恒溫箱PLC控制系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、李萌萌：恒溫箱PLC控制系統(tǒng)摘 要隨著現(xiàn)在電子技術的發(fā)展，溫度測量的利用在許多地方都有比較大的發(fā)展空間，許多質(zhì)量好而且便宜的溫度傳感器被設計開發(fā)，在溫度檢測控制和測量方面得到了較大的應用。例如在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、和實驗室當中恒溫箱的的應用隨處可以見到。在生活中我們用恒溫箱保存食物，在工業(yè)生產(chǎn)中一些原料的保存用到恒溫箱，實驗室里特別是生物的培養(yǎng)實驗室恒溫箱的應用更為廣泛。除此之外，在醫(yī)用、水產(chǎn)、特種工業(yè)、工業(yè)探傷、照相等領域，都需要穩(wěn)定而精確的溫度。與此同時隨著社會的發(fā)展，溫度、壓力、液位和流量是四中最常見的過程變量，其中溫度是一個非常重要的過程變量。因此國內(nèi)外對恒溫箱的研究越來越深入，恒溫箱

2、的用途也越來越廣泛，恒溫箱plc控制系統(tǒng)不僅不僅促進了科技的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)，也提高了人民的生活水平，因而這種低成本而又能打成需求者需要的恒溫箱就有意義。本次設計中，恒溫箱控制系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于對溫度的控制性能，與此同時采用以PLC為主控制器通過撥碼開關設定初始輸入溫度，設定溫度與所測溫度進行比較，然后plc對數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)偏差信號的大小來驅(qū)動控制發(fā)熱絲或冷水泵，從而使恒溫箱達到溫度恒定控制的目的。本次恒溫箱plc控制系統(tǒng)將基于plc設計完成，設計過程當中將應用的溫度傳感器、數(shù)碼顯示管、加熱裝置、冷卻水泵、冷卻器、儲水箱、溫度顯示、閥門及狀態(tài)指示不見。恒溫箱plc控制系統(tǒng)要求控制恒

3、溫箱的水溫在2080攝氏度之間某設定數(shù)值，當水溫小于設定值時，采用電熱升溫。當水溫大于設定值時，放出熱水部分，并且啟動冷卻風扇使水流經(jīng)冷卻器向恒溫箱提供水。本恒溫箱plc控制系統(tǒng)以plc控制器為核心，同時本系統(tǒng)也應用了溫度傳感器、流量傳感器、和液位傳感器，設計恒溫箱plc控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序，完成控制任務。恒溫箱plc控制系統(tǒng)的設計還對plc特殊功能擴展模塊和BCD譯碼器做了簡單的介紹。關鍵詞：PLC，傳感器，恒溫箱 ，PIDAbstractWith the current development of electronic technology, the use of tempera

4、ture measurement in many places has a relatively large space for development, a number of good quality and inexpensive temperature sensor is designed and developed, in terms of temperature measurement and control and measurement applications have been larger. For example, in daily life, industrial p

5、roduction, and laboratory applications among the incubator can be seen everywhere. In life we saved with the thermostat food, some preserved in the industrial production of raw materials used in the oven, in particular the application of biological laboratory culture laboratory incubator is more ext

6、ensive. In addition, the medical, aquatic products, specialty industrial, industrial inspection, photography and other fields, we need a stable and precise temperature. With the development of society at the same time, temperature, pressure, level and flow are the four most common process variables,

7、 where the temperature is a very important process variables. So researches on more in-depth incubator, incubators use has become increasingly widespread, incubators plc control system not only has not only promoted the development of technology and industrial production, but also improve the living

8、 standards of the people, so this demand for low cost and they can be labeled as an incubator needs to be meaningful The design, performance thermostat control system largely depends on the temperature control performance, at the same time adopt a PLC-based controller to set the initial input temper

9、ature via DIP switch, set temperature and the measured temperature comparison, then plc for data processing, based on the size of the error signal to the drive control heating wire or cold water pump, so that the oven temperature constant control purposes. The incubator will be based plc control sys

