毕业设计论文-冷媒自动充填机控制系统设计.doc

冷媒自动充填机控制系统设计摘 要冷媒自动充填机是冰箱、空调生产线上的重要设备,专为冰箱、空调加充冷媒剂。本设计要利用PLC控制灌注机自动填充冷媒。针对目前国内冷媒填充使用状况和存在的问题，本论文综合运用了可编程控制器变频器、传感器等现代工业控制常用的控制部件及其相关程序设计方法,利用PLC控制计量电动机完成冷媒剂的灌注工作，用PID调节灌注泵和真空泵进行数字化定量填充以检漏，同时对冷媒通道中的温度和压力进行实时测量和控制。通过温度检测仪和压力检测仪检测温度和压力灌注冷媒是否到达要求，并且提出了基于PLC冷媒填充装置控制系统设计方案，给出系统硬件组成结构和软件设计思想，详细介绍了关键电路的工作原理，对系统的抗干扰措施进行了讨论。测试结果表明：本控制系统采用PLC进行实时控制，冷媒的注入量的精度达到了1 g，达到了系统的设计要求。为中小型制冷系统维修企业提供了低成本的维修工具，所做的研究对同类系统的研究和开发也具有一定的参考价值。关键词：冷媒充填；PLC； 温度; 压力; PIDAbstractRefrigerant - stuffing is an important equipment that is on the refrigerator and the air conditioning production line, which adds sufficient Refrigerant specially for the refrigerator and the air conditioning. This design which uses PLC control infusion machine automatic fills refrigerant.In view of the present domestic refrigerant filling using conditions and the existing problems, this paper uses programmable controller comprehensive inverter, sensors and modern industrial control commonly used control parts and related programming method, using PLC control measuring electromotor complete refrigerant agents work, make the perfusion digital quantitative filling and lead to cold media channels, and the temperature and pressure for real-time measurement and control. Is put forward based on PLC refrigerant filling equipment control system design scheme, give system hardware structure and software design thought, detailed introduces the working principle, key circuits of system anti-interference measures are discussed. Test results show that this control system adopts PLC for real-time control, refrigerant injection quantity of accuracy reached 1 g, achieve the design requirements of the system. For small and medium-sized refrigeration system maintenance enterprises to provide low-cost maintenance tools, done the research of similar systems research and development has the certain reference value.Keywords: Refrigerant-stuffing; PLC; Temperature; Pressure; PID46第1章 绪论1.1前言冷媒自动充填机是用于制冷行业如冰箱、空调、冷柜等生产厂家的专用设备。目前随着PLC技术的发展，使得PLC在制冷行业有了飞速的发展，其优越性超出了其他控制器件的控制，因为PLC具有很高的抗干扰性能和较强的数据处理能力以及扩展性能好，系统升级方便等一系列有点，同时考虑到本系统的输入、输出点数多，兼有模拟量和开关量输入、输出，要求控制核心的实时数据处理能力强，响应时间快，采用PLC作为控制核心即能满足控制的高要求，又能满足企业的低投入要求。