模擬控制器固有的反應時間和器件特性使系統的反應穩定過程 較慢、而且易受干擾，不能適應現代高精度溫度控制的需求。 【李國萍.基于 PLC 的溫度控制系統的 設計J.科技創新導報，2010 年 7 期，86.】 。 隨著科學技術的不斷發展，人們對溫度控制系統的要求越來越高，因此，高精度、智能化、人 性化的溫度控制系統是國內外必然發展的趨勢。 本課題主要要解決問題是通過對水溫控制進行研究，實現對溫度的高精度控制。在硬件實現上， 我們要解決外圍電路與 PLC 的連接，解決好各種輸入輸出設備的協調工作

12、。本題目以電阻爐為被控 對象，以水溫為被控參數，以 PLC 為控制器，構成水溫控制系統；采用 PID 算法，運用 PLC 梯形圖 編程語言進行編程，實現水溫的自動控制。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 PID 算法，并通過實際調試優化控制器參數，實現對水溫的高精度控制。 系統設計大體如下，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 的輸入節點，并設

13、置按鈕和數碼管做為人機交互模塊，通過 PLC 輸出接點驅動繼電器，調節電熱爐工作的占空比。實現對爐內水溫的控制。 1設計方案的論證 設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)是一種工業控制用計算機，是繼承自動 控制技術、計算機和電子及通信技術為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強

14、，價格便宜， 可靠性強，編程簡單，易學易用等特點，在工業領域中深受工程操作人員的喜歡，因此 PLC 已在 工業控制的各個領域中被廣泛地使用。它使用可編程序的記憶以存儲指令，用來執行邏輯、順序、 計時、計數和演算等功能并通過數字或模擬的輸入輸出，以控制各種機械或生產過程。現在 PLC 的功能強大，質量優良，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，現在我對它們簡單的進行一下對比 介紹。 三菱系列的 PLC 三菱 PLC 英文名又稱：M

15、itsubish 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 圖形畫面上進行階梯符號作圖的梯形圖編程方式，以及對應機械動作流程進行順控設計的 SFC（順 序功能圖）方式，而且，這些程序可以相互轉換換。指令表及梯形圖程序如果按一定的規則編寫， 也可以實現到 SFC 圖的逆變換。高速處理三菱系列 PLC 可以實現高速處理，FX

16、 系列可編程控制器 內置的高速計數器，對來自特定的輸入繼電器的高速脈沖進行中斷處理，因此與掃描時間無關，可 以進行高達 60kHz/h 的高速脈沖。在可編程控制器中設置了 C-R 濾波器，以防止輸入信號的震動和 噪音的影響。可以對脈沖進行捕捉，在脈沖捕捉中可以監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置特殊輔助繼電器。FX 的 PLC 支持順序控制。可編程控制器的掃描周期是恒 定模式，采用次模式可以以固定的周期處理和運算同步執行的指令。在設備不停機的情況下也可以 對運行過程中的程序進行改變的功能。應用指令 FX 系列 PLC 基于追求“基本功能、高速處理、便 于使用”的規范理念

17、，FX 可編程控制器具有數據的傳送和比較，四則運算及邏輯運算、數據的循環 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，將機械控制的標準動作封袋化的狀態初始化指令等。此外，還提 供了可適應更復雜的控制的浮點運算及 PID 運算等。 西門子系列 PLC 西門子 SIAMTIC 模塊化控制器有著很大的優勢，它可以即買即用，長期兼容性和可用性， 可以在惡劣環境下工作，模塊還可以擴展和升級。西門子的產品十分的抗震動，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能夠很有力的打進中國的市場并能在中國的市 場牢牢的

