龔愛(ài)平　王育茜　饒 熊

1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院　廣東深圳　518172 2.隆回縣職業(yè)中等專(zhuān)業(yè)學(xué)?！『下』亍?22200

基于PID控制的PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)板研制

龔愛(ài)平1王育茜2饒 熊1

1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東深圳518172 2.隆回縣職業(yè)中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校湖南隆回422200

介紹了一種基于PID控制的PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)方法，即利用二極管和可調(diào)電阻器添加到異步模式運(yùn)轉(zhuǎn)的555定時(shí)器上，可以實(shí)現(xiàn)寬范圍脈寬調(diào)制器（PWM）的特點(diǎn)，結(jié)合AD，DA轉(zhuǎn)換模塊及PLC程序，實(shí)現(xiàn)PID控制。利用該方法開(kāi)發(fā)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)板，性能穩(wěn)定，直觀性強(qiáng)，使用靈活。實(shí)驗(yàn)表明，該教學(xué)實(shí)驗(yàn)板能幫助學(xué)生掌握PID控制的PLC知識(shí)應(yīng)用，具有良好的教學(xué)效果。該實(shí)驗(yàn)板制作容易，價(jià)格低，可以解決PLC的科研和教學(xué)中基于PID控制的實(shí)驗(yàn)器材短缺問(wèn)題。

555定時(shí)器；脈寬調(diào)制；光敏二極管

現(xiàn)代職業(yè)教育教學(xué)活動(dòng)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工作能力至關(guān)重要［1-3］。但由于PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，目前大多數(shù)高校均存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資不能滿(mǎn)足教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的需要。在一些高職院校、中職院校及培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，有些實(shí)驗(yàn)常常安排4人以上共用1臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，更有甚者，有些重要的教學(xué)內(nèi)容，由于沒(méi)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備給學(xué)生訓(xùn)練而不得不舍棄，PID控制就是這些經(jīng)常被教師忍痛放棄的教學(xué)內(nèi)容。在以可編程序控制器（Programmable Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）為核心的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，作為一種非常簡(jiǎn)便、有效的控制方法，PID控制長(zhǎng)期以來(lái)一直被廣泛用于溫度、液位、張力、壓力、速度等過(guò)程控制系統(tǒng)中［4-7］。

555定時(shí)器除了作定時(shí)延時(shí)控制外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及計(jì)量檢測(cè)。由于它工作可靠、使用方便、價(jià)格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中。

本文使用555定時(shí)器及性能穩(wěn)定的常用電子元器件，結(jié)合AD、DA轉(zhuǎn)換器及PLC程序，設(shè)計(jì)了一種基于PID控制的PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)板。教學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，該器材使用靈活，性能穩(wěn)定，直觀性強(qiáng)，該器材能幫助學(xué)生掌握PID控制的PLC知識(shí)應(yīng)用，具有良好的教學(xué)效果。該實(shí)驗(yàn)板制作容易，價(jià)格低，可以解決PLC的科研和教學(xué)中基于PID控制的實(shí)驗(yàn)器材短缺問(wèn)題。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括示波器、萬(wàn)用表、PLC（三菱FX3U-32MT和西門(mén)子S7-200 SMART ST60）、AD模塊（三菱FX2N 4AD和西門(mén)子EM AE04）、DA模塊（三菱FX2N-2DA和西門(mén)子EM AQ02）以及實(shí)驗(yàn)電路板。實(shí)驗(yàn)電路板上焊接有555定時(shí)器、電阻、電容、二極管、三極管、高亮發(fā)光二極管、光敏二極管、按鍵及接線(xiàn)端子等。

1.2基于555定時(shí)器的脈寬調(diào)制器（PWM）電路的設(shè)計(jì)

利用二極管和電位計(jì)添加到異步模式運(yùn)轉(zhuǎn)的555定時(shí)器上，可以實(shí)現(xiàn)寬范圍脈寬調(diào)制器（PWM）的功能，本設(shè)計(jì)基于PID控制的電路如圖1所示。由555定時(shí)器和元器件R6，R7，C3，D1構(gòu)成一個(gè)可調(diào)效率系數(shù)為1%到99%的寬范圍PWM調(diào)制器，通過(guò)555定時(shí)器引腳5（CVOLT）終端的反饋調(diào)節(jié)電壓，一個(gè)超過(guò)調(diào)節(jié)閾值限制的輸出電壓將提前結(jié)束基于周期循環(huán)的PWM信號(hào)，以維持輸出電壓的穩(wěn)定。利用這個(gè)電路中555定時(shí)器的引腳3輸出驅(qū)動(dòng)Q3控制高亮LED0的光強(qiáng)，要求達(dá)到平滑有效控制LED0燈光強(qiáng)度在90%左右。光敏二極管D2根據(jù)LED0的亮度，將電壓從“AD輸入”端反饋至AD轉(zhuǎn)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(duì)于周期因子（DF）：