10、tem design is completed, the design process will be applied temperature sensors, digital display tubes, heating devices, cooling water pumps, coolers, storage tanks, temperature display, valves and status indication disappear. Plc thermostat control thermostat control system requires a set value of

11、temperature between 20 to 80 degrees Celsius, when the water temperature is less than the set value, the use of electric heating. When the water temperature is greater than the set value, the release of hot water portions, and start the cooling fan to provide cooling water to flow through the incuba

12、tor. The thermostat control system plc controller as the core, but also the application of the system temperature sensors, flow sensors, and liquid level sensor, design incubator plc control system hardware and software programs, complete control tasks. Design incubator plc control system also plc e

13、xpansion modules and special function BCD decoder to do a simple introduction.Abstract: PLC, sensors, thermostat，PID40目 錄摘 要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1Abstract.21設計方案的確定61.1 各控制方案的比較61.2 PLC溫控系統(tǒng)原理72系統(tǒng)硬件設計92.1硬件分配92.3 恒溫控制的PLC 控制裝置示意圖102.4工藝過程及控制要求說明102.5

14、I/O地址表122.6溫度傳感器122.7 PLC主機152.8 執(zhí)行單元172.9 LED顯示器顯示方式172.10 各電器元件的選擇173 系統(tǒng)的軟件設計173.1恒溫系統(tǒng)控制流程圖183.2 恒溫系統(tǒng)梯形圖193.3 恒溫控制系統(tǒng)程序29參考文獻32致 謝331 設計方案的確定1.1 各控制方案的比較根據(jù)任務設計要求,恒溫水箱的溫度需要運用PID控制。在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定

15、，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。首先， PID 應用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣 PID 就可控制了。 其次，PID 參數(shù)較易整定。也就是PID 參數(shù) Kp ，Ki 和 Kd 可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化， PID 參數(shù)就可以重新整定。 第三，PID 控制器在實踐中也不斷的

16、得到改進，PID 參數(shù)自整定就是為了處理 PID 參數(shù)整定這個問題而產(chǎn)生的。許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計算 PID 參數(shù)。1.1.1 純模擬電路控制傳統(tǒng)的溫度控制較多地使用純模擬電路并采用繼電器一接觸器或者雙向晶閘管進行模擬部分驅(qū)動制冷器件。純模擬電路溫度控制有很多不足之處，比如:模擬電路復雜、控制精度不高、控制參數(shù)的調(diào)整要依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)，很難做到動態(tài)調(diào)節(jié)、系統(tǒng)操作復雜，不利于遠程控制、實時控制以及數(shù)據(jù)的實時采集等等。本文在分析了溫度控制的特點后，建立在PID參數(shù)自整定方法的溫度控制方法，具 有

17、控制精度高、控制溫度范圍大、制冷響應速度快等特點。1.1.2 PLC控制PLC控制系統(tǒng)有以下 一些特點：1.可靠性高。它采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路完成。2.應用靈活。PLC已實現(xiàn)產(chǎn)品的系統(tǒng)化，標準化的積木硬件結(jié)構(gòu)和單元化的軟件設計，使它不僅可以適應規(guī)模不同，功能繁復的控制要求，而且可以適應各種工藝流程變更較多的場合。3.功能強，通用性好。PLC產(chǎn)品已經(jīng)形成系列化，單元化，并配合品種齊全的控制單元供用戶選擇，還可以組成滿足各種要求的控制系統(tǒng)。 4.編程簡單。采用梯形圖編程方式。它與傳統(tǒng)的繼電器接觸控制線路圖有許多相似，操作容易。 5.PLC具有體積小，能耗低，質(zhì)量少。1.

