基于plc气体分析仪设计毕业论文

摘 要摘 要针对手动控制多路气体分析过程存在多路气体交叉污染、分析过程不流畅、分析过程耗时长、效率低等问题，设计了基于PLC控制器分析仪的多路气体在线分析控制系统，给出了控制系统的软硬件设计过程，实现了气体分析过程中气体采集、气路控制、气体数据处理过程的自动化作业、通过对现代应用的气体分析仪器优缺点和应用情况进行分析，针对应用的 具体需求，本文提出了一种新的设计方案。文中给出了基于PLC的气体分析仪 的总体方案，阐述了分析仪器能实现的各项功能，组成仪器各个部件，以及气体 分析仪软硬件的实现，包括PLC系统的器件选择，气体变送器及其信号调理电 路、气样采集系统、触摸式液晶屏程序和PLC程序的设计。本方案通过人机交互界面，利用扩展的多个输入端口，采集多种气体浓度信号和温度、湿度、压力信号，利用数据模型进行数据运 算处理，仪器具有很强的环境适应性，能在温度、湿度、压力不稳定的环境中保 持较高的精度和稳定性。仪器具有多个输出端口，能对多个取样进口进行控制， 可通过巡回检测的方式实现对多个采样点的气体进行检测，并可根据应用需求对 采样路数进行扩展。关键词：多种组份；多通道；PLC控制；气体分析仪器- I -AbstractAbstractIn order to solve cross-contamination of multi-gas, analysis process not smooth, time-consuming, low efficiency and other problems in the manual control process of multi-gas analysis, a multi-channel gas control and analysis system online-based on PLC controller is designed. The design process of hardware and software are given. The automation processes of gas collection, gas control and data processing is achieved.By analyzing advantages and disadvantages and applications of modem gas analysis instruments, in view of concrete demands，a new design proposal has been put forward in this paper, It makes the detailed introduction on the overall proposal of PLC-based gas analyzer, various functions, each components and the implementation of software and hardware, including the choice of PLC systems, and the designation of gas sensor and its processing circuit of the signal, gas collecting system, and the program of touchable LCD and PLC.It takes the man-machine interface， applies multiple extended inputting ports to collect signals of concentration, humidity, temperature and pressure on various gases and also employs the data model to carry out data calculation and handling. The instrument possesses the strong environmental adaptation and is able to keep high precision and stability in the environment of unsteady temperature, humidity and pressure. It also has multiple outputting ports to control the multiple sampling inlets, can detecte gas at several sampling points by means of scanning and extend the sampling routes according to applied demands.Keywords： Multi component，Multiplexer channel, PLC controlling ，Gas analysis instrument- II -目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1问题背景11.2现有气体分析仪器存在的问题11.3 本文的主要工作12 气体分析仪的设计思路和方案321气体分析仪的功能32.2气体分析仪的组成32.3 检测点切换系统42.4气体分析仪器的种类42.5各种气体分析仪的原理及特点52.5.1热导式氢分析仪52.5.2红外式二氧化碳分析仪52.5.3软件流程62.5.4电化学式氧分析仪82.6现有气体分析仪的使用92.6.1气体分析仪器选型92.6.2气体分析仪方案的确立103 基于PLC的气体分析仪软件设计123.1 PLC的基本概念123.2 PLC系统的基本功能133.3输人采样阶段143.4 PLC对信号的处理143.5 PLC内部信号转换153.6 PLC的程序设计153.7 PLC 模块程序的介绍203.8编程软件参数的设置224 基于PLC的气体分析仪组态软件244.1 力控软件简单介绍24结 论32致 谢33参考文献34河北工程大学科信学院毕业设计说明书1 绪论1.1问题背景随着电子、化工、冶金、国防等工业部门的发展，工业气体、高纯气体以 及特种气体在各个行业中得到了更广泛的应用。气体分析仪器是工业生产的“眼睛”，利用它们可以获得必需的各种气体含量数据，了解工艺状况，从而积极有效的采用相应的控制措施，安全的进行生产。气体分析仪器是产品质量的“检察官”，利用它可以检测产品的纯度，分析杂质的含量，严格把住质量关；气体 分析仪器还是新工艺、方法的技术研发的“先行者”，离开了它们，我们就不能 对改造的结果做出判断，一切研究开发都无法进行。因此，气体分析仪器在气体工业体系中占有非常重要的地位，它们虽然无法直接创造出经济价值，但是它们在生产中所发挥的作用是很难被替代的。1.2现有气体分析仪器存在的问题在现代气体分析仪器的设计中，主要包括两种设计方案。一种是以分离器件和小规模集成电路为基础的模拟信号处理方案，这类仪器主要应用于功能简单的小型仪器，它们一般只能进行简单的测试，由于仪器内部没有专门的功能软件，所以无法完成更进一步的数据处理、计算功能，这类产品一般都做成便携式仪器，间断的对气体进行取样检查。另一种方案是以单片机技术为基础的数字电路处理方案,这类仪器在进行信号处理和数据通讯方面具有较高的灵活性，在气体分析仪器行业中处于主 流地位，已基本能够完成必要的数据处理、运算功能。对于一些具有高集成的 单片机系统，它具有更全面的功能。但是对多种组份、多路通道、恶劣环境的气体测量要求，对采样气体需要进行必要的预处理的应用要求，以单片机技术为基础的气体分析仪在设计时存在着较大的难度。1.3 本文的主要工作本文介绍一种以PLC技术为基础的气体分析仪器设计和实现方法。仪器的设计主要以两个方面的技术工作为核心，包括气样采集系统和数据处理系统两个方面。气样采集系统主要包括样气的预处理装置，样气的抽取装置，取样点的切 换装置。样气的预处理装置主要滤除气体中的杂质和一些大颗粒【6。样气的抽取装置主要通过抽气泵把被测气体中抽入检测器中。取样点的切换装置主要由电磁阀组和阀体组合件构成，可根据操作界面由用户指定运行在自动巡回监测状态或者定点监测状态，电磁阀根据软件的指令自动开合，完成对所需釆样点气体进行取样。数据处理系统主要完成各种气体浓度信号以及，些辅助信号的采集，信号的转换和处理。信号处理包括气体浓度信号的零点校正、终点校正、线性校正，温度、湿度、压力补充，以及通过通讯接口进行信号传输。数据采集、处理系统需通过硬件电路和程序软件来实现，下文将详细论述软硬件的实现过程。2 气体分析仪的设计思路和方案21气体分析仪的功能在现代气体分析仪器行业中，以单片机技术为基础的可编程数字电路处理方案，在进行信号采集和数据通讯方面具有较好的通用性，在气体分析仪器行业中处于主流地位。但多种组份、多路通道、恶劣环境的气体测量需要的测控点和信号种类多，规模大，以单片机技术为基础的电路处理技术在设计时存在着较大的难度。特别是对于一些在线分析仪器，对测量环境都有较高的要求， 对温度、湿度、压力、流量都有特殊的要求，如果分析仪器的工作环境发生了变化，仪器的测量精度就会受到较大的影响，必须经常校正才能保证仪器的测量精度。对于大多数的气体分析仪器，都只能对一种特定的气体进行分析，它的气路系统也比较单一，只能对一个检测点的气体进行采样分析。由于没有针对环境因素对气体测量的影响模式进行专门的设计，所以仪器的抗环境干扰的能力较差，当环境状态发生变化时，要对仪器重新进行校准才能保证仪器的测量精 度。针对分析仪器应用的实际需求，本文提出了一个新颖的分析仪器工作模式， 仪器备以下功能。仪器最多能对四种组分的气体进行分析；仪器最多能对五路气体进行分析；电脑显示屏能显示气体浓度、检测点、釆样流量、工作状态等信息；可通按键对仪器的各种参数、工作状态进行设定；仪器带有数据接口，可通过数据接口与外部设备进行数据传输；2.2气体分析仪的组成本气体分析仪器为一个单机设备，没有其他附属部件，所有的部件都布置在机箱内部。机箱内部按层进行设计，不同功能的器件分别布置在不同的隔层上，以便于调试和维修。仪器主要由电路系统和气路系统两部分组成。电路系统主要包括以下几个方面的内容。PLC系统PLC系统是仪器的核心部件，所有的信号处理、软件运行、输入输出接口、 通讯接口都依赖这个系统。