毕业设计（论文）-基于PLC的高线温度监控系统设计.doc

毕毕业业设设计计 论论文文 题题 目目基于基于 PLCPLC 的高线温度监控系统设计的高线温度监控系统设计 学学 院院自动化自动化 专专 业业自动化自动化 姓姓 名名 班班 级级 学学 号号 指导教师指导教师 基于基于 PLCPLC 的高线温度监控系统设计的高线温度监控系统设计 摘要 钢坯温度是高速线材轧制过程中最为重要的工艺参数之一 该文的主要目 的就是介绍如何利用温度测量仪表和 PLC 来实现对此高速线材温度的实时监控 为了 实现这一目的 首先在现场的测温点上安装了测温仪表 测温点共六个 分别分布在 甲线和乙线的粗轧 精轧及吐丝点上 该设计测温方法采用了目前工业上最为代表的 非接触式测量方法 测温仪表选择了 IRCON 的 modline5 非接触式比色红外测温仪 测 温范围在 600 1400 度 从红外仪表输出的是 4 20mA 的电流信号 而 PLC 处理的是数 字量 因此必须由 PLC 中的 A D 转换器将模拟量转换成数字量才能实现对温度数据的 采集工作 其中 PLC 选用了西门子的 S7 200 系列中的 CPU224 扩展了两个模拟量输入 模块 EM231 来提供模拟量的输入 最后把采集到的数字量存放在 PLC 特定的变量存储 区中以待上微机的读取 关键词 高速线材 非接触式 A D 转换器 The temperature monitoring system of high line based on PLC Abstract Steel billet temperature is one of the most important craft parameters in the rolling course of material of line at a high speed line main purpose of this article to recommend how is it is it control in real time to at a high speed line material temperature this to realize to make use of temperature survey instrument and PLC For realize purpose this at first in to examine warm to is it install examine warm instrument to have a bit scene it amounts to six a bit more warmly to examine roughing that is distributed in Line first and Line second separately finish rolling and spitting silks to click Is it is it examine warm method adopt industry non contact type to measure the method for representative the most at present to design to it s time examine the warm instrument and choose modline5 of IRCON non contact type infrared thermoscope examine the warm range in 600 1400 degrees It was the electric current signal of 4 20mA that outputted from the infrared instrument and what PLC is dealt with is figure amount So must change analog quantity into the figure amount to realize by A D converter in PLC that works to the collection of the temperature data PLC among them select S7 200 CPU224 of series of Siemens for use expand two analog quantity input module EM231 offer the introduction of analog quantity Leave figure amount got to gather in PLC in the hope to pay the reading of the computer among the specific variable storage area finally Keywords high speed line non contact A D converter 目 录 引 言 1 第一章 绪论 2 1 1 测温技术的背景和发展 2 1 1 1 常见的几种测温方法 2 1 1 2 国内外温度检测技术的动向与趋势 3 1 1 3 测温在钢铁工业上的应用 3 1 2 PLC 的形成和发展 4 1 2 1 PLC 的形成 4 1 2 2 可编程控制器的发展趋势 5 