毕业设计恒温控制系统

毕业设计论文题目：基于PLC恒温控制系统的设计专业：生产过程自动化专业姓名：顾晓可学号：0402100133指导老师：焦欣欣老师2012年12月17号TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 3第一章绪论 4\o"CurrentDocument"1.1本课题研究现状 4\o"CurrentDocument"1.2本文主要的研究工作 4第二章恒温控制系统的硬件设计 6\o"CurrentDocument"2.1恒温控制系统的组成 6\o"CurrentDocument"2.2恒温控制系统总体设计方案 7\o"CurrentDocument"2.3PID控制原理 7\o"CurrentDocument"2.4可编程序控制器介绍 9\o"CurrentDocument"2.5PLC的选型 11\o"CurrentDocument"2.6模拟量模块选择 12\o"CurrentDocument"2.7其他硬件选择 13\o"CurrentDocument"2.8系统供电接线图 182.9PLC硬件接线图 19第三章恒温控制系统软件设计 23\o"CurrentDocument"3.1STEP7—Micro/Win32编程软件介绍 23\o"CurrentDocument"3.2I/O地址分配 243.3系统主程序 25\o"CurrentDocument"3.4PID控制算法程序 28\o"CurrentDocument"3.5标度转换 29\o"CurrentDocument"3.6数码显示 30\o"CurrentDocument"3.7人机界面 31第四章结论 33\o"CurrentDocument"参考文献 34致谢 35附录系统各部分程序 36\o"CurrentDocument"主程序 36标度变换程序 40\o"CurrentDocument"PID参数设定程序 42\o"CurrentDocument"PID输出中断程序 43数显程序 44摘要随着计算机技术、通信技术、自动控制技术以及各种智能技术的迅速发展，高可靠性可编程控制器(PLC)出现，使得现代工业控制系统的设计开发周期短，可靠性高，成本低。本文结合恒温控制系统的特点，提出控制系统的总体设计方案，采用PLC和检测仪表完成系统硬件设计；编写PLC控制程序和监控组态界面，实现温度采集与显示，实现了温度在线监测和控制。并采用工业以太网，实现现场控制单元与上位机进行信息交换，并能与企业内部联网。关键词：自动检测；PLC；温度；监控组态第一章绪论1.1本课题研究现状在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。目前，国内外恒温控制系统的应用技术已发展的比较成熟，大多数是使用单片机和PLC对温度进行控制，但随着PLC、工业网络及监控组态软件的迅速发展，在工业生产过程中基于PLC的恒温控制系统开始占据了主导地位。基于PLC的恒温控制系统在工业生产过程中充分体现了一下优点：（1）采用光电隔离、RC滤波器等屏蔽措施具有较高的抗干扰能力和可靠性；（2）针对不同的工业现场信号有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接；（3）采用模块化结构；（4）编程简单，易于实现；（5）系统设计、安装、调试方便；（6）维修方便，维修工作量小；（7）投产周期及成本比较低。本设计基于一个PLC的恒温控制监控系统，达到温度的实时控制与显示。该系统克服传统的位式调节器和PID调节器超调大的缺点，充分发挥PLC控制灵活、编程方便、适应性强和FameView的实时显示的优点，提高了控制的精确度。而且该系统操作简单、工作稳定可靠、实用性强并有良好的组态监控界面，能远程控制，适应了当前现代化工业的需要，适用范围广，其经济效益很好。在工业生产中，常用闭环控制方式控制温度、流量等连续变化的模拟量,PID控制是常见的一种控制方式。在使用模拟量控制器的模拟控制系统和使用计算机（包括PLC）的数字控制系统中得到了广泛的应用。可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等高新技术，可以构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制系统。本文针对恒温水箱温控系统的要求，以PLC为温度控制系统的核心，利用PID控制算法实现系统的恒温控制。1.2本文主要的研究工作本文介绍恒温控制系统的工作原理设计，结合系统特点设计一套基于S7-200PLC的温度控制系统。主要研究内容如下：（1） 分析恒温控制系统的工艺流程，提出控制系统的总体设计方案。（2） 采用PLC和检测仪表完成系统硬件设计；编写PLC控制程序，实现温度米集与显示。采用FameView监控组态软件设计恒温系统监控界面，实时显示各个温度的大小和变化曲线，实现温度在线监测和控制。采用工业以太网，实现现场控制单元与上位机进行信息交换，并能与企业内部联网。第二章恒温控制系统的硬件设计2.1恒温控制系统的组成恒温控制装置结构如图2-1所示，它包括控制恒温水箱、冷却风扇电动机、搅拌电动机、储水箱、电加热装置（功率为1.5W，温度范围为40〜60.C）、测温装置、液位检测、流量检测以及电磁阀门等。