PLC系统包括中央处理器、数字量扩展模块、模拟 量扩展模块、网络扩展模块等。气体传感器及其转换放大电路要完成对气体浓度的测量，关键是要获得稳定的检测信号，所以传感器的选择和转换放大电路的设计非常重要。本方案把气体传感器安装在气路壳体中做成变速器，变速器输出电压信号通过导线带传输到信号转换放大电路板上， 转换成标准电信号，然后再通过导线带传输到PLC系统进行数据处理。信号转换放大电路板上带有调节电位器，可以对检测信号进行调节，这些信号包括各种气体浓度信号和进行补偿用的温度、湿度、压力、流量信号。电源系统仪器的电源系统主要包括集成一体化电源、电源滤波器以及以保险管为主的电源保护设施。PLC系统、各种传感器及电路及恒温系统供电。对于一些用电量比较大的部件，它的供电线路要单独走线，以防止对其他信号的干扰。气路系统主要包括检测点的切换系统和泵抽系统两个部分。2.3 检测点切换系统为了实现对多路测点进行检测，需要设计检测点切换系统，完成对检测点的切换。检测点切换主要依靠电磁阀和气路阀体完成，检测路数要根据具体的需要确定。泵抽系统仪器的采样需要泵抽完成，为了提高可靠性，采用两个泵轮流交替工作，以减小磨损。为了加快采样速度，仪器设有预抽泵，对采样点的气体进行预抽。2.4气体分析仪器的种类气体分析仪器的分类方法很多，按检测原理分类可以分为热导原理、红外原理、电化学原理、半导体原理、热磁原理、可调谐激光原理；按采样方式分为泵抽采样方式和自然扩散方式；按使用方式分为便携式和固定式；按采样点 数分为单点测量和多点测量；下面按检测原理分类介绍几种不同原理的气体分析仪器。2.5各种气体分析仪的原理及特点2.5.1热导式氢分析仪热导式氢分析仪是利用混合气体的总导热系数随被测组分的含量而变化的原理制成的自动连续气体分析仪。所用热导检测器是由两个测量池组成桥路，检测色谱柱出口端气体热导率的变化。该检测器对任一种与载气热导率不同的物质都很灵敏，最小检出限在0.510261001026。线性动态范围为0到100。适用于被测组分与其它组分导热系数差异较大的场合。一种物理类的气体分析仪表。它根据不同气体具有不同热传导能力的原理，通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。这种分析仪表简单可靠,适用的气体种类较多,是一种基本的分析仪表。但直接测量气体的导热系数比较困难，所以实际上常把气体导热系数的变化转换为电阻的变化，再用电桥来测定。热导式气体分析仪的热敏元件主要有半导体敏感元件和金属电阻丝两类。半导体敏感元件体积小、热惯性小，电阻温度系数大,所以灵敏度高,时间滞后小。热导式气体分析仪的应用范围很广，除通常用来分析氢气、氨气、二氧化碳、二氧化硫和低浓度可燃性气体含量外，还可作为色谱分析仪中的检测器用以分析其他成分。使用用热导式氢传感器是一种传统而且成熟的测氢方法，该传感器具有较长 的使用寿命和较高的稳定性，适于应用在固定式仪器上连续监测使用。热导式氢传感器的受湿度影响较大，传统的解决方案是在气路预处理装置中加装除湿器去除被测气体中的水分。本方案是通过选择高精度湿度传感器(露点传感器)，利用试验确定湿度与氢传感器输出信号的关系，以适当的数学模型进行湿度补 偿，以解决湿度对氢测量的影响。2.5.2红外式二氧化碳分析仪CO2气体对4-26um波段的红外光强烈吸收，而对其他波段的红外光几乎不吸收。空间双光路结构正是根据CO2气体这一吸收特性设计的，该结构在确保分析仪有较高精度和较好稳定性的同时，也使得分析仪的小型化成为可能。该分析仪的空间双光路光学探头的红外光源和红外接收器件分别安装在气室的两端，并由蓝宝石窗片将这两光学器件与气室隔离，以防比被砧污。红外光源后而有抛物而反光镜无窗封装，该装置使得红外光源发出的边缘光损失减小，大大提高了轴向光强。红外接收器件是由两个表而分别贴有4-26 um滤波片的完全相同的热释电探测器所集成的。红外光源、红外接收器件以及气室的中心轴安装在同一直线上，整个光学探头无活动部件。研制的红外CO2气体分析仪设想摘掉传统的采样气泵，采样方式改泵吸式为扩散式。利用被测气体的对流特性使之自由进入分析仪。整个气室内部全部充满了被测CO2气体，没有相互隔离的气体池。扩散式的采样方式使分析仪不需要定期维修，从而可以长时间稳定地工作，而且由于摒弃了采样气泵，可以使分析仪的体积、重量和功耗得以降低。同时，为降低光信号的损失，提高该分析仪的测量精度，在圆柱形气室上设计了旋转抛物而接收光锥。图2.1 CO2频波图2.5.3软件流程数据的采集处理软件流程如图2.2所示。为消除由开放式气室所带来的杂散光信号，设置红外光源为周期性开关的工作方式。在红外光源打开之前捕获的两探测器初始输出值完全反映杂散光信号，与CO2气体的浓度无关。红外光源打开之后，探测器所感受的信号不仅包括杂散光信号，而且还包括了被CO2气体吸收后剩余的红外光信号。前后两次所测的信号分别相减则可消除外界杂散光信号的干扰提高测量的精度。图2.2 传感器信号传输流程图图2.3 CO2传感器结构图红外线气体分析仪是基于除了单原子气体和同核双原子气体外，不同气体对125um范围的红外线有选择的吸收而设计的9。例如，C02气体对波长为 4. 26 um的红外线有强烈的吸收。 