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基于PLC的热水箱恒温控制系统设计
温度控制系统
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基于PLC的热水箱恒温控制系统设计,基于PLC的热水箱恒温控制系统设计,温度控制系统
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题目: 基于PLC控制的恒温系统福建师范大学协和学院 信息技术系 电子信息科学与技术专业124122006006 陈良跟 指导老师 李阳 【摘要】本论文阐述了利用PLC模块通过数模转换模块和温度检测模块等，并运用梯形图编写程序，实现对液体加热及对温度的保持。本系统的适用性很强，稳定性、精确性良好，程序开发通俗易懂，可以适应工业生产中恒温系统的需求。本文主要介绍了恒温系统的硬件及软件设计方案。 【关键词】PLC；数模转换；恒温目 录前 言31.绪论41.1课题背景41.2市场需求41.3系统开发需求41.4系统运行需求41.5设计功能要求41.6设计应解决的问题41.7设计课题的意义52.PLC简介62.1 PLC的发展概况62.2 PLC的概念及其应用特点72.3 PLC的应用领域82.4 PLC的种类82.5 PLC未来展望93.系统的方案设计103.1任务要求103.2设计方案的选择103.3 PLC的选择113.4程序流程图114.PLC的硬件124.1PLC包含的硬件124.2 Protel 99 SE的简介164.3设计硬件图164.4硬件设计的误区175.设计总结185.1设计遇到问题185.2问题的解决185.3取得成果185.4设计收获185.5需要改进的方面19致谢20参考文献21前 言恒温系统装置是一个模拟工业生产的锅炉恒温控制。他使用了PLC，数模转换功能模块，温度传感器，电热棒等。实现系统的加热，以及恒温保持。若使用PID算法可以更加精确的控制系统温度。该模拟系统可用于对水的加热，以及保温。外面虽然可以买到类似的商品，但是却不如该系统灵活。随着经济的增长，人们对生活品质的要求越来越高，例如，人们对咖啡这种饮料就非常讲究。据研究表明刚煮好的一杯咖啡(9598度)倒进咖啡杯后,温度会下降到85度左右,如果加糖及奶精后温度会迅速下降到6070度左右,此时用手接触杯子的感觉就是很热但已经没有像咖啡刚倒进杯子时烫手的感觉了,此时喝口感最好。该系统主要划分为PLC主模块，数模转换功能模块，温度监控模块，加热模块。主要功能有：PLC模块将数据信号传送到功能模块使之转换成模拟信号使温度传感器工作，温度传感器检测当前系统温度，然后通过FX2N-5A模块将温度信号转化成数据信号，从而达到控制水杯温度的目的。本文分析的是基于PLC控制的恒温系统,对其硬件、软件系统、系统的结构、原理及功能都作了较为详细的说明。 陈良跟 2010年5月 1. 绪论1.1 课题背景改革开放以来我国工业一直保持着高速增长，工业自动化成了当代工业生产必不可少的组成部分。为了使工业生产更加合理化、科学化，就需要用现代化的技术手段来代替低效、繁琐的传统方式。因此对生产过程进行自动化操作已经势在必行。随着微型计算机和网络技术的广泛应用，工业生产自动化技术正在发生着重大的变化。可编程序控制器（Program rnable Logtc Corltroller）简称PLC，是以微处理器为核心的工业自动控制通用装置。它具有可靠性高，抗干扰能力强、应用灵活，编程方便、易于安装，扩展、适用性强、体积小，能耗低等一系列优点，不仅可以取代继电器控制系统，还可以进行复杂的生产过程控制和应用于工厂自动化网络，被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。1.2 市场需求目前，工业高速增长，自动控制的需求不断扩大，由于PLC的可靠的性能、优秀的抗干扰能力以及人性化的适应能力，使的PLC的使用越来越广泛，由于PLC使用强电，因此基于PLC控制的恒温系统在工业上的应用价值远超单片机，比其更适应工业应用的需求，其中该系统使用到的PT100还具有抗振动耐高压等优点这是单片机控制所不能实现的。 1.3 系统开发需求1.3.1硬件需求：1.所选元件：FX2N-48MR，FX2N-5A 数模转换模块，电热棒，继电器，电位器等2.万用表：检测制作的分压电路板有没有断路，电子元件运行情况，调节变位器调整分压电路零点，检测电路板通电后的部分的具体电压电流值等。3.PC机：用来安装gx-developer、protel 99se 及Proteus软件1.3.2软件需求：1.Protel 99 SE软件：用来设计电路原理图和PCB图。2.Proteus 7 Professional：用来仿真电路原理图，验证硬件电路的可行性。3.GX-developer：用来设计梯形图。1.4 系统运行需求 本系统中FX2N-48MR和电热棒采用家用220v电源供电，PT100额定电流要求在5ma一下，用FX2N-5A输出5V电压供电，继电器选用24V驱动电压，采用FX2N-48MR中的Y0端口输出信号驱动。 1.5 设计功能要求 当工作开关打开的时候，系统开始加热,PT100检测系统温度并返回数据给FX2N-48MR当到达沸腾时沸腾标志灯亮，若保温开关打开，进入保温模式当温度低于65C时开始加热当温度高于75C时停止加热。 