热泵实验室的温湿度控制系统.doc

学学 士士 学学 位位 论论 文文 热泵实验室的温湿度控制系统设计热泵实验室的温湿度控制系统设计 姓 名 孙 学 亭 院 系 信息与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 年 级 2009 级 学 号 20092925996 指导教师 常 新 华 2013 年 5 月 21 日 独 创 声 明 本人郑重声明 所呈交的毕业论文 设计 是本人在指导老师的指 导下 独立进行研究工作所取得的成果 成果不存在知识产权争议 尽我 所知 除文中已经注明引用的内容外 本论文 设计 不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体均已在文中以明确方式标明 此声明的法律后果由本人承担 作者签名 年 月 日 毕业论文 设计 使用授权声明 本人完全了解鲁东大学关于收集 保存 使用毕业论文 设计 的规 定 本人愿意按照学校要求提交论文 设计 的印刷本和电子版 同意学 校保存论文 设计 的印刷本和电子版 或采用影印 数字化或其它复制 手段保存论文 设计 同意学校在不以营利为目的的前提下 建立目录 检索与阅览服务系统 公布论文 设计 的部分或全部内容 允许他人依 法合理使用 保密论文在解密后遵守此规定 论文作者 签名 年 月 日 毕业论文开题报告毕业论文开题报告 姓名 孙学亭性别男学院 信息与电气工程 学院 年级 2009 级 学号20092925996 题 目热泵实验室的温湿度控制系统设计 课题来源 校地 企 合作命 题 课题类别 应用研究 选题意义 包括科学意义和应用前景 研究概况 水平和发展趋势 列出主要参考文献目录 现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成 而温度和湿度是实验室最基本的环 境条件 也是对实验影响较大的因素 温度 湿度和人类的生产 生活有着密切的关系 同时也是 工业生产中最常见最基本的工艺参数 例如机械 电子 石油 化工等各类工业中广泛需要对温度 湿度的检测与控制 并且随着人们生活水平的提高 人们对自己的生存环境越来越关注 而空气中 温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响 所以对温度湿度的检测及控制就非常有必 要了 随着科技的飞速发展和普及 高性能设备越来越多 各行各业对温湿度的要求也越来越高传 统的温湿度检测模式是以人为基础 依靠人工轮流值班 人工巡回查看等方式来测量和记录环境状 况信息 在这种模式下 不仅效率低不利于人才资源的充分利用 而且缺乏科学性 许多重大事故 都是由人为因素造成的 人工维护缺乏完整的管理系统 而问世监控系统就可以解决这样人才资源 浪费 管理不及时的问题 这是由于它的智能化设计所决定的 故本次设计对于类似项目还具有普 遍意义 研究主要内容和预期结果 说明具体研究内容和拟解决的关键问题 预期结果和形式 如在理论上 解决哪些问题及其价值 或应用的可能性及效果 本设计需要实时的采集室内空气的湿度和温度值 并将其显示在上位机上 根据温度的设定值 和温度的反馈值调节加热器 使温度保持恒定 根据湿度设定值和湿度的计算值调节加湿器 使湿 度保持恒定 湿度的测量采用的是干湿球测量法 这里需要注意的是 湿球的纱布要常常换新且湿 度计必须处于通风状态即在湿球附近的风速必需达到 2 5m s 以上 只有纱布水套 水质 风速都 满足一定要求时 才能达到规定的准确度 上位机部分要实现温度和湿度的实时数据曲线和历史数 据曲线 并可以打印出来 拟采取的研究方法和技术路线 包括理论分析 计算 实验方法和步骤及其可行性论证 可能遇到 的问题和解决方法 以及研究的进度与计划 温度值的采集利用铂热金属传感器 PT100 然后通过温度变送器将电阻信号转化为 4 20ma 的 标准电信号 利用 S7 200 采集产生的 4 20ma 信号 并在程序中进行相应的处理 湿度的测量是通 过两个 PT100 测量干湿球的温度并通过一定的计算得到的 加湿器和加热器的控制是由 PLC 根据 内部程序控制的 PLC 输出控制中间继电器从而达到控制加湿器和加热器的目的 PLC 和 MCGS 