1、前言可編程控制器是一種應用很廣泛的自動控制裝置，它將傳統的繼電器控制技術、 計算機技術和通訊技術融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、 適宜長期連續工作的特點，非常適合溫度控制的要求。在工業領域，隨著自動化程度的迅速提高，用戶對控制系統的過程監控要求越來 越高，人機界面的出現正好滿足了用戶這一需求。人機界面可以對控制系統進行 全面監控，包括過程監測、報警提示、數據記錄等功能，從而使控制系統變得操 作人性化、過程可視化，在自動控制領域的作用日益顯著。本文主要介紹了基于三菱公司 FX2N系列的可編程控制器和亞控公司的組態軟件 組態王的某一對象溫度控制系統的設計方案。編程時調用了編程軟件

2、STEP 7 -Micro WIN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡潔，運行速度更為理想。利 用組態軟件組態王設計人機界面，實現控制系統的實時監控、數據的實時采樣與 處理。目錄第一章概述2第二章總方案32.1 系統框圖32.2 下位機設計42.2.1 元件選擇62.3 上位機設計82.3.1 監控主界面 92.3.2 實時趨勢曲線102.3.3 歷史趨勢曲線 112.3.4 報警窗口 112.3.5 設定畫面122.3.6 變量設置132.3.7 動畫連接 15第三章總結17第四章參考文獻171第一章概述 溫度控制在電子、冶金、機械等工業領域應用非常廣泛。由于其具有工況復雜、參數多變、運行

3、慣性大、控制滯后等特點，它對控制調節器要求極高。目前 ，仍有 相當部分工業企業在用窯、爐等烘干生產線，存在著控制精度不高、爐內溫度均勻性差等問題，達不到工藝要求，造成裝備運行成本費用高，產出品品質低下，嚴 重影響企業經濟效益，急需技術改造。近年來，國內外對溫度控制器的研究進行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計算 機技術的發展，溫度控制器的研究取得了巨大的發展，形成了一批商品化的溫度 調節器，如：職能化PID、模糊控制、自適應控制等，其性能、控制效果好 ，可廣 泛應用于溫度控制系統及企業相關設備的技術改造服務。在工業自動化領域內，PLC （可編程控制器） 以其可靠性高、抗干擾能力強、編程 簡單、功

4、能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應用于現代工業的 自動控制之中。目前的工業控制中，常常選用PLC作為現場的控制設備，用于數據 采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機則是利用HMI軟件來完成工業控制狀態、流程和參數的顯示，實現監控、管理、分析和存儲等功能 。這種監控系 統充分利用了 PLC和計算機各自的特點，得到了廣泛的應用。在這種方式的基礎 上設計了一套溫度控制系統。以基于 PLC的下位機和完成HMI功能的上位機相 結合，構建成分布式控制系統，實現了溫度自動控制。此外，隨著工業自動化水平的迅速提高，用戶對控制系統的過程監控要求越來越 高，人機界面（HMI）的出現正好滿足了用戶這

5、一需求。人機界面可以對控制系 統進行全面監控，包括參數監2測、信息處理、在線優化、報警提示、數據記錄等功能，從而使控制系統變得簡 單易懂、操作人性化，深受廣大用戶的喜歡。人機界面（ HMI）在自動控制領域 的作用日益顯著。HMI正在成為引導工業生產制造走向成功的重要因素，因為這 些系統越來越多的用于監控生產過程，讓過程變得更加準確、簡潔和快速。 第二章總方案2.1 系統框圖系統整體設計方案及硬件連接圖。系統選用 FX2NPLC為控制器，Pt100型熱電偶 將檢測到的實際爐溫轉化為電壓信號，經過 FX2N-4AD模擬量輸入模塊轉換成數 字量信號并送到PLC中進行PID調節，PID控制器輸出量轉化