18、扎根。這和西門子產品的質量和性能有著十分大的關系. 其中就有 S7-200、S7- 300、S7-400。S7-200 它適用于一系列機械設備的制造或用作獨立的解決方案，微型自動化系統 的組成部分，STEP 7 Micro/WIN 工程組態軟件應用于它， ，應用于性能要求較低的自動化任務。它 是低成本的微型系統。西門子 S7-300 它設計緊湊，安裝在 DIN 導軌上，在 CPU 中集成了許多功 能，通過在微型存儲器上保持數據實現免維護， 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，優異的高速處理能力和通訊性能，可以在運行中更 改組態，

19、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，不會發生 任何信息損失，且可對工程任務提供高級支持，無需額外的編程費用, 可以為安全應用輕松擴展 H 系統。西門子 plc 現在不僅全面使用 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 CPU 等高級 CPU，而且在一臺 PLC 中配置多個 微處理器，進行多通道處理，同時生產了大量內含微處

20、理器的智能模塊，使得第四代 PLC 產品成 為具有邏輯控制功能、過程控制功能、運動控制功能、數據處理功能、聯網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 微型機屬于結構緊湊、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。增加了實現平穩輸 入輸出動作的輸入濾波器功能、外部輸入中斷功能、快速響應輸入功能、高速計數器功能，模擬設 定定時器功能等采用快速山村，無電池的內存支持得以實現，維護簡單化。 1.1.2 本設計本設計 PLC 的選型的選型 由于硬件環境的限制學校實驗室現

21、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 進行過系統的學習，而且三菱系列的 PLC 配有手持編程器，易于在現場對 PID 參數進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，產生的控制結果也會大不相同，根據現有的知識，初步決定從經典控制 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 這個設計方案控制算法采用模糊控制，根據以往的經驗，根據實測溫度與設定的溫度計

22、算偏差 大小，根據偏差劃分偏差隸屬度區間，設定規則庫，控制時根據偏差和相應的規則庫調節控制量的 大小。運用 PLC 編程時，數據運算處理比較繁瑣，但是 PLC 內部具有比較指令和區間比較指令， 用其實現模糊推理相對容易，所以該方案在編程實現上具有一定優勢。 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 廣泛應用于過程控制中,尤其適用于可建立精確數學模型的確定性系統。PID 控制的效果完全取決于 其四個參數,即采樣周期 ts、比例系數 Kp、積分系數 Ki、微分系數 Kd。因而,PID 參數的整

23、定與優化 一直是自動控制領域研究的重要課題。PID 在工業過程控制中的應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 經驗，使之在工業控制中得到廣泛應用。在 PID 算法中，針對 P、I、D 三個參數的整定和優化的 問題成為關鍵問題。運用該方案最大的優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計其優點是，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，切組建模糊規則需經過長時間大量實驗修改確 定。而第二種方案采用 PID

24、 算法的溫度控制不僅能夠繼承上一種方案的各種優點，還能改進上一種 設計方案設計不靈活，隸屬度函數組建困難，調試耗時，控制精度低等缺點。所以本設計選擇了第 二種方案。 2硬件電路的設計 2.1 PLC 硬件資源分配設計硬件資源分配設計 本設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 產品。其中 FX2 是 1991 年推出的產品，FX0 是在 FX2 之后推出的超小型 PLC 三菱 PLC。其具有系統配置即固定又靈活；編程簡

25、單；備有可自由選擇，豐富的品種外設； 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（K、H） K 是表示十進制整數的符號，主要用來指定定時器或計數器的設定值及應用功能指令操作數中 的數值；H 是表示十六進制數，主要用來表示應用功能指令的操作數值。 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目標和中斷程序的入口標號。分為分支用指針、 輸入中斷指針及定時中斷指針和記數中斷指針。 分支用指針（P0P127） FX2N 有 P0P127 共 128 點分支用

26、指針。分支指針用來指示跳轉指令（CJ）的跳轉目標或子 程序調用指令（CALL）調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生中斷的中 斷服務程序的入口位置，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行中斷服務程序，定時循環處理某些任務