第二章 硬件系统设计 6 2 1 总体设计 6 2 2 测量方法和测量仪表的选择 6 2 2 1 测量方法的确定 6 2 2 2 测量仪表的选择 7 2 3 PLC 的选择 10 2 3 1 PLC 的选择 10 2 3 2 模拟输入模块的选择 15 2 4 硬件的安装 17 2 4 1 红外探头的安装 17 2 4 2 PLC 的安装 19 第三章 软件设计 22 3 1 数据采集软件设计 22 3 2 程序调试方法 24 结 论 27 致 谢 28 参考文献 29 附 录 30 引引 言言 改革开放 20 年来 我国线棒材工业发展迅速 目前我国线棒材已占钢材总产量的 48 50 成为了世界上线棒材产量最高的国家 随着经济的发展 线棒材的产量将继续增加 但是相对发达 国家来说 我国优质线棒材占线棒材的总量比例很低 温度的控制是线棒材生产工艺中最基本也是 最要的参数之一 针对线棒材的温度测量 本文采用了目前工业中最常用的非接触红外测量方法 做到了不接触钢坯又能精确地测量温度 结合 PLC 对温度的采集 能够及时有效地监控温度的变化 本文的最后还使用 PLC 仿真软件模拟现场温度的变化 使整个过程更加直观 本文第一章介绍了测温技术和 PLC 的发展 第二章具体介绍整个系统的设计以及系统中各个设 备的选用原则和所选用的设备的详细资料 在文章的最后进行了数据采集软件的设计流程图以及对 该流程图的简单的说明 第一章第一章 绪论绪论 1 1 测温技术的背景和发展 温度是一个基本的物理量它是工业生产过程中最普遍 最重要的工艺参数之一 随着工业的 不断发展 对温度测量的要求越来越高 而且测量范围也越来越广 因此 对温度检测技术的要 求也越来越高 1 1 1 高温下的测温方法 接触式 非接触式 热象仪原理 随着国内外工业的日益发展 温度检测技术也不断地进步 目前的温度检测使用的温度计种类 繁多 应用范围也较广泛 大致包括以下几种方法 1 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计 利用此原理制成的温度计大致分成三大类 a 玻璃温度计 它是利用玻璃感温包内的测温物质 水银 酒精 甲苯 煤油等 受热膨胀 遇冷收缩的原理进行温度测量的 b 双金属温度计 它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在一起制成的双金属片作为感 温元件 当温度变化时 一端固定的双金属片由于两 种金属膨胀系数不同而产生弯曲 自由端的 位移通过传动机构带动指针 指示出相应温度 c 压力式温度计 它是由感温物质 氮气 水银 二甲苯 甲苯 甘油和低 沸点液体如氯甲 烷 氯乙烷等 随温度变化 压力发生相应变化用弹 簧管压力表测出它的压力值 经换算得出被测 物质的温度值 2 利用热电效应技术制成的温度检侧元件 利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶 热电偶发展较早 比较成熟 至今仍为应用最 广泛的检测元件 热电偶具有结构简单 制作方便 测量范围宽 3 利用热阻效应技术制成的温度计 利用此技术制成的温度计大致可分成以下几种 a 电阻测温元件 它是利用感温元件 导体 的电阻随温度变化的性质 将电阻的变化值用显 示仪表反映出来 从而达到测温的目的 目前常用的有 铂热电阻 分度号为Pt10 Pt10两种 和铜热 电阻 分度号有Cu5O Cu100两种 b 导体测温元件 它与热电阻的温阻特性刚好相反 即有很大副温度系数 也就是说温度升 高时 其阻值降低 c 陶瓷热敏元件 它的实质是利用半导体电阻的正温特性 用半导体陶瓷材料制作而成的热 敏元件 常称为PCT或NCT热敏元件 PCT热敏元件分为突变型及缓变型二类 突变型PCT件的温阻特 性是当温度达到顶点时 它的阻值突 然变大 有限流功能 多数用于保护电器 缓变型 PCT元件 的温阻特性 基本上随温度升高阻值慢慢增大 起温度补偿作用 NCT元件特性与 PCT 元件的突变 特性刚好相反 即随温度升高 它的阻值减小 4 利用热辐射原理制成的高温计 热辐射高温计通常分为两种 一种是单色辐射高温计 一般称光学高温计 另一种是全辐射高 温计 它的原理是物体受热辐射后 视物体本身的性质 能将 其吸收 透过或反射 而受热物体 放出的辐射能的多少 与它的温度有一定的关系 热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的 1 1 2 国内外温度检测技术的动向与趋势 随着工业生产效率的不断提高 自动化水平与范围也不断扩大 因而对温度检测技术的要求也 愈来愈高 一般可以归纳以下几方面 1 扩展检测范围 现在工业上通用的温度检测范围为200 3000 而今后要求能测量超高温与超低温 尤其是液 化气体的极低温度检测更为迫切 如IOK 以下的温度检测是当前重点研究课题 2 扩大测温对象 温度检测技术将会由点测温发展到线 面 甚至立体的测量 应用范围己经从土业领域延伸到 环境保护 家用电器 汽车工业及航天工业领域 3 发展新型产品 利用以前的检测技术生产出适应于不同场合 不同工况要求的新型产品 以满足用户需要 同 时利 用新的检测技术制造出新的产品 4 适应特殊环境下的测温 对许多场合中的温度检测器有特殊要求 如防硫 防爆 耐磨等性能要求 又如移动物体和高 速旋转物体的测温 钢水的连续测温 火焰温度检测等 5 显示数字化 温度仪表向数字化方向发展 