而且采用PLC改造控制系统，投入少，系统的使用寿命长，无须维修，维修容易，编程简单易学。1.2课题意义冷媒填充和检漏是制冷系统维修的重要环节，制冷系统内的冷媒量和冷媒纯度都是影响制冷效果的关键因素，需要按期进行系统检测和冷媒更换。目前，市场上有进口成套的冷媒填充设备，价格昂贵，中小型企业难以接受。部分企业采用歧管压力表加真空泵的办法，此方法虽然有效，但要求维修人员有丰富的经验，且操作过程显得较为复杂。另外一些小型企业采用人工加注方式，直接利用冷媒灌的压力将冷媒加入制冷系统，其工作过程繁杂，效率低下，不能确保空调系统中的空气完全排除，导致系统损伤，同时剩余冷媒直接倒出容易出现资源浪费和环境污染，不利于资源节约和环境友好型社会的建立。因此设计一种低价科学的冷媒填充系统以满足中小企业的需要十分必要。1.3课题背景冷媒自动充填机是冰箱、空调生产线上的重要设备，专门为冰箱、空调加充制冷媒剂。冷媒自动充填机加冷媒剂的精度直接影响到空调、冰箱的制冷效果和使用寿命。传统的冷媒自动充填机采用继电器接触器系统控制，具有响应速度慢，精度低，系统工作可靠性差、不易扩展等特点。随着人们生活水平的提高、对生活质量的要求越来越高以及全球气候的变暖，人们对冰箱、空调的需求量日益增加，同时对产品的质量要求越来越高。为了适应市场需求，许多空调、冰箱生产厂家都新建了全自动化的生产线来提高生产效率，满足市场需求。同时对原有的一些设备与系统进行了改造，一方面希望改造后的系统能满足生产需要，一方面希望能节省投资 微机控制系统可以满足控制要求，但由于微机对环境的要求较高，不适合使用在工业现场。原来的冷媒充填机是通过继电器和接触器控制的，可编程控制器是以计算机技术为核心的通用自动控制技术，由于控制功能强，可靠性高，在工业控制中得到广泛的应用。1.4冷媒简介冷媒(Refrigerant)：在空调系统中，透过蒸发与凝结，使热转移的一种物质。俗称氟利昂(Freon)。 冷媒：（以下是是把载冷剂和制冷剂统称冷媒） 理想冷媒：无毒、不爆炸、对金属及非金属无腐蚀作用、不燃烧、泄漏时易于察觉、化学性安定、对润滑油无破坏性、具有较的蒸发潜热、对环境无害 。 一般把载冷剂和制冷剂统称冷媒，在冷冻空调系统中，用以传递热能，产生冷冻效果。 冷煤是一种容易吸热变成气体，又容易放热变成液体的物质。早期冷冻厂用氨气当冷煤，氨在受压时，放热变成液体；当高压液体减压变成气体时，便会吸热。 日常生活中常用的冷气机，里面用的冷煤是氟氯碳化物，但是以前使用的氟氯碳化物，会破坏臭氧层，目前科学家已开发出不会破坏臭氧层的氟氯碳化物。1.5冷媒填充系统的研究现状国外针对不同需要，通过多年工作已经掌握了一系列冷媒自动填充机设计制造技术，我国制冷行业部分技术采取引进消化发展和自行开发能提供企业需要外，多数产品还需要研究开发或通过引进消化吸收发展，逐步形成系列化。因为冷媒自动填充控制系统的输入、输出点数多，兼有模拟量和开关量输入、输出，要求控制核心的实时数据处理能力强，响应时间快，采用PLC作为控制核心即能满足控制的高要求，又能满足企业的低投入要求。而采用PLC改造控制系统，投入少，系统的使用寿命长，无须维修，维护容易，编程简单易学。因此用PLC控制的本系统有很大的市场潜力和非常广泛的应用前景，具有很大的实际意义。目前各厂家采用的冷媒充填设备大都是由微机控制，虽然各种工作要求都能满足，但是性能价格比较低，而且要由专业技术人员操作，不利于维护。作为现代工业三大支柱 (机器人、CAD/CAM、PLC)之一的 PLC，具有可靠性高、操作灵活简单、抗干扰能力强、接线简洁、性能价格比高等优点，再结合体积小价格低的触摸屏，这样整个控制系统的性能价格比可以大大提高，操作简单易行，同时系统的可靠性和充填的准确性也得到了保证。1.6本文设计内容本冷媒自动充填控制系统设计包括硬件设计和软件设计两个方面：1.硬件设计部分：首先通过PLC逻辑控制，当由电磁阀驱动的快速接头打开，压缩空气，使针状阀顶开冷机内冷媒通道。然后打开真空阀门，启动真空泵开始抽真空，由真空传感器对通道进行真空感应，待真空度满足要求后，停止真空泵抽真空，同时开始灌液，由于液体、气体的质量与压力、温度、速度有关，则控制电机速度恒定，通道温度、压力恒定，则电机每转动一圈灌注的质量是相同的。故在灌注时，通道内压力与温度都由压力调节仪与温度变送器进行控制，并由压力温度传感器实时把压力和温度传送给PLC。其次使用变频器控制灌液泵的转速，并采用速度传感器负反馈进行PID闭环调节，精确控制交流电动机的速度，这样就实现了冷媒自动填充中的冷媒灌注重量与灌注速度的电气控制；进行了控制方案的选择；实现了PLC、变频器的选型及参数设置。其具体过程在第三章有介绍。2.软件设计部分：包括系统总体的分析，设计，绘图，然后按照系统的要求和工作原理图设计相应的软件程序，本设计采用松下FP1系列的FP1-C40主控器，所以程序的设计采用相应的松下FPsoft系列FPWIN GR编程软件进行编程并调试。