控制系统工程设计第4章

第4章基于工控机的微型加热器温度控制系统4.1工控机实验装置4.2系统总体设计4.3系统硬件设计4.4系统软件设计返回总目录4.1工控机实验装置4.1.1工控机实验装置介绍工控机（IPC）实验装置分类：柜式、台式及盒式。研华IPC按结构分类：1、普通台式——其I/O接口卡插在主机ISA或PCI插槽里，还有分布式RS-485远程控制I/O模块等2、整体式——键盘和显示器均固定在主机上3、模块式——模块种类有电源模块、CPU模块、输入输出I/O接口卡模块、工业以太网接口模块、现场总线接口模块和分布式RS-485远程控制I/O模块等）多D/A结构（图2-1(a)）和共享D/A结构（图中2-1(b)）。柜式工控机（IPC）加热器圆工作台-旋转编码器工控机IPC-PLC-DCS-单片机实验装置17吋彩色显示器变频器三位数码管、交通灯、舞台灯光1650mm860mm1800mm730mm420mm开关、交直流电源、继电器、接触器、熔断器、热继电器模块储藏柜IPC信号调理模块、或IPC远程模块、PLC、DCS模块、单片机模块电梯-机械滑台大连轻工业学院信息学院设计工业计算机IPC与ISA及PCI板卡1350mm图4-1IPC实验装置外形与结构4.1.2控制要求1、硬件设计(1)被控对象设计(2)加热器电源设计(3)主控装置设计(4)加热器控制电路设计(5)加热器电气及电子原理图设计(6)信号调理模块和加热器模块电气及电子工艺设计2、控制方式与控制指标除了手动方式控制以外，还有自动方式控制。3、软件设计采用中国亚控公司中文组态王Kingview及与其配套的软PLC语言KingACT为编程语言。4.2系统总体设计4.2.1系统设计流程1、系统调研和设计任务书的拟订自动化系统设计任务书是整个系统设计的依据，同时又是今后设备竣工验收的依据。2、方案设计对同一控制对象和控制要求，往往有多种控制方案。在满足控制要求的前提下，设计方案应该力求简单、经济和实用，不宜盲目追求高指标。3、安全性、可靠性考虑4、硬件与软件设计5、系统安装调试4.2.2控制方案设计1、软硬件主要方案（1）硬件部分前面已经叙述过，除了用工控机IPC及其I/O摸板控制已经确定以外，还有：要求采用微型廉价测温传感器测量温度；要求采用高效集成式控制电路控制加热器的加热元件。（2）软件部分前面已经叙述过，用基于经典自动控制理论模拟PID的数字式恒值温度控制和基于现代控制理论离散型动态规划及最小原理变值温度控制控制，采用中文组态王Kingview及与其配套的软PLC语言KingACT为编程语言。2、控制算法与软件方案的拓宽（1）控制算法（2）编程语言（3）设计题目树4.3系统硬件设计4.3.1系统组成结构图4-2加热器IPC控制系统组成结构4.3.2系统功能划分1、工控机IPCIPC是整个控制系统的核心和大脑。从自动控制理论的角度出发，IPC属于自动运算、调节和控制环节。2、ISA或PCI多功能卡加热器的IPC控制，既有模拟量控制，又有开关量控制，故要有AI、AO、DI和DO输入输出点，要选择多功能卡。多功能卡产生TTL级的控制信号。3、通信转换模块及远程模块由于IPC另外还要控制电梯等对象，控制电梯需要较多的DI、DO点，而多功能卡上的DI、DO点不够用，故要增设这两个模块及RS232/485通信转换模块，兼有远程网络控制的功能。4、信号调理模块5、加热器模块6、AC电源和DC电源4.3.3工控机IPC概述1、IPC硬件研华公司是国际上最早从事工业计算机和自动化控制器的生产厂商之一研华产品的市场占有率较高。研华主要产品系列有：(1)工业计算机平台(2)电子自动化(3)嵌入式计算机(4)数字视频平台2、IPC软件与组态软件除了可用通用汇编语言、VB和C++语言编程以外，还具有方便用户编程的多实时工业组态软件，而一般IPC工业监控已较少使用前三种语言编程。