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恒温水箱控制系统的设计1第一章绪论温度是工业控制对象主要被控参数之一，在温度控制中由于受到温度控制对象特（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响使得控制性能难以提高有些工业过程温度控制的不好直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统非常有价值。1.1课题背景自70年代以来，由于工业过程控制的需要特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：1.适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；2.能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；3.能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；4.这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术运用先进的算法适应的范围广泛；5.温控器普遍具有参数自整定功能借助计算机软件技术温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能有的还具有自学习功能它能够根据历史经验及控制对象的变化情况自动调整相关控制参数以保证控制效果的最优化；6.温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点目前国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛但从国内生产的温度控制器来讲总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平成熟产品主要以点位控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制，而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟。形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后还没有开发出性能可靠的自整定软件，控制参数大多靠人恒温水箱控制系统的设计2工经验及现场调试来确定，这些差距是我们必须努力克服的随着我国经济的发展及加入WTO我国政府及企业对此都非常重视对相关企业资源进行了重组相继建立了一些国家、企业的研发中心并通过合资、技术合作等方式组建了一批合资、合作及独资企业使我国温度等仪表工业得到迅速的发展当前由于国内、国外的温度控制系统、计算机控制等控制手段较多因此需对相关问题进行研究以确定系统合适的设计方案。目前主要有模拟、集成机械式温度控制器和智能电子式温度控制器两大系列。国际上新型温度控制器正从模拟式向数字式、电子式；从集成化向智能化、网络化的方向发展。在当今电子信息时代，电子自动化、信息采集控制在任何行业都是不可逆转的潮流，智能电子式温度控制器全面取代机械式温度控制器将在未来很短时间内实现。1.2设计指标1）要求系统具有自动和手动两种工作方式；2）温度范围：20℃～99℃温度超限能进行报警；3）实际温度与设定温度只差小于5℃，采用PID调节加热；水温高于设定温度5℃～10℃进冷水；水温高于设定值10℃以上采用进冷水和风机同时冷却的方法同时降温;4）进水时无流量、加热时水温无变化进行报警。本次设计用到的主要芯片有主控单元FX2N-48MR、三棱PLC扩展模块FX0N-3A、热电阻温度传感器PT100、CD4511BCD译码器、4只用于显示设定温度和实际温度的数码管、以及加热器件加热棒。根据键盘设定温度PLC能采集实际温度和设定温度比较从而调节可控硅的导通角控制加热棒的加热时间经过PID算法达到精确控制的目的，当液位超过预设范围且无流量变化或加热时水温无变化系统能触发报警，本PLC控制的恒温水箱系统设计从理论上可行。恒温水箱控制系统的设计3第2章FX2N-48MRPLC简介2.1三菱FX2N-48MR的性能(1)灵活的配置除了具有满足特殊需求的大量特殊模块外,6个基本单元中的每个单元可扩展至256I/O(2)高速运算基本指令:0.08us/指令,应用指令:1.52至几百us/指令(3)突出的寄存器容量FX2N系列包括8K步内置RAM寄存器,用一个寄存器盒可扩展到16RAM或EEPROM(4)丰富的元件资源3072点辅助继电器,256点计时器,235点计数器,8000数据存储器2.2三菱FX2N-48MRPLC技术参数FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入出16--25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。系统配置既固定又灵活：在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16--256点的灵活输入输出组合。备有可自由选择，丰富的品种可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。令人放心的高性能程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。2.3三菱FX2N-48MRPLC的特点1.编程方法简单易学考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯和应用微机的实际水平，FX2N-48MRPLC配备有他们最容易接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和恒温水箱控制系统的设计4表达方式与继电器电路原理图非常接近。而且某些仅有开关量逻辑控制功能的PLC只有十几条指令。通过阅读FX2N-48MRPLC的使用手册或短期培训，电气技术人员或技术工人只要几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。2.硬件配套齐全用户使用方便FX2N-48MRPLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定FX2N-48MRPLC的硬件配置和外部接线。PLC的安装接线也很方便。3.