电加热器加热恒温水箱水温，搅拌器使恒温水箱中的水上下水温均匀，两个液位检测传感器用于测量缺水和溢出状态，三个温度传感器分别测量恒温水箱中水的温度、入口温度及储水箱中水的温度，水泵用来使系统内的水循环流动，三个电磁阀门用来使水进入储水箱或冷却器中，水的流量采用流量计检测，水的冷却采用风扇进行冷却。恒温水箱中水温、入水口水温、储水箱中水温、水的流速和加热器功率分别用数显仪表显示。阀门、搅拌器及冷却器工作状态用指示灯指示。图2-1恒温控制装置结构图控制系统设计要求：①要求系统有手动和自动两种方式；②温度范围：2O°C~60°C温度超限进行报警；③水温与设定值之差小于5°C，采用PID调节；水温高于设定值5C〜10C进冷水；水温高于设定值10C以上时，采用进冷水与风冷同时进行的方法实现降温控制；④对温度，流量进行检测并显示；⑤进水时无流量，加热时水温无变化能进行报警。2.2恒温控制系统总体设计方案根据恒温控制系统的要求，本设计由S7-200PLC作为中央处理单元，Fameview作为监控组态软件，实现恒温控制系统实时监控。系统由硬件和软件两部分软件构成。要完成整个系统的要求就应该由软件与硬件共同来发挥作用和相互组合协调工作；本设计由工控机作为上位机对整个系统进行监控，PLC等其他元件作为下位机完成具体控制要求，上位机与下位机之间的通信通过以太网的联接来达到通信的状态要求，以便更好的完成对系统的监控。图2-2系统总体结构上位机由工控机构成，工控机上采用Fameview组态软件，控制对现场设备的启/停、运行状况的实时监控，设备相关数据的记录，设备故障和异常情况的处理。PLC组成下位机现场控制单元，采集现场设备的数据。检测元件有温度检测元件和液位检测元件，对现场设备进行实时检测，并将检测数据传送至PLC与数显表。显示电路实现现场温度的实时监控。PLC根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算，输出控制信号给加温控制电路，对温度进行PID控制。2.3PID控制原理在工程实际中，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。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。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，实际中也有PI和PD控制。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。比例（P）控制，比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分（I）控制，在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制，在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。按照实际温度和设定温度偏差的比例、积分和微分产生控制作用（简称PID控制），是温度控制中应用最广泛的一种控制形式，实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律在相当多的工业生产过程中能得到比较满意的结果。每个温度由一个热敏电阻检测，用PID的输出值来控制电阻炉通断，从而控制温度。温度控制原理如图2-3所示。给定值检测值图给定值检测值图2-3温度控制原理图2.4可编程序控制器介绍可编程控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，造成了时间和资金的严重浪费。美国的数字设备公司(DEC)中标，并在1969年研制出了第一台可编程序控制器(PDP-14)。其后，美国的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年西欧各国的各种可编程序控制器也研制成功。我国在1974年开始研制可编程序控制器。可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了它们的发展。从控制功能来分，可编程序控制器的发展经历了下列四个阶段。第一阶段，从第一台可编程序控制器问世到20世纪70年代中期，是可编程序控制器的初创阶段。这一阶段的产品主要用于逻辑运算和计时、计数运算，它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，它的控制功能较简单。第二阶段，从20世纪70年代中期到末期，是可编程序控制器的扩展阶段，在这一阶段，产品的主要控制功能得到了较大的发展，它的发展主要来自两方面，从可编程序控制器发展而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同时扩展了其他运算功能；而从模拟仪表发展而来的控制器，其功能主要是模拟运算，同时扩展了逻辑运算功能。因此，按习惯的分类方法，前者被称为可编程序逻辑控制器（PLC），后者被称为单回路或多回路控制器。第三阶段，从20世纪70年代末期到20世纪80年代中期，是PLC通信功能实现阶段。