其最大优点是直观 无读数误差 分辨率高 测量误差小 因而 有广阔的销售市场 6 标定自动化 应用计算机技术 快速 准确 自动地标定温度检测器 根据上述要求 国内外温度仪表制造 商将向以下几方面发展 a 继续生产量大面广的传统的温度检测元件 如 热电偶 热电阻 热敏电阻等 b 加强新原理 新材料 新加工工艺的开发 如近来己开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测 器 厚膜 薄膜铂电阻温度检测器 硅单晶热敏电阻温度检测 器 等 c 向智能化 集成化 适用化方向发展 新产品不仅要具有检测功能 又要具有判断和指令 等多功能 采用微机向智能化方向发展 向机电一体化方向发 展 1 1 3 温度监控在钢铁工业上的应用 在高线轧制过程中 温度更是一个重要的参数 合理的温度范围和准确的温度测量对提高产品 质量 产量 降低消耗 实现冶金自动化 均有积极作用 在介绍了测温技术之后 我们接着介绍 PLC 为什么要介绍 PLC 呢 那是通过仪表测量得到的 数据常常需要进行一定处理 不只是单单的显示而已 而 PLC 正好能做到这一点 它可以完成数据 的采集 处理和与网络中的其他设备进行通讯 能很好的满足现代化生产的要求 1 2 PLC 在监控系统中的应用及应用前景 可编程控制器 Programmable Controller 又称为可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller PLC 根据国际电工委员会 IEC 在 1987 年的可编程控制器国际标准第三稿中 对其定 义如下 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用可 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 计数与算术运算等操作的指 令 并通过数字式 模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编程控制器及其有 关外部设备 都应按易于使工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 1 2 1 PLC 的形成 1969 年 美国数字设备公司 DEC 研制出第一台 PLC 在美国通用汽车自动装配线上试用 获 得了成功 这种新型的工业控制装置以其简单易懂 操作方便 可靠性高 通用灵活 体积小 使 用寿命长等一系列优点 很快地在美国其他工业领域推广应用 到 1971 年 己经成功地应用于食 品 饮料 冶金 造纸等工业 虽然 PLC 问世时间不长 但是随着微处理器的出现 大规模 超大 规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步 PLC 也迅速发展 其发展过程大致可分 四代 第一代 1969 1972 年 这个时期的产品 CPU 由中小规模集成电路组成 存储器为磁芯存储器 其功能也比较单一 仅能实现逻辑运算 定时 计数等功能 其中 PLC 特有的编程语言梯形图一直 沿用至今 成为可编程控制器的第一用户语言 第二代在 1973 1975 年 这个时期的产品已开始使用微处理器作为 CPUI PLC 可编程逻辑控制 器 成为真正意义上的 PC 可编程控制器 尚未正式命名 而存储器采用半导体存储器 其功能上 有所增加 能够实现数字运算 传送 比较等功能 并初步具备自诊断功能 可靠性有了一定提高 典型产品有 51 美国哥德公司的 MODICON184 284 384 系列 原西德西门子的 SYMATIC S3 S4 系 列 日本富士的 SC 系列等 我国在 1974 年也开始研制自己的 PLC 第三代在 1976 1983 年 这个时期 PLC 进入了大发展阶段 美国 日本 原西德各有几十个 厂家生产 PLC 这个时期的产品己采用 8 位和 16 位微处理器作为 CPU 部分产品还采用了多微处理 器结构 其功能显著增强 速度大大提高 并能进行多种复杂的数学运算 具备完善的通讯功能和 较强的远程 1 0 能力 具有较强的自诊断功能并采用了容错技术 1980 年 美国电气制造协会 NEMA 将 PLC 正式命名为可变成控制器 PC 典型产品有 美国哥德公司的 584 684 884 系列 原 西德西门子的 SYMAT ICS5 系列 日本三菱公司的 MELPLAC 50 550 系列 日本 OMRON 公司的 C 系 列 6 等 第四代为 1983 年到现在 这个时期的产品除采用 16 位以上的微处理器作为 CPU 外 内存容量 更大 有的已达数兆字节 可以将多台 PLC 链接起来 实现资源共享 可以直接用于一些规模较大 的复杂控制系统 编程语言除了可使用传统的梯形图 流程图等 还可使用高级语言 外设多样化 可以配置 CRT 和打印机等 典型产品有美国德州仪器公司的 T1560 T1565 6 等 第一 代 PLC 功 能太弱 已基本淘汰 第四代 PLC 面向复杂大型系统 应用还不广泛 目前 在各行业应用最多的 是第二 三代产品 另外 在 PLC 的发展过程中 产生了三类按 1 0 点分类的 PLC 小型 中型 大型 一般小于 256 点为小型 小于 64 为超小型或微型 PLC 控制点不大于 2048 点为中型 PLC 2048 点以上为大型 PLC 超过 8192 点为超大型 