基于plc的烤箱佳肴箱控制系统的设计

成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）论文题目基于PLC的烤箱佳肴箱控制系统的设计教学点指导老师职称讲师学生姓名学号00000000专业机电一体化技术成都电子机械高等专科学校成教院制成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）任务书题目基于PLC的烤箱佳肴箱控制系统的设计任务与要求时间2010年1月4日至2010年4月25日共15周教学点学生姓名学号000000000专业机电一体化技术指导单位或教研室指导教师职称讲师成都电子机械高等专科学校成教院制毕业设计论文进度计划表日期工作内容执行情况指导教师签字201014至2010114查找资料，选题2010115至201027完成论文初稿201028至2010228完成论文二稿写作201031至2010318完成论文终稿及格式修改2010319至2010410定稿，打印论文，做好答辩的准备2010411至2010425论文答辩教师对进度计划实施情况总评签名年月日本表作评定学生平时成绩的依据之一。摘要能使烘烤物受热均匀，由里及外，时间迅速。配有自动恒温、定时断电，超温报讯、操作简便等特点。烘烤的食品色泽鲜艳、味香扑鼻。烘烤箱是应用较广泛的家电，特别是家庭、餐厅、企业、以及各种饮食企业中有着普遍的应用。随着机电控制技术的发展，主要体现出了单片机和PLC两种控制方式。温度控制在工业生产中经常遇到。从石油化工到电力生产，从冶金到建材，从食品到机械都要对温度进行控制甚至在有些产品生产过程中温度的控制直接影响到产品的质量。PLC温度控制无论是现在还是未来都会起到重要作用。关键词PLC、自动化、控制系统、烤箱ABSTRACTCANMAKETHEBAKINGMATERIALISHEATEDEVENLY,BYINSIDEANDOUTSIDE,TIMEQUICKLYEQUIPPEDWITHAUTOMATICCONSTANTTEMPERATURE,REGULARPOWEROUTAGES,OVERTEMPERATUREQUOTEINQUIRY,CONVENIENTOPERATION,ETCBRIGHTCOLOR,TASTESWEETANDTANGYBAKEDGOODSHOMEAPPLIANCEBAKINGBOXISWIDELYUSED,ESPECIALLYFAMILY,RESTAURANTS,ENTERPRISES,ASWELLASAVARIETYOFDIETHASAWIDESPREADAPPLICATIONINTHEENTERPRISESWITHTHEDEVELOPMENTOFMECHANICALANDELECTRICALCONTROLTECHNOLOGY,MAINLYOUTOFTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERANDPLCCONTROLMETHODTEMPERATURECONTROLISOFTENENCOUNTEREDININDUSTRIALPRODUCTIONFROMPETROCHEMICALTOELECTRICITYPRODUCTION,FROMMETALLURGYTOBUILDINGMATERIALS,FROMFOODTOMECHANICALTOCONTROLTEMPERATUREEVENINSOMETEMPERATURECONTROLINTHEPRODUCTIONPROCESSDIRECTLYAFFECTSTHEQUALITYOFTHEPRODUCTPLCTEMPERATURECONTROLWHETHERNOWORINTHEFUTUREWILLPLAYANIMPORTANTROLEKEYWORDSPLC、AUTOMATION、CONTROLSYSTEM、OVEN目录第一章烘烤箱的介绍1第一节烘烤箱的概述1第二节技术指标1第二章烤箱的整体设计3第一节烤箱的基本构成3第二节烤箱的总体设计3第三章基于PLC恒温烤箱系统硬件设计5第一节系统的控制要求5第二节系统设计思路5第三节PLC的选型6第四节温度传感器的选型6第五节温度变送器7第六节模拟量输入模块FX2N4AD7第七节固态继电器8第八节恒温烤箱加热系统的设计9第四章PLC控制恒温烤箱的软件设计和操作界面的设计10第一节输入和输出点分配表10第二节系统流程图的设计10第三节触摸屏的选择及操作界面11结束语12谢辞1参考文献2第一章烘烤箱的介绍第一节烘烤箱的概述烤箱是一种密封的用来烤食物或烘干产品的电器，分为家用电器和工业烤箱。