1.6 设计应解决的问题 在设计的过程必须解决的几个问题：原理图的绘制，PCB板电路板的印刷腐蚀，元器件的焊接，PT100调试，已经电路板零点电压的调试，FX2N-5A电压输入输出及模块供电的接线等，最终实现恒温控制。1.7 设计课题的意义恒温系统装置是一个模拟工业生产的锅炉恒温控制。他使用了PLC，数模转换功能模块，温度传感器，电热棒等。实现系统的加热，以及恒温保持。使用PID算法可以更加精确的控制系统温度。该模拟系统可用于对水的加热，以及保温。外面虽然可以买到类似的商品，但是却不如该系统灵活。随着经济的增长，人们对生活品质的要求越来越高，例如，人们对咖啡这种饮料就非常讲究。据研究表明刚煮好的一杯咖啡(9598度)倒进咖啡杯后,温度会下降到85度左右,如果加糖及奶精后温度会迅速下降到6070度左右,此时用手接触杯子的感觉就是很热但已经没有像咖啡刚倒进杯子时烫手的感觉了,此时喝口感最好.按照正常的做法是咖啡倒入杯子前要温杯,就是咖啡煮好后要倒入杯子前先用开水烫一下,后将开水倒掉再倒咖啡,这样煮出来的咖啡倒进杯子后温度就不会迅速下降了。但是这样做的一个弊端就是他不能将咖啡时刻保持在60-70这个温度。市场已有的保温杯保持的温度通常不能达到这个要求，即使温度达到要求也不能很精确的保持。而通过PLC可以灵活的控制想要达到的温度。2. PLC简介2.1 PLC的发展概况PLC产生于上世纪60年代，崛起于70年代，成熟于80年代，于90年代取得技术上的新突破，21世纪PLC技术发展的几个特点为：适应市场需要，加强PLC通信联网的信息处理能力；PLC向开放性发展；PLC的体积小型化，运算速度高速化；软PLC出现；PLC编程语言趋于标准化。其应用领域目前不断扩大，并延伸到过程控制、批处理、运动和传动控制、无线电遥控以至实现全厂的综合自动化。2.1.1 发展回顾上世纪60年代末PLC产生于美国马萨诸塞州，MODICON084是世界上第一种投入生产的PLC。PLC崛起于70年代，首先在汽车流水线上大量应用。80年代PLC走向成熟，全面采用微电子处理器技术，得到大量推广应用，年销售始终以高于20%的增长率上升，奠定了其在工业控制中不可动摇的地位。90年代，随着工控编程语言IEC61131-3的正式颁布，PLC开始了它的第三个发展时期，在技术上取得新的突破。PLC在系统结构上，从传统的单机向多CPU和分布式及远程控制系统发展；在编程语言上，图形化和文本化语言的多样性，创造了更具表达控制要求、通信能力和文字处理的编程环境；从应用角度看，除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外，更发展了以PLC为基础的DCS系统、监控和数据采集系统（SCADA）、柔性制造系统（FMS）、安全连锁保护系统（ESD）等，全方位地提高了PLC的应用范围和水平。2.1.2 21世纪PLC技术发展的几个特点1、适应市场需要，加强PLC通信联网的信息处理能力在信息时代的今天，几乎所有PLC制造商都注意到了加强PLC通信联网的信息处理能力这一点。小型PLC都有通信接口，中、大型PLC都有专门的通信模块。随着计算机网络技术的飞速发展，PLC的通信联网能使其与PC和其它智能控制设备很方便地交换信息，实现分散控制和集中管理。也就是说，用户需要PLC与PC更好地融合，通过PLC在软技术上协助改善被控过程的生产性能，在PLC这一级就可以加强信息处理能力。例如，CONTEC与日本三菱电机公司（以下简称为三菱电机）合作，推出专门插在小Q系列PLC的机架上的PC机模块，该模块实际上就是一台可在工厂现场环境下正常运行，而且可通过PLC的内部总线与PLC的CPU模块交换数据的PC机。其处理芯片采用IntelCeleron400M主频、系统内存128MB、Cache128K、支持外挂显示器，该模块内装WindowsNT4.0或Windows2000。支持的软件有：三菱综合F4软件，包括PLC编程软件GT、FA数据处理软件MX、人机界面画面设计软件GT、运动控制设计编程软件MT等。最近，国外一些中、大型PLC制造商推出了一个机架上可以插多个CPU模块的结构，将PC机模块与PLC的CPU模块、过程控制CPU模块或运动控制模块同时插在一个机架上。实际上就是将原来PLC要通过工厂自动化（FA）用PC机与管理计算机通信的三层结构改为PLC系统可直接与生产管理用的计算机的两层结构。这样生产管理更加快捷方便。小型PLC之间通信“傻瓜化”。为了尽量减少PLC用户在通信编程方面的工作量，PLC制造商做了大量工作，使设备之间的通信自动地周期性的进行，而不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时作一些硬件或软件上初始化设置。如欧姆龙公司的两台CPM1A之间一对一连接通信只需用三根导线将它们的RS-232C通信接口连在一起后将通信有关的参数写入5个指定的数据存储器中，即可方便地实现两台PLC之间的通信。2、PLC向开放性发展早期的PLC缺点之一是它的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，如专用总线、通信网络及协议、I/O模块更互不通用，甚至连机架、电源模板亦各不相同，编程语言之一的梯形图名称虽一致，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此，几乎各个公司的PLC均互不兼容。