6、成占空比，通過固 態繼電器控制爐子加熱的通斷來實現對爐子溫度的控制。PLC和HMI相連接，實現了系統的實時監控。整個硬件連接圖如圖 2-1所示。32.2 下位機設計根據對系統設計內容的分析，確定控制系統所需要的輸入輸出點數為1/3點。選用FX2N系列PLC,輸入輸出點數的分配如表2-1所示，由于系統必須對溫度信號 進行采集和控制，還必須使用到模擬量輸入/輸出模塊FX2N-4AD模塊、品閘管 跳功模塊、溫度變送器。整個硬件系統的原理圖2-2如下：下位機總框圖2-2分析簡述工作流程：通過熱電偶對被測對象進行溫度測量，將測量的結果送到溫度變送器，通過溫度變送器將模擬量轉換為標準1-5V的電壓信號。轉

7、換后的標準電壓信號通過FX2N-4AD的A/D器轉換為PLC可以識別的數字量。FX2NPLC檢 測到來自A/D轉換后的信號，通過內部的程序進行比較和運算將所得的控制信號 輸出給固態繼電器。固態繼電器按照原先設定的準則進行工作從而控制閥門的開 或關，以實現蒸汽量的進或出從而使被控對象得到預期的控制。熱電偶溫度變送跑溫控PTC1h同態維電得b被抻對象i卜蒸汽最進/出陽門承英wJ4電器原理圖如下圖所示:FX2n48RL熱電阻220V MAX:100C溫度變送器6中。沖26-r皿水箱溫度信號二 X2MADL =*£§1?一%- N>c下位機設計接線原理圖52.2.1 元件的選

8、型1 .溫度傳感器溫度傳感器是用來檢測水溫的，他將溫度信號轉換為電信號，再送到變送器。本 次設計選用Pt100鋁電阻作溫度傳感器，珀電阻的阻值變化范圍為100.0-138.5歐，經變送器轉換后輸出4-20mA電流。2 .溫度變送器溫度變送器，專應于熱電阻或熱點偶，將溫度轉換成4-20MA的電流信號。本次選用WZPB 一體化溫度變送器，WZPB 一體化溫度變送器是溫度傳感器與變送器 的完美結合，以十分簡捷的方式把-200+1600 C范圍內的溫度信號轉換為二線 制420mA DC的電信號傳輸給顯示儀、調節器、記錄儀、DCS等，實現對溫度的精確測量和控制。一體化溫度變送器是現代工業現場、科研院所溫

9、度測控的更 新換代產品，是集散系統、數字總線系統的必備產品。3 . PLC控制器本次設計中，我們將采用FX2n系列PLC,FX系歹IPLC為單元型，內含CPU、電 源和固定搭配的輸入/輸出。Q4AR系列為雙機熱備系列，最大輸入輸出點數為 8192點。A系列PLC的最大輸入輸出點數為2048點。F系列程控器的最大輸入 輸出點數為256點。三菱小型FX 2 （N）系列程控器的輸入輸出點最大不超過 256點。每臺主機可連模入、模出、高速記數、定位等特殊功能模塊，不超過 8 個。FX系列在日本三菱的姬路制作所生產。目前 FX系列PLC為中國內地銷量 最多的小型PLC。FX2n系列PLC是該系列中功能最

10、強、速度最快的微型 PLC。 有RAM, EPROM和EEPROM FX2N系列PLC的特點超高速的運算速度 0.08微 秒.比FX2的0.48微秒6快六倍.容量極大8K步（最大16K步）.比FX2大四倍.機體小型化 比FX2小50% . 兼容FX2的編程設計.備有多種不同的FX2N擴展單元及特殊模塊.輸入輸出點數的分配表表2-1功能鍵設定輔助繼電器輸出繼電器nni的控制M0Y0閥門2的控制MlY1停止加熱控制M2Y2總件控制旃1（外滯兀件）X0（內粼地址）根據設計要求，本次設計選用模擬量輸入模塊FX2N-4AD，該模塊用4個12位模擬量輸入通道，輸入量程為 DC-10V-+10V和420MA