家用烤箱可以用来加工一些面食。如面包，PIZZA，也可以做蛋塔、小饼干之类的点心。还有些烤箱可以烤鸡肉。做出的食物通常香气扑鼻。工业烤箱，为工业上用来烘干产品的一种设备，有电的有瓦斯，又叫烤炉、烘干箱等。其中0到300之间最为家庭常用家用烤箱分为台式小烤箱和嵌入式烤箱两种。台式小烤箱是个过渡型的产品。是在人们对烤箱有一定了解和追求，但是作为尝试，才买的一个产品。台式小烤箱能做一些简单的烘烤，但是由于功率较小、密封性差、隔热性差、温控不准等原因，逐步被淘汰。另一种就是嵌入式烤箱了。嵌入式烤箱是小烤箱的升级和终极版。因为其功率较大，烘烤速度快，密封性好（一般采用橡胶垫条密封）、隔热性好（三层钢化玻璃隔热）、温控准确，受到越来越多人的喜爱。同时由于现在对健康的追求，外面蛋糕店里的食品由于添加剂过多，越来越多的中产家庭开始注意到这个问题，并且食用自己烘烤的食品。现在家用嵌入式烤箱的价格相对还较高，一般进口的在七八千上万（像阿里斯顿），国产的大品牌也在七八千左右（方太的），另外还有一个网络出身的品牌德普（DEP）因为走平民路线，以较高的品质（其产品一直出口欧洲）销售情况一直很好，其在全国很多城市都设有分公司，一般烤箱价格在3000左右，网络直销价格在两千多。第二节技术指标一、电烤箱的具体指标1电烤箱由2KW电炉加热，最高温度为500。2电烤箱温度可预置，烤干过程恒温控制，温度控制误差2。3预置时显示设定温度，烤干时显示实时温度，显示精确到1。4温度超出预置温度5时发声报警。5对升降温过程的线性没有要求。二、PLC系统1PLC的定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术操作等面向用户的指令，并通过数字化或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。2PLC的特点现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同（1）可靠性高，抗干扰能力强PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。（2）硬件配套齐全，使用方便，适应性强PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置。（3）编程方法简单易学梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。（4）系统的设计、安装、调试工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种设计方法很有规律，容易掌握。可以在实验室模拟调试PLC的程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少的多。（5）功能强，性能价格比高一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。（6）维修工作量小，维修方便PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。第二章烤箱的整体设计第一节烤箱的基本构成电烤箱主要由箱体、电热元件、调温器、定时器和功率调节开关等构成。其箱体主要由外壳、中隔层、内胆组成三层结构，在内胆的前后边上形成卷边，以隔断腔体空气；在外层腔体中充填绝缘的膨胀珍珠岩制品，使外壳温度大大减低；同时在门的下面安装弹簧结构，使门始终压紧在门框上，使之有较好的密封性。第二节烤箱的总体设计本系统设计主要通过PLC的控制使得烤箱达到恒温，从而实现烤箱的智能化和多功能化。烤箱内有360度旋转式烘烤功能，主要根据模仿人式烧烤方法转动食物设计制造,达到在烘烤过程中,食物自动翻转均匀受热,使其表面各处烘烤效果一致,从而烤制出色泽鲜嫩,美味的食品。恒温烤箱总体图如下图21恒温烤箱总体图1871423659图21中，各序号分别代表的含义是1电烤箱的外壳2电源指示灯3报警灯4PLC、电机等电路总柜5三菱触摸屏操作界面6总电源开关7360度旋转轴8电烤箱门9电热丝。第三章基于PLC恒温烤箱系统硬件设计第一节系统的控制要求本系统通过PLC的控制，对加热器的加热温度进行控制使得烤箱的温度达到消费者所设定的温度，并使得温度的控制精度小于2度。并运用PLC与触摸屏的通信，使得烤箱更加人性化和智能化。本系统的被控对象是18KW电加热管，被控制量是烤箱的炉温T，PLC的模拟量输出控制调功器的输出，由固态继电器控制电加热管的通断，被控对象为烤箱中的单相电热管，被控制量为烤箱炉温。