其中，

公式（1）中的α是可調(diào)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(diào)節(jié)。一種是通過(guò)調(diào)節(jié)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(dòng)調(diào)節(jié)電位器R6調(diào)節(jié)引腳3輸出脈沖的占空比。利用本電路實(shí)現(xiàn)基于PLC的PID控制時(shí)，要求手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器改變高亮二極管的亮度，然后通過(guò)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(shí)器管腳3的輸出電壓穩(wěn)定而保持發(fā)光二極管亮度不變。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的可重復(fù)性、準(zhǔn)確性和不同PLC型號(hào)上的可應(yīng)用性，本研究設(shè)計(jì)并制作了基于上述內(nèi)容的PCBA實(shí)驗(yàn)板，采用了高職院校教學(xué)設(shè)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(mén)子S7-200 SMART ST60 PLC、西門(mén)子EM AE04 AD模塊及西門(mén)子EM AQ02 DA模塊。以三菱PLC為例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在圖2中，PLC的COM端和實(shí)驗(yàn)板的COM端相連，實(shí)驗(yàn)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(hào)輸出端短接，AD和DA模塊通過(guò)PLC控制板內(nèi)部連接。

本實(shí)驗(yàn)LED0采用直徑為5 mm的直插紅色聚焦高亮發(fā)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(duì)并套在黑色遮光罩中。實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬萬(wàn)用表的探針接在LED0的兩管腳上，觀測(cè)LED0的電壓變化；示波器的探針接在555定時(shí)器的管腳3上，觀測(cè)555定時(shí)器的輸出波形。設(shè)定3個(gè)不同的初始狀態(tài)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)LED0兩管腳電壓分別為1.8 V，2.1 V，2.4 V時(shí)為初始狀態(tài)，然后手動(dòng)調(diào)節(jié)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(shí)的10個(gè)點(diǎn)，啟動(dòng)基于PID指令和設(shè)置的PLC程序，觀測(cè)PLC程序運(yùn)行后在LED0兩端的調(diào)整電壓，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量10次后的平均值如表1所示。

表1　PID調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)LED0兩端電壓調(diào)整測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，PID調(diào)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(shè)定值，表明該實(shí)驗(yàn)板性能穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足PID調(diào)節(jié)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于光照的影響，在LED0與D2之間沒(méi)有遮光罩時(shí)，測(cè)量結(jié)果與設(shè)定值偏差較大，加入遮光罩后，測(cè)量結(jié)果與設(shè)定值偏差相對(duì)穩(wěn)定；LED0和D2之間的距離也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，建議采用高亮聚焦LED和平頭光敏二極管。

依照?qǐng)D1中的原理，圖2所示的PID實(shí)驗(yàn)板中的數(shù)碼管可以根據(jù)撥動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)S6的狀態(tài)分別顯示LED0的AD輸入電壓、R6的調(diào)節(jié)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(cè)面直接觀察出來(lái)，因此，該實(shí)驗(yàn)板直觀性強(qiáng)。做出來(lái)的實(shí)驗(yàn)板長(zhǎng)為80 mm，寬為65 mm，使用靈活，上課時(shí)，教師非常方便把實(shí)驗(yàn)板分發(fā)給學(xué)生，實(shí)驗(yàn)完畢后，教師也容易要求學(xué)生交回和給實(shí)驗(yàn)員保管。

3　結(jié)束語(yǔ)

基于高速計(jì)數(shù)及PID調(diào)節(jié)的PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)板具有簡(jiǎn)便性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，促進(jìn)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)基地的建設(shè)，解決書(shū)本教學(xué)不能與實(shí)驗(yàn)同步的問(wèn)題，為擴(kuò)大科研課題范圍和承擔(dān)能力提供了手段，教學(xué)內(nèi)容更充實(shí)，提高了教學(xué)品質(zhì)。學(xué)生利用這些裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，開(kāi)拓了思路，鍛煉了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。真正意義上實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合，更好地發(fā)揮教學(xué)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(ài)平，博士，講師。王育茜，本科，講師。

深圳市教育科研規(guī)劃2015年重大課題（編號(hào)：ybzz15082）；深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院第六批教育教學(xué)研究課題（編號(hào)：2016jgyb012）。