11、 ,轉換速度為15MS/通 道或6MS/通道（高速）。4 .調壓器調壓器是應用晶閘管（又稱可控硅）及其觸發控制電路用于調整負載功率的盤裝 功率調整單元。本次設計選用 PAD-37系列SCR品閘管作為交流調壓器，PAD37 系列晶閘管調功器”通過對電壓、電流和功率的精確控制，從而實現精密控溫。 并且憑借其先進的數字控制算法，優化了電能使用效率。隨著自動化技術迅猛發展，控制系統功能越來越強大，控制過程也變得越來越復 雜，系統操作最大透明化已經成為一種需要。人機界面（ HMI Human Machine Interface）以其過程可視化、操作員對操作過程可方便的控制等顯著特點，很好 的滿足了這種需

12、求而得到廣泛的應用。工業HMI又稱觸摸屏監控器，是一種智能化操作控制顯示裝置。它一般與 PLC等工業控制設備，利用顯示 7 屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數或輸入操作命 令，實現人與機器信息交互。HMI的主要功能有：數據的輸入與顯示；系統或設 備的操作狀態方面的實時信息顯示；報警處理及打印；數據歸檔和報表系統。此 外，新一代工業人機界面還具有簡單的編程、對輸入的數據進行處理、數據登錄 及配方等智能化控制功能。5 .3上位機設計HMI監控系統由監控主畫面及相應的功能子畫面組成，HMI畫面設計對于HMI來說是非常關鍵的。HMI畫面是用組態軟件來做的，常見的組態軟件有西門子

13、公 司的Wincc、羅克韋爾公司的RsView及國產的組態王、力控等。在本溫度控制 系統設計中，我們選擇了組態王來完成監控畫面的設計。組態王和其他組態軟件 相比最大的優勢是它操作方便，提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了 以漢字作為關鍵字的腳本語言支持，對于新手來說很容易上手。我們從北京亞控公司的主頁上下載了組態王 6.5.1演示版，安裝好以后。雙擊桌 面圖標，打開工程管理器，建立工程。如圖所示，最下面的一行是我們新建的工 程，工程名稱為 組態王”。雙擊工程管理器中的工程名，出現工程瀏覽器。在工 程瀏覽器中，雙擊新建圖標，新建畫面（如圖 2-3-2所示）。在這里我們制作了 監控主界面、實

14、時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、報警窗口等畫面。下面詳細介紹每個畫面的設計方法。8圖2-3-1新建工程9于 nfl afpii Biw jJUn imzi w<i報警窗口實時越勢曲戰參數設置歷史疸勢曲線圖2-3-3溫度控制界面2.3.2 實時趨勢曲線打開開發系統頁面后，點擊工具箱中的實時趨勢曲線”把實時趨勢曲線放進開發頁面，然后雙擊曲線畫面，對曲線進行設置，如X軸和Y軸的設置及標示定義等，最后利用工具箱做好 返回主界面”按鈕，即可形成如圖2-3-4所示的實時趨 勢曲線畫面。系統運行時，實時趨勢曲線會顯示當前溫度值的變化趨勢和設定溫 度值。點擊 返回主界面”按鈕，就會回到主界面。10圖2-3-4

15、實時趨勢曲線2.3.3 歷史趨勢曲線打開開發系統頁面后，點擊 圖庫”，打開圖庫管理器，雙擊 歷史曲線”把它放進 開發頁面，再雙擊歷史趨勢曲線畫面，對曲線進行設置，包括曲線定義，坐標 系，操作面板和安全屬性等設置，最后利用工具箱做好返回主界面”按鈕，即可形成如圖2-3-5所示的歷史趨勢曲線畫面。系統運行時，畫面上會記錄某段時間 內設定溫度值和當前溫度值的變化曲線。點擊返回主界面”按鈕，就會回到主界面。2.3.4 報警窗口打開開發系統頁面后，點擊工具箱中的報警窗口”把報警窗口放進開發頁面，然后雙擊畫面，對報警窗口進行設置，包括通用屬性、列屬性、操作屬性、條件屬 性、顏色和字體屬性的設置。最后利用工

