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基于FX2N系列PLC的炉温控制系统设计

目录

摘要 1

第1章 绪论 2

1.1课题背景及研究目的和意义 2

1.2 课题研究现状 2

1.3 主要研究内容以及方法 3

1.3.1 主要研究内容 3

1.3.2 主要的方法 3

第2章 炉温控制系统总体结构及工作原理 4

2.1 炉温控制系统设计结构 4

2.2炉温控制系统工作原理 4

第3章 可编程控制器的选择 5

3.1 可编程控制器定义 5

3.2 可编程控制器的特点 5

3.3 可编程控制器的发展趋势 6

3.4可编程控制器的组成和工作原理 6

3.4.1 可编程控制器的组成 6

3.4.2 可编程控制器的工作原理 7

3.5 PLC的硬件配置 8

3.6 FX2N-4AD模块 10

3.7 GX Developer编程软件 10

第4章 触摸屏技术 10

4.1 触摸屏的概述 10

4.2 触摸屏的工作原理 11

4.3 三菱GOT1000触摸屏 11

4.4 三菱触摸屏GT_Designer3软件 11

第5章 炉温控制系统程序设计 12

5.1 PLC系统设计的基本步骤 12

5.2系统设计要求 12

5.3 I/O分配表 13

5.4电气接线图 14

5.5系统设计的流程图 14

5.6部分梯形图分析 15

第6章 总结 16

致 谢 17

参考文献 18

附录一 19

附录二 26

基于FX2N系列PLC的炉温控制系统设计

摘要：温度对于人类来说是必不可少的。而随着现在经济与工业的快速发展，温度在与各行各业都得到了充分的利用，尤其是在工业上。炉温控制系统就是其中的一个。在早期炉温控制系统只能运用手动的方式控制，而如今随着计算机科技的不断发展，可编程控制器也得到了发展，炉温控制系统也随之得到的改变与完善。

可编程控制器（PLC）它是在继电器控制技术和计算机技术的基础上发展起来的一种新型的工业自动化控制设备。至上世纪80年代起，PLC得到了飞速的发展，从原来具有顺序控制、逻辑控制等功能，到现在的具有定位控制、模拟量输入/输出、数据处理、联网通信等功能。可编程控制器具有可靠性高、编程简单易学、通用性强、使用方便、系统设计周期短、适应面广、抗干扰能力强等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，预见的将来，是无法取代的。

本文则是重点研究介绍将触摸屏作为操作界面和监控界面与PLC相结合组成的炉温控制系统。论文以炉温控制系统的发展、现状做调查为基础，并且设定总体的设计方案。从选择PLC的配置、简单介绍并运用A/D模块和触摸屏技术、编程软件等方面进行设计并介绍。从而实现能手自动切换控制加热系统的启动和停止，利用控制炉膛内的温度对小车上的工件进行加热，与此同时显示炉温实时温度。

关键词：炉温控制系统 PLC 触摸屏 A/D模块

第1章 绪论

1.1课题背景及研究目的和意义

在生产以及生活的过程当中，温度是最基本的物理量，在自然界中不管是物理还是化学过程都与温度息息相关。伴随着现代工业水平的不断提高，温度控制在工业生产中显得越来越重要。在很多工业领域，都需要对各种热处理炉、反应炉、加热炉或者锅炉进行控制，如轧钢工业需要对钢坯进行前加热，塑料的定型、高精度模具制造，机床制造，量具等高精密仪器、机器都要求环境温度管控。温度的控制在这些领域有着至关重要的作用。温度控制复多.杂样化，所以设计一个较为通用的温度控制系统具有十分重要意义。众所周知，加热炉是一个具有强耦合性、强非线性、大滞后、时某某等特点的典型的复杂工业被控对象，用传统的控制方法对其进行控制很难取得满意的控制效果。但是随着PLC技术等不断地发展,为智能温度测控系统精度的提高和稳定性改善等提供了条件，并得到日益发展和完善。

以前人们采用人工手动操作，通过模拟仪表对炉温进行控制，依据个人的工作经验和控制系统返回的数据来调节相应的设备，控制效果不太理想，生产也不稳定。但是现在，随着计算机技术的进一步发展与提升，炉温控制也随之在进步，方式也在不断更新。PLC作为一种通用的工业控制器，它拥有可靠性高、控制功能完善、使用灵活方便、控制精度较高等特点，因此在PLC技术的基础上，研究、设计较为通用的温度控制系统具有重要意义，而且控制系统的具体参数或元器件可根据各行业的要求不同来进行选择。