与计算机通信的发展相联系，PLC也在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布式的通信网络体系。在该阶段，由于生产过程控制的需要，对PLC的需求大大增加，产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可靠性进一步提高。第四阶段，从20世纪80年代中期开始是PLC的开放阶段。由于开放系统的提出，使PLC也得到了较大的发展。主要表现在通信系统的开放，使各制造企业的产品可以通信，通信协议的标准化使用户得到了好处。在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完善，大中型的产品多数有CRT屏幕的显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。PLC的工作原理分为以下几个过程：（1） 初始化：PLC上电后，首先进行系统初始化，清除内部继电器区，复定时器等。（2） CPU自诊断：PLC在每个扫描周期都要进入CPU自诊断，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查；定期复位监控定时器等，以确保系统可靠运行。（3） 通信信息处理：在每个通信信息处理扫描阶段，进行PLC之间以及PLC与计算机之间的信息交换；PLC与其他带微处理器的只能装置通信，例如，只能I/O模块；在多处理器系统中，CPU还要与数字处理器（DPU）交换信息（4） 与外部设备交换信息：PLC与外部设备连接时，在每个扫描周期内都要与外部设备交换信息。这些外部设备有编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机等。（5） 执行用户程序：PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要执行用户程序。执行用户程序时，是以扫描的方式按顺序逐句扫描处理的，扫描一条执行一条，并把运算结果保存在输入输出映像区对应位中。（6） 输入、输出信息处理：PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要进入输入、输出信息处理。以扫描的方式把外部输入的信号存入输入映像区；将运算处理好的结果存入输出映像区，直到传送到外部被控设备。PLC周而复始地巡回扫描，执行上述整个过程，直至停机。PLC的特点有：可靠性高、抗干扰能力强；通用性强，灵活性好，功能齐编程简单，使用方便；模块化结构；安装简便，调试方便；可以进行网络通信；体积小，能耗低等。2.5PLC的选型合理选择PLC对于提高PLC控制系统的性价比起着重要作用，PLC的选择应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等几个方面。在恒温控制系统中，经过调研、分析，选择了西门子公司生产的S7-200系列PLC作为系统的控制器。S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一种整体式小型可编程控制器。S7-200系列PLC包含了一个单独的S7-200CPU和各种可选则的扩展模块，可以十分方便的组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点到几百点。S7-200PLC可以方便地组成PLC-PLC网络和微机一PLC网络，从而完成规模更大的工程。因此本人选用的是德国SIEMENS公司的S7-200型号的可编程序控制器产品。S7-200的STEP7-Micro/WIN32编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控、使得PLC的编程更加方便、快捷。即S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种，四种CPU的外部结构大体相同。CPU221集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU222集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。根据控制要求本设计有系统开关、上下液位开关搅拌电机开关等开关量要转变为数字量作为CPU226的输入量，其中流量检测量与温度检测量作为模拟量输入输入到CPU226；同时系统中的电机及指示灯、温度显示等作为数字量输出量，电机热控制信号作为模拟量输出。而在已有的S7200的CPU中没有可以单独满足系统要求的型号，不管选用哪种型号都需要对其输入\输出端口进行扩展。为了使系统设计的尽量简单、方便、实用，本设计选用CPU226。CPU226拥有24个数字输入端口和16个数字输出端口，因此只需要对其扩展4个模拟输入端和一个模拟输出端口。PLC的系统组成如图2-4所示。图2-4系统结构模块图2.6模拟量模块选择西门子S7200提供有EM231、EM232以及EM235三种模拟扩展模块。EM231可扩展4路模拟量输入通道，A/D转换时间为25〃s，12位；EM231还有专门的热电偶、热电阻模块是为CPU222，CPU224，CPU226设计的，S7-200与多种热电偶、热电阻的连接设备有隔离接口。