其具体过程在第五章有介绍。第2章 系统设计方案2.1控制方案选择2.1.1单片机控制该系统由热电偶变送器对系统温度进行检测，并完成信号标准化、变送功能。单片机执行控制功能，由固态继电器控制大功率发热器电源的导通与断开，从而达到控制温度的目的。也可以控制变频器从而实现对电机的控制和调速。键盘可输入所需的温度，通过继电器与设定的温度进行比较，如若不满足要求则启动真空泵，灌注泵和加热器，进行冷媒的定量的注入来调节温度。系统控制原框图如图2.1所示。图2.1 单片机控制原理框图2.1.2工业控制计算机控制外部信号经A/D转换后输入到工控机，作为给定量（给定量是变化的）。热电偶温度变送器作为测量工具，对温度变量进行检测，并输出到A/D转换器。A/D转换后输出到工控机。工控机根据给定量与测量量的偏差进行运算，得出输出量，控制加热器的开启，真空泵进行空气的抽取，然后灌注泵进行冷媒的灌注，从而起到了调节温度的目的。系统控制原框图如图2.2所示。图2.2 工控机控制原理框图2.1.3可编程控制器(PLC)控制在系统中，由分立的热电阻做成测量工具，对温度变量进行检测，并输出到A/D转换器。A/D转换器将数据进行A/D转换后输出到PLC。PLC执行控制器的作用，根据给定量与测量量的偏差进行运算，得出输出量，控制加热器。温度调节仪根据PLC的输出量自动的调节，从而起到了调节温度的目的。系统控制原框图如图2.3所示。图2.3 PLC控制原理框图2.1.4方案论证单片机是微型计算机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，就是一台计算机。单片机拥有优异的性价比；集成度高、体积小、很高的可靠性；控制功能强、低功耗、低电压，便于携带；支持扩展等等特点。单片机的单芯片以微小的体积和极底的成本,可广泛地方便的嵌入到玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通信产品中，成为现代电子系统中主要智能化工具之一。但是，单片机只是一片集成电路，不能直接和外部I/O信号相连，要将它应用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。工业控制计算机系统是以计算机为核心部件的自动控制系统。在工业控制系统中，计算机承担着数据采集与处理、顺序控制与数值控制、直接数字控制与监督控制、最优控制与自适应控制、生产管理与经营调度等任务。工业控制计算机采用总线式结构，各厂家产品兼容性强。有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但是工业控制计算机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。而且外部I/O接线一般都用多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板引出，不如接线端子可靠，这些因素都导致工业控制计算机对环境的适应性能差。多年来，可编程控制器从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃;其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只需要确定可编程控制器的硬件配置和设计外部接线图；同时采用梯形图语言编程，在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都己大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。对控制系统的分析中可以看出，PLC控制系统的优点是其它控制系统不可比拟的，PLC不仅自带A/D转换D/A转换，系统接线、结构简单控制简便，而且价格适宜，灵活性、环境适应能力强，响应速度快，可靠性能高。综上所述，选择PLC控制系统控制变频器来实现对灌注泵的速度控制，实现对电动机的自动控制。这样整个系统调速范围广，控制精度高、可靠性好、自动化程度高，便于管理。2.2系统总体介绍在冷媒机充填冷剂之前，首先要由PLC控制电磁阀，再由电磁阀驱动快速接头，开始压缩空气，使针顶阀顶开冷媒机内的冷媒通道。然后打开真空阀门，启动抽真空电动机，开始抽真空。同时对真空通道内的真空度进行实时测量，待真空度满足要求以后，就停止抽真空，同时开始灌液。为了确保所灌注的冷媒剂质量误差满足控制要求，在灌注冷媒剂时，首先保证灌注泵的速度和通道内的压力与温度恒定，同时对注入的冷媒剂计量重量，通过计数器计量电机旋转圈数来显示当前值。灌液原动力由灌注泵、变频调速器、速度传感器与计数器组成。灌注泵用来推动冷媒剂流动，变频调速器用来控制灌注泵的转速，通过速度感应器来控制灌注泵的速度恒定，速度感应器同时接入PLC进行记数，每转动一圈灌注的冷媒重量相同，每一圈对应注入冷媒质量相同，同时通过传感器对冷媒通道中的温度和压力进行测量和控制，确保通道内的温度保持在一定的范围内，压力保持在设定值，确保冷媒剂的注入量的精度不会受到温度和压力的影响而降低。