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恒温箱_百度文库

  目录 摘 要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..1 Abstract...........................................................2 1 设计方案的确定...................................................... 6 1.1 各控制方案的比较.................................................... 6 1.2 PLC 温控系统原理 ................................................... 7 2 系统硬件设计........................................................ 9 2.1 硬件分配 ............................................................ 9 2.3 恒温控制的 PLC 控制装置示意图 ...................................... 10 2.4 工艺过程及控制要求说明 ............................................. 10 2.5 I/O 地址表 ......................................................... 12 2.6 温度传感器 ......................................................... 12 2.7 PLC 主机 .......................................................... 15 2.8 执行单元.......................................................... 17 2.9 LED 显示器显示方式 ................................................ 17 2.10 各电器元件的选择................................................. 17 3 系统的软件设计...................................................... 17 3.1 恒温系统控制流程图 ................................................. 18 3.2 恒温系统梯形图..................................................... 19 3.3 恒温控制系统程序................................................... 29 参考文献............................................................... 32 致 谢................................................................. 33 1 设计方案的确定 1.1 各控制方案的比较 根据任务设计要求,恒温水箱的温度需要运用PID控制。在工程实际中,应用 最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID 调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控 制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调 试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被 控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。 PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制 的。 首先, PID 应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的,但通过对 其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统,这样 PID 就可控制 了。 其次,PID 参数较易整定。也就是PID 参数 Kp ,Ki 和 Kd 可以根据过程 的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化,例如可能由负载的变化引起系 统动态特性变化, PID 参数就可以重新整定。 第三,PID 控制器在实践中也不断的得到改进,PID 参数自整定就是为了处 理 PID 参数整定这个问题而产生的。 许多自身整定参数的 PID 控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自 身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算 PID 参数。 1.1.1 纯模拟电路控制 传统的温度控制较多地使用纯模拟电路并采用继电器一接触器或者双向晶 闸管进行模拟部分驱动制冷器件。纯模拟电路温度控制有很多不足之处,比如: 模拟电路复杂、控制精度不高、控制参数的调整要依靠经验数据,很难做到动态 调节、系统操作复杂,不利于远程控制、实时控制以及数据的实时采集等等。本 文在分析了温度控制的特点后,建立在PID参数自整定方法的温度控制方法, 具 有控制精度高、控制温度范围大、制冷响应速度快等特点。 