工业组态软件特点有：(1)内置实时数据库(2)图形化软PLC语言（梯形图LD和功能块图FBD等）编写非常直观(3)能高速采样与控制(4)拥有同其它语言进行通信的软件接口4.3.4主控设备选型及配置工控机IPC及其I/O板卡是本课题的主要控制设备。1、IPC主机设备选型(1)选定普通台式IPC。(2)具体选IPC-610型。(3)全长All-in-OneCPU卡选PCA-6187型。(4)1个硬盘，1个光驱，1个鼠标，1个键盘，1台17英寸彩色显示器。2、插入式数据采集控制考虑到作为一般的IPC实验和低速数据采集控制工业应用，选用PCL-812PG型ISA多功能卡。其性能指标为：16路12位单端模拟量输入AI2路12位AO输出一个Intel8253-5型可编程定时器/计数器16位数字量输入DI，16位数字量输出DO连接插座3、信号调理模块和端子板(1)PCLD-782型光隔离数字量输入板信号调理模块和端子板用于连接主机箱里的PCL-812PG多功能卡。DI074LS2401330+5V1+5V4.7K∞－1MSA210KLM3394.7K+5V560500+5VinISA1++5VDICOM0DI01K+图4-3PCLD-782型光隔离数字量输入板内部及外部接口电路(2)PCLD-785型继电器输出模块DO01+12V+5V470DOCOM0DOB0DOK0a)PCL-812PGAI、AO插座AICOM0AI0b）R2R1C或AOCOM0或AO0图4-4DO0继电器输出通道与PCLD-780型螺旋接线端子板单个通道电路图(3)PCLD-780型螺旋接线端子板PCLD-780型接线端子板具有2套10通道连接器，其单个通道的电路图如图4-4b所示。共有4种设置方式：直通连接（工厂出厂设置）R1=0Ω，R2和C取消。1.6KHz（3dB）低通滤波器R1=10KΩ，C1=0.01μF，R2取消。10比1电压衰减器R1=9Ω，R2=2Ω，C1取消。0～20mA到0～5V（DC）信号转换器R1=0Ω，R2=250Ω，C1取消。4、远程通信模块和远程控制模块(1)通信转换模块选取AIAM-4520型光隔离RS232至RS-422/RS-485转换模块。(2)远程数字量输入输出模块选取2块AIAM-4050数字量输入输出模块（7点DI，8点DO），输入电压电平0～30V，8路NPN型晶体管集电极开路数字量输出。4.3.5系统电气电子原理图设计一、IPC、I/O插卡、信号调理模块、按钮和指示灯电路的设计工作原理：图4-5微型加热器IPC控制系统电气原理图(略）。二、加热器电路的设计加热器电路如图4-5所表示。1、加热器的信号输入加热器的信号输入端有两个，分别为AIU0和AII0，分别采用工业控制标准电压信号（0～5V）和电流信号（0～20mA）两种方式。图4-5微型加热器IPC控制系统电气原理图2、输入信号放大与槽形电压表指示输入信号采用单电源运算放大器N1A进行放大所用运算放大器LM358内部有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器电压表PV1为槽形电压表稳压二极管VZ1用于保护表头3、SG3524型PWM控制芯片介绍加热元件的加热电阻R30（100Ω，10W）采用功率管V20高效脉宽调制方式控制SG3524是美国硅通用公司（SiliconGeneral）生产的端推挽输出式脉宽调制器，工作频率高于100kHz，工作温度为0℃～70℃，适宜控制100W～500W中功率开关电源、加热器和直流电动机等。SG3524采用DIP-16型封装，其内部结构如图4-6所示，管脚功能:引脚1：反相输入，误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。引脚2：同相输入，误差放大器同相输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。引脚3：振荡器输出，内部振荡器输出。