基于PLC的恒溫控制系統(tǒng)

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1、 恒 溫 控 制 系 統(tǒng)  摘 要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及各種智能技術(shù)的迅速發(fā)展，高可靠性可編程控制器(PLC)出現(xiàn)，使得現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)周期短，可靠性高，成本低。 本文結(jié)合恒溫控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，采用PLC和檢測儀表完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；編寫PLC控制程序和監(jiān)控組態(tài)界面，實(shí)現(xiàn)溫度采集與顯示，實(shí)現(xiàn)了溫度在線監(jiān)測和控制。并采用工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制單元與上位機(jī)進(jìn)行信息交換，并能與企業(yè)內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)。 關(guān)鍵詞：自動(dòng)檢測；PLC；溫度；監(jiān)控組態(tài) ABSTRACT With c

2、omputer technology, communication technology, automatic control technology, as well as the rapid development of smart technology, high reliability, programmable logic controller (PLC) the emergence of modern industrial control systems makes the design of a short development cycle, high reliability a

3、nd cost reduction . In this paper, the characteristics of constant temperature control system, the control system design program, PLC and instrumentation used to complete system hardware design; PLC control procedures to prepare and monitor the configuration interface, collection and display tempe

4、rature to achieve a temperature-line monitoring and control. And the use of Industrial Ethernet, the realization of the scene control unit and host computer exchange of information and networking and the enterprise. Keywords: Automatic detection；PLC；Temperature；Monitoring configuration 目 錄

5、第一章 緒 論 1 1.1選題背景 1 1.1.1PLC控制技術(shù)與繼電器控制技術(shù)的區(qū)別 1 1.1.2PLC控制技術(shù)和通用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的區(qū)別 1 1.1.3PLC控制技術(shù)與單片機(jī)控制技術(shù)的區(qū)別 2 1.2本課題研究現(xiàn)狀 2 1.3 本文主要的研究工作 3 第二章 恒溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4 2.1恒溫控制系統(tǒng)的組成 4 2.2恒溫控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 5 2.3 PID控制原理 6 2.4可編程序控制器介紹 7 2.5PLC的選型 9 2.6模擬量模塊選擇 10 2.7其他硬件選擇 11 2.8系統(tǒng)供電接線圖 16 2.9PLC硬件接線圖 17 第三章 恒溫

6、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 21 3.1STEP7－Micro/Win32 編程軟件介紹 21 3.2I/O地址分配 22 3.3系統(tǒng)主程序 24 3.4PID控制算法程序 26 3.5標(biāo)度轉(zhuǎn)換 27 3.6數(shù)碼顯示 28 3.7人機(jī)界面 29 第四章 結(jié)論 31 參考文獻(xiàn) 32 致 謝 33 附錄 系統(tǒng)各部分程序 34 主程序 34 標(biāo)度變換程序 38 PID參數(shù)設(shè)定程序 40 PID輸出中斷程序 41 數(shù)顯程序 42 43 第一章 緒 論 1.1選題背景 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，以及各種智能技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了多種實(shí)用的控制

7、技術(shù)，如繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)及PLC控制技術(shù)等，每種控制技術(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。 1.1.1PLC控制技術(shù)與繼電器控制技術(shù)的區(qū)別 在PLC的編程語言中，梯形圖是用得最多的語言。PLC的梯形圖與繼電器控制線路圖比較相似，信號(hào)的輸入/輸出形式及控制功能也相同，但PLC的控制與繼電器的控制又有不同之處，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 （1）控制邏輯：繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機(jī)械觸頭的串聯(lián)或并聯(lián)以及時(shí)間繼電器的延時(shí)等組合成控制邏輯。其缺點(diǎn)是接線復(fù)雜，增加或改變功能都非常困難，繼電器觸頭數(shù)目也有限。而PLC利用其內(nèi)部存儲(chǔ)器，以程序方式將控制邏輯存儲(chǔ)在內(nèi)存中

8、，通過改變程序就可以很方便的改變控制邏輯，另外，軟繼電器觸頭數(shù)一般都非常多，因此PLC控制邏輯的靈活性和擴(kuò)展性都很好。 （2）控制速度：繼電器控制是通過繼電器機(jī)械觸頭的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)，觸頭的開閉動(dòng)作一般在幾十毫秒數(shù)量級(jí)。而PLC通過程序指令控制半導(dǎo)體電路來實(shí)現(xiàn)控制邏輯，一般一條指令的執(zhí)行時(shí)間在微秒數(shù)量級(jí)。 （3）限時(shí)控制：繼電器控制邏輯利用時(shí)間繼電器的滯后動(dòng)作進(jìn)行限時(shí)控制，但其定時(shí)精度不高，易受環(huán)境影響，調(diào)整比較困難。PLC使用半導(dǎo)體集成電路定時(shí)器，定時(shí)精度高，定時(shí)范圍可從0.001s到若干分鐘，通過編寫程序來進(jìn)行定時(shí)控制，非常方便。 （4）計(jì)數(shù)控制：繼電器控制邏輯一般不具備計(jì)數(shù)的功能，而P

9、LC能通過程序方便的實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。 （5）可靠性和可維護(hù)性：繼電器控制邏輯使用了大量的機(jī)械觸頭，觸頭開閉時(shí)產(chǎn)生的電弧容易損壞觸點(diǎn)，因此可靠性和可維護(hù)性都比較差。而PLC采用無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來代替繼電器觸點(diǎn)，因而不存在上述缺陷。PLC還帶有自檢功能，為現(xiàn)場的調(diào)試和維護(hù)提供了方便。 （6）價(jià)格：繼電器控制邏輯多使用機(jī)械開關(guān)、繼電器等，功能簡單，價(jià)格比較便宜。而PLC多使用集成電路，價(jià)格相對比較昂貴。 1.1.2PLC控制技術(shù)和通用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的區(qū)別 PLC是專門為工業(yè)控制環(huán)境而設(shè)計(jì)的，而通用計(jì)算機(jī)是專門為科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理等而設(shè)計(jì)的，兩者采用的都是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，但兩者設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)不同，因

10、此也存在許多的差異，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 （1）應(yīng)用范圍：通用計(jì)算機(jī)除了應(yīng)用在控制領(lǐng)域外，還大量應(yīng)用在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)通信等方面。而PLC主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域。 （2）使用環(huán)境：通用計(jì)算機(jī)對環(huán)境要求高。而PLC能適用于環(huán)境差的工業(yè)現(xiàn)場。 （3）程序設(shè)計(jì)：通用計(jì)算機(jī)具有豐富的程序設(shè)計(jì)語言，如匯編語言、C語言等，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用，對編程者要求高。而PLC能提供的編程語言少，邏輯簡單，容易學(xué)習(xí)和使用。 （4）運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量：隨著各種電子技術(shù)的發(fā)展，通用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度越來越快，一般在微秒級(jí)，存儲(chǔ)容量也在增大。而PLC相對通用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度要慢，其編程的軟件少，編程簡短，內(nèi)存容