为了保证灌注泵的速度恒定，必须加速度闭环控制流程，图2.4为灌注泵速度的闭环控制框图。图2.4 灌注泵速度的闭环控制框图第3章 系统硬件设计3.1 主控器的选型及工作原理3.1.1 主控器的选型日本松下电工公司的FP系列PLC主控器，可以说日本松下电工公司的FP系列PLC是变成控制其市场上的后起之秀，被称为“一匹黑马”。虽然他的产品进入中国市场较晚，但由于其设计上有不少独到之处。所以一经推出，就备受用户关注。其产品主要有FP0、FP1、FP-e、FP、FP-X等。它们集CPU、I/O、通信等诸多功能模块为一体，具有体积小，功能强，性能价格比高等特点。它适用于单机、小规模控制，在机床、纺织、电梯、空调、冰箱等领域得到了广泛的应用，特别是在我国中小企业中推广应用。 采用FP1实现PLC控制的主要优势有：PF1具有超高速处理和充裕的大容量：浮点数PID运算只有32us,基本指令只需0.32us，可以进行快速扫描。充裕的程序容量可达到32k步。随着设备的扩展，其应用范围更加广泛。广泛的扩展性：FP1具有丰富的扩展功能，有5种类型的功能插卡和4种通信插卡。对于用户的逐步扩展的要求，可通过扩展插件，轻松地提供性能。PF1配备USB端口：通过普通USB电缆，可与计算机实现简单连接。可靠的程序安全性：可通过工具软件FPWIN禁止上载程序，可完全禁止从PLC主机读取程序，从而保护用户的重要程序资源。这样就可以防止不正当的复制。程序保护可选择4为密码或者8为密码或者禁止上载模式。FP1具有丰富的通信网络功能：利用FP1上的标准程口（RS232C）可以显示面板或计算机通信。另外PF1还备有作为RS232C端口及RS485端口通信用的通信插卡选件。监控功能很强，具有多种监控方式可实现梯形图监控、列表继电器监控、动态时序图监控等。指令软件丰富：PF-X具有基本指令93条，高级指令216调。能进行逻辑运算、四则运算。能处理8位、16位乃至32位的数字。除常用指令外还有中断和子程序电泳，高速计数、字符打印以及步进指令等特殊功能指令。具有完善的高级功能：PF-X通过使用脉冲输入输出插卡，可使用告诉计数器和脉冲输出功能。因此不仅能应用于步进电动机的位置控制，还可应用于伺服电机的位置控制。通过转动可调电位器，可应用于模拟定时器。综合考虑到FP1系列中FP1-C40既满足以上优势又满足此次设计的要求，所以PLC的主控器选择松下的FP1-C40。3.1.2 PLC的基本结构PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入、输出接口等，其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。图3.1 PLC的结构示意图3.1.3 PLC工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，这个工作过程分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。全过程扫描一次所需的时间为一个扫描周期。内部处理阶段。PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信操作服务阶段，PLC与一些智能模块通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停（STOP）状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行（RUN）状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。3.1.4 PLC的工作过程PLC一般采用循环扫描方式工作。当PLC加电后，首先进行初始化处理，包括清除I/O及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的连接等。开始运行之后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段。、公共处理阶段这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、检查I/O总线、检查扫描时间等。如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号，或自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。这部分时间是固定的，对P型机来说，为1.26ms。、执行外围设备命令阶段当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与PLC相连时，则PLC在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。