1.1.2 PLC控制 PLC控制系统有以下 一些特点: 1.可靠性高。它采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的半导体电路完 成。 2.应用灵活。PLC已实现产品的系统化,标准化的积木硬件结构和单元化的 软件设计,使它不仅可以适应规模不同,功能繁复的控制要求,而且可以适应各 种工艺流程变更较多的场合。 3.功能强,通用性好。PLC产品已经形成系列化,单元化,并配合品种齐全 的控制单元供用户选择,还可以组成满足各种要求的控制系统。 4.编程简单。采用梯形图编程方式。它与传统的继电器接触控制线路图有许 多相似,操作容易。 5.PLC具有体积小,能耗低,质量少。 1.1.3 单片机控制 单片机常用的是C,汇编与Basic。就算是C,也有许多不同的开发工具(如 ICCAVR,CodeVersion,IAR,GCC..),彼此不兼容。这种百花齐放的局面,它让我 们的交流变得更加困难。 综上所述,结合各个控制方案的特点,所以选择用PLC来进行控制。 1.2 PLC 温控系统原理 由感温元件热电偶检测温度,通过温度变送器把温度传送给 FXON ? 3A , A/D 转换过程中,温度变为模拟电压输入给 PLC。PLC 为控制装置主机,通过 PID 运算,调整模拟量大小,完成温度控制任务。 控制中将模拟量变为脉冲数字输出,用数字显示,温度的控制由程序设定, 用 PLC 的 PID 控制功能调节。为了防止干扰,在 PLC 输人、输出模块前、后加装 了隔离变压器,同时加设了上限及故障报警装置。 图 1 PLC 控制的温控系统工作原理框图 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 2 系统硬件设计 2.1 硬件分配 PLC 控制的恒温箱温控系统硬件包括:1.温度传感器 2.放大器部分 3. A/D 转换部分。4.FX0N-60MR。5.执行单元。6.LED 显示器 2.2 I/O 电器接口图 转换电路 交流220 码译码 转换器 加热器 图 2 I/O 电器接口图 2.3 恒温控制的 PLC 控制装置示意图 图 所示为水温恒温控制装置的结构示意图,它包括控制恒温水箱、冷却风 扇电动机、搅拌电动机、储水箱、加热装置、温度检测装置、温度显示、功率显 示、流量显示、阀门以及有关状态显示等。 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 搅拌显示 温度2显示温度1显示 温度2显示 搅拌电动机 温度3显示 恒温水箱 液位检测1 温度2检测 风扇开启显 示 温度检测2 液位检测2 加热装置 手阀1 风扇冷却 流量显示 手阀 阀门1 温度3检测 图 3 控制装置示意图 阀1开启显 冷却风扇电 示 动机 阀2开启显 示 流量阀 阀门2 泵 2.4 工艺过程及控制要求说明 本系统是一个恒温控制系统,要求设定的温度在某一个数值。加热采用电加 热,功率为 1.5KW,温度设定范围在 20~80 摄氏度之间。恒温水箱内有一个加热 装置、一个搅拌电动机、两个液位检测开关、两个温度传感器。液位检测开关为 开关量传感器,检测水位的高低,反映无水或水溢出状态。两个温度传感器分别 为测量水箱入口处的水温和水箱中的水的温度。储水箱中,也装有一个温度传感 器。恒温水箱中的水可以通过一个电磁阀或手动开关阀将水放到储水箱中。储水 箱中的水可以通过一个电磁阀引入到恒温水箱中。水由一个水泵提供动力,使水 在系统中循环。水的流速由流量计测量。恒温水箱中的水温,入水口的水温,储 水箱中的水温度、流速及加热功率均有 LED 显示。两个电磁阀的通断,搅拌和冷 却开关均有指示灯显示。控制系统的控制过程:当设定温度后,启动泵向恒温水 箱中供水,水上升到液位后,启动搅拌电动机,测量水箱水温并与设定值比较; 若温度差小于 5 oC ,。要采用 PID 调节加热。当水温高于设定值 5~10 O C 时,要 进冷水。当水温在设定值 0~5 oC 范围内,仍然采用 PID 调节加热。当水温高于设 定值 10 oC 以上时,采用进水与风机冷却同时进行的方法实现降温控制。此外对 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 温度、流量、加热的电功率要进行实测并显示。若进水时无流量或加热、冷却时 水温度无变化时应报警。 2.5 I/O 地址表 信号名称 输入信号 输出信号 输出信号 表 1 I/O 地址 器件代号 地址编号 SB1 X10 SB2 X15 SQ1 X11 SQ2 X12 SP X5 KA1 YO YV1 Y1 YV2 Y2 KA2 Y3 KA3 Y4 KA4 Y5 HL Y7 8241 码 Y10~Y10 C1 Y20 C2 Y21 C3 Y22 C4 Y23 C5 Y24 功能说明 系统启动开关 系统停止开关 上液位开关 下液位开关 流量检测开关 启动泵 水电磁阀 1 水电磁阀 2 冷却风机 搅拌电动机 加热装置 报警指示灯 显示数据用 温度显示 1LED 信号地址 温度显示 2LED 信号地址 温度显示 3LED 信号地址 流量显示 LED 信号地址 功率显示 LED 信号地址 2.6 温度传感器 2.6.1 热电偶 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 本文采用 J 型热电偶。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。热电偶 温度计是由三部分组成:1.热电偶(感温元件);2.连接热电偶和测量测量仪表 的导线(对应型号的补偿导线.测量仪表; 其优点是:①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的 影响。 ②测量范围广。常用的热电偶从-50~ 1600℃均可边续测量,某些特殊热电 偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬),最高可达 2800℃(如钨-铼)。 ③构造简单,使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受 大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。 热电偶测温基本原理:将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来,构 成一个闭合回路。当导体 AB 的两个执着点 1 和 2 之间存在温差时,两者之间便 产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶 就是利用这一效应来工作的。 为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求如下: ①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固; ②两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路; ③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠; ④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。 2.6.2 温度采集 电阻炉温度控制系统的模拟量主要为温度。温度的检测有很多种方法,常用 的有热电阻法、热电偶法等等。它们的原理都基本相似,主要是将温度信号转换 为电压或电流信号,如果转换的信号大小在模拟量转换模块输入范围内,.IJ 以 通过精密放大器将信号进行处理。但通常温度转换的数字 J 默认的比例关系大小 相衬时,则需要对偏移量和增益量进行假设,所谓偏移量指的是数字量为当时对 应的温度值。增益量指的是数字量为 1000 时对应温度值 t7。例如我们测温范围 为 OCPC,采用 Pt100 作为热敏电阻,在输入 PLC 前将电阻的变化转换为电压信号, 温度在 0 -800C 范围内对应的电压为 18V,与电压成线性关系,例如我们以选用 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 的数字量范围为 0- 2000,若数字量为 1 时,对应的电压为 1V,则偏移量为 1 V; 数字量为 2000 时,对应的电压为 8V,则数字量为 1000 时,对应的电压为 4. 5V。 2.6.3 A/D 转换部分 FXON-60MR 型 PLC 采集模拟量,需要扩展模块,采用 FXON-3A 模拟量输入模 块。该模块提供包括 8 位精度分辨率, 2 通道电压输入或电流输入,电压输入和 电流输入可以自已选择。如果输入为电压接一个端子;如果输入为电流,则需要 接个端子。当电压超过正常范围时,电流超过正常范围 32mA 时,会对这个模块造 成损坏。当存在过多的电气干扰时,以将连接 FG 的外壳地端和模块的接地端相 连接 PLC 基本单元,FX0N-3A 之间的数据通信是由 FROM /TO 指令来执行的。FROM 是从 FX0N- 3A 中读数据的指令,而 TO 是将数据写入 FX0N- 3A 的指令。实际上 读写的操作都是对 FXON-3AD 的缓冲寄存器 BFM 进行的操作。该缓冲区由 32 个 16b 的寄存器组成。其中包括通道是否开通,电压输入还是电流输入的选择等。 2.7 PLC 主机 PLC 的硬件主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、通信 接口、扩展接口电源等部分组成。其中,CPU 是 PLC 的核心,输入单元与输出单 元是连接现场输入/输出设备与 CPU 之间的接口电路,通信接口用于与编程器、 上位计算机等外设连接。 对于整体式 PLC,所有部件都装在同一机壳内;对于模块式 PLC,各部件独立封 装成模块,各模块通过总线连接,安装在机架或导轨上。无论是哪种结构类型的 PLC,都可根据用户需要进行配置与组合。 PLC 的软件由系统程序和用户程序组成。系统程序由 PLC 制造厂商设计编写 的,并存入 PLC 的系统存储器中,用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括 系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。 PLC 的用户程序是用户利用 PLC 的编程语言,根据控制要求编制的程序。在 PLC 的应用中,最重要的是用 PLC 的编程语言来编写用户程序,以实现控制目的。 由于 PLC 是专门为工业控制而开发的装置,其主要使用者是广大电气技术人员, 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 为了满足他们的传统习惯和掌握能力,PLC 的主要编程语言采用比计算机语言相 对简单、易懂、形象的专用语言。 PLC 编程语言是多种多样的,对于不同生产厂家、不同系列的 PLC 产品采用 的编程语言的表达方式也不相同,但基本上可归纳两种类型:一是采用字符表达 方式的编程语言,如语句表等;二是采用图形符号表达方式编程语言,如梯形图 等。 PLC 的发展趋势:1、向高速度、大容量方向发展为了提高 PLC 的处理能力, 要求 PLC 具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前,有的 PLC 的扫描速度 可达 0.1 ms/k 步左右。PLC 的扫描速度已为很重要的一个性能指标。在存储容 量方面,有的 PLC 最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量,有的公司已使用了 磁泡存储器或硬盘。 2、向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型 PLC 比较多,为了适应市场 的多种需要,今后 PLC 要向多品种方向发展,特别是向超大型和超小型两个方 向发展。