基于PID控制的PLC教學實驗板研制

龔愛平　王育茜　饒 熊

1.深圳信息職業技術學院　廣東深圳　518172 2.隆回縣職業中等專業學校　湖南隆回　422200

基于PID控制的PLC教學實驗板研制

龔愛平1王育茜2饒 熊1

1.深圳信息職業技術學院廣東深圳518172 2.隆回縣職業中等專業學校湖南隆回422200

介紹了一種基于PID控制的PLC教學實驗板的設計方法，即利用二極管和可調電阻器添加到異步模式運轉的555定時器上，可以實現寬范圍脈寬調制器（PWM）的特點，結合AD，DA轉換模塊及PLC程序，實現PID控制。利用該方法開發的教學實驗板，性能穩定，直觀性強，使用靈活。實驗表明，該教學實驗板能幫助學生掌握PID控制的PLC知識應用，具有良好的教學效果。該實驗板制作容易，價格低，可以解決PLC的科研和教學中基于PID控制的實驗器材短缺問題。

555定時器；脈寬調制；光敏二極管

現代職業教育教學活動中，實驗教學對培養學生的實際工作能力至關重要［1-3］。但由于PLC教學實驗設備昂貴，目前大多數高校均存在實驗設備投資不能滿足教學實踐環節的需要。在一些高職院校、中職院校及培訓機構，有些實驗常常安排4人以上共用1臺實驗設備，更有甚者，有些重要的教學內容，由于沒有實驗設備給學生訓練而不得不舍棄，PID控制就是這些經常被教師忍痛放棄的教學內容。在以可編程序控制器（Programmable Controller，簡稱PLC）為核心的工業自動控制系統中，作為一種非常簡便、有效的控制方法，PID控制長期以來一直被廣泛用于溫度、液位、張力、壓力、速度等過程控制系統中［4-7］。

555定時器除了作定時延時控制外，還可用于調光、調溫、調壓、調速等多種控制及計量檢測。由于它工作可靠、使用方便、價格低廉，目前被廣泛用于各種電子產品中。

本文使用555定時器及性能穩定的常用電子元器件，結合AD、DA轉換器及PLC程序，設計了一種基于PID控制的PLC教學實驗板。教學實驗證明，該器材使用靈活，性能穩定，直觀性強，該器材能幫助學生掌握PID控制的PLC知識應用，具有良好的教學效果。該實驗板制作容易，價格低，可以解決PLC的科研和教學中基于PID控制的實驗器材短缺問題。

1　實驗材料與方法

1.1實驗材料

實驗設備包括示波器、萬用表、PLC（三菱FX3U-32MT和西門子S7-200 SMART ST60）、AD模塊（三菱FX2N 4AD和西門子EM AE04）、DA模塊（三菱FX2N-2DA和西門子EM AQ02）以及實驗電路板。實驗電路板上焊接有555定時器、電阻、電容、二極管、三極管、高亮發光二極管、光敏二極管、按鍵及接線端子等。

1.2基于555定時器的脈寬調制器（PWM）電路的設計

利用二極管和電位計添加到異步模式運轉的555定時器上，可以實現寬范圍脈寬調制器（PWM）的功能，本設計基于PID控制的電路如圖1所示。由555定時器和元器件R6，R7，C3，D1構成一個可調效率系數為1%到99%的寬范圍PWM調制器，通過555定時器引腳5（CVOLT）終端的反饋調節電壓，一個超過調節閾值限制的輸出電壓將提前結束基于周期循環的PWM信號，以維持輸出電壓的穩定。利用這個電路中555定時器的引腳3輸出驅動Q3控制高亮LED0的光強，要求達到平滑有效控制LED0燈光強度在90%左右。光敏二極管D2根據LED0的亮度，將電壓從“AD輸入”端反饋至AD轉換器，光敏二極管D2越亮，“AD輸入”端輸出電壓越低；相反，D2越暗，輸出電壓越高，變化范圍由VCC和R10決定。

對于周期因子（DF）：

其中，

公式（1）中的α是可調電阻R6終端1和終端2之間阻值與終端1和終端3之間阻值的比值（即分壓比）。

圖1

圖1電路中高亮二極管LED0的亮度可以由兩種方式調節。一種是通過調節DA輸出端（即引腳5）的電壓使高亮二極管的亮度隨電壓改變而變化。一種是用手動調節電位器R6調節引腳3輸出脈沖的占空比。利用本電路實現基于PLC的PID控制時，要求手動調節電位器改變高亮二極管的亮度，然后通過PLC程序的處理，提高或降低DA輸出端（引腳5）的電壓使555定時器管腳3的輸出電壓穩定而保持發光二極管亮度不變。