PLC 1 2 2 可编程控制器的发展趋势 自 60 年代末引入 PLC 技术以来 PLC 的发展趋势主要表现在以下几个方面 1 微型 小型 PLC 功能明显增强 很多有名的 PLC 厂家相继推出高速 高性能 小型 特别是微型的 PLC 三菱的 FXOS14 8 个 24VDC 输入 6 个继电器输出 其尺寸仅为 58mmx89mm 仅大于信用卡几个毫米 而功能却有所增 强 使 PLC 的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业 如快餐厅 医院手术室 旋转门和车辆等 甚至引入家庭住宅 娱乐场所和商业部门 2 向开放性转变 编程语言多样化 传统 PLC 存在严重的缺点 主要是 PLC 的软 硬件体系结构是封闭而不是开放的 绝大多数的 PLC 是专用总线 专用通信网络及协议 编程虽多为梯形图 但各公司的组态 寻址 语文结构不 一致 使各种 PLC 互不兼容 国际电工协会 IEC 在 1993 年颁布了 IEC61131 3 可编程序控制器 的 编程软件标准 为各 PLC 厂家编程的标准化铺平了道路 我国也在 1995 按照这个标准制定了可编 程控制器的国家标准 IEC 61131 3 规定 5 种编程语言 我国国家标准中也遵守此规定 梯形图 LD 美 日 顺序功能图 SFC 欧洲 功能块图 FBD 欧洲 结构文本 ST 和指令表 IL 德 日 为适 合不同应用场合和不同国家应用习惯的要求 允许在同一个 PLC 程序中使用多种编程语台 3 向集成化 通讯化 网络化发展 由于控制内容的复杂化和高难度化 使 PLC 向集成化方向发展 PLC 与 PC 集成 PLC 与 DCS 集 成 PLC 与 PID 集成等 并强化了通讯能力和网络化 网络化和强化通信能力是 PLC 的重要发展方 向 尤其是以 PC 为基础的控制产品增长率最快 PLC 与 PC 集成 即将计算机 PLC 及操作人员的 人一机接口结合在一起 使 PLC 能利用计算机丰富的软件资源 而计算机能和 PLC 的模块交互存取 数据 以 PC 机为基础的控制方法使得用户编程更加方便 而且提供开放的体系结构 用户可以根 据需要选择各类 各厂家的 PLC 或 I O 设备进行互联 从而可以降低生成成本和提高生产率 4 PLC 的新进展 软 PLC 计算机软 硬件技术的迅速发展 推动了自动控制技术又取得了一系列新的进展 德国工业 界最新推出了以计算机为平台的 SOFT PLC 可以说是这方面的优秀代表 软 PLC 又有人称作 PCPLC 嵌入式 PLC 顾名思义 软 PLC 实际利用软件来实现传统 PLC 的功能 软 PLC 的特 点是 基于工业计算机的柔性可编程逻辑控制技术 可以充分利用最新计算机的高速 大容量 丰 富功能及各种软件资源 SOFT PLC 最大的优势是具备柔性扩展能力 用户可以选择不同厂家生产的各种硬件产品 充 分利用每一软件的最佳特性 组成最佳的控制系统 同时与硬件的连接也十分方便 有很多的 I 0 卡可以直接内连接到 SOFT PLC 计算机总线上 从而在软 硬件两方面可以达到工控机和 PLC 性能 的完美结合 方便了性能扩展和人机交流 是 PLC 未来的一大发展趋势 第二章第二章 硬件系统设计硬件系统设计 2 1 总体设计 根据现场线材生产的工艺要求 在现场的测温点上安装了测温仪表作为前端温度传感器 接着 温度传感器输出信号将传送到 PLC 再由 PLC 完成温度数据的采集工作 最后把采集到的数字量存 放在 PLC 特定的变量存储区中以待上微机的读取 系统的基本设计图如图 2 1 所示 前端共六个测温点 分别分布在甲线和乙线的粗轧 精轧及 吐丝点上 温度的范围在 600 1400 度 图 2 1 简单的工艺流程 方案图 必要的说明 为什么要这样设计 2 2 测量方法和测量仪表的选择 2 2 1 测量方法的确定 单色原理 双色原理 图 计算公式 根据高速线材生产的工艺要求 需要对生产线上的粗轧 精轧及吐丝点的温度进行实时地测量 加上线材的温度非常高 不能对其进行接触式测量 结合第一章第一节对几种测温方法的介绍 显 然采用热辐射高温计是最好的选择 辐射测温的原理是 任何物体 其温度超过绝对零度 都会以电磁波的形式向周围辐射能量 这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的 其中与物体本身温度有关传播热能 的那部分辐射 称为热辐射 而把能对被测物体热辐射能量进行检测 进而确定被测物体温度的仪 表 通称为辐射式温度计 辐射式温度计的感温元件不需和被测物体或被测介质直接接触 所以其 感温元件不需达到被测物体的温度 从而不会受被测物体的高温及介质腐蚀等影响 它可以测量高 达摄氏几千度的高温 而感温元件不会破坏被测物体原来的温度场 可以方便地用于测量运动物体 的温度是此类仪表的突出优点 辐射测温又分为单色和比色的 其中比色测温仪是根据维思位移定律实现的 维思位移定律是 指 当温度升高时 绝对黑体辐射能量的光谱分布要发生变化 一方面辐射峰值向波长短的方向移 动 另一方面光谱分布曲线的斜率将明显增加 斜率的增加致使两个波长对应的光谱能量比发生明 显的变化 所以根据测量两个光谱能量比 两波长下的亮度比 来测量物体温度的方法称比色测温法 且如果当两个波长均选在红外光波段 则该仪表称为红外比色温度计 单色测温仪则单靠物体的辐 射强度来测量温度的 此方法不适合于高速运动的物体和恶劣环境下使用 