27、。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。 計數器中斷用指針（I010I060）共 6 點，它們用在 PLC 內置的高速計數器中。根據高速計數 器的計數當前值與計數設定值之關系確定是否執行中斷服務程序。它常用于利用高速計數器優先處 理計數結果的場合。 三菱 FX 系列 PLC 數據寄存器（D） PLC 在進行輸入輸出處理、模擬量控制、位置控制時，需要許多數據寄存器存儲數據和參數。 數據寄存器為 16 位，最高位為符號位。可用兩個數據寄存器來存儲 32 位數據，最高位仍為符號位。 數據寄存器有以下幾種類型。 通用數據寄存器（D0D199） 共 200

28、 點。當 M8033 為 ON 時，D0D199 有斷電保護功能；當 M8033 為 OFF 時則它們無斷 電保護，這種情況 PLC 由 RUN STOP 或停電時，數據全部清零。 特殊數據寄存器（D8000D8255） 共 256 點。特殊數據寄存器的作用是用來監控 PLC 的運行狀態。如掃描時間、電池電壓等。 未加定義的特殊數據寄存器，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據寄存器，其作用相當于微機中的變址寄存器變，用于改

29、變元 件的編號（變址），例如 V0=5，則執行 D20V0 時，被執行的編號為 D25（D20+5）。變址寄存器 可以象其它數據寄存器一樣進行讀寫，需要進行 32 位操作時，可將 V、Z 串聯使用（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）相當于繼電器控制系統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。定時器中有一個設定值寄存器（一個字長），一個當前值寄存器（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

30、時器二種。它們是通過對一定周期的時鐘脈 沖的進行累計而實現定時的，時鐘脈沖有周期為 1ms、10ms、100ms 三種，當所計數達到設定值時 觸點動作。設定值可用常數 K 或數據寄存器 D 的內容來設置。 通用定時器 通用定時器的特點是不具備斷電的保持功能，即當輸入電路斷開或停電時定時器復位。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程序專用定 時器。這類定時器是對 100ms 時鐘累積計數，設定值為 132767，所以其定時范圍為 0.13276.7s。 10ms 通用定時器（T

31、200T245）共 46 點。這類定時器是對 10ms 時鐘累積計數，設定值為 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 持當前的計數值（當前值），通電或定時器線圈 ON 后繼續累積，即其當前值具有保持功能，只有 將積算定時器復位，當前值才變為 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 時鐘脈沖進行累積計數的，定時的時間范 圍為 0.00132.767s。 100ms 積算定時器（T250T255）

32、共 6 點，是對 100ms 時鐘脈沖進行累積計數的定時的時間 范圍為 0.13276.7s。 三菱 FX 系列 PLC 內部計數器 內部計數器是在執行掃描操作時對內部信號（如 X、Y、M、S、T 等）進行計數。內部輸入信 號的接通和斷開時間應比 PLC 的掃描周期稍長。16 位增計數器（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前值待通 電后繼續計數）。這類計數器為遞加計數，應用前先對其設置一設定值，當輸入信號（上升沿）個 數累加到設定值時，計數器動作，其常開觸點閉合、常閉觸點斷開。計數器的設定值為 13

33、2767（16 位二進制），設定值除了用常數 K 設定外，還可間接通過指定數據寄存器設定。 三菱 FX 系列 PLC 輔助繼電器（M） 輔助繼電器是 PLC 中數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中的中間 繼電器相似。 輔助繼電器不能直接驅動外部負載，負載只能由輸出繼電器的外部觸點驅動。輔助繼電器的常 開與常閉觸點在 PLC 內部編程時可無限次使用。 輔助繼電器采用 M 與十進制數共同組成編號（只有輸入輸出繼電器才用八進制數）。 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 O

34、FF。當電源再次接通時，除了因外部輸入信號而變為 ON 的以外，其余的仍將保持 OFF 狀態，它們沒有斷電保護功能。通用輔助繼電器常在邏輯運算中作為輔助運算、狀態暫存、移 位等。 根據需要可通過程序設定，將 M0M499 變為斷電保持輔助繼電器。 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 有斷電保護功能，即能記憶電源中斷瞬時的狀態，并在重新通電后再現其狀態。它之所以能在電源 斷電時保持其原有的狀態，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容。 其中 M500M1023