11、量也很小。 （5）價(jià)格：通用計(jì)算機(jī)功能多，硬件復(fù)雜，而PLC相對功能單一，因此在價(jià)格上一般PLC要比通用計(jì)算機(jī)便宜。 1.1.3PLC控制技術(shù)與單片機(jī)控制技術(shù)的區(qū)別 單片機(jī)控制技術(shù)一般用于數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制，單片機(jī)在配置上比通用計(jì)算機(jī)簡單，價(jià)格上相對便宜，但它和通用計(jì)算機(jī)一樣，也不是專門為工業(yè)現(xiàn)場控制所設(shè)計(jì)的。與通用計(jì)算機(jī)一樣，單片機(jī)編程復(fù)雜、不易掌握，需要處理大量I/O接口，其輸出口驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較弱，要驅(qū)動(dòng)工業(yè)負(fù)載需要復(fù)雜的外圍電路。單片機(jī)控制技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)在于它具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，但工業(yè)控制過程要處理的是大量的開關(guān)量，因而運(yùn)用在工業(yè)現(xiàn)場控制中單片機(jī)的長處得不到發(fā)揮，其可靠性也遠(yuǎn)不

12、如PLC。一般單片機(jī)控制技術(shù)僅使用于比較簡單的工業(yè)控制過程和數(shù)據(jù)處理能力要求比較高的場合。 PLC控制技術(shù)與單片機(jī)控制技術(shù)相比較而言，更適合于工業(yè)現(xiàn)場過程控制，但其數(shù)據(jù)處理能力不如后者。所以二者各有所長，不能互相替代。 由此可見，隨著PLC的成本降低及數(shù)據(jù)處理能力的增強(qiáng)，在工業(yè)現(xiàn)場控制方面，PLC控制技術(shù)面對其他的控制技術(shù)的挑戰(zhàn)將會(huì)一直具有自身的優(yōu)勢。因此，掌握PLC控制技術(shù)對于工業(yè)控制技術(shù)人員來說是必不可少的技能之一。 1.2本課題研究現(xiàn)狀 在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)

13、自動(dòng)化的重要任務(wù)。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時(shí)無刻不在與溫度打著交道。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對是否能掌握溫度有著絕對的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。 目前，國內(nèi)外恒溫控制系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)已發(fā)展的比較成熟，大多數(shù)是使用單片機(jī)和PLC對溫度進(jìn)行控制，但隨著PLC、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控組態(tài)軟件的迅速發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)過程中基于PLC的恒溫控制系統(tǒng)開始占據(jù)了主導(dǎo)地位?；赑LC的恒溫控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中充分體現(xiàn)了一下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用

14、光電隔離、RC濾波器等屏蔽措施具有較高的抗干擾能力和可靠性；（2）針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接連接；（3）采用模塊化結(jié)構(gòu)；（4）編程簡單，易于實(shí)現(xiàn)；（5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便；（6）維修方便，維修工作量??；（7）投產(chǎn)周期及成本比較低。 本設(shè)計(jì)基于一個(gè)PLC的恒溫控制監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到溫度的實(shí)時(shí)控制與顯示。該系統(tǒng)克服傳統(tǒng)的位式調(diào)節(jié)器和PID調(diào)節(jié)器超調(diào)大的缺點(diǎn),充分發(fā)揮PLC控制靈活、編程方便、適應(yīng)性強(qiáng)和FameView的實(shí)時(shí)顯示的優(yōu)點(diǎn),提高了控制的精確度。而且該系統(tǒng)操作簡單、工作穩(wěn)定可靠、實(shí)用性強(qiáng)并有良好的組態(tài)監(jiān)控界面,能遠(yuǎn)程控制，適應(yīng)了當(dāng)前現(xiàn)代化工業(yè)的需

15、要,適用范圍廣,其經(jīng)濟(jì)效益很好。 在工業(yè)生產(chǎn)中,常用閉環(huán)控制方式控制溫度、流量等連續(xù)變化的模擬量,PID控制是常見的一種控制方式。在使用模擬量控制器的模擬控制系統(tǒng)和使用計(jì)算機(jī)(包括PLC)的數(shù)字控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用?？删幊绦蚩刂破?PLC)是以微處理器為基礎(chǔ),綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)等高新技術(shù)，可以構(gòu)成不同的控制系統(tǒng),將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體,實(shí)現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制系統(tǒng)。本文針對恒溫水箱溫控系統(tǒng)的要求,以PLC為溫度控制系統(tǒng)的核心,利用PID控制算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒溫控制。 1.3 本文主要的研究工作 本文介紹恒溫控制系統(tǒng)的工作原

16、理設(shè)計(jì)，結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)一套基于S7-200PLC的溫度控制系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容如下： （1）分析恒溫控制系統(tǒng)的工藝流程，提出控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。 （2）采用PLC和檢測儀表完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；編寫PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)溫度采集與顯示。 （3）采用FameView監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)恒溫系統(tǒng)監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)溫度的大小和變化曲線，實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測和控制。 （4）采用工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制單元與上位機(jī)進(jìn)行信息交換，并能與企業(yè)內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)。  第二章 恒溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 2.1恒溫控制系統(tǒng)的組成 恒溫控制裝置結(jié)構(gòu)如圖2－1所示，它包括控制恒溫水箱、冷卻風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)、攪拌電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)水

17、箱、電加熱裝置（功率為1.5W，溫度范圍為40~60.C）、測溫裝置、液位檢測、流量檢測以及電磁閥門等。電加熱器加熱恒溫水箱水溫，攪拌器使恒溫水箱中的水上下水溫均勻，兩個(gè)液位檢測傳感器用于測量缺水和溢出狀態(tài)，三個(gè)溫度傳感器分別測量恒溫水箱中水的溫度、入口溫度及儲(chǔ)水箱中水的溫度，水泵用來使系統(tǒng)內(nèi)的水循環(huán)流動(dòng)，三個(gè)電磁閥門用來使水進(jìn)入儲(chǔ)水箱或冷卻器中，水的流量采用流量計(jì)檢測，水的冷卻采用風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。恒溫水箱中水溫、入水口水溫、儲(chǔ)水箱中水溫、水的流速和加熱器功率分別用數(shù)顯儀表顯示。閥門、攪拌器及冷卻器工作狀態(tài)用指示燈指示。 圖2-1 恒溫控制裝置結(jié)構(gòu)圖 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：①要求系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)

