基于plc的太阳能水温控制装置--软件设计(编辑修改稿)

基于plc的太阳能水温控制装置--软件设计(编辑修改稿)内容摘要：

已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容 [8]。 组态的特点与功能 组态软件是数据采集监控系统（ Supervisory Control and Data Acquisition）的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。 它的主要特点有：延续性 、可扩充性 、 封装性 、 通用性。 它的主要功能有： （ 1） 对工控系统中的各种资 源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑； （ 2） 处理数据报警和系统报警； （ 3） 提供各种数据驱动程序； （ 4） 各类报表的生成和打印输出； （ 5） 使用脚本语言提供二次开发的功能； （ 6） 存储历史数据并支持历史数据的查询等。 组态的系统成员构成 组态软件因为功能强大，每个功能具有一定的独立性，典型组件可以分为七大类： （ 1） 应用程序管理器； （ 2） 图形界面开发程序； （ 3） 图形界面运行程序； （ 4） 实时数据库系统组态程序； （ 5） 实时数据库系统运行程序； （ 6） I/O驱动程序； （ 7） 扩展可选组件 [9]。 I/O 口的分配图及其接线图 输入输出端各有十 六个 I/O 口，水箱水位高低的七个水位的七个线接入 PLC的输入端，同时通过外面的灯显示器水位的情况；在用户界面中，通过人为的控 8 制水泵和控制温度的参数输入 PLC 的输入端；在 PLC 的输出端中，根据用户的选定和设计的要求，通过 PLC 的输出端进行接线，表 为 PLC 的输入输出的I/O 端口的分配图。 表 PLC 的 I/O 分配图 输入端 输出端 X0 给定温度实时温度转换键 Y0 水泵启动 X1 次高水位 Y1 加热控制 X2 第三高水位 Y2 报警灯 X3 中间水 位 Y3 温度显示 X4 第三低水位 Y4 温度显示 X5 次低水位 Y5 温度显示 X6 最低水位 Y6 温度显示 X7 手动启动水泵 Y7 温度显示 X10 手动关闭水泵 Y10 温度显示 X11 增 1 Y11 温度显示 X12 减 1 Y12 温度显示 X13 复位 Y13 出错信号灯 X14 增 10 Y14 给定温度指示灯 X15 减 10 Y15 实时温度指示灯 X16 自适应控制 Y16 水位报警指示灯 X17 PID 控制 9 图 为 PLC 的外部接线图。 图 PLC 的 I/O 接线图 10 4 温度控制和液位控制的软件设计 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。 GX Developer 的特点 (1)软件的共通化 GX Developer能够制作 Q系列， QnA系列， A系列 (包括运动控制 (SCPU)),FX系列的数据 ,能够转换成 GPPQ,GPPA格式的文档。 此外，选择 FX系列的情况下，还能变换成 FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文档。 (2)利用 Windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将 Excel,Word等作成的说明数据进行复制、粘贴，并有效利用。 (3)程序的标准化 ： 用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。 用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为 实际的程序来使用。 （以下，略称作 FB） FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。 把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。 此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。 式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。 (4)能够简单设定和其他站点的链接由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。 (5)能够用各 种方法和可编程控制器 CPU连接 ： ； USB； MELSECNET/10(H)计算机插板； MELSECNET(Ⅱ )计算机插板； CCLink计算机插板； Ether计算机插板； CPU计算机插板 ； AF计算机插板。 11 (6)丰富的调试功能 ： ，能够更加简单的进行调试作业。 没有必要再和可编程控制器连接；没有必要制作条使用的顺序程序 ； CPU错误，特殊继电器 /特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者 是程序制作中想知道特殊继电器 /特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利 ； ，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短 [10]。 