本文则是重点研究介绍将触摸屏作为操作界面和监控界面与PLC相结合来完成炉温控制系统的设计。本设计可以使得我们了解炉温控制系统设计原理，掌握三菱GX Developer软件的操作，编写出系统设计的程序、了解触摸屏的知识，实现炉温控制的智能化。

1.2 课题研究现状

至七十年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是计算机技术和微电子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，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数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，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点：

1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。

2）能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）能适用于受控系统过程复杂、参数时某某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，适应范围广泛。

5）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。

6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、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、小型化等方向发展。[]

随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，并且随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。而基于PLC炉温控制系统在工业生产中获得了广泛的应用并占有重要的地位。

1.3 主要研究内容以及方法

1.3.1 主要研究内容

以触摸屏上设定的参考温度作为参考，以PLC为控制器，将小车上的元件送往炉膛内，到达炉膛后，启动加热系统，对小车上的元件进行加热，显示实时温度。与设定的参考温度进行比较，到达温度后，小车上的元件退回。运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现炉温控制系统。主要内容如下：

熟悉课题，明确本课题的任务与要求。

收集查询与本课题有关系的文献资料,写出开题报告书。

拟定进行课题的设计方案。

熟悉炉温控制系统装置的控制流程与控制要求。

选定PLC、A/D模块的型号。选择触摸屏与PLC编程软件的型号。

6.画出炉温控制过程的流程图。

7.确定控制的I/O端数,对I/O端进行分配

8.画出外部接线图。

9.画出控制逻辑梯形图。

1.3.2 主要的方法

调查研究法：调查炉温控制系统的现状、发展。

比较研究法：比较各个PLC型号的异同。

文献研究法：搜集、查阅、整理有关炉温控制系统设计、PLC、触摸屏的相关论文和参考文献。

归纳分析法：分析现有的资料，归纳总结自己的观点，设计出炉温控制系统流程图、梯形图等。

实践法：将自己的观点应用到实践中，仿真模拟软件，检测功能是否能实现。

第2章 炉温控制系统总体结构及工作原理

2.1 炉温控制系统设计结构

根据课题要求：炉温控制系统是将触摸屏作为操作和监控界面，采用PLC控制，能够手动和自动控制加热系统的启动和停止，炉内温度由温度传感器测出，经温度变送器送给PLC的A/D模块，并显示炉温实时温度。如图1-3炉温控制系统结构图所示：

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图2-1 炉温控制系统结构

2.2炉温控制系统工作原理

图4-2 炉温控制系统工作原理

图4-2为炉温控制系统工作原理。由图可以明确看出系统控制规律的总体思路。方便下面的编程以及之后的连线接线，环环相扣，思路清晰。

首先是启动送料的过程：按下启动按钮，炉门会开始打开，当门全部打开时就会让开门到位打开。接着小车前进送料进入炉膛。进入炉膛后，小车送料到达送料位置时，小车送到位打开，接着炉门开始关闭，当关门到位打开时，炉门全部关闭。

其次是小车上的元件进行加热的过程：可选择手/自动模式。

假如当前为手动模式，加热元件到答设定的温度的时候，按下停止按钮，炉门开始打开，并且开门到位打开后，炉门将全部打开，小车开始反退出料退出炉膛。小车退出炉膛到达退到位时，退到位打开，炉门开始关闭。当关门到位打开时，炉门全部关闭。经过20s后会进行下一个循环。

假如当前为自动模式，额定电压以5s降低10%开始下降,比较炉内温度与设定的温度，当炉内温度大于获等于达预定温度后则无需按按钮，自动停止加热并且保温10s后，炉门开始打开并且开门到位打开后，炉门将全部打开，小车开始反退出料退出炉膛。小车退出炉膛到达退到位时，退到位打开，炉门开始关闭。当关门到位打开时，炉门全部关闭。经过20s后会进行下一个循环。

第3章 可编程控制器的选择

根据炉温控制系统设计方案的要求，可编程控制器是控制系统的核心部件。

3.1 可编程控制器定义

近期国际电工协会（ICE）对PLC的定义如下：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。[]

3.2 可编程控制器的特点

可靠性高：PLC是专门为工业控制设计的，它在设计和制作的过程当中利用了精选元件和多层次的抗干扰的措施，使得其能在恶劣的工业环境条件下与强电设备同时工作，运行的稳定性和可靠性高。元件的寿命长，平均无故障工作时间长。

