,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,情景五,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,情景五 4.1工控机实验装,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),）。,4.1 工控机实验装置,柜式工控机（,IPC,）,图,4-1 IPC,实验装置外形与结构,柜式工控机（IPC）图4-1 IPC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。,4.1.2 控制要求,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系统总体设计,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,4.2.2 控制方案设计,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系统硬件设计4.3.1 系统组成结构图4-2 加热,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,4.3.2 系统功能划分,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,4.3.3 工控机IPC概述,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-One CPU,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。,4.3.4 主控设备选型及配置,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,Intel 8253-5,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,2、插入式数据采集控制,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。,图,4-3 PCLD-782,型光隔离数字量输入板内部及外部接口电路,3、信号调理模块和端子板 图4-3 PCLD-782,(2)PCLD-785,型继电器输出模块,图,4-4 DO0,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,(2)PCLD-785型继电器输出模块 图4-4 D,(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=0,，,R2,和,C,取消。,1.6KHz,（,3 dB,）低通滤波器,R1=10K,，,C1=0.01F,，,R2,取消。,10,比,1,电压衰减器,R1=9,，,R2=2,，,C1,取消。,0,20mA,到,0,5V,（,DC,）信号转换器,R1=0,，,R2=250,，,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。,(3)PCLD-780型螺旋接线端子板,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。,4.3.5 系统电气电子原理图设计,图,4-5,微型加热器,IPC,控制系统电气原理图,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,（,100,，,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。,2、输入信号放大与槽形电压表指示,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。,SG3524采用DIP-16型封装，其内部结构如图4-6所示,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,EMITTER B,。,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。,引脚10：通/断控制：外部关断信号输入端。该端接高电平时控,图,4-6 SG3524,型,PWM,控制芯片内部原理图,图4-6 SG3524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=20F,，,R=130k,。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。,4、加热器PWM控制原理,(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