它由铂电阻PT100测定，输入到温度变送器上，量程为0200。温度变送器变换为420MA传送给PLC的模拟量输入通道。根据给定值与测量的温度值相比较的结果，PLC模拟量输出通道向固态继电器发出控制信号，从而达到控制烤箱温度的目的第二节系统设计思路根据对系统设计内容的分析，确定控制系统所需要的输入输出点数为1/3点。选用FX系列PLC，由于系统必须对温度信号进行采集和控制，还必须使用到模拟量输入/输出模块FX4AD模块、固态继电器、温度变送器。一、烤箱系统控制恒温的过程示意图图31控制框图第三节PLC的选型可编程控制器PROGRAMMABLECONTROLLER是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机PERSONALCOMPUTER的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,PLC自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。本设计采用三菱的FX2N的PLC的来达到电机和烤箱温度的控制。FX2N系列是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出1625点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入出1625点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V24V），脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCIICODE印刷，HEXASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。第四节温度传感器的选型热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。主要特点簧式感温元件，抗振性能好；测温精度高；机械强度高，耐高温耐压性能好；进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定。本系统运用热电阻PT100温度传感器来作为该系统的温度传感器，PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为当PT100温度为0时它的阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为1385欧姆。它的工业原理当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。PT100分度表如下表表31PT100分度表温度欧姆温度欧姆温度欧姆010070127081401535810103980130915015733201077990134711601610530111671001385117016477401155411014229180168485011940120146071901721760123241301498320017586第五节温度变送器温度变送器，专应于热电阻或热点偶，将温度转换成420MA的电流信号。温度变送器的作用是与热电偶或热电阻配合，将温度或温差信号转换成420毫安的统一的直流电信号，并将这些信号输送给调节器或显示仪表。PT100的热电阻输出的是电阻信号，变送器输出的是毫安信号。温度变送器0100度与0150度最大值时输出电流均为20MA，所以当温度同为100度时，0100度的变送器输出电流为20MA，而0150度的变送器输出电流为1415MA左右。所以在不改变接收装置参数的情况下它们不可以互换。由于PT100热电阻的温度与阻值变化关系，人们便利用它的这一特性，发明并生产了PT100热电阻温度传感器。它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。温度的采集范围可以在200200，湿度采集范围是0100。热电阻温度变送器是由基准单元、R/V转换单元、线性电路、反接保护、限流保护、V/I转换单元等组成。测温热电阻信号转换放大后，再由线性电路对温度与电阻的非线性关系进行补偿，经V/I转换电路后输出一个与被测温度成线性关系的420MA的恒流信号。第六节模拟量输入模块FX2N4ADFX2N4AD模拟特殊模块有四个输入通道。