触摸屏通过 485 总线连接 并以 MODBUS RTU 协议进行通信 指导教师意见 对论文选题的意义 应用性 可行性 进度与计划等内容进行评价 填写审核结果 同意开题 修改后再开题 不同意开题 签名 年 月 日 院 系 毕业论文 设计 领导小组意见 签章 年 月 日 毕业论文结题报告毕业论文结题报告 姓名孙学亭性别男学院 信息与电气工程 学院 年级 电气学 0902 学号20092925996 题 目热泵实验室的温湿度控制系统 课题来源 校企合作命题 课题类别 应用研究 本课题完成情况介绍 包括研究过程 实验过程 结果分析 存在的问题及应用情况等 通过研究热泵实验室对温度环境的要求 最终实现了恒温恒湿的效果 本系统是基于 MCGS 和 PLC 的 DCS 集散控制系统 上位机可以实时的显示实验室各空气指标以及各设备的工作状态 正真 的实现了系统的集中管理 并且上位机软件还可以实现报表 曲线的打印 可以为实验室保留大量 珍贵的纸质材料 在温度和湿度控制中采用了工控中采用的 PID 调节 使系统稳定可靠 下位机采 用西门子的 S7 200PLC 使系统更加稳定可靠 易于扩展 本系统只是模拟的一个小空间环境 并未 真正的投入使用 而真正投入使用时还会出现诸多问题 例如 系统的 PID 参数还要重新进行整定 指导教师评语 签名 年 月 日 院 系 毕业论文 设计 领导小组意见 公章 年 月 日 指导教师 评定成绩 毕业论文成绩评定表 学院 学号 姓 名总成绩 题 目 评 阅 人 评 语 评定成绩 签名 年 月 日 答 辩 小 组 评 语 答辩成绩 组长签名 年 月 日 注 总成绩 指导教师评定成绩 50 评阅人评定成绩 20 答辩成绩 30 将总成绩由百分制转换为五级制 填入本表相应位置 目 录 1 引言 1 2 系统组成和采用技术及开发工具介绍 2 2 1 MCGS 简介 2 2 2 S7 200PLC 及其它硬件简介 2 2 3 使用软件 3 3 系统总体分析与设计 3 3 1 总体方案 3 3 2 温度采集的实现 3 3 2 1 温度传感器的选取 3 3 2 2 变送器的选取及工作原理 4 3 2 3 EM 235 实现对模拟量的采集 5 3 2 4 PLC 实现对温度值的采集与处理 6 3 2 5 上位机组态软件实现显示 7 3 3 除湿和加热的实现 12 3 3 1 除湿的意义 12 3 3 2 除湿的实现 12 3 3 3 加热的意义 14 3 3 4 加热的实现 14 3 4 湿度控制的实现 17 3 4 1 湿度及其它空气参数的计算 17 3 4 2 湿度控制的 PID 调节 19 4 系统的整体设计 26 4 1 系统硬件的设计 26 4 2 系统软件设计 27 4 3 系统通信的设计 29 5 结束语 31 参考文献 32 致 谢 32 鲁东大学本科毕业设计 1 热泵实验室的温湿度控制系统设计 孙学亭 信息与电气工程学院 电气工程及其自动化专业 2009 级电气学 2 班 20092925996 摘摘 要 要 热泵实验室采用先进的 DCS 集散控制系统 9 可以使管理更为方便高效 本系统 可以对温湿度进行实时的显示 并通过先进的控制算法对温度和湿度进行调节 使系统稳定可靠 本系统由上位机 MCGS 组态软件和下位机西门子 S7 200PLC 组成 上位机 MCGS 中的温湿度 值可调 并可以实现自动化控制 实现无人值守 上位机还可以显示实时曲线和历史曲线 还可 以打印报表 为用户提供大量的数据资源 下位机采用西门子的 S7 200PLC 使控制稳定可靠 在湿度控制的环节中加入了 PID 算法使控制更为精确 关键词 关键词 热泵实验室 DCS MCGS S7 200 Design of temperature and humidity control system of heat pump Laboratory Sun Xueting Department of Computer Science and Technology Electrical engineering and automation Abstract Heat pump laboratory using 9 DCS distributed control system