用户通过模块上的DIP开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向°EM232可扩展2路模拟量输出通道。EM235可扩展3路模拟量输入通道和1路量输出通道。按照输入\输出端口点数我们应当用EM235对CPU进行扩展。EM235能够接受电压或者电流信号，如果EM235剩了AI点来接PT100，而且EM235的AO点没有占用，可以直接采用EM235。把EM235的输出AO点当作一个恒流源，把此恒流源接到PT100上，PT100的四线做两线接到EM235。具体程序中间的转换一定要算仔细，不然采集值就容易算错。电流不能过大，否则容易损坏PT100O这种接法比较浪费，用EM231模块比较好。经济实惠，编程方便PT100温度传感器检测到的模拟信号通过变送器进行信号转换后送传给EM321。EM231具有4个模拟量输入通道。刚好满足本设计模拟量输入要求。再通过EM232与电阻加热器连接，将检测到的流量信号送到CPU，进而对CPU226的模拟输出量进行了扩展。因此本设计采用EM231对CPU226进行4路模拟量输入模块扩展，采用EM232对CPU226进行1路模拟量输出量扩展。2.7其他硬件选择本设计可以分为核心处理系统、温度监控系统、伺服系统、数码显示装置四大组成部分。对于除了核心处理系统之外的硬件选择，可以按照个大部分归类选择。温度监控部分温度监控部分组成有温度传感器，变送器，信号隔离器；温度传感器：两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1°C时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5〜40微伏/C之间。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6〜300K范围内的温度。PT100温度传感器可以适应大部分温度检测要求，性能良好。PT100，又叫铂电阻，热电阻，是一种温度传感器，铂电阻温度系数为0.0039/^,0°C时电阻值为100Q，电阻变化率为0.3851Q/C。采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量，非常经济实用。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区(-200C〜400C)最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。本设计中将此感器安装在恒温水箱以及回流管等各个部位，对水温进行监测。并且将检测结果反馈到主机，再由主机做出相应动作。本设计选用PT100温度传感器。温度变送器是通过确认阻值的不同计算出当前的温度，再根据热电阻的量程变送输出对应的标准信号值(4-20mA)即：温度变化一热电阻阻值变化一温度变送器进行计算一输出4〜20mA信号再通过确认变送器输出的电流大小就可以知道当前的温度值。WRZ系列一体化温度变送器是热电阻、热电偶与变送器的完美结合，以十分简捷的方式把-200〜1300C的温度信号转换为标准4〜20mA电流信号实现对温度精确测量与控制。WRZ温度变送器可与显示仪、控制系统、记录仪等调节器配套使用，并被广泛应用于石油、化工、发电医药、纺织、锅炉等工业领域。本设计采用叩日2系列一体化温度变送器。信号隔离器，在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构，它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、微安级的小信号，又有几十伏，甚至数千伏、数百安培的大信号；既有低频直流信号，也有高频脉冲信号等等，构成系统后往往发现在仪表和设备之间信号传输互相干扰，造成系统不稳定甚至误操作。出现这种情况除了每个仪表、设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响外，还有一个十分重要的因素就是由于仪表和设备之间的信号参考点之间存在电势差，因而形成“接地环路”造成信号传输过程中失真。因此，要保证系统稳定和可靠的运行，“接地环路”问题是在系统信号处理过程中必须解决的问题。隔离器又名信号隔离器，是一种采用线性光耦隔离原理，将输入信号进行转换输出。输入\输出和工作电源三者相互隔离,特别适合与需要电隔离的设备仪表配用。是工业控制系统中重要组成部分。在各个过程环路中使用信号隔离办法可以用DCS或PLC等隔离卡件或者现场带隔离的变送器（部分设备可以做到），也可以使用信号隔离器来实现。比较起来，用信号隔离器RZG2100有以下优点：•绝大部分情况，采用信号隔离器+非隔离卡件比采用隔离卡件便宜。•信号隔离器比隔离卡件在隔离能力、抗电磁干扰等方面性能更加优越•信号隔离器应用灵活，而且它还有型号转换和信号分配功能，使用起来更加方便。•信号隔离器通常有单通道、双通道、一入二出等通道形式，通道间相互完全独立，构成系统的配置、日常维护更加方便。输出电流0-10mA；0-20mA；所以本设计选用RZG2100隔离变送器。（2）伺服系统伺服系统由液位开关、搅拌电机、电加热装置、风扇电机、流量检测计和电磁阀构成。