35、可由軟件將其設定為通用輔助繼電器。 特殊輔助繼電器 PLC 內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 自動驅動，用戶只可使用其觸點。 例如： M8000：運行監視器（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動線圈后 PLC 執

36、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據寄 存器內容。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。 狀態器（S） 狀態器用來紀錄系統運行中的狀態。是編制順序控制程序的重要編程元件，它與后述的步進順 控指令 STL 配合應用。狀態器有五種類型：初始狀態器 S0S9 共 10 點；回零狀態器 S10S19 共 10 點；通用狀態器 S20S499 共 480 點；具有狀態斷電保持的狀態器有 S500S899，共 400 點； 供報警用的狀態器（可用作外部故障

37、診斷輸出）S900S999 共 100 點。 在使用用狀態器時應注意：狀態器與輔助繼電器一樣有無數的常開和常閉觸點；狀態器不與步 進順控指令 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 內部信號輸出傳送給外部負載（用戶輸出設備）。輸出繼電器線圈 是由 PLC 內部程序的指令驅動，其線圈狀態傳送給輸出單元，再由輸出單元對應的硬觸點來驅動 外部負載。 每個輸出繼電器在輸出單元中都對應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，都可以無數次使用。 FX 系列 PLC 的輸出繼電器也是八進制

38、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 外部開關信號的元件。PLC 通過輸入接口 將外部輸入信號狀態（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動，不能用程序驅動，所以在程序中不可能出現其線圈。由于輸 入繼電器（X）為輸入映象寄存器中的狀態，所以其觸點的使用次數不限。 FX 系列 PLC 的輸入繼電器以八進

39、制進行編號，FX2N 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，所以用編程器進行編程。 經過對 PLC 內部資源的了解，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

40、變送器送出來的是 1-5V 的電壓信號進行 AD 轉換 得到對應溫度。起初方案是采用 ADC0809 做轉換芯片，NE555 做 08009 的時鐘源，做出來是 78.9KHZ，用 PLC 控制 0809 的時序，但是由于這是個轉換過程和數據處理都很復雜。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換為可傳送的標準化輸出信號的儀表。主要用于工業過程溫度 參數的測量和控制。 溫度變送器通常由兩部分組成：傳感器和信號轉換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻；信號轉

41、換器主要由測量單元、信號處理和轉換單元組成（由于工業用熱電阻和熱電偶分度表是標準化的， 因此信號轉換器作為獨立產品時也稱為變送器） ，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函 數關系。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函數關系（通常為 線性函數） ，早期生產的變送器其輸出信號與溫度傳感器的電阻值（或電壓值）之間呈線性函數關 系。 標準化輸出信號主要為 0mA10mA 和 4mA20mA（或 1V5V）的直流電信號。不排除具有特殊規 定的其他標準化輸出信號。 Pt100 是鉑熱電

42、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。它的工業原 理：當 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、 更經濟 Dallas 半導體公司的數字化溫度傳感器 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濟的特點，使用戶可

43、輕松地組建傳感器網絡，為測量系統的構建引 入全新概念。DS18B20、 DS1822 “一線總線”數字化溫度傳感器 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,精度為0.5C。DS1822 的精度較差為 2C 。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。 適合于惡劣環境的現場溫度測量，如：環境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。與前 一代產品不同，新的產品支持 3V5.5V 的電壓范圍，使系統設計更靈活、方便。而且新一代產品 更便宜，體積更小。 DS18B20、 DS1822

44、 的特性 DS18B20 可以程序設定 912 位的分辨率，精度 為0.5C。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲 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 辨率參數的 EEPROM，精度降低為2C，適用于對性能要求不高，成本控制嚴格的應用，是經濟 型產品。繼“一線總線”的早期產品后，DS1820 開辟了溫度傳感器技術的新概念。DS18B20 和 DS1822 使電壓、特性及封裝有更