2、编程简单易学：PLC最大的特点之一就是采用容易学习的梯形图语言，它是以计算机软件技术构成人们所常用的继电器模型。电气人员在了解PLC的工作原理和它的编程技术后，就可以迅速地结合实际所需要的应用进行设计，进而将PLC用于实际控制系统中。

3、通用性强，使用方便，适应性强：由于PLC自身的硬件特点，只需要根据控制要求来进行模块的配置。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需要修改程序，就能改更控制功能；与外围设备的连接方便，通信协议标准统一。

3.3 可编程控制器的发展趋势

现在的PLC的发展主要有两个趋势：一是向体积更小，速度更快、功能更强和价格更的微小型方面发展，也就是现在开始发展的嵌入式PLC的控制方式；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。[]

3.4可编程控制器的组成和工作原理

3.4.1 可编程控制器的组成

中央处理器CPU

PLC的核心是CPU，它是按照PLC的系统程序赋予的功能接收用户程序和数据，用扫描的方式来采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存储到规定的寄存器中，同时并且诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法是否有错误等。CPU主要由控制器、运算器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。　

2、编程器

　　用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的是编程器的作用。编程器一般分为两大类：简易型和智能型。简易型的只能联机编程，并且需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又称图形编程器），既可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。

I/O模块

　　PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输出（DO），开关量输入（DI），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。[]

4、电源

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。[]

5、存储器

可编程控制器的存储器可以分为三类，分别是系统程序存储器、用户程序存储器和工作数据存储器。

3.4.2 可编程控制器的工作原理

PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。中央处理器从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。从上而下，自左向右。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

PLC工作的全过程可用图 3-1 所示的运行框图来表示。

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图 3-1 可编程控制器运行框图

3.5 PLC的硬件配置

3.5.1 FX2N系列系统的硬件配置

本次的炉温控制系统采用的是三菱FX2N-4AD的PLC硬件配置。FX2N系列可编程控制器是日本***小型PLC的代表产品之一。FX2N系列PLC的硬件包括基本单元、扩展单元、扩展模块、模拟量输入输出模块、各种特殊功能模块及外部设备等。FX2N系列PLC吸取了整体式和模块式PLC的优点，各单元间采用叠装式连接。根据它们与基本单元的距离，对每个模块按0-7的顺序编号，最多可连接８个特殊功能模块。模块连接如图3-2所示：

图3-2 FX2N模块连接图

3.5.2 FX2N系列特殊功能单元

特殊功能单元是一些专门用途的装置。如模拟量I/O单元、高速计数单元、位置控制单元、通讯单元等。常用特殊功能单元的型号及功能如表2-1所示：

型号

功能说明



FX2N-4AD

4通道12位模拟量输入模块



FX2N?-4AD-PT

供PT-100温度传感器用的4通道12位模拟量输入



FX2N?-4AD-TC

供热电偶温度传感器用的4通道12位模拟量输入



FX2N?-4DA

4通道12位模拟量输出模块



FX2N?-3A

2通道输入、1通道输出的8位模拟量模块



FX2N?-1HC

2相50HZ的1通道高速计数器



FX2N?-1PG

脉冲输出模块



FX2N?-10GM

有4点通用输入、6点通用输出的1轴定位单元



FX-20GM和E-20GM

2轴定位单元，内置EEPROM



FX2N?-1RM-SET

可编程凸轮控制单元



FX2N?-232-BD

RS-232C通信用功能扩展板



FX2N?-232IF

RS-232C通信用功能模块



FX2N?-422-BD

RS-422通信用功能扩展板



FX-485PC-IF-SET

RS-232C/485变换接口



FX2N?-485-BD

RS-485C通信用功能扩展板



FX-16NP/NT

MELSECNET/MINI接口模块



FX2N?-8AV-BD

模拟量设定功能扩展板



表3-1 FX2N的特殊功能单元的型号及功能

3.6 FX2N-4AD模块

三菱FX2N-4AD是三菱***推出的一款FX2N系列PLC模拟量输入模块，有CH1~CH4四个通道，每个通道都可进行AD转换，分辩率为12位，采集信号电压为-10V~+10V，分辩率5mV。电流输入时，为4~20mA或-20~20mA，分辩率20uA。FX2N-4AD内部有32个16位的缓冲寄存器(BMF)，用于与主机交换数据。

FX2N-4AD占用FX2n扩展总线的8个点，耗电为5V，30mA。[]