目前，PLC在开放性方面已有实质性突破。十多年前PLC被攻破的一个重要方面就是它的专有性，现在情况有了极大改观，不少大型PLC厂商在PLC系统结构上采用了各种工业标准，如IEC61131-3、IEEE802.3以太网、TCP/IP、UDP/IP等。例如，AEGSchneider集团已开发以PLC机为基础，在Windows平台下，符合IEC61131-3国际标准的全新一代开放体系结构的PLC实现高度分散控制，开放度高。2.2 PLC的概念及其应用特点2.2.1 PLC的名称PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。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。国际电工委员会(IEC)在其标准中将PLC定义为: 可程式逻辑控制器是一种数位运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可程式逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。2.2.2PLC的特点1.可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 3.易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5.体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。6.使用强电，可以实现工业应用的需求使用强电的PLC，在工业上的应用价值远超单片机。2.3 PLC的应用领域 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：1开关量逻辑控制 取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。3运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4数据处理 PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.4 PLC的种类2.4.1按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。1.整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。2.模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。2.4.2按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。1.低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。2.中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。3.高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化2.4.3按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。1.小型PLCI/O点数 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K2.5 PLC的未来展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。3. 系统的方案设计3.1任务要求系统由PLC主模块，PLC数模转换模块，温度监测模块和加热模块组成，PLC主模块负责处理输入信号及控制系统何时加热何时不加热，PLC数模转换模块负责将温度信号由模拟信号转化成数据信号交由PLC主模块处理，温度监测模块实现对系统温度的实时监测，加热模块则实现对液体的加热。3.2设计方案的选择3.2.1 数模转换模块的选择该系统最重要的部分就是数模转换，只有将温度传感器的温度信号从模拟量转换为数字量才能交由FX2N-48MR处理，因此缺少了这个部分这个系统就没办法正常工作。方案一：采用FX2N-4AD-PT数模转换模块，拥有4通道温度输入，它可以直接连接PT100温度传感器，经过该模块的处理将PT100的信号直接转换成温度数据传送给FX2N-48MR模块。但是由于经费的原因故放弃该方案。方案二：采用FX2N-5A数模转换模块，拥有4个A/D通道，1个D/A通道，我们可以构造一个分压电路连接PT100，使用D/A通道送出一个恒定的电压供分压电路工作，使用A/D通道读取并计算出当前系统温度。 方案三：采用FX3UC。模块本身自带PID算法可以更加精确的控制温度。同样由于现实因素不能选用该方案。综合方案一、方案二与方案三的比较，方案一更能快速方便的得到温度信号，但是由于经费问题，只能退而求其次选用实验室有的FX2N-5A数模转换功能模块。3.2.2 温度传感器的选择方案一：使用Pt100热敏电阻传感器。用高纯度铂做电阻导体，具有非常好的线性、高温稳定性和复现性。在现代工业生产过程中具有十分广泛的应用。