因此本系统中应该选择 比色非接触式红外测温方法 2 2 2 测量仪表的选择 价格 抗干扰能力 国内市场 说到测量仪表 首先得了解下红外测温仪工作原理图 图 2 1 为红外测温仪的工作原理图 它的工作原理为光学反馈式结构 被测物体 S 和参考源 R 的红外辐射经调制盘 T 调制后输至红外探测器 D 调制盘 T 由同步电动机 M 带动 探测器 D 的输出 电信号经放大器 A 和相敏整流器 K 后送至控制放大器 C 控制参考源的辐射强度 当参考源和被测 物体的辐射强度一致时 参考源的加热电流即代表被测温度 图自己画 了解了工作原理后 那么如何选择一个合适的测温仪表可从以下三方面进行考虑 1 性能指标方面 如温度范围 目标尺寸 工作波长 光学分辨率 响应时间等 a 温度范围是测温仪最重要的一个性能指标 每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围 因此被测温度范围一定要考虑准确 周全 既不要过窄 也不要过宽 根据黑体辐射定律 在光谱 的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化 因此 测温 时应尽量选用短波较好 b 红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪 辐射比色测温仪 对于单色测温仪 在进行测温时 被测目标尺寸应超过视场大小的 50 为好 如果目标尺寸小于视场 背景辐射能量 就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数 造成误差 相反 如果目标大于测温仪的视场 测温仪就 不会受到测量区域外面的背景影响 对于双色测温仪 其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的 因此当被测目标 很小 没有充满现场 测量通路上存在烟雾 尘埃 阻挡对辐射能量有衰减时 都不会对测量结果 图 2 1 产生影响 甚至在能量衰减了 95 的情况下 仍能保证要求的测温精度 对于目标细小 又处于运 动或振动之中的目标 有时在视场内运动 或可能部分移出视场的目标 在此条件下 使用双色测温 仪是最佳选择 c 目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱响应或波长 对于高反射率合金材料 有低 的或变化的发射率 在高温区 测量金属材料的最佳波长是近红外 可选用 0 18 1 0 m 波长 其他 温区可选用 1 6 m 2 2 m 和 3 9 m 波长 d 光学分辨率由 D S 确定 D S 比值越大 成本也越高 D S 是测温仪到目标之间的距离 D 与 测量光斑直径 S 之比 如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处 而又要测量小的目 标 就应选择高光学分辨率的测温仪 光学分辨率越高 即增大 D S 比值 测温仪的成本也越高 e 响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度 如果目标的运动速度很快或测量快 速加热的目标时 要选用快速响应红外测温仪 否则达不到足够的信号响应 会降低测量精度 然 而 并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪 对于静止的或目标热过程存在热惯性时 测温 仪的响应时间就可以放宽要求了 因此 红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应 2 环境和工作条件方面 如环境温度 窗口 显示和输出 保护附件等 当环境温度过高 存在灰尘 烟雾和蒸汽的条件下 可选用厂商提供的保护套 水冷却 空气 冷却系统 空气吹扫器等附件 这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪 实现准确测温 在 确定附件时 应尽可能要求标准化服务 以降低安装成本 当烟雾 灰尘或其他颗粒降低测量能量 信呈悍 双色测温仪是最佳选择 在噪声 电磁场 震动或难以接近环境条件下 或其他恶劣条件 下 光纤双色测温仪是最佳选择 3 其他选择方面 如使用方便 维修和校准性能以及价格等 也对测温仪选择产生一定的影 响 由于市场上的红外测温仪品牌繁多 无法逐一比较 下面只对目前最常见的几个品牌如 美国 Raytek 德国 optris 美国 IRCON 等进行比较 由于高线的最高温度不超过 1400 最低温度不 会低于 600 而且生产现场周围温度高 存在大量灰尘 水蒸汽等 应选用双色测温仪 下面将 符合这两个基本条件的产品进行详细的比较 最后选定 表 2 1 RaytekIRCON Modline5 FR1A B CMR1S A B C Optris IRtec20 5R 14105R 18105R 3015 温度范围 A 500 1100 B 700 1500 C 1000 2500 A 500 1400 B 600 2000 C 750 3000 600 1600 600 1400 700 1800 1000 300 光谱响应0 7 1 2 m0 7 1 2 1 05 m0 9 m0 75 1 05 m 和 1 0 1 1 m 光学分辨率 A 20 1 B 45 1 C 65 1 