、程序执行阶段在这个阶段，CPU将指令逐条调出并执行，即按程序对所有的数据(输入和输出的状态)进行处理，包括逻辑、算术运算，再将结果送到输出状态寄存器。、输入、输出更新阶段PLC的CPU在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。CPU对各个输入端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是PLC工作的重要特点。3.1.5 本系统中PLC的作用PLC作为此次设计的主控制器，要完成从接收外部各传感器输入信号，然后经过信号的处理，输出控制信号来控制电机等其他元件的工作，使整个系统稳定的工作，是完成此次设计任务中心器件。3.2变频器电路设计3.2.1 变频器模块分析想要控制冷媒的注入量就得分析影响注入量变化的参数有哪些，实践证明简单分析影响冷媒注入量变化的参数主要有：灌注泵的注入速度，以及填充通道内的温度和压力，此时如果确定电动机的转速，则通道内的冷媒注入量的变化可以通过温度和压力的变化来决定。变频器控制灌注泵的速度，因为系统要求灌注泵速度恒定，采用旋转编码器对灌注泵速度进行反馈，与变频器速度给定组成速度闭环控制，同时旋转编码器将旋转圈数传给PLC进行记数，设计如图3.2所示。图3.2变频器电路接线图3.2.2变频器工作原理及系统中的作用变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，变频器结构如图3.3所示。图3.3中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。图3.3 变频器结构图随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技术新的突破性发展，70年代后期发展起来的脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。PWM 控制利用了采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。根据这个原理，可以用一系列等幅而不等宽的脉冲来近似正弦波，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为SPWM。SPWM各脉冲的宽度和间隔可以准确计算出来，按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的SPWM 波形。但这种计算很繁琐，较为常用的方法是采用调制的方法。(1) 正弦波脉宽调制原理正弦波脉宽调制分为单极性和双极性脉宽调制，它使每一输出矩形脉冲的面积与对应的正弦波电压面积成正比。把正弦基波作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制即可得到SPWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系，且左右对称，当它与正弦波调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲，这正好符合SPWM控制的要求。正弦基波电压峰值为，频率为。三角载波电压峰值为，频率为。 则幅值比 (3.1) 频率比 (3.2)幅值比称为调制比，频率比称为载波比。用生成的SPWM波控制逆变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出电压。正弦调制波的即是逆变器的输出频率，改变便可改变。三角载波的幅值为恒定，因而改变正弦调制波的幅值就改变了矩形脉冲的面积，由此实现输出电压幅值的改变。通用变频器对负载的输出波形都采用双极性脉宽调制波形(SPWM)，这种波形不仅可以大幅度提高变频器的效率，还使变频器输出区别于正常正弦波，产生许多特殊作用。图3.4为双极性脉宽调制图。(a)图为三角载波与正弦波比较，(b)图为SPWM波形。图3.4 双极性脉宽调制图(2)正弦波脉宽调制算法由图3.4(b)看出输出电压为奇函数，在半个周期中对称于。 （n=1，3，5，） (3.3)傅氏级数展开式 (3.4)当 n=1时，得到基波电压幅值为 (3.5)要使输出电压脉冲为奇函数，并在内对称于，必须使载波比N为奇函数。系统中的作用：变频器在本系统中主要是起调速作用，在系统工作时，由编码器传来的信号，经由PLC处理后，可以用来对灌注泵进行调速，从而达到控制冷媒注入量不变的目的。3.3 传感器电路设计3.3.1 旋转编码器旋转编码器速度闭环的一个至关重要的器件，它的各个参数直接决定着速度闭环系统的控制精度，故根据编码器在系统中所要完成的任务来选择其型号。型号说明： ISC3004-701G100BZ1-5-12C产品介绍：特点：体积小，重量轻，结构紧凑，安装方便。 参数：外径30mm，止口15mm，轴径4mm。适用领域适：精密工作环境，办公自动化等领域。型号扩展：航插、电缆。