红外光源发出的红外线强度为I。，它通过长度为L的气室后能量变为I,。 如果气室中没有吸收红外线能量的气体时。如果气室中有吸收 红外线能量的气体，则相应波长的红外线能量就会被吸收掉一部分，这时能量满足下式：式中：光通过被测气体前的能量。I光通过被测气体后的能量。K被测气体的吸收系数。C被测气体的百分浓度。L被测气体的厚度(即气室的长度)。在仪器中，I。、K、L都是确定的，只有C(浓度)是变量。因此，测量红外线通过某种气体后的能量损失，即可测定该气体的浓度。.二氧化碳气体对波长是4.26 um的红外线有强烈的吸收，选定不被任何气体吸收的红外线(3. 9um)作为参比信号。传统的双光路检测方法是将这两种波长的滤光片安装在切光片上，微电机驱动切光片转动，工作脉冲(4.26um) 和参比脉冲(3. 9um)以180相位差交替产生，通过气室，被红外探测器接收，取得交变信号。由于电机转速的精度难以控制，且在长期的使用中会出现磨损，有可能影响到仪器测量精度和稳定性。本方案拟采用新型的电子脉冲光源替代原来的机械电机切光，高灵敏度滤光传感一体化红外传感器接收红外信号。可大提高检测系统的稳定性、可靠性；降低故障率。2.5.4电化学式氧分析仪电化学氧分析仪是一种化学类的气体分析仪表。它根据化学反应所引起的离子量的变化或电流变化来测量气体成分。为了提高选择性，防止测量电极表面沾污和保持电解液性能，一般采用隔膜结构。常用的电化学式分析仪有定电位电解式和伽伐尼电池式两种。定电位电解式分析仪(图2)的工作原理是在电极上施加特定电位，被测气体在电极表面就产生电解作用，只要测量加在电极上的电位，即可确定被测气体特有的电解电位，从而使仪表具有选择识别被测气体的能力。伽伐尼电池式分析仪(图3)是将透过隔膜而扩散到电解液中的被测气体电解，测量所形成的电解电流，就能确定被测气体的浓度。通过选择不同的电极材料和电解液来改变电极表面的内部电压从而实现对具有不同电解电位的气体的选择性。电化学式氧分析仪都采用电化学式氧传感器对氧气浓度进行测量，电化学式氧传感器的正极采用铅等普通易氧化的金属，负极采用金、钿等贵重金属。 氧气溶解在电解液层中，然后到达负极，在负极表面被还原，同时正极的铅被氧化，反应可用如下方程式表示：电化学式氧传感器都有一定的使用寿命，所以电化学式氧分析仪都需要定期更换氧传感器，氧传感器的使用寿命是根据氧化能力的有效性来确定的，当阳极的氧化能力消耗完时，氧传感器就会报废。氧化能力很充足时输出是非常 平稳的，因此氧气传感器的寿命预期可根据阳极的消耗量来确定。氧传感器输出信号与氧浓度是成非线性关系的，在电路或软件中对信号进行线性校正，就可以测出空气中的氧气含量。电化学气体分析仪种类很多，通过更换不同类型的电化学传感器，可以对多种气体进行测量。现在市场上应用最多的是电化学氧传感器,其他得到应 用的电化学传感器有一氧化碳传感器、二氧化硫传感器、硫化氢传感器、二氧化氮传感器、溴氧传感器、氢气传感器、甲醛传感器、氨气传感器、磷化氢传 感器、氯气传感器。由于电化学传感器的体积和重量都比较小，所以非常适合于应用在便携式气体分析仪器中。但电化式气体分析仪器的抗交叉干扰能力比较差，特别是对一些微量气体的测量。2.6现有气体分析仪的使用我们要寻求一种使用方便测量精确的大众化气体测量仪，在使用过程中也要充分考虑到外界环境对气体分析仪的影响，测量气体分析仪的流程分析仪表。在很多生产过程中，特别是在存在化学反应的生产过程中，仅仅根据温度、压力、流量等物理参数进行自动控制常常是不够的。例如，在合成氨生产中，仅控制合成塔的温度、压力、流量并不能保证最高的合成率，必须同时分析进气的化学成分，控制氢气和氮气的最佳比例，才能获得较高的生产率。又如在锅炉的燃烧控制中除需控制燃料与助燃空气的比例外，还必须在线分析烟道的化学成分，据此改变助燃空气的供给量，使炉子获得最高的热效率。此外，在排出有害气体的工厂中，也必须采用气体分析仪对有害气体进行连续监视，以防止危害工人健康或污染环境或引起爆炸等恶性事故。由于被分析气体的千差万别和分析原理的多种多样，气体分析仪的种类繁多。对气体分析仪器的使用，要根据具体的使用要求和情况进行选择。气体分 析仪器种类众多，配套方式又多种多样，因此，选购和使用仪器应以使用目标 及样气工艺条件为基础，充分了解检测监控目标成分及含量指标的范围。气体 分析仪与一般的热工仪表有着本质的区别，分析仪器是由气路系统和电路系统 两大部分组成。一台气体分析仪器实际上是一套完整的化工工艺系统，样气流 经这个系统会发生各种物理和化学变化，所以必须了解气体分析仪器的特殊性， 了解气体分析仪器的应用是一门专门的技术。用户在气体分析仪器的使用中，需要考虑以下几个问题。2.6.1气体分析仪器选型首先，我们要确定分析仪的适用场合，我们得气体分析仪主要是对室内空气质量的检测，包括居民房、生产车间、大型的公共场所。每台仪器都有一个最佳的测量范围，在其最佳测量范围内正确使用 仪器是获得准确数据的前提，检测范围不同，所选取的仪器结构甚至原理都可能不同。从检测原理来看，微量氧分析仪多采用电化学原理，而氧纯度分析多 采用热磁原理。因此选型前必须明确本单位所需要的测量范围。其次，选择仪器时需要考察实验方法的可靠性，同样原理的仪器在应用方法上的区别也会对 用户的检测结果和日常运行产生较大的影响。