测量范围：-200C+850C允许偏差0.15C方案二：使用数字温度传感器DS18B20。经常使用于民用设备，具有体积小使用方便在使用中不需要任何外围元件等优点。测量范围：55125，固有测温分辨率0.5。综合方案一与方案二的比较，方案一在试用范围和精度上，以及工业适用性上都优于方案二，故选择PT100热敏电阻传感器。3.2.3 加热装置的选择方案一：使用平常使用的随手泡改造。方案二：使用烧得快加上水桶。综合方案一与方案二的比较，方案二性价比比较高而且，使用水桶能够空出足够的空间供PT100放置。电热棒的功率考虑到继电器的成本随负载功率的增大而增大应尽量选择小功率的电热棒。3.2.4 继电器的选择由于FX2N-5A唯一的一路输出通道已被PT100的分压电路占用，而FX2N-48MR本身只能提供24V的电压，为方便使用，故选择驱动电压为24V的继电器，负载考虑到使用电热棒功率较大，选择使用10A的负载避免继电器被烧坏。3.3 PLC的选择选用实验室具备的FX2N-48MR，3.4 程序流程图开始工作开关？电热棒加热检测温度YT=100CNY保温开关？Y系统监测温度,电热棒OFFT=68CYYNN结束图3-1 程序流程图4. PLC的硬件4.1 PLC包含的硬件该系统主要包含几大模块：PLC主模块，PLC数模转换模块，温度监测模块和加热模块。4.1.1 PLC主模块选用实验室自备的FX2N-48MR。FX2N-48MR的简介：控制规模：16-256点，内置8K容量的EEPROM存储器,最大可以扩展到16K，CPU运算处理速度0.55-0.7S/基本指令，在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块，基本单元内置2轴独立最高100kHz定位功能(晶体管输出型）。4.1.2 PLC数模转换模块选用FX2N-5A特殊功能模块。FX2N-5A的简介：FX2N-5A模拟量特殊功能模块有4路输入通道和一路输出通道。输入通道接收模拟量信号并将其转换成相应的数字值。输出通道获取一个数字值并且输出一个相应的数字值。1.模拟量信号输入可以选择电压输入或者是电流输入。使用PLC主单元提供的TO指令来设定有效的模拟量输入信号。PLC指令用来选择对应每个相应通道的不同的模拟量输入信号的类型。2.FX2N-5A可以与FX2N,FX2NC，FX1N或者是FX0N系列的可编程序控制器连接。（在以下都作为PLC）。使用FROM/TO指令，通过FX2N-5A的缓冲存储器和PLC之间进行数据转换。图4-1 FX2N-5A 外观及尺寸图图4-2 FX2N-5A的输入接线图4-3 FXEN-5A的输出接线由FX2N-5A的说明书可知，该模块通过扩展电缆连接到FX2N-48MR主单元，模块需要接入一个24V电源，可以由FX2N-48MR的24V和com端口提供。根据上述的设计方案可知我们需要利用FX2N-5A模块为PT100的分压电路提供一个5V电压，故输出接线方式选用电压输出方式，分压电路输出的是一个电压信号，所以输入接线方式也选用电压输入方式。即分压电路的VCC连接模块输出端口的V+，地线接VI-，分压电路的输出电压端连接模块输入端口V+以及VI-。4.1.3加热模块选用220V 5A的电热棒，及HHC66A(T73)(10A DC18-24V)继电器电磁继电器的工作原理和特性：电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。图4-4 继电器外观及引脚功能由资料及万用表测得1和3为继电器的控制端，5为常闭触电，4为常开触电。本系统使用的是常闭的接线方法，系统一运行，加热棒就开始工作。4.1.4 温度监测模块使用PT100及其外围电路。PT100的简介：pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5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，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。图4-5 PT100的分度表常见的pt1oo感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成。图4-6 PT100外观图本系统采用三线制的PT100，二线制和三线制是用电桥法测量，最后给出的是温度值与模拟量输出值的关系。四线没有电桥，完全只是用恒流源发送，电压计测量，最后给出测量电阻值。连接导线的电阻和接触电阻会对Pt100铂电阻测温精度产生较大影响，铂电阻三线制或者四线制接线方式能有效消除这种影响。与热电阻连接的检测设备（温控仪、PLC输入等）都有四个接线端子：I+、I-、V+、V-。其中，I+、I-端是为了给热电阻提供恒定的电流，V+、V-是用来监测热电阻的电压变化依次检测温度变化。请参阅下图：图4-6 各种PT100的接线图1四线制就是从热电阻两端引出4线，接线时电路回路和电压测量回路独立分开接线，测量精度高，需要导线多。2三线制就是引出三线，Pt100B铂电阻接线时电流回路的参端和电压测量回路的参考为一条线（即检测设备的I-端子和V-端子短接），精度稍好。3两线制就使引出两线，Pt100B铂电阻接线时接线时电流回路和电压测量回路合二为一（即检测设备的I-端子和V-端子短接、I+端子和V+短接短接）。