A 80 1 B 300 1 C 300 1 63 1100 1100 1150 1 响应时间10ms 10ms28ms10ms 系统精度 0 3 1 0 5 或 1 读数的 0 5 2 通过表 2 1 的参数来看 就光谱响应来说基本上都差不多 IRCON 的稍微低点 光学分辨率上 MR1S B C 最高 IRCON 居中 其他的差不多 响应时间上 Optris 最慢 而系统精度总的来说都差 不多 符合高线生产的要求 在温度范围方面 最接近的是 IRCON 的 5R 1410 MR1S A 及 FR1 B 但后两者的光学分辨率不及前者 综上所述 IRCON Modline5 的 5R 1410 性价比最高 所以本系 统选用了该产品作为前端的温度传感器 选定了 IRCON Modline5 的 5R 1410 之后 我们将对其进行详细的介绍 它的基本特点有以下 方面 1 比色测温仪单 双可切换专门针对高温测量 2 采用后调焦 不必拆下水冷套等附件就可调焦 便于操作 3 测温范围广 光学解析度好 4 探头由耐用的符合NEMA 4标准的不锈钢外壳密封 5 采用透镜或激光瞄准 使安装方便简单 6 获得专利了的脏镜头检测功能保证了在恶劣的环境里的准确度 7 后面板显示安装非常容易 8 根据客户的需求完成线安装和附加设备的架设 除了基本特点外 它的参数有 E slope 范围 0 800 1 200 比色模式 重现性 在 25 时为满量程的 0 1 1 位数字 所有模式 信号处理 峰值保持及跟踪保持 所有模式 瞄准 透镜瞄准或激光瞄准 用户可选择通过透镜瞄准 输入输入 输出输出 模拟输出 0 20mA 4 20mA 最大负载电阻 600 模拟输入 4 20mA 继电器输出 系统报警 24VAC DC 1amp 阻抗 数字输入 输出 RS 485 用户设置 通讯速率最大为 57 6K 电源 24VDC 5 最大功率为 8W 环境温度环境温度 不带冷却装置 0 to 55 C32 to 130 F 带空气冷却包 0 to 105 C32 to 220 F 带水冷包 0 to 200 C 32 to 400 F 存放温度 20 to 70 C 4 to 160 F 电缆温度 200 C max 392 F max 物理防护 防护等级 NEMA 4 IP65 探头重量 1 4 kg 3 1 lbs 图 2 2 Modline 5 探头 相对湿度 10 to 90 无结露 振荡 IEC 68 2 27 IEC 68 2 2 3 PLC 的选择 2 3 1 PLC 的选择 现在 PLC 的厂商很多 比较常用 PLC 的有美国 AB 美国 GE 德国西门子 日本三菱 日本欧 姆龙等 其他品牌更是多得让人眼花缭乱 本系统选用的 PLC 主要基于以下方面考虑 1 工作量 这一点尤为重要 一般选择比控制点数多 10 30 的 PLC 这样可以弥补设计过程中遗漏的点 能够保证在运行过程中个别点有故障时 可以有替代点及将来增加点数的需要 本系统只有 6 个模 拟量输入点 所以选用带模拟量输入的小型 PLC 即可 2 编程器及编程软件 程序是整个自动控制系统的 心脏 程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作 一些厂家提供专用的编程器 但价格高 小型编程器虽然价格低 但功能简单 适用性差 现在最 常用的就是软件编程 因此选择熟悉的编程软件对编写程序更加有利 3 存储器 PLC 存储器是保存程序和数据的地方 要根据实际情况来选择存储器容量的大小 本系统的 PLC 只对温度进行采集和简单的处理 并不在 PLC 上长期保存数据 所以对存储器容量的要求很 低 小型 PLC 的存储器的容量已经足够了 4 与监控系统的通信 本系统的 PLC 要与工业 PC 机相连 以实现的数据的分析 处理及对高线的实时监控 故采用 最简单的点对点传输协议 5 是否有专用的模块 部分生产厂家的 PLC 产品提供了一些专用模块 如通信模块 PID 控制模块 计数器模块 模 拟输入 输出模块等 这大大方便了软件上的编程 除此之外还要考虑产品寿命 产品连续性 产品的更新周期 产品的售后服务与技术支持等等 下面将对一些厂家的小型 PLC 作下简单的介绍 1 三菱 FX1n 系列 PLC 的特点 控制点数在 14 128 点 主单元 14 40 60 点 使用 DIN 导轨或便利的安装孔直接安装表盘 增加大量的特殊功能模块满足单个需要 网络方面可通过连接板或特殊适配器实现多种通信和数据 链接 还有输入滤波器调节功能 可以平整输入信号 在线改变程序不会损失工作时间或停止生产 运转 2 欧姆龙 CPM2AH 产品特点 高速计数器能方便地测量高速运动的加工件 扩展能力增强 最大到 12 个通道的模拟量 带高速扫描和高速中断的高速处理 可方便地与 OMRON 的可编程程序终端 PT 相连接 为机器操 作提供一个可视化界面 A D D A 精度大幅度提高 分辨率为 1 6000 可进行分散控制和模拟量控制 通讯功能增加 提供内置 RS232C 端口及 RS485 的适配器 3 西门子的 S7 200PLC 特点 S7 200 CPU 模块包括一个中央处理单元 CPU 电源以及数字量 I O 点 这些都被集成在一 个紧凑 独立的设备中 CPU 负责执行程序和存储数据 以便对工业自动控制任务或过程进行控制 输入和输出是系统的控制点 输入部分从现场设备 例如传感器或开关 