通用性强FX2N-48MRPLC的生产具有系列化和模块化特点，硬件配置相当灵活，可以很方便地组成能满足各种控制要求的控制系统。组成系统后，如果工艺变化，可以通过修改用户程序，方便快速地适应变化。4.可靠性高抗干扰能力强，绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。FX2N-48MRPLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。FX2N-48MRPLC的平均无故障间隔时间高，如日本三菱公司的F1、F2系列PLC的平均无故障间隔时间长达30万小时，这是一般微机所不能比拟的。5.系统的设计、安装、调试工作量少FX2N-48MRPLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序很容易掌握，设计和调试梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少得多。6.维修工作量小维修方便FX2N-48MRPLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的指示灯或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因。用更换模块的方法可以迅速地排除PLC的故障。7.体积小，能耗低以F1-40M型PLC为例，其外形尺寸为305×ll0×110mm，功耗小于25VA。由于体积小，恒温水箱控制系统的设计5PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。2.4三菱FX2N-48MRPLC开发环境可编程控制器的产生和发展与继电器有很大的的关系。继电器室一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，虽有上百年的历史，但在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，可能会花大量时间，严重地影响生产。如果工艺要求发生变化，就得重新设计线路连线安装，不利于产品的更新换代。显然，需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更可靠，更容易维护，更能适应经常变动的工艺条件，因此在1969年，美国数字设备公司根据要求研制出世界上第一台可编程控制器。在20世纪70年代后期，随着微电子技术，计算机技术和数字控制技术的迅速发展，人们为了与电脑区分，就把可编程控制器称为PLC。恒温水箱控制系统的设计6第3章设计思想与方案论证各控制方案的比较根据任务设计要求恒温水箱的水温需要运用PID控制。在工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制简称PID控制又称PID调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型时控制理论的其它技术难以采用时系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时最适合用PID控制技术。PID控制器就是根据系统的误差利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。首先PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统这样PID就可控制了。其次PID参数较易整定。也就是PID参数Kp、Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化PID参数就可以重新整定。第三PID控制器在实践中也不断的得到改进PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。3.1设计思想方案1：纯模拟电路控制温度采集信号放大预设温度比较器信号放大继电器输出加热棒图3.1纯模拟电路控制的恒温系统恒温水箱控制系统的设计7传统的温度控制较多地使用纯模拟电路并采用继电器一接触器或者双向晶闸管进行模拟部分驱动制冷器件。纯模拟电路温度控制有很多不足之处，比如:模拟电路复杂、控制精度不高、控制参数的调整要依靠经验数据，很难做到动态调节、系统操作复杂，不利于远程控制、实时控制以及数据的实时采集等等。本文在分析了温度控制的特点后，建立在PID参数自整定方法的温度控制方法，具有控制精度高、控制温度范围大、制冷响应速度快等特点。此方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所地结果的精度不高并且调节动作频繁、系统静差大、不稳定、受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，难以用数码管显示或者LCD液晶显示，难以用键盘设定，其方案一框图如图3.1所示。方案2：单片机控制此方案采用单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统通过温度传感器（DS18B20）对水箱内水温进行检单片机系统温度传感器温度显示水箱温度故障显示报警加热棒继电器输出液位显示按键图3.2单片机控制的恒温系统恒温水箱控制系统的设计8测，得到模拟的温度信号，在经过A/D转换成数字信号之后，则可用数码管来显示或者用LCD液晶显示水温的实际值，还能用键盘输入设定值，也可实现打印功能。本方案还可选用51单片机（内部含有4KB的EEPROM），不需要外扩展存储器可使系统整体结构较为简单。但是它是一种传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也比较麻烦，用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差、故障率高、不易扩展、对环境依赖性强、开发周期长。一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。单片机常用的是C，汇编与Basic。就算是C，也有许多不同的开发工具(如ICCAVRCodeVersion,IAR,GCC..)，彼此不兼容。这种百花齐放的局面，它让我们的交流变得更加困难。其方案二框图如图3.2所示。方案3：PLC控制PLC控制系统有以下一些特点：1）可靠性高。它采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路完成。PLC系统温度