基于PID控制的PLC教学实验板研制

龚爱平　王育茜　饶 熊

1.深圳信息职业技术学院　广东深圳　518172 2.隆回县职业中等专业学校　湖南隆回　422200

基于PID控制的PLC教学实验板研制

龚爱平1王育茜2饶 熊1

1.深圳信息职业技术学院广东深圳518172 2.隆回县职业中等专业学校湖南隆回422200

介绍了一种基于PID控制的PLC教学实验板的设计方法，即利用二极管和可调电阻器添加到异步模式运转的555定时器上，可以实现宽范围脉宽调制器（PWM）的特点，结合AD，DA转换模块及PLC程序，实现PID控制。利用该方法开发的教学实验板，性能稳定，直观性强，使用灵活。实验表明，该教学实验板能帮助学生掌握PID控制的PLC知识应用，具有良好的教学效果。该实验板制作容易，价格低，可以解决PLC的科研和教学中基于PID控制的实验器材短缺问题。

555定时器；脉宽调制；光敏二极管

现代职业教育教学活动中，实验教学对培养学生的实际工作能力至关重要［1-3］。但由于PLC教学实验设备昂贵，目前大多数高校均存在实验设备投资不能满足教学实践环节的需要。在一些高职院校、中职院校及培训机构，有些实验常常安排4人以上共用1台实验设备，更有甚者，有些重要的教学内容，由于没有实验设备给学生训练而不得不舍弃，PID控制就是这些经常被教师忍痛放弃的教学内容。在以可编程序控制器（Programmable Controller，简称PLC）为核心的工业自动控制系统中，作为一种非常简便、有效的控制方法，PID控制长期以来一直被广泛用于温度、液位、张力、压力、速度等过程控制系统中［4-7］。

555定时器除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中。

本文使用555定时器及性能稳定的常用电子元器件，结合AD、DA转换器及PLC程序，设计了一种基于PID控制的PLC教学实验板。教学实验证明，该器材使用灵活，性能稳定，直观性强，该器材能帮助学生掌握PID控制的PLC知识应用，具有良好的教学效果。该实验板制作容易，价格低，可以解决PLC的科研和教学中基于PID控制的实验器材短缺问题。

1　实验材料与方法

1.1实验材料

实验设备包括示波器、万用表、PLC（三菱FX3U-32MT和西门子S7-200 SMART ST60）、AD模块（三菱FX2N 4AD和西门子EM AE04）、DA模块（三菱FX2N-2DA和西门子EM AQ02）以及实验电路板。实验电路板上焊接有555定时器、电阻、电容、二极管、三极管、高亮发光二极管、光敏二极管、按键及接线端子等。

1.2基于555定时器的脉宽调制器（PWM）电路的设计

利用二极管和电位计添加到异步模式运转的555定时器上，可以实现宽范围脉宽调制器（PWM）的功能，本设计基于PID控制的电路如图1所示。由555定时器和元器件R6，R7，C3，D1构成一个可调效率系数为1%到99%的宽范围PWM调制器，通过555定时器引脚5（CVOLT）终端的反馈调节电压，一个超过调节阈值限制的输出电压将提前结束基于周期循环的PWM信号，以维持输出电压的稳定。利用这个电路中555定时器的引脚3输出驱动Q3控制高亮LED0的光强，要求达到平滑有效控制LED0灯光强度在90%左右。光敏二极管D2根据LED0的亮度，将电压从“AD输入”端反馈至AD转换器，光敏二极管D2越亮，“AD输入”端输出电压越低；相反，D2越暗，输出电压越高，变化范围由VCC和R10决定。

对于周期因子（DF）：

其中，

公式（1）中的α是可调电阻R6终端1和终端2之间阻值与终端1和终端3之间阻值的比值（即分压比）。

图1

图1电路中高亮二极管LED0的亮度可以由两种方式调节。一种是通过调节DA输出端（即引脚5）的电压使高亮二极管的亮度随电压改变而变化。一种是用手动调节电位器R6调节引脚3输出脉冲的占空比。利用本电路实现基于PLC的PID控制时，要求手动调节电位器改变高亮二极管的亮度，然后通过PLC程序的处理，提高或降低DA输出端（引脚5）的电压使555定时器管脚3的输出电压稳定而保持发光二极管亮度不变。