引脚4：限电流（+）输入CLSENSE，采用电流传感器引入，进行限电流保护。引脚5：限电流（-）输入CLSENSE，采用电流传感器引入，进行限电流保护。引脚6：振荡器外接电阻。引脚7：振荡器外接定时电容。振荡器频率由外接电阻和电容决定。引脚8：地GND。引脚9：补偿、外接RC网络，PWM比较器补偿信号输入端。引脚10：通/断控制：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。低电平时，输出为高阻状态。引脚11：内部激励发射极输出。引脚12：内部激励集电极输出。引脚13：内部激励集电极输出B。引脚14：内部激励发射极输出EMITTERB。引脚15：电源电压VIN。引脚16：基准电源电压VRF，+5V，既可用于内部电路，又可用于外部电路。图4-6SG3524型PWM控制芯片内部原理图4、加热器PWM控制原理(1)参见图4-5。运算放大器N1A的输出端，经R25、R24同R26分压SG3524脚16提供的基准电源+5V，而后接至PWM控制芯片SG3524的脚2（误差放大器同相输入端）。脚1（误差放大器反向输入端）和脚9（补偿、外接RC网络端）进行短接，使得内部误差放大器变成射跟随器形式。脚2实际上就是自动控制给定输入端，在此，我们仅对PWM控制芯片采用模拟式开环控制方式，但是就加热器温度大反馈控制而言，PWM控制芯片作为控制电器，不过是整个温度闭环控制系统的一个执行环节。(2)振荡器脚7须外接电容，脚6须外接电阻。振荡器频率由外接电阻和电容决定。本设计开关频率设定为0.5Hz，可取C=20μF，R=130kΩ。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至PWM比较器的同相端，比较器的反向端接误差放大器的输出。(3)误差放大器的输出与锯齿波电压在PWM比较器中进行比较，从而在PWM比较器的输出端出现一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，此方波脉冲经过RS双稳态触发器A送到两个或非门的输入端。每个或非门的另两个输入端分别为振荡器输出方波电压和另一个触发器B的Q端（两个或非门分别接Q正端和反端）。触发器B的两个输出端互补，交替输出高低电平，其作用是将PWM脉冲交替送至两个三极管V1及V2的基极，使得推挽输出对管交替输出脉冲宽度调制波，两者相位相差180°。当输出对管并联应用时，其输出脉冲的占空比为0％～90％；当输出对管分开使用时，输出脉冲的占空比为0％～45％。(4)本设计不用电流反馈，将脚4[限电流（＋）输入]和脚5[限电流（－）输入]接地。通/断控制（脚10）悬空。(5)用中功率管V20（8050型）的开关工作方式控制加热电阻R30（100Ω，10W）的通断。易算得流过加热电阻R30的最大电流为Imax=180mA。不妨设功率管V20的放大倍数β=60，则PWM控制芯片双输出晶体管（也处于开关工作方式）外接集电极电阻R28的最大电流大约为6mA，而每个晶体管的集电极电流为3mA。易算得R28大约2k，就取R28=2kΩ。(6)本系统不存在控制死区问题。当控制信号输入端AIU0从0～1变化时，PWM控制芯片给定输入端（脚2）信号就立即变化，使得推挽输出管的通断情况产生变化，进而使得加热电阻的发热情况产生变化。(7)如此，当加热器实际温度低于设定温度时，经过IPC根据某一自动控制算法运算后，IPC送出的AO信号上升，运算放大器N1A输出信号随之上升，PWM控制芯片给定输入端信号也随之上升，输出的脉冲宽度随之增大，使得加热功率管的导通时间延长，加热功率增大，实际温度上升，如此等等。5、测温传感器AD590介绍AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：(1)电流在数值上等于器件所处环境的热力学温度（开尔