可选脉冲： 600p/r 或依据用户要求。电源电压：DC5-12V，集电极开路输出C。输出波形：方波。工作温度 ：-2580。消耗电流 100mA。储存温度：-40100。响应频率：0100KHz。工作湿度：3085%。最大转速：3000rmp。转动惯量：3.5 x 10-6Kgm2。起动力矩：1.5x10-3Nm（+25）。工作寿命：MTBF20000h（+25，2000rpm）。轴最大负载：径向15N；轴向10N。输出电压：高电平Vh85%Vcc；低电平Vi0.3V。质量：0.1kg。在本系统设计中，旋转编码器是用来测量电动机转速的，因为其精确的控制精度，所以可以控制灌注泵的转速恒定，从而使得冷媒量只与温度和压力有关。3.3.2热电偶热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600进行连续测量,特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到-269，钨铼最高可达2800。在本系统设计中，热电偶是用来检测冷媒通道内的温度，并将其转换成标准信号输出给PLC。3.3.3真空度计真空度计用来对抽真空进行测量，来反应抽真空状况，决定下一步工作的进行。真空度计选型：XG-10B型电离真空计测量范围：1.0102 1.010-4 Pa配接规管：ZJ-10（可选择接口）测量路数：1路控制路数：2路规管线长：5米（可延长）3.3.4压力传感器图3.5是变隙电感式压力传感器的结构图。它是由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。图3.5 电感式压力传感器结构示意图当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。3.3.5各部分传感器工作原理及系统中的作用1.光电编码器原理:一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器， 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。作用：在本系统中，主要是用来计量冷媒的注入量，从而可以由此作为依据来控制灌注泵，使冷媒的注入量不变。2.真空度计原理：基于热丝电阻与温度有关，温度又随气体压力而变化的原理制成的。当规管接入真空系统后，气体压强变化引起规管热丝的电参数相应变化，经单片微机处理器处理后，送至LED数码管显示。作用：系统工作时，第一步就是先把冷机内的冷媒通道抽成真空，所以真空度计就是来检测通道中的真空程度。3.温度传感器热电偶测温基本原理 ：将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。 作用：根据系统设计要求，需要对冷媒通道中的温度进行实时测量和控制，所以是用来测量通道中的温度。4.压力变送器：被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。作用：根据系统设计要求，需要对冷媒通道中的压力进行实时测量和控制，所以是用来测量通道中的压力。3.3.6 A/D与D/A模块的作用因为PLC内部都是以二进制数字量进行处理，因此无法直接处理模拟量信号。一般16进制FFFF则对应1111 1111 1111 1111，模拟量是0-10v或4-20mA等现实世界的信号作为处理基础的。因此，两者之间不能直接进行交换。必须通过A/D（模拟量/数字量）或D/A（数字量/模拟量）模块进行实际意义的数据交换。此时模拟量输入需要使用A/D（模拟量/数字量）转换模块将模拟量信号转换为PLC可以处理的数字量信号，同样，对于模拟量输出来说，需要使用D/A（数字量/模拟量）转换模块将数字量信号转换为外部设备可以接受的模拟量信号。一、A/D模块1.占用I/O通道及编程方法与PLC配接的A/D模块有四个模拟输入通道：CH0-CH3。其占用I/O通道分别为：CH0WX9（X909F）CH1WX10（X10010F）CH2WX11（X11011F）CH3WX12（X12012F）编程方法如下：F0 MV WX9 , DT0执行这一语句，则由CH0输入的模拟信号经A/D转换后送入FP1-C40的WX9通道，并由传送指令将转换好的数据存入DT0。其他通道也可照此格式编程。FP1-C40对A/D模块读取数据，每一个扫描周期只进行一次。2.A/D的技术参数A/D转换的输入输出特性如图3.6所示。由图可见，不管是电压输入还是电流输入，不管满程值是5V还是10V，A/D转换器转换后的数字量对应的十进制数最大值均为K1000。这意味着该A/D转换器输出位数是10bit（即210=10241000）。故可知其分辨率为1/1024。