16、具箱做好返回主界面”按鈕，即可形成如圖2-3-6所示的報警窗口畫面。系統運行時，報警窗口會根據當前溫度值國叫叫 更| m UkiR4g IE11做出適當的報警。此項目中我們設置當前溫度低于90度時，報警類型”欄顯示當前溫度偏低。當前溫度超過105度時，報警類型”欄顯示當前溫度偏高。圖2-3-5歷史趨勢曲線圖2-3-6報警窗口2.3.5 設定畫面設定畫面的設計和上面4個畫面類似，系統運行時該畫面會顯示增益Kp、積分時間Ti、微分時間Td、采樣時間、溫度輸入等參數的值。122.3.6 變量設置打開工程瀏覽器，點擊 數據詞典”，再點擊 新建”建立溫度”、輸入閥”、輸出 閥”、指示燈"、“K

17、p'： "Ti、” “Td'；溫度輸入”等變量。其中變量類型和寄存器 是最關鍵的，在組態王和 PLC之間傳輸的變量都是I/O類型的，只在組態王內部 需要的是內存型的。寄存器和數據類型要與程序中一致，否則組態王就不能起到 監控作用了。比如 溫度”的寄存器為INCREA200,數據類型為SHORT。下面我們以溫度設置為例來說明變量設置的步驟和方法。圖2-3-7為變量溫度”基本屬性設置圖，變量類型設置為I/O實數，連接設備為新IO設備，寄存器為 INCREA200,數據類型是 SHORT。圖2-3-7溫度基本屬性設置圖2-3-8為變量 溫度”報警定義設置圖，我們設置了當前溫

18、度低于10度時，報警當前溫度太低。當前溫度10度到50之間時，報警當前溫度偏低。當前溫度大于190時，報警當前溫度偏13圖2-3-8溫度報警定義設置圖2-3-9為變量 溫度”記錄和安全區設置圖，我們設置 記錄”為數據變化記錄, 變化靈敏度設為1.這個主要是為歷史趨勢曲線服務的，若不設置這個，往往歷史 趨勢曲線就出不來或者效果很差。圖2-3-9當前溫度記錄和安全區設置142.3.7 動畫連接打開主界面，雙擊 停止”按鈕，出現如圖2-3-10的動畫連接畫面。在按下時左邊 打溝，點擊 確定”，出現命令語言輸入窗口，在該窗口中輸入圖2-3-11所示的命令，再點擊 確定”，就完成了停止”按鈕的動畫連接設

19、置。這樣，點擊 停止” 后，系統就開始運行。對象類型技困我象鈉二|£SS3B£B左簾 ± 210高度卯 亮度HQ推示文本：|雷區登化L 續密性位置與大4五北水平移動| 事直移動 簟在用tr 文本色優先皺；R5-安全區校眼保護訪畫連接 值喻人等價譴r Ctrl I- Shi £t 無前亡唔嘉隹接f? tmt r二群寸_ 圖2-3-10動畫連接打開主界面，雙擊目前溫度值下面的框，出現如圖2-3-10所示的動畫連接畫面。在模擬值輸出左邊打鉤，出現模擬值輸出連接畫面。點擊表達式框右邊的問號，選擇變量 溫度”。輸出格式中設置整數位數為2,小數位數為1,顯示格式設置 為十進制，最后點擊 確定”。這樣，變量 溫度”的動畫連接設置就完成了。打開主界面，雙擊 溫度控制”按鈕，出現如圖2-3-10的動15畫連接畫面。在按下時左邊打溝，點擊 確定”，出現命令語言輸入窗口，在該窗 口中輸入圖2-3-12所示的命令，再點擊 確定”，就完成了溫度控制”按鈕的動畫 連接設置。運行時，點擊主界面中的溫度控制”就可以進入設定畫面了。其他按鈕的動畫連接方法和 停止”按鈕類似，只是輸入的命令稍有不同。