中采集信号 输出部 分则控制泵 电机以及工业过程中的其它设备 电源向 CPU 及其所连接的任何模块提供电力 通信端口允许将 S7 200CPU 同编程器或其它一些设备连接起来 状态信号灯显示了 CPU 的工作模式 本机 I O 的当前状态 以及检查出的系统错误 EEPROM 卡可以存储 CPU 程序 也可以将一个程序送到另一个 CPU 中 通过可选的插入式电池盒可延长 RAM 中的数据存储时间 一些 CPU 具有内置的实时时钟 其他 CPU 则需要实时时钟卡 通过扩展模块可增加 CPU 的 I O 点数 CPU 221 不可扩展 通过对上述产品的性能和价格的比较 选定了西门子的 S7 200 而 S7 200 有很多型号 不同 的型号就会有所不同 例如在功能方面 价格方面等等 下面将对 CPU 之间进行简单的比较来选择 一个合适的 性价比最高的型号 表格形式 SIMATIC S7 200 系列 CPU 221本机集成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 CPU 222 本机集成8输入 6输出共14个数字量I O点 可连接2 个扩展模块 最大扩展至78路数字量I O或10路模拟 量I O 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 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 CPU 224 本机集成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高速技术器 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 CPU 226 本机集成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 CPU 226XM 本机集成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 26K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 通过各个CPU的比较 本系统中选择了CPU 224 因为CPU 221不可扩展 而CPU 222则只能扩展2个 模 块 不利于将来模块的增加 灵活性差 因此选用CPU 224是符合系统要求的 性价比也很高 CPU 224 技术规范 表2 2 描述 CPU 224 DC DC DC CPU 224 AC DC 继电器 物理特性 尺寸 W X H X D 重量 功耗 120 5 x 80 x 62 mm 360 g 7 W 120 5 x 80 x 62 mm 410 g 10 W 表2 3 程序存储器 在线程序编辑时 非在线程序编辑时 数据存储器 装备 超级电容 可选电池 8192 bytes 12288 bytes 8192 bytes 100 小时 典型值 40 C 时最少 70 小时 200 天 典型值 8192 bytes 12288 bytes 8192 bytes 100 小时 典型值 40 C 时最少 70 小时 200 天 典型值 表2 4 I O 特性 本机数字量输入 本机数字量输出 本机模拟量输入 本机模拟量输出 数字 I O 映象区 模拟 I O 映象区 允许最大的扩展 I O 模块 允许最大的智能模块 脉冲捕捉输入 高速计数器 总数 单相计数器 两相计数器 脉冲输出 14 输入 10 输出 无 无 256 128 输入 128 输出 64 32 输入 32 输出 7 个模块 7 个模块 14 6 个 6 每个 30KHz 4 每个 20KHz 2 个 20KHz 仅限于 DC 输出 14 输入 10 输出 无 无 256 128 输入 128 输出 64 32 输入 32 输出 7 个模块 7 个模块 14 6 个 6 每个 30KHz 4 每个 20KHz 2 个 20KHz 仅限于 DC 输出 常规特性 定时器总数 1ms 10ms 256 个 4 个 16 个 256 个 4 个 16 个 100ms 计数器总数 内部存储器位掉电保持 时间中断 边沿中断 模拟电位器 布尔量运算执行时间 时钟 卡件选项 236 个 256 由超级电容或电池备份 256 由超级电容或电池备份 112 存储在 EEPROM 2 个 1ms 分辨率 4 个上升沿和 或 4 个下降沿 2 个 8 位分辨率 0 22ms 内置 236 个 256 由超级电容或电池备份 256 由超级电容或电池备份 112 存储在 EEPROM 2 个 1ms 分辨率 4 个上升沿和 或 4 个下降沿 2 个 8 位分辨率 0 22ms 内置 表2 5 集成的通信功能 接口 PPI DP T 波特率 自由口波特率 每段最大电缆长度 最大站点数 最大主站数 点到点 PPI 主站模式 MPI 连接 1 个 RS 485 接口 9 6 19 2 和 187 5kbaud 1 2kbaud 至 115 2kbaud 使用隔离的中继器 187 5kbaud 可达 1000 米 38 4kbaud 可达 1200 米 未使用隔离中继器 50 米 每段 32 个站 每个网络 126 个 站 32 是 NETR NETW 共 4 个 2 个保留 1PG1OP 1 个 RS 485 接口 9 6 19 2 