现已有 I/O 点数达 14336 点的超大型 PLC,其使用 32 位微处理器,多 CPU 并行工作和大容量存储器,功能强。小型 PLC 由整体结构向小型模块化结构 发展,使配置更加灵活,为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型 PLC ,最小配置的 I/O 点数为 8~16 点,以适应单机及小型自动控制的需要, 如三菱公司 Q 系列 PLC。 3、PLC 大力开发智能模块,加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统 的要求,近年来不断开发出许多功能模块,如高速计数模块、温度控制模块、远 程 I/O 模块、通信和人机接口模块等。这些带 CPU 和存储器的智能 I/O 模块,既 扩展了 PLC 功能,又使用灵活方便,扩大了 PLC 应用范围。 加强 PLC 联网通信 的能力,是 PLC 技术进步的潮流。PLC 的联网通信有两类:一类是 PLC 之间联网 通信,各 PLC 生产厂家都有自己的专有联网手段;另一类是 PLC 与计算机之间的 联网通信,一般 PLC 都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力, PLC 生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准,以构成更大的网络系统,PLC 已成为集散控制系统(DCS)不可缺少的重要组成部分。 4、增强外部故障的检测与处理能力.根据统计资料表明:在 PLC 控制系统的 故障中,CPU 占 5%,I/O 接口占 15%,输入设备占 45%,输出设备占 30%,线路占 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 5%。前二项共 20%故障属于 PLC 的内部故障,它可通过 PLC 本身的软、硬件实现 检测、处理;而其余 80%的故障属于 PLC 的外部故障。因此,PLC 生产厂家都致 力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块,进一步提高系统的可靠性。 5、编程语言多样化在 PLC 系统结构不断发展的同时,PLC 的编程语言也越 来越丰富,功能也不断提高。除了大多数 PLC 使用的梯形图语言外,为了适应各 种控制要求,出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、 与计算机兼容的高级语言(BASIC、C 语言等)等。多种编程语言的并存、互补 与发展是 PLC 进步的一种趋势。 2.8 执行单元 输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。继电器是一种当输入量(电、 磁、声、光、热)达到一定值时,输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。 继 电器的继电特性,继电器的输入信号 x 从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作 值 xx,继电器的输出信号立刻从 y=0 跳跃到 y=ym,即常开触点从断到通。一旦触 点闭合,输入量 x 继续增大,输出信号 y 将不再起变化。当输入量 x 从某一大于 xx 值下降到 xf,继电器开始释放,常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做 继电特性,也叫继电器的输入-输出特性。 2.9 LED 显示器显示方式 发光二极管显示器,简称LED(Liquid Emitting Diode)。LED显示块是由发 光二极管显示字段组成的显示器,有7段和“米”字段之分。由N个LED显示块可 拼接成N位LED显示器。N位LED显示器有 N 根位选线×N) 根段选线。根据显示方式的不同,位选线和段选线的连接方法也各不相同。 段选线控制显示字符的字型,而位选线则控制显示位的点亮和关闭。 2.10 各电器元件的选择 名称 KA1 KA2 KA3 KA4 熔断器 型号 攀枝花学院本科课程设计(论文) JZ744 JZ744 JZ744 JZ744 系统硬件设计 RL1-100 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 3 系统的软件设计 3.1 恒温系统控制流程图 系统控制程序流程如图 所示,程序中用到的 PLC 内部数据存储器功能: D54 为温度设定值;D4 为流水温度;D14 为流水温度;D24 为储水箱水温;D34 为水 流速度;D44 为加热功率.以下是恒温控制系统流程图。 攀枝花学院本科课程设计(论文) 初始化 否 与 连上否 ? 测试温送 处理 温度设定 工作方式选择 系统硬件设计 进水 液位到 否? 否 是 启动搅拌 电动机 测试水箱温度并 与设定值比较 否 温差是 否小于 等于5度 调节 热功率 转 换 . 3.2 恒温系统梯形图 水温与设 低 定值比较 高 启动阀放水启动 泵上水进行水 温调节 图4 温控系统流程图 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 根据上述恒温控制流程流程图及系统要求,可得系统梯形图如下: 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 攀枝花学院本科课程设计(论文) 3.3 恒温控制系统程序 恒温控制系统的程序如下图: 系统硬件设计 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计 攀枝花学院本科课程设计(论文) 系统硬件设计


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