另外，选择仪器时还需考虑工况的影响。以氧分析仪为例，如果氧气中含有还原性气体，就不能使用氧化锆原理的仪器；如果氧气中含有酸性气体杂质，则不能使用燃料池的氧分析仪。如果样气中含有油分或粉尘，就必须加装预处理装置。此外，选型时还要考虑维修性、耐用性、节能性、环保性等。气体分析仪器对使用环境都有着特定的要求，对于髙纯气体分析仪更是如此。如果环境条件不适合，即使最先进的仪器和检测方法，再熟练的分析工， 也不能获得准确可靠的检验结果，甚至可能导致分析仪器损害或其他附属设备的过度损耗，造成经济损失。使用仪器时要充分了解仪器的使用环境，以保证仪器正常使用。2.6.2气体分析仪方案的确立综上所述，我确立了我们所设计的气体分析仪的初步方案，气体的采集采用多路进气方案我们初步设计了五个采样点管道，因为要考虑外界气体的酸碱性、空气中的大颗粒物质以及空气中其他干扰性气体对一些元件的影响，我们在每个进气通道口处都有过滤器，此外为了我们得分析仪能够满足采样点的切换功能，我们在每个通道上还设置了电磁阀，电磁阀由plc控制直接实现采样点的切换功能。然后将收集到的气体通过气体传感器传给plc进行处理，这里我们选的是电化学式气体传感器，传感器和变送器相连，变送器在和plc相连，plc把数据传给电脑pc机，最后把各种信息显示在画面上面，我们可以直接通过电脑来修改数据和参数来实现对气体分析仪的控制。气体分析是一项复杂的专业技术，要求从业人员具有相应的专业知识和技能。现代气体分析仪器的自动化程度越来越高，“自动化”可以减少一些繁锁的体力劳动，但绝不能代替分析人员的经验、技巧和技术判断。仪器自动化程度的增加实际上是对人员综合素质提出了更高的要求，即要求分析人员懂得分析的专业知识，又需要具备一定的计算机基础知识。分析仪器只是一个工具，需要充分开发其功能才能使仪器的功能得到最大程度的发挥。因此，应不断提髙技术水平及相关学科知识，以适应现代分析技术的要求分析仪器虽然在企业中不直接产生效益，但通过分析实验使企业产品质量稳定提高，原材料消耗降低，生产效率提髙等方面获得收益，也显示了经济价值，创造了经济效益。所以用户必须重视分析仪器的管理和应用，通过科学管理，尽可能减少投入，建立高水平的分析实验平台，高质量、高效率为生产服务。3 基于PLC的气体分析仪软件设计3.1 PLC的基本概念随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制己经发展 到几乎所有的工业领域。当前用于工业控制的计算机可以分为几类，例如可编 程控制器、基于PC总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置、用于模 拟量闭环控制的编程调节器、集散控制系统（DCS)和现场总线控制系统。PLC的编程语言与一般的计算机语言相比，具有明显的特点，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前没有一个对各个厂家产品都能兼容的语言。最常用的两种编程语言是梯形图语言和助记符语言，本仪器采用梯形 图语言对软件进行编程。PLC的程序主要完成对气路系统的控制和对信号的处 理两部分功能。PLC软件主程序流程图如图4-3所示.图3.1 PLC程序结构框图PLC通过循环扫描的方式执行程序，PLC投入运行后，其工作过程分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段作为一个扫描周期，而在扫描阶段的开始PLC先进行程序初始化，初始化的目的就是将程序中即将要用的寄存器设置一个初始值。包括输出、中间继电器、还有数据寄存器因为PLC很多数据都有断电保存功能。还有一些数据每次通电后都是随机的，我们需要对这部分数据进行清零操作。PLC初始化之后开始执行程序首先要通过一个开关来选择PLC的工作方式，这里我们提供了两种工作方式自动工作方式和手动工作方式，在选择了工作方式之后PLC开始调用各自的子程序同时执行后续的模块程序如温度检测模块、浓度检测模块等，最后PLC将采集来的信号经过处理后传递给电脑，电脑通过力控软件再反映在界面上。3.2 PLC系统的基本功能PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（FA) 和计算机集成制造系统（CIMS)占重要地位。PLC系统一般由以下基本功能构成：(a)多种控制功能：PLC的控制功能主要包括：逻辑控制、定时控制、计算控制、顺序控制数据采集、存储与处理功能基本算术：加、减、乘、除。扩展算术：平方根、三级函数和浮点运算。比较：大于、小于和等于。数据处理：选择、组织、规模化、移动和先入先出。模拟信号处理：PID、积分和滤波。通讯、联网功能：现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS-232或RS-485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通讯，可实现程序和数据的交换。输入/输出接口调理功能：具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用户的要求选择。