can make the management more convenient and efficient The system can real time display of temperature and humidity and regulation of temperature and humidity on the advanced control algorithm so that the system is stable and reliable This system consists of host computer and slave computer MCGS configuration software of Siemens S7 200PLC The temperature and humidity of PC in MCGS value is adjustable and can realize the automatic control to achieve unattended The upper computer can display real time curve and history curve can also print statements to provide a large number of data resources for users The machine adopts Siemens S7 200PLC control is stable and reliable the PID algorithm is added in the humidity control in the link to more precise control Key words heat pump laboratory DCS MCGS S7 200 1 引言引言 空气源热泵具有高效节能的特点 其每小时的耗电量是同等容量是燃气热水器 的 1 3 电加热器的 1 4 它以其节能环保的优势占据了市场大量的份额 在空气源 鲁东大学本科毕业设计 2 热泵出厂之前需要对其能耗和效率做一个详细的测试 测试合格的才可以出厂 而 测试需要在一个严格的环境下 必须要求空气的温度和湿度达到一定的标准 空气 的温度 湿度参数与人类的生产 生活有着密切的关系 同时也是工业车间生产中 最为常见最基本的工艺参数 例如纺织 电子实验室 石油 化工等各类工业中广 泛需要对温度湿度的检测与控制 以往对温湿度的控制大多是人手动的去控制 温 湿度仪表的参数只能人为的去抄表 本课题意在使用先进的集散控制系统实现对热 泵实验室温湿度的控制 加入相应的算法使控制更为精确 并可以自动的生成打印 曲线和报表 使操作员的工作量大大减少 大幅的提高了工作效率 2 系统组成和采用技术系统组成和采用技术及开发工具介绍及开发工具介绍 热泵实验室温湿度控制系统的控制部分由温度传感器 PT100 SBWZ 温度变送 器 西门子 S7 200PLC EM235 模拟量扩展模块 通用版 MCGS 组态软件 IDEC RJ2S CL 中间继电器等组成 被控制部分包括加热器 加湿器 风机等组成 2 1 MCGS 简介 MCGS Monitor and Control Generated System 监视与控制通用系统 是一款基于 windows 平台的组态软件 他能够完成数据的采集及现实 MCGS 组态软件为应对不 同的客户需求而开发了三种不同的版本 分别是嵌入版 通用版和网略版 本系统 批量应用时建议使用基于触摸屏的嵌入版能够有效的降低成本 但考虑到显示时可 视化更好一点 本系统采用了基于工控机的通用版 如果想实现远程监控可以使用 网略版申请客户端 2 2 S7 200PLC 及其它硬件简介 S7 200 是西门子家族里一款小型话的 PLC 它适应于小型化的控制系统当中 本系统采用 CPU 224 XP DC DC DC 型 PLC CPU224 XP 具有 14 个输入和 10 个输 出 两路模拟量输入 0 10v 一路模拟量输出 0 10v 或 0 20ma 两个通信口 PORT0 和 PORT1 最多可以扩展七个模块 模拟量可以扩展到 32 个数字量可以扩 展到 128 个 