45、多的選擇，可以構建適合自己的經濟的測溫系統。 DS18B20 內部結構主要由四部分組成：64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發 器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 溫度傳感器的內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器 TH、TL 和結構寄存器。 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

46、刻 ROM 的排列是：開始 8 位（28H）是產品類型標號，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，這樣就可以實現一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的。 圖 2.3 DS18B20 輸出數據格式 DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12 位轉化為例:用 16 位符號擴展的二進制 補碼讀數形式提供，以 0.0625/LSB 形式表達，其中 S 為符號位。 轉化后得到的 12 位數據，存儲在 18B20 的兩個 8 比特

47、的 RAM 中，二進制中的前面 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 個連續字節，前兩個字節是測得的溫度信息，第一個字節的內容是溫度的低八位，第二 個字節是溫度的高八位。第三個和第四個字節是 TH、TL 的易失性拷貝，第五個字節是結構寄存器 的易失性拷貝，這三個字節的內容在每一次上電復位時被刷新。第六、七、八個字節用于內部計算。 第九個字節是冗余檢驗字節。 實際運用時采用單片機，讀取 DS18

48、B20，再由單片機端口輸出溫度數據至 PLC 的 X10-X17 輸 入結點。 2.3 輸入部分電路設計輸入部分電路設計 2.3.1 設置輸入部分電路設計設置輸入部分電路設計 輸入部分主要主要完成對系統的設置啟動等操作，使用了四個按鈕分別實現對系統啟動、開 始控制、設定值加、設定值減等設定，分別從 X0、X1、X2、X3 對應輸入。 2.3.2 AD 轉換結果輸入部分電路設計轉換結果輸入部分電路設計 圖 2.4 AD 轉換結果輸入部分電路 由于沒有 FX0N 系列 PLC 專用 AD 模塊，所以使用 DS18B20 與 51 單片機聯合制作了一個簡 易的 AD 輸入模塊，它能夠將實時溫度轉換為

49、 8 位數據送入 PLC，包括 7 位數據位，1 位符號位。 輸入部分采用輸入節點 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 PLC 的輸入要求，采用光耦 芯片 TLP521 制作輸入電路。 2.4 輸出部分電路設計輸出部分電路設計 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 和數碼管組成， 控制電路使用節點 Y1 外接繼電器控制電熱杯。 圖 2.5 繼電器輸出單元 顯示部分系統分配 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

50、為5V，用于驅動共陰極數碼管， 7448 除了 有實現 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

51、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 數碼管是一種半導體發光器件，其基本單元是發光二極管。數碼管按段數分為七段數碼管和八 段數碼管，八段數碼管比七段數碼管多一個發光二極管單元

52、（多一個小數點顯示） ；按能顯示多少 個“8”可分為 1 位、2 位、4 位等等數碼管。按發光二極管單元連接方式分為共陽極數碼管和共陰極 數碼管。共陽極數碼管是指將所有發光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數碼管。共陽 極數碼管在應用時應將公共極 COM 接到+5V，當某一字段發光二極管的陰極為低電平時，相應字 段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。 。共陰極數碼管是指將所有發光二極 管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數碼管。共陰極數碼管在應用時應將公共極 COM 接到地 線 GND 上，當某一字段發光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陽極為低

53、 電平時，相應字段就不亮。 圖 2.7 數碼管實物圖 圖 2.8 顯示部分電路圖 3系統軟件的設計 軟件設計是該系統的要解決的核心問題，經過分析結合設計要求，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 初始化數據 設定目標值 X3 閉合否 計算 U（k）max 進行 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 語言及結構化語句描述語言等。梯形圖語言和布爾助記符語言是基本程序設計語言，它通常由一系 列指令組成，用