人机界面功能：人机界面能够提供给操作者一些工业系统运行过程的重要信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作出决策和调整。编程、调试使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站，进行编程、调试、 监视、试验和记录。并通过打印机打印出文件。3.3输人采样阶段 在输人采样阶段，PLC以扫描方式依次地读人所有输人状态和数据，并将它们存人I/O映象区中相应的单元内。输人采样结束后，转人用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输人状态和数据发生变化，I/O映象区的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输人是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输人均能被读人。 (2)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC是按自上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每条梯形图时，又目是先扫描梯形图左边的自各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对自触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用，相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 (1)输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进人输出刷新阶段。在此期目，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。3.4 PLC对信号的处理传感器传来的模拟信号不能被PLC直接识别，需要经过一些中间处理过程PLC才能进行数据的运算。需要把模拟信号进行标准化处理。而且大多传感器属于弱信号型，远距离传送很容易山现衰减、干扰的问题。因此在信号传输过程中还要经过二次变送器。变送器把信号变成标准的电信号传送到PLC中。二次变送器的作用就是将传感器的信号放大成为符合工业传输标准的电信号，如0-5v、0-10V或4-20mA(其中用得最多的是4-20mA)。而变送器通过对放大器电路的零点迁移以及增益调整，可以将标准信号准确的对应于物理量的被被监测围如0100或-10100等等。这是用硬件电路对物理量进行数学变换。中央控制室的仪表将这些电信号驱动机械式的电压表、电流表就能显示被测的物理量。对于不同的量程范围，只要更换指针后面的刻度盘就可以了。更换刻度盘不会影响仪表的根本性质，这就给仪表的标准化、通用性和规模化生产带来的无可限量的好处。PLC对信号的处理主要包括零点校正、终点校正、线性校正、温度校正、 湿度校正、压力校正等，仪器的各种校正功能是利用计算模型进行数据运算实现的，为了提高精度，计算过程采用实数进行。3.5 PLC内部信号转换信号的变换需要经过以下过程：物理量传感器信号标准电信号A/D转换数值显示。假定物理量为A，范围即为A0Am，实时物理量为x；标准电信号足B0Bm，实时电信号为Y；AD转换数值为C0-Cm，实时数值为z。如此，B0对应于A0，Bm对应于Am，Y对应于x，及Y=f（x）。由于是线性关系，得出方。程式为Y=(Bm-B0)(X-A0)(Am-A0)+B0。又由于是线性关系，经过AD转换后的数学方程z=f（x）可以表示为Z=（cm-co）*(XA0)/ (AmA0)+C0。那么就很容易得出逆变换的数学方程为x=(Am-A0)*(Z-C0)/ (CmC0)+A0。方程中计算出来的X就可以在显示器上直接表达为被检测的物理量。在S7200中，(z一6400)25600的计算结果是非常重要的数值。这是一个0-1.0(100)的实数，可以直接送到PID指令(不是指令向导)的检测值输入端。PID指令输出的也是01.0的实数，通过前而的计算式的反计算，可以转换成640032000，送到DA端口变成420mA输山。以上讲述的是PLC中工程量转换的基本方法。3.6 PLC的程序设计本仪器PLC的程序采样主程序和功能子程序相结合进行编写。我们设计的程序包括一个主程序（OB1）,两个子程序分别是自动程序（SBR_0）和手动程序（SBR_1）,四个中断程序分别是抽气泵子程序（INT_0）、CO浓度子程序（INT_1）、SO2浓度子程序（INT_2）、CH2O浓度子程序（INT_3）。以下是程序总体结构框图：图 3-1 程序总结构框图有了程序的总体结构图，下面就开始对各个子程序进行设置，首先要弄清楚每个子程序将要实现什么样的功能，CO、SO2、CH2O这三种气体的子程序主要是实现对气体浓度的监测，并把气体浓度的信息实时的反映到电脑上以便我哦们的观察和统计，所以这三种气体的子程序结构和流程都是类似的，而抽气泵流量检测子程序则不同，它要通过PID运算实现对抽气泵的模拟量输出控制，不仅要把气体的流量情况和抽气泵的转速无差别的联系起来，还要对外界的干扰做出快速而准确的反应。