18、兩種方式；②溫度范圍：20℃~60℃溫度超限進(jìn)行報(bào)警；③水溫與設(shè)定值之差小于5℃，采用PID調(diào)節(jié)；水溫高于設(shè)定值5℃~10℃進(jìn)冷水；水溫高于設(shè)定值10℃以上時(shí)，采用進(jìn)冷水與風(fēng)冷同時(shí)進(jìn)行的方法實(shí)現(xiàn)降溫控制；④對溫度，流量進(jìn)行檢測并顯示；⑤進(jìn)水時(shí)無流量，加熱時(shí)水溫?zé)o變化能進(jìn)行報(bào)警。 2.2恒溫控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 根據(jù)恒溫控制系統(tǒng)的要求，本設(shè)計(jì)由S7-200PLC作為中央處理單元，F(xiàn)ameview作為監(jiān)控組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分軟件構(gòu)成。要完成整個(gè)系統(tǒng)的要求就應(yīng)該由軟件與硬件共同來發(fā)揮作用和相互組合協(xié)調(diào)工作；本設(shè)計(jì)由工控機(jī)作為上位機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，PLC等

19、其他元件作為下位機(jī)完成具體控制要求，上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信通過以太網(wǎng)的聯(lián)接來達(dá)到通信的狀態(tài)要求，以便更好的完成對系統(tǒng)的監(jiān)控。 PLC 以太網(wǎng) 工控PC機(jī) 電機(jī)啟動(dòng)與停及顯示 電磁閥的開與關(guān)及顯示 系統(tǒng)的開與關(guān) 溫度數(shù)據(jù)參數(shù) 變送器 下位機(jī) 上位機(jī) 液位開關(guān)檢測 變送器 流量參數(shù) 數(shù)顯 儀表 圖2-2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 上位機(jī)由工控機(jī)構(gòu)成，工控機(jī)上采用Fameview組態(tài)軟件，控制對現(xiàn)場設(shè)備的啟/停、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄，設(shè)備故障和異常情況的處理。PLC組成下位機(jī)現(xiàn)場控制單元，采集現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)。檢測元件有溫度檢測元件和液位檢測元件，對現(xiàn)場設(shè)

20、備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將檢測數(shù)據(jù)傳送至PLC與數(shù)顯表。顯示電路實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。PLC根據(jù)輸入與反饋信號(hào)的偏差進(jìn)行PID計(jì)算，輸出控制信號(hào)給加溫控制電路，對溫度進(jìn)行PID控制。 2.3 PID控制原理 在工程實(shí)際中，應(yīng)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)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)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(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我

21、們不完全了解一個(gè)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(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 比例（P）控制，比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（I）控制，在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-sta

22、te Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制，在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用

23、的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 按照實(shí)際溫度和設(shè)定溫度偏差的比例、積分和微分產(chǎn)生控制作用（簡稱PID控制），是溫度控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式，實(shí)際運(yùn)行效果和理論分析表明，這種控制規(guī)律在相當(dāng)多的工業(yè)生產(chǎn)過程中能得到比較滿意的結(jié)果。

24、每個(gè)溫度由一個(gè)熱敏電阻檢測，用PID的輸出值來控制電阻爐通斷，從而控制的溫度。溫度控制原理如圖2-3所示。 PID控制器 + - 加熱裝置 溫度變送器 檢測值 被控參數(shù) 給定值 圖2-3溫度控制原理圖 2.4可編程序控制器介紹 可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC,是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該

25、按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導(dǎo)地位。這種由繼電器構(gòu)成的控制系統(tǒng)有著明顯的缺點(diǎn):體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運(yùn)行速度不高，尤其是對生產(chǎn)工藝多變的系統(tǒng)適應(yīng)性更差，如果生產(chǎn)任務(wù)和工藝發(fā)生變化，就必須重新設(shè)計(jì)，并改變硬件結(jié)構(gòu)，造成了時(shí)間和資金的嚴(yán)重浪費(fèi)。 美國的數(shù)字設(shè)備公司(DEC)中標(biāo)，并在1969年研制出了第一臺(tái)可編程序控制器(PDP-14)。其后，美國的MOD工CON公司也推出了084控制器，1971年，日本推出了DSC-8控制器，1973年西歐各國的各種可編程序控制器也研制成功。我國在1974

26、年開始研制可編程序控制器。 可編程序控制器的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。這些高新技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了可編程序控制器的發(fā)展，而可編程序控制器的發(fā)展又對這些高新技術(shù)提出了更高更新的要求，促進(jìn)了它們的發(fā)展。 從控制功能來分，可編程序控制器的發(fā)展經(jīng)歷了下列四個(gè)階段。 第一階段，從第一臺(tái)可編程序控制器問世到20世紀(jì)70年代中期，是可編程序控制器的初創(chuàng)階段。這一階段的產(chǎn)品主要用于邏輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)運(yùn)算，它的CPU由中小規(guī)模的數(shù)字集成電路組成，它的控制功能較簡單。 第二階段，從20世紀(jì)70年代中期到末期，是可編程序控制器的擴(kuò)展階段，在這一

27、階段，產(chǎn)品的主要控制功能得到了較大的發(fā)展，它的發(fā)展主要來自兩方面，從可編程序控制器發(fā)展而來的控制器，它的主要功能是邏輯運(yùn)算，同時(shí)擴(kuò)展了其他運(yùn)算功能；而從模擬儀表發(fā)展而來的控制器，其功能主要是模擬運(yùn)算，同時(shí)擴(kuò)展了邏輯運(yùn)算功能。因此，按習(xí)慣的分類方法，前者被稱為可編程序邏輯控制器(PLC )，后者被稱為單回路或多回路控制器。 第三階段，從20世紀(jì)70年代末期到20世紀(jì)80年代中期，是PLC通信功能實(shí)現(xiàn)階段。與計(jì)算機(jī)通信的發(fā)展相聯(lián)系，PLC也在通信方面有了很大的發(fā)展，初步形成了分布式的通信網(wǎng)絡(luò)體系。在該階段，由于生產(chǎn)過程控制的需要，對PLC的需求大大增加，產(chǎn)品的功能也得到了發(fā)展，數(shù)學(xué)運(yùn)算的功能得到

28、了較大的擴(kuò)充，產(chǎn)品的可靠性進(jìn)一步提高。 第四階段，從20世紀(jì)80年代中期開始是PLC的開放階段。由于開放系統(tǒng)的提出，使PLC也得到了較大的發(fā)展。主要表現(xiàn)在通信系統(tǒng)的開放，使各制造企業(yè)的產(chǎn)品可以通信，通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化使用戶得到了好處。在這一階段，產(chǎn)品的規(guī)模增大，功能不斷完善，大中型的產(chǎn)品多數(shù)有CRT屏幕的顯示功能，產(chǎn)品的擴(kuò)展也因通信功能的改善而變得方便，此外，還采用了標(biāo)準(zhǔn)的軟件系統(tǒng)，增加了高級(jí)編程語言等。 PLC的工作原理分為以下幾個(gè)過程： （1）初始化：PLC上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，清除內(nèi)部繼電器區(qū)，復(fù)定時(shí)器等。 （2）CPU自診斷：PLC在每個(gè)掃描周期都要進(jìn)入CPU自診斷，對電源