2　實驗結果與討論

為了驗證該設計方法的可重復性、準確性和不同PLC型號上的可應用性，本研究設計并制作了基于上述內容的PCBA實驗板，采用了高職院校教學設備比較流行的三菱FX3U-32MT PLC、三菱FX2N 4AD 模塊及三菱FX2N-2DA 模塊和西門子S7-200 SMART ST60 PLC、西門子EM AE04 AD模塊及西門子EM AQ02 DA模塊。以三菱PLC為例的系統結構如圖2所示。

圖2　系統結構示意圖

在圖2中，PLC的COM端和實驗板的COM端相連，實驗板的AD輸出端連接至FX2N-4AD的模擬電壓輸入端，DA輸入端和FX2N-2DA的模擬信號輸出端短接，AD和DA模塊通過PLC控制板內部連接。

本實驗LED0采用直徑為5 mm的直插紅色聚焦高亮發光二極管，D2為3 mm平頭光敏二極管，VCC為5伏直流電源，R6為100 kΩ，R8為1 kΩ，R9為1 kΩ，R10為1 kΩ，R11為10 kΩ，Q3為9013；LED0和D2的頭間距3 mm相對并套在黑色遮光罩中。實驗時，模擬萬用表的探針接在LED0的兩管腳上，觀測LED0的電壓變化；示波器的探針接在555定時器的管腳3上，觀測555定時器的輸出波形。設定3個不同的初始狀態，本實驗設LED0兩管腳電壓分別為1.8 V，2.1 V，2.4 V時為初始狀態，然后手動調節電位器R6使LED0的電壓為初始值的-0.5 V，-0.4 V，-0.3 V，-0.2 V，-0.1 V，0.1 V，0.2 V，0.3 V，0.4 V，0.5 V時的10個點，啟動基于PID指令和設置的PLC程序，觀測PLC程序運行后在LED0兩端的調整電壓，每個測試點測量10次后的平均值如表1所示。

表1　PID調節實驗LED0兩端電壓調整測試結果

從表1可以看出，PID調整值均小于初始值，最大誤差為0.24 V，最小誤差為0.08 V，接近設定值，表明該實驗板性能穩定，能夠滿足PID調節的教學實驗要求。實驗時發現，由于光照的影響，在LED0與D2之間沒有遮光罩時，測量結果與設定值偏差較大，加入遮光罩后，測量結果與設定值偏差相對穩定；LED0和D2之間的距離也會影響測量結果，建議采用高亮聚焦LED和平頭光敏二極管。

依照圖1中的原理，圖2所示的PID實驗板中的數碼管可以根據撥動選擇開關S6的狀態分別顯示LED0的AD輸入電壓、R6的調節電壓和DA模塊的輸出電壓；高亮二極管的亮度變化可以用肉眼從隔離罩的側面直接觀察出來，因此，該實驗板直觀性強。做出來的實驗板長為80 mm，寬為65 mm，使用靈活，上課時，教師非常方便把實驗板分發給學生，實驗完畢后，教師也容易要求學生交回和給實驗員保管。

3　結束語

基于高速計數及PID調節的PLC教學實驗板具有簡便性和經濟性等特點，促進了教學實驗基地的建設，解決書本教學不能與實驗同步的問題，為擴大科研課題范圍和承擔能力提供了手段，教學內容更充實，提高了教學品質。學生利用這些裝置進行設計性實驗，開拓了思路，鍛煉了分析問題、解決問題的能力。真正意義上實現了理論與實踐環節的有機結合，更好地發揮教學的效果。

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Development of the PID Eontrol Experimental Board for the Teaching PLC

Gong Aiping1， Wang Yuqian2， Rao Xiong1
1. Shenzhen Institue of Information Technology， ShenZhen， 518172， China 2. Longhui Vocational Technical Secondary School， Longhui， 422200， China

This article presents the development of an PID control experimental board applied to teach PLC. The procedure is essentially a PLC software developed in PID control theory that use 555 timer worked in asynchronous mode combined with AD/DA conversion module to perform PID control. The results indicate that the developed PID control experimental board was flexible and stable performance. This experimental board enables the students to conveniently and reliably to acquire the PID control knowledge through PLC experiment. It provided a feasible alternative to teach PID control on PLC teaching.

555 timer； pulse-width modulation； light-sensitive diode

2016-03-08

龔愛平，博士，講師。王育茜，本科，講師。

深圳市教育科研規劃2015年重大課題（編號：ybzz15082）；深圳信息職業技術學院第六批教育教學研究課題（編號：2016jgyb012）。