因此抽气泵流量监测子程序有单独的结构。下面是对各个子程序的流程介绍：a、CO浓度监测子程序图3-2 CO子程序流程图结合气体分析仪的工作流程和PLC的工作流程，最后绘制出了CO子程序的流程图，子程序的工作流程可分为三个大阶段，分别为数据采集、数据内部处理、数据向外部输出。三个大阶段再细分之后就是上图所示的七个小阶段。其他两种气体（SO2、CH2O）的程序流程图和CO的类似，就不一一列举了。b、抽气泵流量监测子程序为了实现分析仪对气体实时智能化的检测我们在控制抽气泵方面主主要采用PID控制，其抽气泵的PID控制流程图如下：图 3-3 抽气泵PID控制流程图c、PID的参数设置PID回路指令(包含比例、积分、微分到路)可以用来进行PID运算。但是，可以进行这种PlD运算的前提条件是逻辑堆栈栈顶(TOS)值必须为1。该指令有两个操作数：TBL和LOOP。其中TBL是回路表的起始地址；L00P是回路号，可以是0 7的整数。S7-200 能够进行PID 控制。S7-200 CPU 最多可以支持8 个PID 控制回路（8 个PID 指令功能块）。PID 是闭环控制系统的比例积分微分控制算法。PID 控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID 算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。PID 控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。根据具体项目的控制要求，在实际应用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是PI（比例积分）控制，这时没有微分控制部分。PID 算法在S7-200 中的实现PID 控制最初在模拟量控制系统中实现，随着离散控制理论的发展，PID 也在计算机化控制系统中实现。为便于实现，S7-200 中的PID 控制采用了迭代算法。计算机化的PID 控制算法有几个关键的参数Kc（Gain，增益），Ti（积分时间常数），Td（微分时间常数），Ts（采样时间）。在S7-200 中PID 功能是通过PID 指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）执行PID 功能块，按照PID 运算规律，根据当时的给定、反馈、比例积分微分数据，计算出控制量。PID 功能块通过一个PID回路表交换数据，这个表是在V 数据存储区中的开辟，长度为36 字节。因此每个PID 功能块在调用时需要指定两个要素：PID 控制回路号，以及控制回路表的起始地址（以VB 表示）。由于PID 可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID 功能块识别。S7-200 中的PID 功能使用占调节范围的百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。PID 功能块只接受0.0 - 1.0 之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用PID 功能块编程，必须保证数据在这个范围之内，否则会出错。其他如增益、采样时间、积分时间、微分时间都是实数。设置PID 参数a. 定义回路设定值（SP，即给定）的范围：在低限（Low Range）和高限（High Range）输入域中输入实数，缺省值为0.0 和100.0，表示给定值的取值范围占过程反馈量程的百分比。这个范围是给定值的取值范围。它也可以用实际的工程单位数值表示。参见：设置给定反馈的量程范围。以下定义PID 回路参数，这些参数都应当是实数：b. Gain（增益）： 即比例常数。c. Integral Time（积分时间）：如果不想要积分作用，可以把积分时间设为无穷大：9999.99d. Derivative Time（微分时间）：如果不想要微分回路，可以把微分时间设为0 。e. Sample Time（采样时间）：是PID 控制回路对反馈采样和重新计算输出值的时间间隔。在向导完成后，若想要修改此数，则必须返回向导中修改，不可在程序中或状态表中修改。注意：关于具体的PID 参数值，每一个项目都不一样，需要现场调试来定，没有所谓验参数。第三步：设定回路输入输出值 设定PID 输入输出参数在图中，首先 设定过程变量的范围：a. 指定输入类型Unipolar： 单极性，即输入的信号为正，如010V 或020mA 等Bipolar：双极性，输入信号在从负到正的范围内变化。如输入信号为10V、5V 等时选用。20% Offset：选用20%偏移。如果输入为420mA 则选单极性及此项，4mA 是020mA 信号的20%，所以选20% 偏移，即4mA 对应6400，20mA 对应32000b. 反馈输入取值范围在a.设置为Unipolar 时，缺省值为0 - 32000，对应输入量程范围0 - 10V 或0 - 20mA 等，输入信号为正在a.设置为Bipolar 时，缺省的取值为-32000 - +32000，对应的输入范围根据量程不同可以是10V、5V 等在a.