2　实验结果与讨论

为了验证该设计方法的可重复性、准确性和不同PLC型号上的可应用性，本研究设计并制作了基于上述内容的PCBA实验板，采用了高职院校教学设备比较流行的三菱FX3U-32MT PLC、三菱FX2N 4AD 模块及三菱FX2N-2DA 模块和西门子S7-200 SMART ST60 PLC、西门子EM AE04 AD模块及西门子EM AQ02 DA模块。以三菱PLC为例的系统结构如图2所示。

图2　系统结构示意图

在图2中，PLC的COM端和实验板的COM端相连，实验板的AD输出端连接至FX2N-4AD的模拟电压输入端，DA输入端和FX2N-2DA的模拟信号输出端短接，AD和DA模块通过PLC控制板内部连接。

本实验LED0采用直径为5 mm的直插红色聚焦高亮发光二极管，D2为3 mm平头光敏二极管，VCC为5伏直流电源，R6为100 kΩ，R8为1 kΩ，R9为1 kΩ，R10为1 kΩ，R11为10 kΩ，Q3为9013；LED0和D2的头间距3 mm相对并套在黑色遮光罩中。实验时，模拟万用表的探针接在LED0的两管脚上，观测LED0的电压变化；示波器的探针接在555定时器的管脚3上，观测555定时器的输出波形。设定3个不同的初始状态，本实验设LED0两管脚电压分别为1.8 V，2.1 V，2.4 V时为初始状态，然后手动调节电位器R6使LED0的电压为初始值的-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时的10个点，启动基于PID指令和设置的PLC程序，观测PLC程序运行后在LED0两端的调整电压，每个测试点测量10次后的平均值如表1所示。

表1　PID调节实验LED0两端电压调整测试结果

从表1可以看出，PID调整值均小于初始值，最大误差为0.24 V，最小误差为0.08 V，接近设定值，表明该实验板性能稳定，能够满足PID调节的教学实验要求。实验时发现，由于光照的影响，在LED0与D2之间没有遮光罩时，测量结果与设定值偏差较大，加入遮光罩后，测量结果与设定值偏差相对稳定；LED0和D2之间的距离也会影响测量结果，建议采用高亮聚焦LED和平头光敏二极管。

依照图1中的原理，图2所示的PID实验板中的数码管可以根据拨动选择开关S6的状态分别显示LED0的AD输入电压、R6的调节电压和DA模块的输出电压；高亮二极管的亮度变化可以用肉眼从隔离罩的侧面直接观察出来，因此，该实验板直观性强。做出来的实验板长为80 mm，宽为65 mm，使用灵活，上课时，教师非常方便把实验板分发给学生，实验完毕后，教师也容易要求学生交回和给实验员保管。

3　结束语

基于高速计数及PID调节的PLC教学实验板具有简便性和经济性等特点，促进了教学实验基地的建设，解决书本教学不能与实验同步的问题，为扩大科研课题范围和承担能力提供了手段，教学内容更充实，提高了教学品质。学生利用这些装置进行设计性实验，开拓了思路，锻炼了分析问题、解决问题的能力。真正意义上实现了理论与实践环节的有机结合，更好地发挥教学的效果。

［1］ 陈鹏.对提高PLC教学有效性的策略的分析［J］.价值工程，2010，29（33）：241.

［2］ R. Dudziak， R. Biesenbach， W. Caninenberg. 波鸿应用科技大学机电一体化工程教育20年（1983-2013）的经验和观点［J］.机械设计与制造工程，2013，42（8）：1-8.

［3］ 崔世钢，郑桐，时志伟.PLC虚拟数字实验室研究［J］.天津理工学院学报，2001，17（3）：11-14.

［4］ 龚仲华.三菱FX系列PLC应用技术［M］.北京：人民邮电出版社，2010

［5］ 戴森，刘子龙.基于PLC的工业水处理系统的设计［J］.制造业自动化，2013，35（8）：96-98.

［6］ 王广海，吕恩利，陆华忠.基于PLC的多厢体气调试实验平台控制系统的设计与实现［J］.江苏农业科学，2015，43（5）：389-392.

［7］ 游志宇，陈维荣，彭赟.大功率空冷自增湿PEMFC温度控制方法［J］.西南交通大学学报，2015，50（1）：44-50.

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

龚爱平，博士，讲师。王育茜，本科，讲师。

深圳市教育科研规划2015年重大课题（编号：ybzz15082）；深圳信息职业技术学院第六批教育教学研究课题（编号：2016jgyb012）。