表3.1 A/D常用技术参数项目说明模拟通道数4通道（CH0CH3）输入信号范围电压05V和010V可选电流020mA分辨率1/1000精度满程值的1% 隔离方式I/O端子与内部电路之间采用光电耦合（而各通道之间未加隔离）转换速度（最长时间）一个通道2.5ms0002.5 5.01000500100010005005005 1010 20模拟输入电压/V（a）模拟输入电压/V（b）模拟输入电流/mA（c）数字输出/K数字输出/K数字输出/K图3.6 A/D转换输入-输出特性图3.6中图（a）是输入为05V电压时的特性，图（b）是输入为010V电压时的特性，图（c）是输入为020mA电流时的特性。3.A/D面板图及接线方法图3.7是A/D模块的面板图如图所示，每个通道有4个端子，分别是V、I、C和FG端。当电压输入时，信号由V和两端输入，屏蔽外壳接FG端；而电流输入时，信号由I和C两端输入，屏蔽外壳接FG端，此时应将V和I两端接在一起。V2 IC C0 FG V I2 C4 FG V2 I2 C2FG RANG V3 L3 C FG扩展插槽（左）扩展插槽（右）通道0通道1通道2通道3电源端子电压范围选择端子图3.7 A/D模块面板图FX2N-4AD电源指示灯 DC24V在A/D模块的面板上还有两个端子是“RANG ”端。这两个端子可以用来选输入信号范围。当“RANG”端的两个端子开路时，可输入电或05V电压信号。当“RANG”端的两个端子短路时，可输入010V电压信号。A/D模块的电源需外接，有交流和直流两种，交流可直接接交流220V电源，直流只能接24V直流电源。究竟接何种电源应根据A/D模块的型号及产品说明书来决定。A/D与PLC连接时只需将PLC的盖板取下，用专用的扁平电缆分别插在PLC和A/D模块的盖板下的插座上，即连接完毕。如图3.7所示，每个通道有4个端子，分别是V、I、C和FG端。当电压输入时，信号由V和两端输入，屏蔽外壳接FG端；而电流输入时，信号由I和C两端输入，屏蔽外壳接FG端，此时应将V和I两端接在一起。在A/D模块的面板上还有两个端子是“RANG ”端。这两个端子可以用来选输入信号范围。当“RANG”端的两个端子开路时，可输入电或05V电压信号。当“RANG”端的两个端子短路时，可输入010V电压信号。A/D模块的电源需外接，有交流和直流两种，交流可直接接交流220V电源，直流只能接24V直流电源。究竟接何种电源应根据A/D模块的型号及产品说明书来决定。A/D与PLC连接时只需将PLC的盖板取下，用专用的扁平电缆分别插在PLC和A/D模块的盖板下的插座上，即连接完毕。在本系统中，用到3个模拟量输入模块（CH0CH3），分别为：温度检测信号输入、压力检测信号输入和变频器频率反馈信号输入，均为420mA的电流信号，信号由I和C两端输入，此时应将V和I两端接在一起。二、 D/A转接模块1占用I/O通道及编程方法与PLC配接的D/A模块有两个输出通道，即CH0和CH1。故当A/D和D/A连用时，一个A/D需配接两个D/A模块。两个D/A模块可用开关设定其单元号，即No.0和No.1。设定开关在D/A左边盖板下面，开关置于左边则该模块设为No.0，开关置于右边则该模块设为No.1。其I/O通道分配如下：CH0(No.0)WY9(Y909F)CH1(No.0)WY10(Y10010F)CH0(No.1)WY11(Y11011F)CH0(No.1)WY12(Y12012F)注意 ：PLC对D/A模块写入数据，每一个扫描周期只进行一次。2.D/A的技术参数D/A常用的技术参数见表3.2 。D/A 转换器的输入输出特性如图3.8所示。表3.2 D/A常用技术参数项目说明输出通道数2通道（CH0CH1）输出信号范围电压05V和010V可选电流020mA分辨率1/1000精度满程值的1% 隔离方式I/O端子与内部电路之间采用光电耦合（而各通道之间未加隔离）转换速度（最长时间）一个通道2.5ms由图3.8可见，不管是电压输出还是电流输出，不管输出信号的范围多大，D/A转换器转换的数字量对应的十进制数最大值均为K1000。这意味着该D/A转换器输入位数是10bit。000500 10005.02.51020510500 1000500 1000数字输入/K（a）数字输入/K （b）数字输入/K （c）模拟输出电压/V图3.8 D/A转换输入-输出特性模拟输出电压/V模拟输出电压/V3.D/A面板及接线方法图3.9是D/A模块的面板图，如图所示，每个通道有5个端子。其中V+ 与V- 为模拟电压输出端，I+与I-为模拟电流输出端，而“RANG”端可选择输出电压范围。当V-与“RANG”端短接时，输出为010V。“RANG”端开路时，输出为05V 。D/A模块的电源需外接，也有交流和直流两种。电源接法同A/D。D/A模块与PLC连接的方法与A/D同。只是当A/D与D/A连用时需配接两个D/A模块，故应设定单元号为No.0和No.1。但连接时No.0和No.1位置可交换。Vc+ VD+RANGI0+ I0- V1+ v1- RANGI1+ I1-FG 扩展插槽（左）扩展插槽（右）通道0通道1通道3电源端子电压范围选择端子图3.9 D/A模块面板图FX2N-4DA电源指示灯 DC24V一个PLC最多可带两个扩展单元，一个A/D单元和两个D/A单元。