54、這些指令可以完成大多數簡單的控制功能，例如，代替繼電器、計數器、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計語言，它可根據需要去執行更有效的操作，例如，模擬量的控制， 數據的操縱，報表的報印和其他基本程序設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 中得到了廣泛的應用，在集 散控制系統的編程和組態時也常常被采用。由于它具有連接方便、操作簡單、易于掌握等特點，為 廣大工程設計和應用人員所喜愛。 根據 PLC 應用范圍，程序設計語言可以組合使用

55、，常用的程序設計語言有以下幾種，現做一 簡單對比介紹： 梯形圖(Ladder Diagram)程序設計語言 梯形圖程序設計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設計語言。采用梯形圖程序 設計語言，這種程序設計語言采用因果關系來描述事件發生的條件和結果，每個梯級是一個因果關 系。在梯級中，描述事件發生的條件表示在左面，事件發生的結果表示在右面。 梯形圖程序設計語言是最常用的一種程序設計語言，它來源于繼電器邏輯控制系統的描述。在 工業過程控制領域，電氣技術人員對繼電器邏輯控制技術較為熟悉。因此，由這種邏輯控制技術發 展而來的梯形圖受到歡迎，并得到廣泛的應用。 梯形圖程序設計語言的特點是: 與

56、原有繼電器邏輯控制技術相一致，易于撐握和學習; 與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性; 與原有的繼電器邏輯控制技術的不同點是:梯形圖中的能流(Power FLow)不是實際意義的電流， 內部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此應用時需與原有繼電器邏輯控制技術的有關概念區別 對待; 與布爾助記符程序設計語言有一一對應關系，便于相互轉換和程序檢查。 布爾助記符(Boolean Mnemonic)程序設計語言 布爾助記符程序設計語言是用布爾助記符來描述程序的一種程序設計語言。布爾助記符程序設 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。 布爾助記符程序設計語言具有下列特點

57、: 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行編程設 計; 與梯形圖有一一對應關系,其特點與梯形圖語言基本類同。 功能表圖(Sepuential Function Chart)程序設計語言 功能表圖程序設計語言是用功能表圖來描述程序的一種程序設計語言。它是近年來發展起來的 一種程序設計語言。采用功能表圖的描述，控制系統被分為若干個子系統，從功能入手，使系統的 操作具有明確的含義，便于設計人員和操作人員設計思想的溝通，便于程序的分工設計和檢查調試。 功能表圖程序設計語言的特點是: 以功能為主線，條理清楚，便

58、于對程序操作的理解和溝通; 常用于系統規模校大、程序關系較復雜的場合; 對大型的程序，可分工設計，采用較為靈活的程序結構，可節省程序設計、調試時間; 只有在活動步的命令和操作被執行，對活動步后的轉換進行掃描，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，由于它具有圖形表達方式，能比較簡單清楚地描述并發系統 和復雜系統的所有現象，并能對系統中存在的象死鎖、不安全等反常現象進行分析和建模，在模型 的基礎上可以直接編程，因此得到了廣泛的應用。近幾年推出的可編程控制器和小型集散控制系統 中也已提供了采用功能表圖描述語言進行編程的軟件。 功能模塊圖

59、(Function Block)程序設計語言 功能模塊圖程序設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，也可能因功能參數的不同 而使功能或應用范圍有所差別，例如，輸入端的數量、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。功能模塊圖程序設計語言的特點是: 以功能模塊為單位，從控制功能入手，使控制方案的

60、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計人員的編程和組態，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存，對功能模塊的執行需要一定的執行時間，因此， 這種設計語言在大中型 PLC 和集散控制系統的編程和組態中才被采用。 對控制規模較大、控制關系較復錄的系統，由于控制功能的關系可以較清楚地表達出來，因 此，編程和組態時間可以縮短，調試時間也能減少; 結構化語句(Structured Text)描述程序設計語言 結構化語句描述程序設計語言是用結構化的描述語句來描述程序的一種程序設計語言。它是一 種類似于高級語言的程序設計語言。在大中型的可編程序