3.7 GX Developer编程软件

GX Developer是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。

第4章 触摸屏技术

4.1 触摸屏的概述

触摸屏(Touch Panel )是一种附加在显示器表面的透明介质。通过人的手指触摸该介质来实现对计算机的操作定位，最终实现对计算机的查询和输入，从而大大简化了计算机的输入方式，真正实现零距离操作。[]触摸屏技术已经非常成熟，在欧美，如Micro Touch、Elo 及Dynapro等厂XX有近20年的历史；日本的Nisha和Gunze也有十年以上的经验。而在生产技术发展上，东西方也各不相同，欧美触摸屏以电容式、表面声波式及五线式为发展方向，产品以大尺寸居多；日本触摸屏以四线式为发展方向，产品以小尺寸为主；中国台湾厂商大部分也以发展四线电阻式居多。触摸屏技术的应用非常广阔，试用于家用电器、自动控制设备面板以及像医疗设备这样需要擦拭清洁的应用场合。当需要时可在LCD显示器上实现可重置按键，或在传感器容易受到破坏的环境中它就是理想的解决方案，例如，它完全可以用来制造锅炉控制面板，用于像取款机或其他安全应用。[]

4.2 触摸屏的工作原理

触摸屏的本质就是传感器，它由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器 ； 触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置接收触摸信息，并将它转换成触点坐标送给CPU，同时能接收CPU发来的命令并加以执行。目前，根据传感器的类型， 触摸屏主要被分为表面声波式、电阻式、电容式、红外线式和新概念型触摸屏四种。

4.3 三菱GOT1000触摸屏

三菱触摸屏又称为“三菱人机界面”，是由三菱电机株式会社研发、生产、销售的知名触摸屏品牌之一。是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。目前，已广泛应用于机械、纺织、电气、包装、化工等行业。

本次设计采用的是三菱GOT1000触摸屏。触摸屏作为一种新型的人机界面,它的简单易用,强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境，同时也用于日常生活之中,应用非常广泛,比如:自动洗车机、天车升降控制、自动化停车设备、生产线监控等,甚至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调整等等。[]而本次设计采用的三菱GOT1000触摸屏有如下特点：

提供了监事性能与FA设备的可连接性

2、画面设置/启动-调解/应用/维护保养作业的高效化

3、增强了与FA设备组合工具的亲和性

4.4 三菱触摸屏GT_Designer3软件

三菱触摸屏GT_Designer3软件是用于三菱自动化GOT1000系列图形操作终端的画面设计软件，并且集成有GT Simulator3仿真软件，具有仿真模拟的功能。GT_Designer3进行工程和画面创建、图形绘制、对象配置和设置、公共设置以及数据传输等的软件。GT Simulator3在PC机上模拟GOT运行的仿真软件。

第5章 炉温控制系统程序设计

5.1 PLC系统设计的基本步骤

1、系统设计与设备选型

（1）分析所控制的设备或者系统。PLC最主要的目的就是控制外部系统。

（2）判断一下所要控制的设备或者系统的输入/输出的点数是否符合可编程控制器的点数要求。

2、I/O赋值

（1）将所有要控制的设备或者系统的输入、输出信号进行赋 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 定，那就是我们通过对课题的设计，真的是受益匪浅。

致 谢

通过这一阶段的努力，我的毕业论文《基于FX2N系列PLC的炉温控制系统设计》终于完成了。在此次毕业设计阶段，我在学习上以及动手实践方面都学习到了很多，使我受益匪浅。当然我能学习到这么多，这除了我个人的努力之外，还和各位老师、同学和朋友的支持、关心和鼓励是必不可分的。首先我要感谢学校以及学校的领导为我们提供实训室的硬件设施，可以让我们认真仔细的学习研究，在无形中为我们推波助澜。其次我要感谢我的导师裴某某老师，她在毕业设计阶段倾注了大量的心血，从选题到开题报告；从提纲的写作，到一遍又一遍地不厌其烦地指出每稿中的具体哪里有问题，一层一层严格的把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢我的班主任洪某某老师给予我的鼓励。最后我还要感谢在我此期间给我关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。设计毕业论文是一个再次系统化的学习过程，毕业论文的完成，不仅表示着我五年高职的校园生活的结束，同时还表示我新的学习生活的开始。在今后的工作中我将会以严谨认真的工作态度做好每一件事情。感谢各位老师的批评指导！

参考文献

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