液位开关，当浮球因浮力作用而上下运动时，接线盒内的磁簧开关受到臂端磁铁影响，而作"NC〃接点与"NO"接点之互换。同样地原理运用在微动开关装置上，微动开关前之磁铁和臂端磁铁作互斥运动而推压微动开关，造成"NC"和"NO"动作。具有耐高、低温，耐酸、碱等优良性能。本设计选用EA-L200型浮球液位开关。搅拌电机，当系统对恒温水箱加水、放水或者加热时，都应当启动搅拌电机使水箱内水的温度保持均匀。由于恒温水箱容量不大，所以选择小功率搅拌电机。本设计选用20V60W调速搅拌电机。电加热装置，加热电阻器是利用电阻通电发热加热指定物体的电器.工作原理是利用电阻通电产生热量.但是加热电阻器有温控电路、传感器等。当水箱内的水被检测出低于要求水温时，启动电加热装置对水箱内的水进行加热，直到达到控制要求水温。本设计选用功率为1.5W的加热电阻器，温度范围为20〜100°C加热电阻。风扇电机，当水箱内水温过高，水箱放水经过回流管，由安装在回流管的风扇电机对回流管中的水进行吹风降温后，再回流到恒温水箱中。本设计选用220V60W风扇电机。流量检测计，差压式流量计（以下简称DPF或流量计）是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。DPF由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。通常以检测件的型式对DPF分类，如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展为三化（系列化、通用化及标准化）程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数（如压力、物位、密度等）。本设计通过流量计对水流进行检测，进而控制。传统的一体化差压式流量计只是简单的将节流器件好差压变送器装在一起，但仍要单独安装变送器/流量积算仪，因此不能算是真正的多参数变送器，V10F差压式流量计可同时测量压力、温度的复合式传感器，并带有流量计算的补偿计算功能。一台多参数变送器可替代差压、压力、温度、积算仪表。可直接输出质量或体积流量。V10F差压式流量计具有以下优点。可根据不同的应用选择不同的节流器件；宽量程比，精度高；即时即用，无需标定；多参数同时显示输出；通过现场总线提供远程操作；预测式故障诊断；DCS和PLC的理想选择；采购和安装费用低。标准供电，DC24V。输出信号为4〜20mA。本设计选用V10F差压式流量计。电磁阀，电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。Z3CF三位常开电磁阀电压规格为AC220V.DC24V，具有微启，全开和关闭三种流量；控制精度高参数要求平稳，动作开关时间短。本设计选用Z3CF三位常开电磁阀。数码显示装置数码显示装置有许多种，HLP2型数码显示表PLC专用数显表可通过两个PLC输出端口接收所有PLC发出的数据。可以再PLC程序中任意指定的数据，如数量、时间、温度、压力等通过计数器、计时器、数据寄存器等将数据送入指定的显示缓冲区内，经子程序通过两个输出端口送出编码至PLC外部的数显表上。采用两线串行传输方式，只用两个PLC输出端口就可以完成复杂的数据传送。而且多表共用时只需N+1个输出端口。节省了PLC的输出端口(这对平均每个输出端口上百元的PLC来说，无疑是节省了大量资金)。该数显表不仅连接方法简单而且更值得一提的是它的PLC驱动程序非常简单明了，特别方便用户使用，更加适用于程序设计的模块化。新型产品HLP2C-45型增加了扩展输出功能，可提供四个可编程输出端口，其状态由PLC编程控制。HLP2D-45型除了有扩展输出功能以外还增加了自动小数点位的编程功能。HLP2数显表的刷新速度快，最高速度时刷新一个四位BCD码只需50mS，即每秒刷新20多次，而且多表共用时刷新速度不变。

表2-1HLP2型PLC数显表的显示数据与PLC数据的对应关系HLP2□-□□型表显示送入PLC显示寄存器内容备注00显示相应数字112233445566778899EA也可由用户根据需要自行设计该对应关系，提交我厂后，可为客户特殊加工生产，如AbcdEF等。—BRC全里.14八、、DnEFFHLP2B型表的数据位为两个字节（即16位）；HLP2C、HLP2D及HLP2E型表的数据为两个半字节（即20位），其中后16位为显示数据，HLP2C型表前四位为扩展输出位，HLP2D型表前两位为小数点定位位，三、四位为扩展输出位，HLP2E型表前四位空闲未用。数据格式如下图（左边为数据高位、右边为数据低位）：高位 16151413|1211 98了65|4|32|1低位『扩展输出v 数码显示数据，共16位 =小数位图2-5HLP2型数显表数字格式关于HLP2C、D的扩展输出的用法：因为扩展输出是由PLC两线串口接出的数据信号，可能会受到某些原因的影响而使输出速度减慢，建议用于非控制性质的指示灯类应用；如一定要用于控制，可用在速度要求较慢而且不是特别重要的场合，本设计选用HLP2B型数码显示表。