且每个单元都必须外接电源。各单元与PLC之间均用扁平电缆串接，除PLC主机外，其他各单元位置均可任意调换。3.4 温度压力检测电路设计通过温度检测仪和压力检测仪对冷媒通道内的温度和压力进行时时检测和监控，并将检测到的温度和压力传递给A/D转换器转换成PLC所需的数字信号。如若检测到的温度和压力大于或者小于所设定的温度范围，则给PLC报警信号。其温度和压力检测传感图如图3.10所示。图3.10 温度压力检测传感接线图3.5 输入输出点的划分3.5.1 I/O口设计在该PLC控制系统中，一台真空泵和一台灌注泵均可变频工作，也可工频工作，由接触器进行切换，需由PLC的2个输出信号进行控制，占用PLC2个输出端；真空阀由PLC控制开关阀门，占1个输出端，冷媒通道温度检测由温度检测传感器返回PLC，占PLC一个模拟段输入口；变频器的运行、停止和故障，需占PLC 3个输出端，变频器的频率控制占PLC模拟输出端一个，并向PLC返回一个4-20mA的模拟频率信号值；压力传感器向PLC返回一个4-20mA的电流信号，作为压力反馈；故障声光报警，超温超压占PLC 3个输出端；2台电机过载占2个输入端；主令开关：真空泵和灌注泵启动停止2个，启动、停止2个，手动自动1个；总结：PLC共输入端子13个，输出端子 9个。经对国内外市场上各种PLC进行比较，选择了松下公司的FP1-C40系列PLC作为控制单元。它具有抗干扰能力强、可靠性高等特点，可在恶劣的环境下长期工作，完全可以满足系统设计要求。3.5.2 I/O口分配表3.3 I/O分配输入信号：(开关量输入信号)X0手自动转换SA1X7加热器停止SB6X1真空阀开闭SA2X8重量到信号BVX2真空泵启动SB1X9真空度计SP1X3真空泵停止SB2X12超压信号A1X4灌注泵启动SB3X13超温信号A2X5灌注泵停止SB4X14变频器信号U1X6加热器启动SB5模拟量输入：CH0真空度WX9CH2变频器频率 WX11CH1管道压力WX10输出信号：（开关量输出信号）Y0控制真空阀Y5压力报警信号Y1控制真空泵Y6温度报警信号Y2控制灌注泵Y7变频器报警信号Y3控制加热器Y8蜂鸣器报警信号Y4重量到信号Y9变频器复位模拟量输出：CH3频率控制信号3.6 PLC输入输出电路设计输入SA1是手/自动旋钮，SA2是真空阀开/闭，控制阀门YV1的开闭，SB1与SB2是真空泵启动与真空泵停止按钮，控制真空泵的启动与停止， SB3与SB4是灌注泵的启动与停止按钮，SB5与SB6是冷媒通道加热器的启动与停止按钮，控制通道内温度恒定，BV是灌注冷媒重量到进的接近开关，对冷媒剂的量进行控制，SP是真空度计，将通道内真空度传递给PLC，A1、A2、U1分别是压力报警温度报警与变频器故障报警。输出KM1与KA1分别是控制真空泵与灌注泵，KM2是控制冷媒通道内加热器启动与停止，YV1是真空阀，以真空检测达要求为关闭信号，HL1HL5分别是重量到指示灯、加热器报警、压力报警、温度报警。KM3为电源继电器开关，SB8是电源按钮，SB9是紧急停车按钮，FX-4DA为冷媒灌注重量设置的人机界面模块。根据系统所需PLC的输入输出端口数目，系统选用FP1系列FP1-C40型，足够满足系统所需输入输出端口。 图3.11 PLC 输入接线图 图3.12 PLC 输出接线图第4章 系统软件设计4.1 系统工作流程冷媒充填机内设有两条通道，一条为真空通道，一条为冷媒剂通道。在给冰箱，空调灌注冷媒剂之前，必须先把冷媒机内冷媒通道抽成真空。因此，在冷媒机充填冷媒剂之前，首先要由PLC控制电磁阀，再由电磁阀驱动快速接头，开始压缩空气，使针顶阀顶开冷媒机内的冷媒通道。然后打开真空阀门，启动抽真空电动机，开始抽真空。同时对真空通道内的真空度进行实时测量，待真空满足要求以后，就停止抽真空，同时开始灌液。为了确保所灌注的冷媒剂质量误差满足控制要求，在灌注-冷媒剂之前，首先把冷媒剂送入一个计量重量的计量缸，以便控制冷媒剂的灌注量和灌注精度。计量缸中有一个由驱动装置控制的移动活塞，把冷媒剂注入冷媒机中，同时对注入的冷媒剂计量重量，变频调速器用来控制计量电动机的转速，通过带动丝钢的转动来使活塞是上下移动，丝钢上装了编码器，丝钢每转动一圈，编码器就产生240个脉冲，每一个脉冲对应注入冷媒剂0.14g。同时通过传感器对冷媒剂通道中的温度和压力进行测量和控制，确保通道内的温度保持在535，压力保持在设定值，确保冷媒剂的注入量的精度不会受到温度和压力的影响而降低。4.2 系统初始化程序流程通过分析系统功能，进行程序设计。由前面系统原理分析可知：为使真空度、灌注冷媒剂质量按一定的设定值工作，使控制更为精确，必须对灌注泵进行速度控制，进行微调。首先通过变频器电位计设定灌注泵的速度；然后通过速度传感器将测得的灌注泵速度转换为标准电信号，反馈给变频器，变频器控制灌注泵的转速，达到自动控制、精确控制冷媒剂的灌注重量。变频器利用I动作消除偏差作用，并利用D动作抑制震荡作用，在结合P增益构成反馈控制系