输入通道接收模拟信号并将其转换成数字量，这称为A/D转换。FX2N4AD最大分辨率是12位。基于电压或电流的输入/输出的选择通过用户配线来完成，可选用的模拟值范围是10V到10VDC分辨率5MV,并且/或者4到20MA,20到20MA分辨率20A。FX2N4AD和FX2N主单元之间通过缓冲存储器交换数据，FX2N4AD共有32个缓冲存储器（每个16位）。FX2N4AD占用FX2N扩展总线的8个点。这8点可以分配成输入或输出。FX2N4AD消耗FX2N主单元或有源扩展单元5V电源槽30MA的电。性能指标模拟输出如下表表32性能指标模拟输出电压输入电流输入项目电压或电流输入的选择基于您对输入端子的选择，一次可同时使用4个输入点。模拟输入范围DC10到10V输入阻抗200K。注意如果输入电压超过土15V，单元会被损坏。DC20到20MA输入阻抗250。注意如果输入电流超过32V,单元会被损坏。数字输出12位的转换结果以16位二进制补码方式存储。最大值2047，最小值2048分辨率5MV10V默认范围1/200020A20MA默认范围1/1000总体精度土1对于10V到10V的范围）1对于20MA到20MA的范围）转换速度15MS/通道常速，6MS/通道高速第七节固态继电器固态继电器（SOLIDSTATERELAY,缩写SSR），是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。对于控制电压固定的控制信号，采用阻性输入电路。控制电流保证在大于5MA。对于大的变化范围的控制信号（如332V）则采用恒流电路，保证在整个电压变化范围内电流在大于5MA可靠工作。隔离驱动电路隔离电路采用光电耦合和高频变压器耦合（磁电耦合），光电耦合通常使用光电二极管光电三极管，光电二极管双向光控可控硅，光伏电池，实现控制侧与负载侧隔离控制。高频变压器耦合是利用输入的控制信号产生的自激高频信号经耦合到次级，经检波整流，逻辑电路处理形成驱动信号。SSR的功率开关直接接入电源与负载端，实现对负载电源的通切换。主要使用有大功率晶体三极管（开关管TRANSISTOR）,单向可控硅（THYRISTOR或SCR），双向可控硅（TRIAC）,功率场效应管（MOSFET）,绝缘栅型双极晶体管（IGBT）固态继电器可以方便的与TTL,MOS逻辑电路连接。专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。目前已广泛应用于计算机外围接口设备，调温、调速、调光、电机控制、电炉加温控制、电力石化、医疗器械、金融设备、煤碳、仪器仪表、交通信号等领域。第八节恒温烤箱加热系统的设计在本系统采用远红外石英管作为恒温烤箱的加热元件，远红外石英管热元件是采用乳白石英玻璃管、配电阻合材料作为发热子，乳白石英玻璃可以吸收来自电热丝辐射的几乎全部的可见光和近红外光、且能使之转化为远红外辐射。通电后，发热合金丝发射的近红外光和可见光其中95被乳白石英管所阻挡、吸收、使管内温度升高产生纯硅氧键的分子振动，辐射远红线。致使95的可见光、近红外光均可转化为远红外光辐射。置使转化为远红外光辐射，波长大于25微光的远红外线被称为远红外。远红外加热是指利用波长2525微米辐射的加热技术。适用于高温消毒、取暖、保健、美容。使用于消毒柜，小烤箱，取暖器，微波炉等。远红外线加热元件不用涂料，辐射率稳定，高温不变形、无有害辐射、无环境污染、耐高温、抗腐蚀能力强、化学稳定性好、热惯性小、热响应速度快、热转换效率高。加热温度可自行选择，长期使用辐射性能不退变、结构合理，使用方便。烤箱的加热系统如下所示图32烤箱的加热系统烤箱的通断由PLC的输出信号来控制，当温度高于所设定温度时，固态继电器会断远红外石英管固态继电器PLC220V电源烤箱开，加热元件停止加热当温度低于所设定的温度时，固态继电器会闭合，加热元件开始加热。温度的精度范围由温度变换器来决定。第四章PLC控制恒温烤箱的软件设计和操作界面的设计第一节输入和输出点分配表表31输入输出分配表功能键设定辅助继电器输出继电器功能键设定辅助继电器输出继电器开始加热控制M0Y0烤箱照明灯M5Y12总停控制SB1外部元件X0开X10外部元件（关）X11外部元件对于不同温度的设定100C的设定M30150C的设定M31200C的设定M32250C的设定M33第二节系统流程图的设计图41烤箱的加热系统第三节触摸屏的选择及操作界面一、触摸屏的选择本系统采用三菱GOT1000系列电容式触摸屏，为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接