18、1.3 單片機控制單片機常用的是C，匯編與Basic。就算是C，也有許多不同的開發(fā)工具(如ICCAVR，CodeVersion,IAR,GCC.)，彼此不兼容。這種百花齊放的局面，它讓我們的交流變得更加困難。綜上所述,結(jié)合各個控制方案的特點,所以選擇用PLC來進行控制。1.2 PLC溫控系統(tǒng)原理由感溫元件熱電偶檢測溫度，通過溫度變送器把溫度傳送給 ，A/D轉(zhuǎn)換過程中，溫度變?yōu)槟M電壓輸入給PLC。PLC為控制裝置主機，通過PID運算，調(diào)整模擬量大小，完成溫度控制任務?？刂浦袑⒛M量變?yōu)槊}沖數(shù)字輸出，用數(shù)字顯示，溫度的控制由程序設定，用PLC的PID控制功能調(diào)節(jié)。為了防止干擾，在PLC輸人、輸出

19、模塊前、后加裝了隔離變壓器，同時加設了上限及故障報警裝置。圖1 PLC控制的溫控系統(tǒng)工作原理框圖攀枝花學院本科課程設計（論文） 系統(tǒng)硬件設計2系統(tǒng)硬件設計2.1硬件分配PLC控制的恒溫箱溫控系統(tǒng)硬件包括：1.溫度傳感器 2.放大器部分3. A/D轉(zhuǎn)換部分。4.FX0N-60MR。5.執(zhí)行單元。6.LED顯示器2.2 I/O電器接口圖圖2 I/O電器接口圖2.3 恒溫控制的PLC 控制裝置示意圖圖 所示為水溫恒溫控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，它包括控制恒溫水箱、冷卻風扇電動機、攪拌電動機、儲水箱、加熱裝置、溫度檢測裝置、溫度顯示、功率顯示、流量顯示、閥門以及有關狀態(tài)顯示等。圖3 控制裝置示意圖2.4工藝

20、過程及控制要求說明 本系統(tǒng)是一個恒溫控制系統(tǒng)，要求設定的溫度在某一個數(shù)值。加熱采用電加熱，功率為1.5KW，溫度設定范圍在2080攝氏度之間。恒溫水箱內(nèi)有一個加熱裝置、一個攪拌電動機、兩個液位檢測開關、兩個溫度傳感器。液位檢測開關為開關量傳感器，檢測水位的高低，反映無水或水溢出狀態(tài)。兩個溫度傳感器分別為測量水箱入口處的水溫和水箱中的水的溫度。儲水箱中，也裝有一個溫度傳感器。恒溫水箱中的水可以通過一個電磁閥或手動開關閥將水放到儲水箱中。儲水箱中的水可以通過一個電磁閥引入到恒溫水箱中。水由一個水泵提供動力，使水在系統(tǒng)中循環(huán)。水的流速由流量計測量。恒溫水箱中的水溫，入水口的水溫，儲水箱中的水溫度、流

21、速及加熱功率均有LED顯示。兩個電磁閥的通斷，攪拌和冷卻開關均有指示燈顯示?？刂葡到y(tǒng)的控制過程：當設定溫度后，啟動泵向恒溫水箱中供水，水上升到液位后，啟動攪拌電動機，測量水箱水溫并與設定值比較；若溫度差小于5，。要采用PID調(diào)節(jié)加熱。當水溫高于設定值510時，要進冷水。當水溫在設定值05范圍內(nèi)，仍然采用PID調(diào)節(jié)加熱。當水溫高于設定值10以上時，采用進水與風機冷卻同時進行的方法實現(xiàn)降溫控制。此外對溫度、流量、加熱的電功率要進行實測并顯示。若進水時無流量或加熱、冷卻時水溫度無變化時應報警。2.5 I/O地址表表1 I/O地址信號名稱器件代號地址編號功能說明輸入信號SB1X10系統(tǒng)啟動開關SB2X

22、15系統(tǒng)停止開關SQ1X11上液位開關SQ2X12下液位開關SPX5流量檢測開關輸出信號KA1YO啟動泵YV1Y1水電磁閥1YV2Y2水電磁閥2KA2Y3冷卻風機KA3Y4攪拌電動機KA4Y5加熱裝置HLY7報警指示燈8241碼Y10Y10顯示數(shù)據(jù)用輸出信號C1Y20溫度顯示1LED信號地址C2Y21溫度顯示2LED信號地址C3Y22溫度顯示3LED信號地址C4Y23流量顯示LED信號地址C5Y24功率顯示LED信號地址2.6溫度傳感器2.6.1 熱電偶本文采用J型熱電偶。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。熱電偶溫度計是由三部分組成：1.熱電偶（感溫元件）；2.連接熱電偶和測量測量儀表的