29、、PLC內(nèi)部電路、用戶程序的語法進(jìn)行檢查；定期復(fù)位監(jiān)控定時(shí)器等，以確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。 （3）通信信息處理：在每個(gè)通信信息處理掃描階段，進(jìn)行PLC之間以及PLC與計(jì)算機(jī)之間的信息交換；PLC與其他帶微處理器的只能裝置通信，例如，只能I/O模塊；在多處理器系統(tǒng)中，CPU還要與數(shù)字處理器（DPU）交換信息 （4）與外部設(shè)備交換信息：PLC與外部設(shè)備連接時(shí)，在每個(gè)掃描周期內(nèi)都要與外部設(shè)備交換信息。這些外部設(shè)備有編程器、終端設(shè)備、彩色圖形顯示器、打印機(jī)等。 （5）執(zhí)行用戶程序：PLC在運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期都要執(zhí)行用戶程序。執(zhí)行用戶程序時(shí)，是以掃描的方式按順序逐句掃描處理的，掃描一條執(zhí)行一條，

30、并把運(yùn)算結(jié)果保存在輸入輸出映像區(qū)對應(yīng)位中。 （6）輸入、輸出信息處理：PLC在運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期都要進(jìn)入輸入、輸出信息處理。以掃描的方式把外部輸入的信號(hào)存入輸入映像區(qū)；將運(yùn)算處理好的結(jié)果存入輸出映像區(qū)，直到傳送到外部被控設(shè)備。 PLC周而復(fù)始地巡回掃描，執(zhí)行上述整個(gè)過程，直至停機(jī)。 PLC的特點(diǎn)有：可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；通用性強(qiáng)，靈活性好，功能齊 編程簡單，使用方便；模塊化結(jié)構(gòu)；安裝簡便，調(diào)試方便；可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；體積小，能耗低等。 2.5PLC的選型 合理選擇PLC對于提高PLC控制系統(tǒng)的性價(jià)比起著重要作用，PLC的選擇應(yīng)包括機(jī)型的選擇、容量的選擇、I/O模塊的選擇、

31、電源模塊的選擇等幾個(gè)方面。 在恒溫控制系統(tǒng)中，經(jīng)過調(diào)研、分析，選擇了西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC作為系統(tǒng)的控制器。S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一種整體式小型可編程控制器。S7-200系列PLC包含了一個(gè)單獨(dú)的S7-200CPU和各種可選則的擴(kuò)展模塊，可以十分方便的組成不同規(guī)模的控制器。其控制規(guī)?？梢詮膸c(diǎn)到幾百點(diǎn)。S7-200PLC可以方便地組成PLC－PLC網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)－PLC網(wǎng)絡(luò)，從而完成規(guī)模更大的工程。因此本人選用的是德國SIEMENS公司的S7-200型號(hào)的可編程序控制器產(chǎn)品。 S7-200的STEP7-Micro/WIN32編程軟件可以方便地在Wind

32、ows環(huán)境下對PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控、使得PLC的編程更加方便、快捷。即S7-200可以完美地滿足各種小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。 目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種,四種CPU的外部結(jié)構(gòu)大體相同。 CPU221集成6輸入/4輸出共10個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。無I/O擴(kuò)展能力。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。4個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。 CPU222集成8輸入/6輸出共14個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接

33、2個(gè)擴(kuò)展模塊。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。4個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。 CPU224集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O 點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較

34、強(qiáng)控制能力的控制器。 CPU226集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35路模擬量I/O 點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 根據(jù)控制要求本設(shè)計(jì)有系統(tǒng)開關(guān)、上下液位開關(guān)攪拌電機(jī)開關(guān)

35、等開關(guān)量要轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量作為CPU226的輸入量，其中流量檢測量與溫度檢測量作為模擬量輸入輸入到CPU226；同時(shí)系統(tǒng)中的電機(jī)及指示燈、溫度顯示等作為數(shù)字量輸出量，電機(jī)熱控制信號(hào)作為模擬量輸出。 而在已有的S7200的CPU中沒有可以單獨(dú)滿足系統(tǒng)要求的型號(hào)，不管選用哪種型號(hào)都需要對其輸入\輸出端口進(jìn)行擴(kuò)展。為了使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的盡量簡單、方便、實(shí)用，本設(shè)計(jì)選用CPU226。CPU226擁有24個(gè)數(shù)字輸入端口和16個(gè)數(shù)字輸出端口，因此只需要對其擴(kuò)展4個(gè)模擬輸入端和一個(gè)模擬輸出端口。PLC的系統(tǒng)組成如圖2-4所示。 圖2-4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊圖 2.6模擬量模塊選擇 西門子S7200提供有EM231、

36、EM232以及EM235三種模擬擴(kuò)展模塊。 EM231可擴(kuò)展4路模擬量輸入通道，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，12位；EM231還有專門的熱電偶、熱電阻模塊是為CPU222，CPU224，CPU226設(shè)計(jì)的，S7-200與多種熱電偶、熱電阻的連接備有隔離接口。用戶通過模塊上的DIP開關(guān)來選擇熱電偶或熱電阻的類型，接線方式，測量單位和開路故障的方向。EM232可擴(kuò)展2路模擬量輸出通道。EM235可擴(kuò)展3路模擬量輸入通道和1路量輸出通道。按照輸入\輸出端口點(diǎn)數(shù)我們應(yīng)當(dāng)用EM235對CPU進(jìn)行擴(kuò)展。 EM235能夠接受電壓或者電流信號(hào)，如果EM235剩了AI點(diǎn)來接PT100，而且EM235的AO點(diǎn)沒

37、有占用，可以直接采用EM235。把EM235的輸出AO點(diǎn)當(dāng)作一個(gè)恒流源，把此恒流源接到PT100上，PT100的四線做兩線接到EM235。具體程序中間的轉(zhuǎn)換一定要算仔細(xì)，不然采集值就容易算錯(cuò)。電流不能過大，否則容易損壞PT100。這種接法比較浪費(fèi)，用EM231模塊比較好。經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，編程方便PT100溫度傳感器檢測到的模擬信號(hào)通過變送器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后送傳給EM321。。EM231具有4個(gè)模擬量輸入通道。剛好滿足本設(shè)計(jì)模擬量輸入要求。再通過EM232與電阻加熱器連接，將檢測到的流量信號(hào)送到CPU，進(jìn)而對CPU226的模擬輸出量進(jìn)行了擴(kuò)展。 因此本設(shè)計(jì)采用EM231對CPU226進(jìn)行4路模擬量輸入