测量精度差。比较三种型号并结合实际最终选择了三线制PT100。4.2 Protel 99 SE的简介Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。 4.3设计硬件图图4-7 分压电路原理图图4-8 电路PCB图测温原理：电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥（其中R1R2，VR2为100精密电阻），当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3R4、 R5R6、放大倍数R5/R3，运放采用单一5V供电。4.4硬件设计的误区设计及调试注意点：1. 同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小；2. 改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范围的要求3. 放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作。4. VR2也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定，例如Pt100的零点温度为0，即0时电阻为100，当电位器阻值调至109.885时，温度的零点就被设定在了25。测量电位器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变。5. 理论上，运放输出的电压为输入压差信号放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号为4.096*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2) （4-1）式中电阻值以电路工作时量取的为准。6. 电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接VCC的话，当网压波动造成VCC发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到以VCC未发生波动时建立的温度-电阻表中去查表求值时就不正确了，这可以根据式（4-1）进行计算得知。5. 设计总结5.1设计遇到问题FX2N-5A特殊功能模块：FX2N-5A特殊功能模块到手以后，由于是第一次使用碰到许多问题，例如：1.扩展线连接PLC主模块FX2N-48MR后写入代码FX2N-5A不工作。2. FX2N-5A输出端口输出3ma电流，直接连接PT100热敏电阻两端，并从PT100引出两条导线连接输入端口，输入模式选择电压输入，希望测得PT100即时的电压推算出当前温度，结果未能得到预计数据。3.FX2N-5A输出端口改用输出5V电压，连接PT100热敏电阻，其中一端接PT100的一线，PT100的另一线连接FX2N-5A模块的输入端口，再由输入端口的另一端连接输出端口的另一端，输入模式选择电流模式。希望得出PT100的电流推算出当前温度。结果未能成功获得正确数据。4.FX2N-5A的输入和输出数据与实际给定的数据存在较大的误差。PT100：按照说明手册PT100的电阻在常温下的电阻应该为100欧左右，但是实测得到的数据远远大于100欧，测得的电阻为4.7兆欧。而且PT100的电阻随温度增加而增加，现实测得的电阻随温度增加而降低。分压电路：FX2N-5A输出端口连接分压电路提供5V电压,分压电路的输出端连接FX2N-5A的输入端口，理论上输入端口应该得到一个毫安级的电压差，结果测得的是一个与输出电压差不多大的电压值。5.2问题的解决FX2N-5A特殊功能模块问题的解决：1.模块不工作的原因是，FX2N-5A除了扩展线要连接PLC主模块外，还需外部提供一个24V电压。把PLC的24V和COM端口连接到FX2N-5A。模块即可正常工作。2.测不到与理论值相近的数据的解决方法是,构建一个分压电路连接PT100及FX2N-5A模块。PT100问题的解决：经过多种方法的测试，最后得出的结论是，PT100这个元件已经被烧坏。初步分析可能是一开始直接将PT100连接到FX2N-5A导致的，PT100允许的最大电流为5ma。通过更换PT100元件问题得到解决。分压电路问题的解决：经过万用表的测试，发现LM324未能正常工作，观察原理图及PCB图，通过显示原理图引脚发现原理图中LM324的引脚出现了错误。最后利用引出排线重新连接LM324问题得到了解决。5.3取得成果经过上述问题的解决，系统终于能够正常运行。初步实现了预定的功能。系统开始运行时，X0为ON的时候，电热棒开始加热，至液体沸腾时，沸腾标志位Y1得电，电热棒停止加热。检测保温开关X1，若X1为ON，当系统温度降至62C时电热棒继续加热，当系统达到68C时电热棒停止加热，如此一直循环，直至保温开关X1状态变为OFF。5.4设计收获通过对该系统的理解和研究，发现并解决一个个问题，系统终于可以正常的运行了。在这个过程中获得了许多宝贵的经验。例如PT100问题的解决让我明白要大胆的假设才能最终发现问题。
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