23、導線（對應型號的補償導線及銅線）；3.測量儀表；其優(yōu)點是：測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測量范圍廣。常用的熱電偶從-50 1600均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達 2800（如鎢-錸）。構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。熱電偶測溫基本原理：將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路。當導體AB的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。

24、為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)要求如下：組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；保護套管應能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。2.6.2 溫度采集電阻爐溫度控制系統(tǒng)的模擬量主要為溫度。溫度的檢測有很多種方法，常用的有熱電阻法、熱電偶法等等。它們的原理都基本相似，主要是將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，如果轉(zhuǎn)換的信號大小在模擬量轉(zhuǎn)換模塊輸入范圍內(nèi)，.IJ以通過精密放大器將信號進行處理。但通常溫度轉(zhuǎn)換的數(shù)字J默認的比例關系大小相襯時，則需要對偏移量和增益量進行假設，所謂偏移量指的是數(shù)字量為當時對應的溫度值。增益量

25、指的是數(shù)字量為1000時對應溫度值t7。例如我們測溫范圍為OCPC,采用Pt100作為熱敏電阻，在輸入PLC前將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，溫度在0 -800C范圍內(nèi)對應的電壓為18V,與電壓成線性關系，例如我們以選用的數(shù)字量范圍為0- 2000，若數(shù)字量為1時，對應的電壓為1V，則偏移量為1 V;數(shù)字量為2000時，對應的電壓為8V，則數(shù)字量為1000時，對應的電壓為4. 5V。2.6.3 A/D轉(zhuǎn)換部分FXON-60MR型PLC采集模擬量，需要擴展模塊，采用FXON-3A模擬量輸入模塊。該模塊提供包括8位精度分辨率, 2通道電壓輸入或電流輸入,電壓輸入和電流輸入可以自已選擇。如果輸入為電壓接

26、一個端子;如果輸入為電流，則需要接個端子。當電壓超過正常范圍時,電流超過正常范圍32mA時，會對這個模塊造成損壞。當存在過多的電氣干擾時，以將連接FG的外殼地端和模塊的接地端相連接 PLC基本單元， FX0N-3A之間的數(shù)據(jù)通信是由FROM /TO指令來執(zhí)行的。FROM是從FX0N- 3A中讀數(shù)據(jù)的指令，而TO是將數(shù)據(jù)寫入FX0N- 3A的指令。實際上讀寫的操作都是對FXON-3AD的緩沖寄存器BFM進行的操作。該緩沖區(qū)由32個16b 的寄存器組成。其中包括通道是否開通，電壓輸入還是電流輸入的選擇等。2.7 PLC主機PLC的硬件主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口

27、、擴展接口電源等部分組成。其中，CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場輸入/輸出設備與CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機等外設連接。對于整體式PLC，所有部件都裝在同一機殼內(nèi)；對于模塊式PLC，各部件獨立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機架或?qū)к壣?。無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都可根據(jù)用戶需要進行配置與組合。 PLC的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。系統(tǒng)程序由PLC制造廠商設計編寫的，并存入PLC的系統(tǒng)存儲器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等。PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，

28、根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實現(xiàn)控制目的。由于PLC是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術人員，為了滿足他們的傳統(tǒng)習慣和掌握能力，PLC的主要編程語言采用比計算機語言相對簡單、易懂、形象的專用語言。PLC編程語言是多種多樣的，對于不同生產(chǎn)廠家、不同系列的PLC產(chǎn)品采用的編程語言的表達方式也不相同，但基本上可歸納兩種類型：一是采用字符表達方式的編程語言，如語句表等；二是采用圖形符號表達方式編程語言，如梯形圖等。PLC的發(fā)展趨勢：1、向高速度、大容量方向發(fā)展為了提高PLC的處理能力，要求PLC具有更好的響應速度和更大的存