38、模塊擴(kuò)展，采用EM232對CPU226進(jìn)行1路模擬量輸出量擴(kuò)展。 2.7其他硬件選擇 本設(shè)計(jì)可以分為核心處理系統(tǒng)、溫度監(jiān)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、數(shù)碼顯示裝置四大組成部分。對于除了核心處理系統(tǒng)之外的硬件選擇，可以按照個(gè)大部分歸類選擇。 (1)溫度監(jiān)控部分 溫度監(jiān)控部分組成有溫度傳感器，變送器，信號(hào)隔離器； 溫度傳感器：兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，如在某點(diǎn)互相連接在一起，對這個(gè)連接點(diǎn)加熱，在它們不加熱的部位就會(huì)出現(xiàn)電位差。這個(gè)電位差的數(shù)值與不加熱部位測量點(diǎn)的溫度有關(guān)，和這兩種導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測量這個(gè)電位差，再測出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準(zhǔn)確知道加熱點(diǎn)的溫

39、度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，所以稱之為“熱電偶”。不同材質(zhì)做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點(diǎn)溫度變化1℃時(shí)，輸出電位差的變化量。對于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個(gè)數(shù)值大約在5～40微伏／℃之間。 溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種，現(xiàn)代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域中，也為我們的生活提供了無數(shù)的便利和功能。 溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。 接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接

40、觸，又稱溫度計(jì)。 溫度計(jì)通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計(jì)的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計(jì)也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運(yùn)動(dòng)體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計(jì)有雙金屬溫度計(jì)、玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計(jì)。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計(jì)得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計(jì)、蒸汽壓溫度計(jì)、聲學(xué)溫度計(jì)、順磁鹽溫度計(jì)、

41、量子溫度計(jì)、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉?。低溫溫度?jì)要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計(jì)的一種感溫元件，可用于測量1.6～300K范圍內(nèi)的溫度。 PT100溫度傳感器可以適應(yīng)大部分溫度檢測要求，性能良好。PT100，又叫鉑電阻，熱電阻，是一種溫度傳感器，鉑電阻溫度系數(shù)為0.0039／℃，0℃時(shí)電阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω/℃。采用不銹鋼外殼封裝，內(nèi)部填充導(dǎo)熱材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，適用于精密儀器、恒溫設(shè)備、流體管道等溫度的測量，非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低

42、溫區(qū)（-200℃～400℃）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。本設(shè)計(jì)中將此感器安裝在恒溫水箱以及回流管等各個(gè)部位，對水溫進(jìn)行監(jiān)測。并且將檢測結(jié)果反饋到主機(jī)，再由主機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作。本設(shè)計(jì)選用PT100溫度傳感器。 溫度變送器是通過確認(rèn)阻值的不同計(jì)算出當(dāng)前的溫度,再根據(jù)熱電阻的量程變送輸出對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn) 信號(hào)值 (4-20mA）即： 溫度變化→熱電阻阻值變化→溫度變送器進(jìn)行計(jì)算→輸出4~20mA信號(hào)再通過確認(rèn)變送器輸出的電流大小就可以知道當(dāng)前的溫度值。 WRZ系列一體化溫度變送器是熱電阻、熱電偶與變送器的完美結(jié)合，以十分簡捷的方式把-200～1300℃的

43、溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)對溫度精確測量與控制。 WRZ溫度變送器可與顯示儀、控制系統(tǒng)、記錄儀等調(diào)節(jié)器配套使用，并被廣泛應(yīng)用于石油、化工、發(fā)電醫(yī)藥、紡織、鍋爐等工業(yè)領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用WRZ系列一體化溫度變送器。 信號(hào)隔離器，在工業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制需要用到各種自動(dòng)化儀表、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它們之間的信號(hào)傳輸既有微弱到毫伏級(jí)、微安級(jí)的小信號(hào)，又有幾十伏，甚至數(shù)千伏、數(shù)百安培的大信號(hào)；既有低頻直流信號(hào)，也有高頻脈沖信號(hào)等等，構(gòu)成系統(tǒng)后往往發(fā)現(xiàn)在儀表和設(shè)備之間信號(hào)傳輸互相干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。出現(xiàn)這種情況除了每個(gè)儀表、設(shè)備本身的性能原因如抗電磁干擾影響外，還有一個(gè)

44、十分重要的因素就是由于儀表和設(shè)備之間的信號(hào)參考點(diǎn)之間存在電勢差，因而形成“接地環(huán)路”造成信號(hào)傳輸過程中失真。因此，要保證系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行，“接地環(huán)路”問題是在系統(tǒng)信號(hào)處理過程中必須解決的問題。 隔離器又名信號(hào)隔離器,是一種采用線性光耦隔離原理,將輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輸入\輸出和工作電源三者相互隔離,特別適合與需要電隔離的設(shè)備儀表配用。是工業(yè)控制系統(tǒng)中重要組成部分。 在各個(gè)過程環(huán)路中使用信號(hào)隔離辦法可以用DCS或PLC等隔離卡件或者現(xiàn)場帶隔離的變送器（部分設(shè)備可以做到），也可以使用信號(hào)隔離器來實(shí)現(xiàn)。比較起來，用信號(hào)隔離器RZG2100有以下優(yōu)點(diǎn)： ● 絕大部分情況，采用信號(hào)隔離器+非

45、隔離卡件比采用隔離卡件便宜。 ● 信號(hào)隔離器比隔離卡件在隔離能力、抗電磁干擾等方面性能更加優(yōu)越 ● 信號(hào)隔離器應(yīng)用靈活，而且它還有型號(hào)轉(zhuǎn)換和 信號(hào)分配功能，使用起來更加方便。 ● 信號(hào)隔離器通常有單通道、雙通道、一入二出等通道形式，通道間相互完全獨(dú)立，構(gòu)成系統(tǒng)的配置、日常維護(hù)更加方便。輸出電流0-10mA；0-20mA； 所以本設(shè)計(jì)選用RZG2100隔離變送器。 (2) 伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)由液位開關(guān)、攪拌電機(jī)、電加熱裝置、風(fēng)扇電機(jī)、流量檢測計(jì)和電磁閥構(gòu)成。 液位開關(guān)，當(dāng)浮球因浮力作用而上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，接線盒內(nèi)的磁簧開關(guān)受到臂端磁鐵影響，而作"NC"接點(diǎn)與"NO"接點(diǎn)之互換。同樣地原理

46、運(yùn)用在微動(dòng)開關(guān)裝置上，微動(dòng)開關(guān)前之磁鐵和臂端磁鐵作互斥運(yùn)動(dòng)而推壓微動(dòng)開關(guān)，造成"NC"和"NO"動(dòng)作。具有耐高、低溫，耐酸、堿等優(yōu)良性能。 本設(shè)計(jì)選用EA-L200型浮球液位開關(guān)。 攪拌電機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)對恒溫水箱加水、放水或者加熱時(shí)，都應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)攪拌電機(jī)使水箱內(nèi)水的溫度保持均勻。由于恒溫水箱容量不大，所以選擇小功率攪拌電機(jī)。 本設(shè)計(jì)選用20V 60W調(diào)速攪拌電機(jī)。 電加熱裝置，加熱電阻器是利用電阻通電發(fā)熱加熱指定物體的電器.工作原理是利用電阻通電產(chǎn)生熱量.但是加熱電阻器有溫控電路、傳感器等。當(dāng)水箱內(nèi)的水被檢測出低于要求水溫時(shí)，啟動(dòng)電加熱裝置對水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱，直到達(dá)到控制要求水溫。 本設(shè)