2.8系统供电接线图系统的总的供电电源是220V市电，由断路器保护后接PS307/5A给PLC供电，此外还接了一个24V电源给隔离处理器、传感器和数字显示表供电，具体电气图如2-6图所示。rhp册箭nj4< 十<L 十<Erul4<册箭nj4< 十<L 十<Erul4<堂ro图2-6系统电源供电图系统的电机以及加热装置供电电源是3N50HZ,380V交流电源，由断路器保护、熔断器，接触器后接用电设备，其中有风扇电机、搅拌电机和泵电机等三个不同功率的电机；供电线路中还接有一个加热电阻，具体如图2-7所示。

3N5QHZJ330V

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w 1―f 1―i*3N5QHZJ330V

U.V

wQS1WQS2 QS3图2-7电机及加热设备主接线图KMl\\\KM么图2-7电机及加热设备主接线图2.9PLC硬件接线图图2-8为恒温控制系统硬件接线图，其中可以看到CPU226有两个扩展模块，并且与监控室连接，便于值班人员操作控制。1L卬，喇1IG0郁岫叫4MQ0,07101.01ELI3L|Ql.L|Gl.E|Qi.3|Q1.4匚闻尽 ~~~~INfo.ano.1110,2110.3110.4II0.5|IO£|IO1L卬，喇1IG0郁岫叫4MQ0,07101.01ELI3L|Ql.L|Gl.E|Qi.3|Q1.4匚闻尽 ~~~~INfo.ano.1110,2110.3110.4II0.5|IO£|IO71I2MH10111,1lii.2in.3l--.网[] []FU固态继电器图2-8PLC硬件接线1计温度传感器采集流量与温度信本设计采用CPU226作为主处理器，分别扩展了模拟量输入模块EM231以及模拟量输出模块EM232。系统中由流量检测号，通过信号隔离处理器RZG21OO将直流输入信号传换成隔离的标准过程信号，并送入EM231。EM231再将信号传给CPU226,由处理器对信号进行分析处理；然后将分析的结果通过数显仪表把系统状况反应出来，监测控制室的工作人员根据

仪表显示结果，对系统进行相应操作，以确保系统稳定运行。该系统同时通过数据线与工业以太网相连，可以通过上位机对给系统进行全面整体的远程控制好监测。将被控系统的温度控制在某一范围之间，当温度低于下限或高于上限时，应能自动进行调整，如果调整一定时间后仍不能脱离不正常状态，则采用声光报警，来提醒操作人员注意，排除故障。1计温度传感器采集流量与温度信系统设置一个启动按钮来启动控制程序，设置三台数字显示表来指示温度状态。当被控系统的温度在要求范围内，系统运行正常；当被控系统的温度超过上限或低于下限时，经调整且在设定时间内仍不能回到正常范围，报警装置运行，表示温度超过上限或低于下限。根据I/O端口分配以及硬件选择情况，设计硬件接线。本文中CPU226的13个输出接口分别接电动机及指示灯、搅拌电机及其指示灯\风扇电机及其指示灯、电加热及其指示灯、泵电机及其指示灯、报警装置以及数显仪表。具体如图2-9所示。T■°1'£'3'4'5'6T■°1'£'3'4'5'6'7ML0000000015&7012345672MI1.I1.I1.IEI2I2.I2.I£.I2.I£.I2.1MM1L410.0Q0.010.1I；!U.LIO.EQO.E10.210.410.510.610.711.011.1IL.211.311A00.2I；!U.4i；!0.5Q0.600.7CFU2E6E'M2L+V1+CDM100图2-9PLC输出模块图3个PT100温度传感器与隔离输入信号处理器相连接，将输入信号进行转换输出，然后分别与模拟扩展模块EM231三组端口RA\RB\RC连接，然后EM231再将所得信号传给CPU226进行分析处理。1个V10F差压式流量计与隔离输入信号处理器相连接，将输入信号进行转换输出，然后与模拟扩展模块EM231的第四组模拟扩展端口相连接，然后EM231再将所得信号传给CPU226进行分析处理。具体如图2-10、2-11所示。

V2+COM2 亘流输入信号V2-I-COM2图2-10模拟扩展快EM231接线图1图2-11模拟扩展块EM231接线图2图2-12是单个可控硅的控制线路图，其中MOC3061是光电双向可控硅驱动光电耦合器件。该芯片1、2脚为输入端，3、5脚为空脚,4、6脚为输出端，输出级为具有过零检测的光控双向可控硅。控制口线T为低电平时,可控硅0、S间导通,T为高时可控硅截止。通过控制0、S的导通时间就可以控制加热装置的加热时间实现PID控制。图2-13为模拟信号输出图，输出的信号接品闸管的2号端口。V1+COMl10voMOEM232IIVIMiL4

M图2-12单个可控硅的控制板线路图图2-13EM232模拟量输出接线图第三章恒温控制系统软件设计3.1STEP7—Micro/Win32编程软件介绍STEP7—Micro/Win32的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。梯形图中的错误处的下方自动加红色曲线，语句表中错误行前有红色叉，且错误处的下方加红色曲线。软件功能的实现可以在联机工作方式(在线方式)下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。联机方式:有编程软件的计算机与PLC连接，此时允许两者之间做直接通信。离线方式：有编程软件的计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分基本功能。如编程、编译和调试程序系统组态等。