Gx Developer 的安装 要安装这个软件，先要打开 GX编程软件 MELSOFT\EnvMEL\里的 SETUP这个程序。 这个安装程序是共通部件。 并且要注意一下几点 ：（ 1） 去掉文件夹名称中的中文字符。 （ 2） 先安装 GX Developer\EnvMEL里的环境包。 （ 3） 打开 GX Developer里的 安装文件，开始安装，中间会要你输入 ID序列号，最好安装时候关闭杀毒软件，完成后再打开。 注意安装时不要选择监控模式，如果有不清楚的，就用默认的，直接点击下一步就可以了。 三菱的 有的存在这个问题，和 WIN系统有关，可以把缺少的文件从 里面，这个我试过，能行。 注意只复制。 或者先安装好 ，不用卸载，直接安装。 我亲自安装过的。 注意最好不要用 GHOST的系统，因为这样的系统精简掉了很多东西，特别是用在工控方面，在安装软件或应用的时候会出 现很多莫名其妙的问题。 温度控制软件设计 按偏差的比例、积分和微分进行控制的控制方案简称为 PID控制。 上世纪 20 年代， Minorsky在对船舶自动导航的研究中，提出了基于输出反馈的 Pm控制器的设计方法，到了上世纪 40年代 PID控制器已在过程控制中得到了广泛的应用。 PID控制是连续系统中技术成熟、应用最广泛的一种控制方法，在工程控制中 90%以上的控制回路为 PID及其改进形式。 近年来，人们对 PID控制器的再认识和再研究的兴趣日益高涨， 2020年召开的一次 IFAC会议上，对 PID发展历史和现状进行了分析并 对未来的展望，进一步使国际工业控制界对 PID有了更深的认识和更高的研究热情。 PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，在长期 12 应用中积累了丰富的实用操作经验。 在工业过程控制中，由于建立控制对象的精确数学模型比较困难，系统参数又经常发生变化，运用现代控制理论的方法往往耗费很大的人力物力资源，并且往往得不到预期的效果，所以常采用 PID控制器。 计算机的出现使控制得到了进一步的发展，用计算机实现的 PID控制，成为计算机控制中应用最为广泛的算法，它是将 PID控制与计算机的逻辑判断功能结合起来，使 PID控制更加 灵活，从而能满足工业生产复杂的生产过程所提出的各种需求 [11]。 温度控制的基本功能 根据用户设定的温度，检测实时温度，比较两个温度，是否接近，倘若用户设定的温度高于实时温度，则 PLC 将启动电热丝进行加热，在此加热期间，进行多次检测，直到水温与用户给定的温度相接近，就停止加热，控制水温在用户给定的范围里。 温度控制的算法 模拟 PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、参数物理意义明确、理论分析体系完整、鲁棒性好和可靠性高等优点，因此在工业过程控制，尤其在可建立精确数学模型的 确定性控制系统中，常规 PID控制系统主要由被控对象和控制器所组成，其系统构成图如下图。 图 PID 控制系统结构图 程序对设定值、 PID控制参数、定值中断时间等进行初始化设定，并启动周期定时中断，中断（采样）时间到，则进入中断程序，进行采样滤波（求采样平 13 均值）、量程转换，实现控制要的的控制算法 [12]。 PID控制算法利用 GXDeveloper软件的 PID指令实现。 PID控制器是一种线性控制器，它是将给定值 :(t)与输出值 y(t)构成的偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对 被控对象进行控制。 模拟量 PID控制器的数学表达式为 : 式中， e(t)为控制器输入偏差信号。 (t)为控制器输出信号， Kp为比例常数， Ti 为积分时间， Td为微分时间。 从 PID控制器的数学模型，可以看出 PID控制器由三个环节构成，分别为比例环节、积分环节和微分环节。 软件设计语言 通过硬件中的温度采集模块，读入程序让 PLC 有 AD 模块联调，通过不同环 境下记录了不同数据，如图 所示，可知 AD 模块中收集的信号与数字量成线性关系，即温度与数字量成线性关系，通过计算可得出公式： 592 . 8 实时温度数字量  图 AD 模块温度调试 (1）用户给定温度输入 :用户通过五个键（复位、增 减 增 减 10）进行 “大调小调 ”的方式控制，由两个数码管显示其给定的温度。 由于采用的是继电器型 PLC，不能直接采用方向开关指令（ ARWS），该指令适应于晶体管型 PLC。 程序如下：   0 ])()(1)([)( dt tdeTddtteTiteKptu 14 (2）实时采集温度 :通过特殊模块 FX2N2AD 对热电偶不同温度状态下不同阻值的模拟量，转化为数字量 [13]，并存储在寄存器 D501 上，采集实时温度的程序如下： (3） PID 调节及自动调节 ： PID 的三个参数比例增益 Kp,积分时间 TI 和微分 TD 的最佳值，工程上常用阶跃响应法使控制系统产生 0100%（或 70%或 50%） 15 的阶跃。