47、計(jì)選用功率為1.5W的加熱電阻器，溫度范圍為20~100℃加熱電阻。 風(fēng)扇電機(jī)，當(dāng)水箱內(nèi)水溫過高，水箱放水經(jīng)過回流管，由安裝在回流管的風(fēng)扇電機(jī)對回流管中的水進(jìn)行吹風(fēng)降溫后，再回流到恒溫水箱中。 本設(shè)計(jì)選用220V 60W風(fēng)扇電機(jī)。 流量檢測計(jì)，差壓式流量計(jì)(以下簡稱DPF或流量計(jì))是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。DPF由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件的型式對DPF分類，如孔扳流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)及均速管流量計(jì)等。二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì)，差壓變送器和流量顯示及計(jì)算

48、儀表，它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化)程度很高的種類規(guī)格龐雜的一大類儀表。差壓計(jì)既可用于測量流量參數(shù)，也可測量其他參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。本設(shè)計(jì)通過流量計(jì)對水流進(jìn)行檢測，進(jìn)而控制。 傳統(tǒng)的一體化差壓式流量計(jì)只是簡單的將節(jié)流器件好差壓變送器裝在一起，但仍要單獨(dú)安裝變送器/流量積算儀，因此不能算是真正的多參數(shù)變送器，V10F差壓式流量計(jì)可同時(shí)測量壓力、溫度的復(fù)合式傳感器，并帶有流量計(jì)算的補(bǔ)償計(jì)算功能。一臺(tái)多參數(shù)變送器可替代差壓、壓力、溫度、積算儀表?？芍苯虞敵鲑|(zhì)量或體積流量。V10F差壓式流量計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)?？筛鶕?jù)不同的應(yīng)用選擇不同的節(jié)流器件；寬量程比，精度高；即時(shí)即用，無需標(biāo)定；

49、多參數(shù)同時(shí)顯示\輸出；通過現(xiàn)場總線提供遠(yuǎn)程操作；預(yù)測式故障診斷；DCS和PLC的理想選擇；采購和安裝費(fèi)用低。標(biāo)準(zhǔn)供電，DC24V。輸出信號(hào)為4~20mA。 本設(shè)計(jì)選用V10F差壓式流量計(jì)。 電磁閥，電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個(gè)孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會(huì)被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動(dòng)來檔住或漏出不同的排油的孔，而進(jìn)油孔是常開的，液壓油就會(huì)進(jìn)入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動(dòng)油剛的活塞，活塞又帶動(dòng)活塞桿，活塞竿帶動(dòng)機(jī)械裝置動(dòng)。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 Z3CF三位常開電磁閥電壓規(guī)格為AC220V.DC2

50、4V，具有微啟，全開和關(guān)閉三種流量；控制精度高參數(shù)要求平穩(wěn)，動(dòng)作開關(guān)時(shí)間短。 本設(shè)計(jì)選用Z3CF三位常開電磁閥。 （3）數(shù)碼顯示裝置 數(shù)碼顯示裝置有許多種，HLP2型數(shù)碼顯示表PLC專用數(shù)顯表可通過兩個(gè)PLC輸出端口接收所有PLC發(fā)出的數(shù)據(jù)?？梢栽貾LC程序中任意指定的數(shù)據(jù)，如數(shù)量、時(shí)間、溫度、壓力等通過計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器、數(shù)據(jù)寄存器等將數(shù)據(jù)送入指定的顯示緩沖區(qū)內(nèi)，經(jīng)子程序通過兩個(gè)輸出端口送出編碼至PLC外部的數(shù)顯表上。 采用兩線串行傳輸方式，只用兩個(gè)PLC輸出端口就可以完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳送。而且多表共用時(shí)只需N+1個(gè)輸出端口。節(jié)省了PLC的輸出端口（這對平均每個(gè)輸出端口上百元的PLC來說，

51、無疑是節(jié)省了大量資金）。該數(shù)顯表不僅連接方法簡單而且更值得一提的是它的PLC驅(qū)動(dòng)程序非常簡單明了，特別方便用戶使用，更加適用于程序設(shè)計(jì)的模塊化。 新型產(chǎn)品HLP2C-45型增加了擴(kuò)展輸出功能，可提供四個(gè)可編程輸出端口，其狀態(tài)由PLC編程控制。HLP2D-45型除了有擴(kuò)展輸出功能以外還增加了自動(dòng)小數(shù)點(diǎn)位的編程功能。HLP2數(shù)顯表的刷新速度快，最高速度時(shí)刷新一個(gè)四位BCD碼只需50mS，即每秒刷新20多次，而且多表共用時(shí)刷新速度不變。 表2-1 HLP2型PLC數(shù)顯表的顯示數(shù)據(jù)與PLC數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系 HLP2□-□□型表顯示 送入PLC顯示寄存器內(nèi)容 備注 0 0

52、顯示相應(yīng)數(shù)字 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 E A 也可由用戶根據(jù)需要 自行設(shè)計(jì)該對應(yīng)關(guān)系，提交我廠后，可為客戶特殊加工生產(chǎn)，如AbcdEF等。 － B R C 全黑 D ∏ E F F HLP2B型表的數(shù)據(jù)位為兩個(gè)字節(jié)（即16位）；HLP2C、HLP2D及HLP2E型表的數(shù)據(jù)為兩個(gè)半字節(jié)（即20位），其中后16位為顯示數(shù)據(jù)，HLP2C型表前四位為擴(kuò)展輸出位，HLP2D型表前兩位為小數(shù)點(diǎn)定位位，三、四位為擴(kuò)展輸出位，HLP2E型表前四位空閑未用。數(shù)據(jù)格式

53、如下圖（左邊為數(shù)據(jù)高位、右邊為數(shù)據(jù)低位）： 圖2-5 HLP2型數(shù)顯表數(shù)字格式 關(guān)于HLP2C、D的擴(kuò)展輸出的用法：因?yàn)閿U(kuò)展輸出是由PLC兩線串口接出的數(shù)據(jù)信號(hào)，可能會(huì)受到某些原因的影響而使輸出速度減慢，建議用于非控制性質(zhì)的指示燈類應(yīng)用；如一定要用于控制，可用在速度要求較慢而且不是特別重要的場合，本設(shè)計(jì)選用HLP2B型數(shù)碼顯示表。 2.8系統(tǒng)供電接線圖 系統(tǒng)的總的供電電源是220V市電，由斷路器保護(hù)后接PS307/5A給PLC供電，此外還接了一個(gè)24V電源給隔離處理器、傳感器和數(shù)字顯示表供電，具體電氣圖如2-6圖所示。 圖2-6 系統(tǒng)電源供電圖 系統(tǒng)的電機(jī)以及加熱裝置供