两者的主要区别是：联机方式下可直接针对相连的PLC进行操作，如上装和下载用户程序和组态数据等；而离线方式下不直接与PLC联系，所有程序和参数都暂时存放在磁盘上，等联机后在下载到PLC中。局部变量表进行的。系统组态使用S7-200编程软件，可以进行许多参数的设置和系统配置，如通信组态、设置数字量输入滤波、设置脉冲捕捉、输出表配置和定义存储器保持范围等。大家在实际工作中用到时可参考编程手册。STEP7-Micro/WIN32编程软件提供了一系列工具，可使用户直接在软件环境下调试并监视用户程序的执行。选择单次或多次扫描来监视用户程序，可以指定主机以有限的扫描次数执行用户程序。通过选择主机扫描次数，当过程变量改变时，可以监视用户程序的执行。STEP7的编程语言有：梯形逻辑(LAD)、语句表(STL)和功能块图(FBD)三种编程语言。语句表(STL)是编程语言的文本表达方式。与机器码相似，CPU执行程序时按每一条指令一步一步地执行。LAD是编程语言的图形表达式。它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似，当电信号通过各个触点复合元件以及输出线圈时，梯形图可让你追踪电信号在电源示意线间的流动。FBD也是编程语言的图形表达式，使用与布尔代数相似的逻辑框来表达逻辑。硬件诊断:它能提供可编程控制器状态的概况。在这个概况中可以显示符号，用来指示每个模板是否正常或有故障。用来显示模块的概况信息，显示中央和分布式I/O站的模块信息，显示来自诊断缓存区的报文及显示CPU，MPI的性能数据，双击故障模块就可显示有关故障的详细信息。系统硬件安装完后，首先应在操作系统的控制面板SETPG/PC中进行协议选择和通信设置，将系统硬件组态信息输入工控机。可通过组态故障诊断对话框检测组态和设置是否存在硬件组态错误，总线中是否有通信故障等问题。网络通信正常情况下，可看到系统的所有站点，系统是否存在硬件冲突等问题。3.2I/O地址分配根据本设计硬件配置对各输入'输出点进行地址分配。①输入\输出继电器地址分配表：表3-1恒温控制系统PLC输入/输出模块对应用途输入信号输出信号编号用途编号用途1I0.0系统启动开关1Q0.0电磁阀1及指示灯12I0.1系统停止开关2Q0.1电磁阀2及指示灯23I0.2上液位开关3Q0.2电磁阀3及指示灯34I0.3下液位开关4Q0.3启动搅拌电机及指示灯5I0.4搅拌电机启动开关5Q0.4启动风扇及指示灯6I0.5搅拌电机停止开关6Q0.5电阻加热及指示灯7I0.6泵启动开关7Q0.6泵电机及指示灯8I0.7泵停止开关8Q0.7报警及报警指示灯9I1.0电阻加热启动开关9~10Q1.0~Q1.1数字显示表脉冲信号10I1.1电阻加热停止开关11Q1.0~Q1.2温度显示111I1.2风扇电机启动开关12Q1.0~Q1.3温度显示212I1.3风扇电机停止开关13Q1.0~Q1.4温度显示313AIW0温度传感器114AQW0电阻加热14AIW2温度传感器215AIW4温度传感器316AIW6流量检测计⑵其他编程元件地址分配表:

表3-2其他编程元件地址分配编程元件编程地址作用M0.0上液位标志M0.1下液位标志M0.2电加热运行标志M0.3脉冲产生控制辅助继电器M0.4时钟SCKM0.5SDK输出M0.6SCK输出M21.0复位信号M31.0脉冲转换标志定时器T32产生时钟脉冲VB0加热系统PID表VD0加热系统过程变量VD4加热温度设定值VD8温度输出值控制VD12加热温度增益VD16加热温度采样时间VD20加热温度积分时间VD24加热温度微风时间变量寄存器VD28加热温度积分前项VD32加热温度过程前值VW0恒温水箱温度VW2进水口温度VW4储水箱温度VW400输入系统温度1VW416加热系统PID输出VW402输入温度2VW404输入温度3VW406输入流量3.3系统主程序本设计温度采用PID过程控制，以子程序的形式在程序在主程序中。主程序是根据要求设定水箱的恒温控制，然后启动水泵向水箱进水，当水位升到预定液位后，启动搅拌机，测量水箱水温并与设定值比较，若温差小于5°C,要采用PID调节加热器。当水温高于设定值5-10C时，采用进水与风扇冷却同时进行的方法实现降温控制。此外对温度、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、冷却时水温无变化时应报警。系统开关打开后，系统启动液位检测、温度检测、数显表和报警装置。根据以上要求设计恒温控制系统主程序流程图如图3-1所示。