和 187 5kbaud 1 2kbaud 至 115 2kbaud 使用隔离的中继器 187 5kbaud 可达 1000 米 38 4kbaud 可达 1200 米 未使用隔离中继器 50 米 每段 32 个站 每个网络 126 个 站 32 是 NETR NETW 共 4 个 2 个保留 1PG1OP 电源特性 输入电压 输入电流 冲击电流 隔离 现场与逻辑 保持时间 掉电 保险 不可替换 20 4 至 28 8 VDC 110mA 仅 CPU 24 VDC 700mA 最大负载 24 VDC 12A28 8 VDC 时 不隔离 10ms 24 VDC 时 3A250 V 时慢速熔断 85 至 264 VAC 47 至 63 Hz 60 30mA 仅 CPU 120 240 VAC 200 100mA 最大负载 120 240 VAC 20A 264 VAC 时 1500 VAC 20 80ms120 240 VAC 时 2A250 V 时慢速熔断 24 VDC 传感器电源 传感器电压 电流限定 纹波噪声 隔离 传感器与逻辑 L 减 5V 1 5A 峰值 终端限定非破坏性 来自输入电源 非隔离 20 4 至 28 8 VDC 1 5A 峰值 终端限定非破坏性 小于 1 V 峰分值 非隔离 2 3 2 模拟输入模块的选择 S7 200 可扩展的模拟量模块有三种 分别为 EM231 EM232 EM235 下面将通过表 2 3 2 1 和表 2 3 2 2 来对这三个模块参数的进行比较 表 2 6 EM231EM232EM235 总体特性 尺寸 W H D 总量 功耗 点数 71 2 80 62mm 183g 2W 4 路模拟量输入 46 80 62mm 148g 2W 2 路模拟量输出 71 2 80 62mm 186g 2W 4 路模拟量输入 2 路模拟 量输出 功率损耗 5V DC 从 I O 总线 从 L L 电压范围 第 2 级或 DC 传感器供电 10mA 60mA 20 4 28 8 10mA 70mA 带 2 路输出 20mA 20 4 28 8 10mA 60mA 带输出 20mA 20 4 28 8 LED 指示器24DC 状态 亮 无故障 灭 无 24V DC 电源 24DC 状态 亮 无故障 灭 无 24V DC 电源 24DC 状态 亮 无故障 灭 无 24V DC 电源 表 2 7 模拟量输入特性EM231EM232EM235 模拟量输入点数44 隔离 现场与逻辑电路间 无无 输入类型差分输入差分输入 输入范围 电压 单极性 电压 双极性 电流 0 10V 0 5V 5V 2 5V 0 20mA 0 10V 0 5V 0 1V 0 500mV 0 100mV 0 50mV 10V 5V 2 5V 1V 500mV 250mV 100mV 50mV 25mV 0 20mA 模数转换时间 250 S 1228 计数器清 零 计数器作 1 计数 1228 700 6mA 的温度次数 由于钢坯的温度不管有没有表面有没有氧化铁皮都是大于 1228 所以选用 1228 来区别是否有钢通过 当第一次 1228 时 因为钢坯刚出来的时候温度不准确 所以把 819 600 4mA 放在通讯地址里 提示钢丝开始通过了 关于表面有氧化铁皮的判定 本设计采的具体做法是 每采集一个大于 1228 的数据 马上和 上一次的数据进行比较 如果之间的差值大于设定值 说明设定值的作用 为什么要用设定值 就判定此数据为氧化时的数据 同时用上次的数据来替换 I O 分配 输入 通讯地址 AIW0 VW100 甲线 1 AIW2 VW102 甲线 2 AIW4 VW104 甲线 3 AIW6 VW108 乙线 1 AIW8 VW110 乙线 2 AIW10 VW112 乙线 3 程序如何加载 编程电缆 3 2 程序调试方法 本程序的调试采用 S7 200 仿真软件 在 Step 7 Micro Win 中新建一个项目 输入程序 编译正确后在 文件 菜单中选择 导出 保存为 AWL 文件 打开仿真软件 点 配置 CPU 型号 或在已有的 CPU 图案上双击 在弹出的对话框中选择 CPU 型号 选择 CPU224 点击 CPU 右边的框选择模块 EM231 图 3 2 图 3 3 点 程序 载入程序 或工具条中的第二个按钮 会有个对话框 这里要选择你的 Step 7 MicroWin 的版本 有 3 1 和 3 2 两个选择 本文选用的是 Micro Win 3 2 版 将先前导出的 AWL 文件打开 会提示无法打开文件 不要管它 直接确定 这里出现错误的原因是无法打开数据块 odb 和 CPU 配置文件 cfg 2 1 以前版的格式 载入程序时不要载入全部 只载入逻辑块则不会出现错误 数据块可以在 MicroWIN 复制 后进入仿真器中用 粘贴数据块 功能加入 图 3 4 点击查看 内存监视 在这里可以观察程序各变量的变化 最后点击绿色三角型按钮就可以进 行模拟运行了 结结 论论 本设计采用了在线式非接触比色红外测温仪 能对运动中的高速线材的温度进行精确的测量 同时利用了 PLC 采集所得的温度数据 经过一定的处理后传到上微机 完成了温度的监控功能 通过本次设计 使我了解到了红外测温的原理 知道了红外测温仪表的分类以及选用红外测温 仪表的原则 同时 也加深对书本知识的理解 也明白了书本理论与实际的结合 更正了以前老移 位书本知识没有用的错误想法 但光光有理论知识