54、電電源是3N50HZ,380V交流電源，由斷路器保護(hù)、熔斷器，接觸器后接用電設(shè)備，其中有風(fēng)扇電機(jī)、攪拌電機(jī)和泵電機(jī)等三個(gè)不同功率的電機(jī)；供電線路中還接有一個(gè)加熱電阻，具體如圖2-7所示。 圖2-7 電機(jī)及加熱設(shè)備主接線圖 2.9PLC硬件接線圖 圖2-8為恒溫控制系統(tǒng)硬件接線圖，其中可以看到CPU226有兩個(gè)擴(kuò)展模塊，并且與監(jiān)控室連接，便于值班人員操作控制。 圖2-8 PLC 硬件接線圖 本設(shè)計(jì)采用CPU226作為主處理器，分別擴(kuò)展了模擬量輸入模塊EM231以及模擬量輸出模塊EM232。系統(tǒng)中由流量檢測計(jì)與溫度傳感器采集流量與溫度信號(hào)，通過信號(hào)隔離處理器RZG21OO將直流輸入信號(hào)轉(zhuǎn)

55、換成隔離的標(biāo)準(zhǔn)過程信號(hào)，并送入EM231。EM231再將信號(hào)傳給CPU226,由處理器對信號(hào)進(jìn)行分析處理；然后將分析的結(jié)果通過數(shù)顯儀表把系統(tǒng)狀況反應(yīng)出來，監(jiān)測控制室的工作人員根據(jù)儀表顯示結(jié)果，對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)操作，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。該系統(tǒng)同時(shí)通過數(shù)據(jù)線與工業(yè)以太網(wǎng)相連，可以通過上位機(jī)對給系統(tǒng)進(jìn)行全面整體的遠(yuǎn)程控制好監(jiān)測。將被控系統(tǒng)的溫度控制在某一范圍之間，當(dāng)溫度低于下限或高于上限時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，如果調(diào)整一定時(shí)間后仍不能脫離不正常狀態(tài)，則采用聲光報(bào)警，來提醒操作人員注意，排除故障。 系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)按鈕來啟動(dòng)控制程序，設(shè)置三臺(tái)數(shù)字顯示表來指示溫度狀態(tài)。當(dāng)被控系統(tǒng)的溫度在要求范圍內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)

56、行正常；當(dāng)被控系統(tǒng)的溫度超過上限或低于下限時(shí)，經(jīng)調(diào)整且在設(shè)定時(shí)間內(nèi)仍不能回到正常范圍，報(bào)警裝置運(yùn)行，表示溫度超過上限或低于下限。根據(jù)I/O端口分配以及硬件選擇情況，設(shè)計(jì)硬件接線。 本文中CPU226的13個(gè)輸出接口分別接電動(dòng)機(jī)及指示燈、攪拌電機(jī)及其指示燈\風(fēng)扇電機(jī)及其指示燈、電加熱及其指示燈、泵電機(jī)及其指示燈、報(bào)警裝置以及數(shù)顯儀表。具體如圖2-9所示。 圖2-9 PLC輸出模塊圖 3個(gè)PT00溫度傳感器與隔離輸入信號(hào)處理器相連接，將輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出,然后分別與模擬擴(kuò)展模塊EM231三組端口RA\RB\RC連接,然后EM231再將所得信號(hào)傳給CPU226進(jìn)行分析處理。 1個(gè)V10F差

57、壓式流量計(jì)與隔離輸入信號(hào)處理器相連接，將輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出,然后與模擬擴(kuò)展模塊EM231的第四組模擬擴(kuò)展端口相連接，然后EM231再將所得信號(hào)傳給CPU226進(jìn)行分析處理。具體如圖2-10、2-11所示。 圖2-10 模擬擴(kuò)展快EM231接線圖1 圖2-11 模擬擴(kuò)展塊EM231接線圖2 圖2-12是單個(gè)可控硅的控制線路圖,其中MOC3061是光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)光電耦合器件。該芯片1、2 腳為輸入端, 3、5 腳為空腳,4、6 腳為輸出端,輸出級(jí)為具有過零檢測的光控雙向可控硅。控制口線T為低電平時(shí),可控硅O、S 間導(dǎo)通,T為高時(shí)可控硅截止。通過控制0、S的導(dǎo)通時(shí)間就可以控制加熱裝置的加

58、熱時(shí)間實(shí)現(xiàn)PID控制。圖2-13為模擬信號(hào)輸出圖，輸出的信號(hào)接晶閘管的2號(hào)端口。 圖2-12 單個(gè)可控硅的控制板線路圖 圖2-13 EM232模擬量輸出接線圖  第三章 恒溫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1STEP7－Micro/Win32 編程軟件介紹 STEP7－Micro/Win32 的基本功能是協(xié)助用戶完成開發(fā)應(yīng)用軟件的任務(wù)，例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單語法檢查功能。同時(shí)它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設(shè)置

59、PLC的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。 程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯(cuò)誤。梯形圖中的錯(cuò)誤處的下方自動(dòng)加紅色曲線，語句表中錯(cuò)誤行前有紅色叉，且錯(cuò)誤處的下方加紅色曲線。 軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以在聯(lián)機(jī)工作方式（在線方式）下進(jìn)行，部分功能的實(shí)現(xiàn)也可以在離線工作方式下進(jìn)行。 聯(lián)機(jī)方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與PLC 連接，此時(shí)允許兩者之間做直接通信。 離線方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與PLC 斷開連接，此時(shí)能完成大部分基本功能。如編程、編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等。 兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機(jī)方式下可直接針對相連的PLC 進(jìn)行操作，如上裝和下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等；而離線方式下不

60、直接與PLC 聯(lián)系，所有程序和參數(shù)都暫時(shí)存放在磁盤上，等聯(lián)機(jī)后在下載到PLC 中。局部變量表進(jìn)行的。系統(tǒng)組態(tài) 使用S7-200 編程軟件，可以進(jìn)行許多參數(shù)的設(shè)置和系統(tǒng)配置，如通信組態(tài)、設(shè)置數(shù)字量輸入濾波、設(shè)置脈沖捕捉、輸出表配置和定義存儲(chǔ)器保持范圍等。大家在實(shí)際工作中用到時(shí)可參考編程手冊。 STEP7-Micro/WIN32 編程軟件提供了一系列工具，可使用戶直接在軟件環(huán)境下調(diào)試并監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行。 選擇單次或多次掃描來監(jiān)視用戶程序，可以指定主機(jī)以有限的掃描次數(shù)執(zhí)行用戶程序。通過選擇主機(jī)掃描次數(shù)，當(dāng)過程變量改變時(shí)，可以監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行。 STEP7的編程語言有：梯形邏輯（LAD）、