图3-1程序控制流程图3.4PID控制算法程序CPU226提供PID回路指令，包括比例、积分、微分循环，进行PID计算。PID回路的操作取决于存储在36字节回路表内的九个参数。PID控制回路具有两个输入变量。本系统的两个输入变量即为恒温水箱的当前值PV和设定值SP，这两个多成变量在应用于PID指令之前，必须转换为标准化的浮点数表示形式。转换的第一步是实际值从16位整数数值转换为浮点数数值，第二步是将此转换后的浮点数转换成位于0.0〜1.0之间的标准化数值。回路的输出是标准化的、位于0.0〜1.0之间的实数数值。在回路输出可用于驱动模拟量输出之前，回路输出必须被转换为16位的、成比例的整数数值。这一过程是将PV以及SP转换成标准化数值的反过程。在PID指令中，必须指定内存区内的36个字节参数表的首地址。要选定的过程变量、设定值、回路增益、采样时间、积分时间、微分时间等参数全部都转换成标准值存放在回路表中。在本控制系统中，恒温水箱由一个热敏电阻来检测温度，由一个加热电阻通过控制加热时间，以便达到调节水箱内温度的目的。控制程序采用主程序和子程序以及中断程序来编写。采用PID控制算法来控制加热电阻通电时间，达到控制加热时间的目的。总体程序的控制流程设计思路为：执行总体启动/停止实现对恒温水箱的宏观控制；子程序SBR0为水箱温控制参数，在主程序中调用SBR0传递PID控制参数。定时中断0设计为每十毫秒中断一次，进入中断服务程序INT0，INT0对加热电阻进行控制。子程序、中断服务程序的流程图如下图3-2,图3-3所示：传送水箱温度PID参数的子程序SBR0图3-2子程序流程图水箱温度当前值转换成标准值送读PID表PID转换成加温电路控制电压值 中断返回

图3-3INT0的中断程序流程图3.5标度转换模拟量输入模块（A/D），本设计的模拟量信号输入和输出都是标准的4~20mA，设X为输入Y为输出，其转化如下：输入转换：X=100*（AIWx-6400）/（32000-6400）输出转换：Y二计算值*（32000-6400）/32000+6400工业控制中，要对这些模拟量进行采集并送给PLC的CPU,必须先对这些模拟量进行模/数（A/D）转换。模拟量输入模块就是用来将模拟信号转换成PLC所能接受的数字信号的。一般先用现场信号变送器把它们转换成统一的标准信号（如4〜20mA的直流电流信号，1〜5V的直流电压信号等）。然后再送入模拟量输入模块模拟量信号转换成数字量信号，以便PLC的CPU进行处理。模拟量输入模块一般由滤波、模/数（A/D）转换，光电耦合器等部分组成。光耦合器有效阻止了电磁干扰，对多通道的模拟量输入单元，通常设置多路转换开关进行通道的切换，且在输出端设置信号寄存器。模拟量输入模块（EM231）具有4个模拟量输入通道。每个通道占有存储器AI区域2个字节。该模块模拟量的输入值为只读数据。电压输入范围：单极性0〜10V，0〜5V；双极性-5〜+5V,-2.5〜+2.5V，电流输入范围：0〜20mA。模拟量到数字量的最大转换时间为250Ms。该模块需要24V直流供电。可由CPU模块的传感器电源DC24V/400mA供电，也可由用户提供外部电源。模拟量输出模块（D/A），在工业控制中，有些现场设备需要用模拟量信号来控制，这就要求把PLC输出的数字量变换成模拟量，以满足这些设备的需要。模拟量输出模块的作用就是把PLC输出的数字量信号转换成相应的模拟量信号，以适应模拟量控制的要求。模拟量输出模块一般由光耦合器、数/模转换器和信号驱动等环节组成。光耦合器可有效地防止电磁干扰。PLC输出的若干位数字量信号由内部电路送至光耦合器的输入端，经光耦合后的数字信号，再进入数/模（D/A）转换器，转换后的直流模拟量信号经运算放大器放大后驱动输出。通常模拟量输出模块提供电压输出和电流输出。模拟量输出模块（EM232）具有2个输出通道。每个输出通道占用存储器AQ区域2个字节。该模块输出的模拟量可以是电压信号。也可以是电流信号。输出信号的范围：电压输出为-10〜+10V，电流输出为0〜20mA。电压输出的设置时间为100〃s,电流输出的设置时间为2ms。用户程序无法读取模拟量输出值。该模块需要DC24V供电。可由CPU模块的传感器电源DC24V/400mA供电，也可由用户外部提供电源。模拟量输出模块的分辨率通常以D/A转换前待转换的二进制数数字量的位数表示，PLC运算处理后的12位数字量信号（BIN数）在CPU中存放的格式最高有效位是符号位：0表示是正值数据，1表示是负值数据。开机检测温度读取AIW2存储器内的温度数据，经过处理后存入VD100，在读取上位机给定的温度上下限以及上下限报警。本设计有3个温度检测装置，将3个不同位置的温度模拟信号传给PLC。系统不能使用直接检测出的模拟信号，因此在具体控制前要先对输入信号进行标度变换。对信号标量化后可以对信号进行PID算法控制。3.6数码显示由于本设计中有3个温度检测和一个流量检测需要用数码管显示，本设计采用HPL2B型数码显示，温度显示程序编辑在子程序中，程序中使用定时中断程序产生定时脉冲。温度显示的基本步骤如下：首先定时发送显示的数据，然后对数据进行字处理，之后对数据进行以位处理实现显示输出。温度显示程序流程图如图3-4所示。本设计中有三个温度显示数，需要用多表显示程序。

图3-4温度显示程序流程图3.7人机界面根据本系统的要求，采用PLC设备完成系统的硬件功能，因此根据连接设备要安装西门子S7200的驱动程序，而根据通讯连接则选择安装S7PPI/TCP。S7PPI/TCP的用途：真正的PPI协议与S7-200的编程口通讯使用，以太网转串口设备访问S7-200的编程口。本章主要介绍了上位机监控系统人机交互界面的设计，系统动态对象数据的设计，远程浏览报警模式的设计以及系统安全的设计。Fameview强大的图形界面绘制功能，易于使用的动态画面设计和功能强大的脚本语言，以及在各行业成熟的应用基础，使得本系统具有稳定性、安全性、易于操作的特点。用组态软件Fameview设计的监控系统基本达到了恒温控制监控系统的设计要求。（1） 力求做到界面简洁、清晰、美观、大方。（2） 尽量做到按键