29、儲容量。目前，有的PLC的掃描速度可達0.1ms/k步左右。PLC的掃描速度已為很重要的一個性能指標。在存儲容量方面，有的PLC最高可達幾十兆字節(jié)。為了擴大存儲容量，有的公司已使用了磁泡存儲器或硬盤。 2、向超大型、超小型兩個方向發(fā)展當前中小型PLC比較多，為了適應市場的多種需要，今后PLC要向多品種方向發(fā)展，特別是向超大型和超小型兩個方向發(fā)展。現(xiàn)已有I/O點數(shù)達14336點的超大型PLC，其使用32位微處理器，多CPU并行工作和大容量存儲器，功能強。小型PLC由整體結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，使配置更加靈活，為了市場需要已開發(fā)了各種簡易、經(jīng)濟的超小型微型PLC，最小配置的I/O點數(shù)為816點，

30、以適應單機及小型自動控制的需要，如三菱公司Q系列PLC。3、PLC大力開發(fā)智能模塊，加強聯(lián)網(wǎng)通信能力為滿足各種自動化控制系統(tǒng)的要求，近年來不斷開發(fā)出許多功能模塊，如高速計數(shù)模塊、溫度控制模塊、遠程I/O模塊、通信和人機接口模塊等。這些帶CPU和存儲器的智能I/O模塊，既擴展了PLC功能，又使用靈活方便，擴大了PLC應用范圍。加強PLC聯(lián)網(wǎng)通信的能力，是PLC技術進步的潮流。PLC的聯(lián)網(wǎng)通信有兩類：一類是PLC之間聯(lián)網(wǎng)通信，各PLC生產(chǎn)廠家都有自己的專有聯(lián)網(wǎng)手段；另一類是PLC與計算機之間的聯(lián)網(wǎng)通信，一般PLC都有專用通信模塊與計算機通信。為了加強聯(lián)網(wǎng)通信能力，PLC生產(chǎn)廠家之間也在協(xié)商制訂通用

31、的通信標準，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡系統(tǒng)，PLC已成為集散控制系統(tǒng)（DCS）不可缺少的重要組成部分。4、增強外部故障的檢測與處理能力.根據(jù)統(tǒng)計資料表明：在PLC控制系統(tǒng)的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，輸入設備占45%，輸出設備占30%，線路占5%。前二項共20%故障屬于PLC的內(nèi)部故障，它可通過PLC本身的軟、硬件實現(xiàn)檢測、處理；而其余80%的故障屬于PLC的外部故障。因此，PLC生產(chǎn)廠家都致力于研制、發(fā)展用于檢測外部故障的專用智能模塊，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。5、編程語言多樣化在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時，PLC的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高。除了大多數(shù)PLC使用的梯形圖語言外

32、，為了適應各種控制要求，出現(xiàn)了面向順序控制的步進編程語言、面向過程控制的流程圖語言、與計算機兼容的高級語言（BASIC、C語言等）等。多種編程語言的并存、互補與發(fā)展是PLC進步的一種趨勢。2.8 執(zhí)行單元輸入電路中的控制電流為直流的電磁繼電器。繼電器是一種當輸入量（電、磁、聲、光、熱）達到一定值時，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件。 繼電器的繼電特性，繼電器的輸入信號x從零連續(xù)增加達到銜鐵開始吸合時的動作值xx,繼電器的輸出信號立刻從y=0跳躍到y(tǒng)=ym,即常開觸點從斷到通。一旦觸點閉合，輸入量x繼續(xù)增大，輸出信號y將不再起變化。當輸入量x從某一大于xx值下降到xf,繼電器開始釋放，常開觸點斷開。我們把繼電器的這種特性叫做繼電特性，也叫繼電器的輸入-輸出特性。 2.9 LED顯示器顯示方式發(fā)光二極管顯示器，簡稱LED（Liquid Emitting Diode）。LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯示器，有7