61、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）三種編程語言。語句表（STL）是編程語言的文本表達(dá)方式。與機(jī)器碼相似，CPU執(zhí)行程序時(shí)按每一條指令一步一步地執(zhí)行。LAD是編程語言的圖形表達(dá)式。它的指令語法與一個(gè)繼電器梯形邏輯圖相似，當(dāng)電信號(hào)通過各個(gè)觸點(diǎn)復(fù)合元件以及輸出線圈時(shí)，梯形圖可讓你追蹤電信號(hào)在電源示意線間的流動(dòng)。FBD也是編程語言的圖形表達(dá)式，使用與布爾代數(shù)相似的邏輯框來表達(dá)邏輯。 硬件診斷：它能提供可編程控制器狀態(tài)的概況。在這個(gè)概況中可以顯示符號(hào)，用來指示每個(gè)模板是否正常或有故障。用來顯示模塊的概況信息，顯示中央和分布式I/O站的模塊信息，顯示來自診斷緩存區(qū)的報(bào)文及顯示CPU，MPI的性能數(shù)據(jù)，

62、雙擊故障模塊就可顯示有關(guān)故障的詳細(xì)信息。系統(tǒng)硬件安裝完后，首先應(yīng)在操作系統(tǒng)的控制面板SET PG/PC中進(jìn)行協(xié)議選擇和通信設(shè)置，將系統(tǒng)硬件組態(tài)信息輸入工控機(jī)。可通過組態(tài)故障診斷對話框檢測組態(tài)和設(shè)置是否存在硬件組態(tài)錯(cuò)誤，總線中是否有通信故障等問題。網(wǎng)絡(luò)通信正常情況下，可看到系統(tǒng)的所有站點(diǎn)，系統(tǒng)是否存在硬件沖突等問題。 3.2I/O地址分配 根據(jù)本設(shè)計(jì)硬件配置對各輸入\輸出點(diǎn)進(jìn)行地址分配。 輸入\輸出繼電器地址分配表： 表3-1 恒溫控制系統(tǒng)PLC輸入/輸出模塊對應(yīng)用途 輸入信號(hào) 輸出信號(hào) 編號(hào) 用途 編號(hào) 用途 1 I0.0 系統(tǒng)啟動(dòng)開關(guān) 1 Q0.0 電磁閥1及

63、指示燈1 2 I0.1 系統(tǒng)停止開關(guān) 2 Q0.1 電磁閥2及指示燈2 3 I0.2 上液位開關(guān) 3 Q0.2 電磁閥3及指示燈3 4 I0.3 下液位開關(guān) 4 Q0.3 啟動(dòng)攪拌電機(jī)及指示燈 5 I0.4 攪拌電機(jī)啟動(dòng)開關(guān) 5 Q0.4 啟動(dòng)風(fēng)扇及指示燈 6 I0.5 攪拌電機(jī)停止開關(guān) 6 Q0.5 電阻加熱及指示燈 7 I0.6 泵啟動(dòng)開關(guān) 7 Q0.6 泵電機(jī)及指示燈 8 I0.7 泵停止開關(guān) 8 Q0.7 報(bào)警及報(bào)警指示燈 9 I1.0 電阻加熱啟動(dòng)開關(guān) 9~10 Q1.0~Q1.1 數(shù)字顯

64、示表脈沖信號(hào) 10 I1.1 電阻加熱停止開關(guān) 11 Q1.0~Q1.2 溫度顯示1 11 I1.2 風(fēng)扇電機(jī)啟動(dòng)開關(guān) 12 Q1.0~Q1.3 溫度顯示2 12 I1.3 風(fēng)扇電機(jī)停止開關(guān) 13 Q1.0~Q1.4 溫度顯示3 13 AIW0 溫度傳感器1 14 AQW0 電阻加熱 14 AIW2 溫度傳感器2 　 　 　 15 AIW4 溫度傳感器3 　 　 　 16 AIW6 流量檢測計(jì) 　 　 　 其他編程元件地址分配表: 表3-2 其他編程元件地址分配 編程元件 編

65、程地址 作用 輔助繼電器 M0.0 上液位標(biāo)志 M0.1 下液位標(biāo)志 M0.2 電加熱運(yùn)行標(biāo)志 M0.3 脈沖產(chǎn)生控制 M0.4 時(shí)鐘SCK M0.5 SDK輸出 M0.6 SCK輸出 M21.0 復(fù)位信號(hào) M31.0 脈沖轉(zhuǎn)換標(biāo)志 定時(shí)器 T32 產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖 變量寄存器 VB0 加熱系統(tǒng)PID表 VD0 加熱系統(tǒng)過程變量 VD4 加熱溫度設(shè)定值 VD8 溫度輸出值控制 VD12 加熱溫度增益 VD16 加熱溫度采樣時(shí)間 VD20 加熱溫度積分時(shí)間 VD24 加熱溫度微風(fēng)時(shí)間 VD28 加熱溫度積分前項(xiàng) V

66、D32 加熱溫度過程前值 VW0 恒溫水箱溫度 VW2 進(jìn)水口溫度 VW4 儲(chǔ)水箱溫度 VW400 輸入系統(tǒng)溫度1 VW416 加熱系統(tǒng)PID輸出 VW402 輸入溫度2 VW404 輸入溫度3 VW406 輸入流量 3.3系統(tǒng)主程序 本設(shè)計(jì)溫度采用PID過程控制，以子程序的形式在程序在主程序中。主程序是根據(jù)要求設(shè)定水箱的恒溫控制，然后啟動(dòng)水泵向水箱進(jìn)水，當(dāng)水位升到預(yù)定液位后，啟動(dòng)攪拌機(jī)，測量水箱水溫并與設(shè)定值比較，若溫差小于5℃，要采用PID調(diào)節(jié)加熱器。當(dāng)水溫高于設(shè)定值5-10℃時(shí)，采用進(jìn)水與風(fēng)扇冷卻同時(shí)進(jìn)行的方法實(shí)現(xiàn)降溫控制。此外對溫度、流量、加熱的電功率要進(jìn)行實(shí)測并顯示。若進(jìn)水時(shí)無流量或加熱、冷卻時(shí)水溫?zé)o變化時(shí)應(yīng)報(bào)警。系統(tǒng)開關(guān)打開后，系統(tǒng)啟動(dòng)液位檢測、溫度檢測、數(shù)顯表和報(bào)警裝置。根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)恒溫控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖3-1所示。 測水溫送PC處理 溫度設(shè)定方式選擇 進(jìn)水 起動(dòng)加熱攪拌電動(dòng)機(jī) PID調(diào)節(jié) 加熱功率D/A 起動(dòng)閥防放水起動(dòng)泵 上水進(jìn)行水溫調(diào)節(jié) 測水箱溫度并與設(shè)定值比較 判斷與PC 連上否？ 液