选中20% Offset 时，取值范围为6400 - 32000，不可改变此反馈输入也可以是工程单位数值，参见：设置给定反馈的量程范围。然后定义输出类型。c. Output Type（输出类型）可以选择模拟量输出或数字量输出。模拟量输出用来控制一些需要模拟量给定的设备，如比例阀、变频器等；数字量输出实际上是控制输出点的通、断状态按照一定的占空比变化，可以控制固态继电器（加热棒等）。d. 选择模拟量则需设定回路输出变量值的范围，可以选择：Unipolar：单极性输出，可为010V 或020mA 等。 Bipolar：双极性输出，可为正负10V 或正负5V 等。 20% Offset：如果选中20% 偏移，使输出为4 - 20mA。e. 取值范围：d 为Unipolar 时，缺省值为 0 到 32000d 为Bipolar 时，取值-32000 到32000d 为20% Offset 时，取值6400 - 32000，不可改变如果选择了开关量输出，需要设定此占空比的周期。3.7 PLC 模块程序的介绍 (a)主程序主程序按顺序执行的方式进行，主程序设计的比较简单，在总电源开关闭合的情况下，通过手/动切换开关的闭合和断开分别调用自动子程序和手动子程序，这样设计使得程序结构清晰，又便于程序的简洁容易让读者理解。(b)PID初始化子程序在PID程序中我们空气的流量设为过程变量，通过流量来实现对抽气泵的抽气速度的控制，综合传感器的敏感度我们将设定设为0.6。根据实际情况我们选着比例控制和积分控制把增益设为0.4，采样时间设为0.1s，积分时间设为10min，因为没有用到微分控制所以微分时间设为0，以上PID初始值基本赋完，然后将中断延时设为0.1s，最后全局开中断，之后就是PLC接受传感器传来的数据进行处理。下面是PID程序： (c)抽气泵自动控制子程序本仪器采样一个抽气泵对多个采样点的气体进行取样，采样流量要控制 在600mL。在PLC的应用中，对流量信号的控制主要使用PID控制器进行 闭环控制。但本仪器对多路气体进行采样，每个采样管路的气阻相差很大，所以泵控制信号有很大差异，用PID控制器不容易控制，抽气泵程序段：(d)CO浓度子程序首先将CO传来的模拟量数据转换为PLC内部可以运算的实数数据，然后再减去6400（6400为传感器0mA电流所对应的PLC内部数值），从SUB_R出来的数据为实际CO浓度所对应的PLC内部标准数字量，然后在除以25.6（25.6为实际CO浓度变化1ppm，PLC内部数值的变化量），从DIV_R出来的数就是实际检测到的CO浓度数值。最后这个值传送到VD200中，以便在电脑上显示。3.8编程软件参数的设置涉及到PLC的课题研究必然会用到编程软件，我们将编好的程序通过此软件输入到PLC当中，在使用软件之前先要对软件的通讯方式进行设定，可以有两种方式连接S7-200和你的编程设备：一种是直接使用PC/PPI电缆；另一种是用通讯卡和MP电缆。PC/PPI电缆比较常用而且成本较低。它将S7200的编程口与计算机的RS一232相连。PC/PPI电缆电可用于其它通讯设备与S7200的连接。如果使用MP电缆，必须先在计算机上安装通讯卡。使用这种方式时，可以用较高的波特率进行通讯。在此次设计中我们选择PPI通讯方式连接。连接S7-200十分容易。在本例中你只需要给S7-200 CPU供电然后在编程设备与S7-200 CPU之间连上通讯电缆即可。打开STEP7-Micro/WIN点击STEP 7-Micro/WIN图标打开一个新的项目如图2-3所示。注意左侧的操作条。您可以用操作条中的图标打开STEP 7-Micro/WIN项目中的组件。点击操作条中的通讯图标进入通讯对话框。你可以用这个对话框为STEP 7-Micro/WIN设置通讯参数。为STEP 7-Micro/WIN设置通讯参数在本例中使用PC/PPI电缆的缺省设置。参数如下1PC/PPI电缆的通讯地址设为0.2接口使用COM1。传输波特率用9.6Kbps。操作栏通讯图标编程器电缆4 基于PLC的气体分析仪组态软件4.1 力控软件简单介绍图4.1 主界面结构图4.2力控组态软件的界面模块在组态软件中我们给气体分析仪设置了四个界面，首先进入主界面，在主界面中可以选择另外三个界面分别是参数设定界面、运行监测界面、数据监测界面，图4.2气体分析仪主界面当用户进入主界面时点击任何一个界面按钮都会跳到其所指的界面中，所以需要对界面按钮进行设置一下，双击“参数设定”按钮在弹出的对话框中选择“窗口显示”然后在接下来的对话框中选择参数设定界面，最后点击确定设置完成。如图所示：图4.3 窗口连接图在参数设定界面中有一氧化碳参数设定按钮、二氧化碳参数设定按钮、甲醛参数设定按钮、流量参数设定按钮和一个返回按钮。在按下每一个参数设定按钮后都会弹出一个数据输入窗口供用户输入设定值。当用户输入的数值不在正确值范围内是系统会自动提示“输入数据有误请重新输入”。图4.4 参数设定界面 图4.5 参数设定运行监测界面中我们设置了5个进气口开关，3个传感器开关，1个电源开关，1个抽气泵开关，和1个手/动切换开关。每个开关分别和画面上的元件连接，元件又通过中间变量和PLC连接上，在运行监测界面中如果系