采用西门子标准导轨安装 1 EM 235 模拟量采集模块可以实现 4 路模拟量输入和 1 路模拟量输出 对于一个 模拟量模块只能将它设置成一种类型 要么为电压型要么为电流型 量程也确定了 本系统采集到的信号为 4 20ma 的电流信号 为简化系统的设计而直接采用了 EM235 如果投入实际使用建议使用 PLC 自带的两路电压量采集模块 并联一个电 阻既可以将电流值转化为电压值 温度采集器用的是对温度敏感度较高的铂热电阻 PT100 它的阻值跟温度的变 化成正比 当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆 当温度升高时它的阻 值会随着温度上升而匀速增长 当温度下降时它的阻值会随着温度下降而匀速减少 中间继电器 IDEC RJ2S CL 含有两路常开触点 两路常闭触点 鲁东大学本科毕业设计 3 2 3 使用软件 图 2 1 各种软件图 MCGS 组态环境用来编辑上位机组态画面 MCGS 运行环境为运行提供模拟环境 STEP 7 MicroWIN 4 0 为下位机西门子 200 的编程环境 在这里进行 S7 200PLC 的编程和配置 S7 200 exe 为西门子 200 的仿真环境 在没有 S7 200PLC 的情况下可进行软件 仿真 串口调试助手用来截取相应的报文 为调试提供方便 3 系统总体分析与设计系统总体分析与设计 3 1 总体方案 温度控制 通过实验室干球温度的采集值进而控制控制继电器控制加热器 实 现实验室的恒温 湿度控制 通过测量湿球的温度 再根据干球的温度 由干 湿球温度与湿度 对照表利用 matlab 曲面拟合 或者是经验公式得到湿度的值 根据湿度的值控制加 湿器工作 控制处理 通过上位机组态软件实现温度设定值输入 手动除湿 报表输出及 打印等功能 显示 上位机组态软件可以实现温度和湿度的实时曲线和历史曲线输出 当下 位机有动作发生时能够实时的动画显示 3 2 温度采集的实现 3 2 1 温度传感器的选取 温度传感器采用 PT100 PT100 是一种利用铂热电阻测温的仪表 它的阻值跟 温度的变化成一种线性关系 即温度升高电阻值会相应的增加 当 PT100 处于 0 的环境中它的阻值为 100 当 PT100 处于 100 的环境中阻值为 138 PT100 实物 如下图 3 1 所示 鲁东大学本科毕业设计 4 图 3 1 PT100 实物图 3 2 2 变送器的选取及工作原理 温度变送器采用 SBWZ 温度变送器 温度变送器的功能是将 PT100 产生的电阻 信号转化成标准的电流信号 4 20ma 变送器类型的选择要根据实际的需要选择 到 底是 4 20ma 还是 0 10v 在这里我们选择了 4 20ma 选择电流型是为了减少回路中 电阻的影响 如果选择电压型回路中的电阻会多多少少分担一部分电压降 对采集 精度产生误差 PT100 和变送器之间的接线是采用三线制的 因为三线制接法能够 减少导线电阻所引入的误差 PT100 温度传感器的电路一般采用不平衡电桥 热电 阻为电桥的其中一个桥臂 其导线的接入部分也成为桥臂的一部分 这无疑会增加 热电阻的阻值 造成一定的误差 采用三线制接法 将一根导线接到电桥的电源端 另一根导线接到热电阻所在的桥臂上 剩下的那根接到相邻的桥臂上 这样就能有 效地降低导线线路所引起的误差 传感器到数据采集器之间的接线有四线制和两线 制之分 在这里我们采用了两线制 之所以电流是从 4ma 开始 这是因为变送器没 有专门的供电线路 这 4ma 的电流提供给变送器的放大电路作为工作电流 四线制 接法 顾名思义就是有四根线 其中两根线是电流的回路 另外两根线为变送器提 供了 24v 工作电压 所以他的测量范围是 0 20ma 温度变送器的实际接线方式如下 图 3 2 所示 鲁东大学本科毕业设计 5 图 3 2 PT100 使用接线原理图 图 3 3 PT100 实际接线图 3 2 3 EM 235 实现对模拟量的采集 EM 235 是西门子公司为 200 系列扩展模拟量的个数而开发的模拟量采集模块 自身拥有 4 路模拟量输入 1 路模拟量输出 模拟量扩展模块的接线方法 对于电压 信号 按正 负极直接接入 X 和 X 对于电流信号 将 RA 和 A 短接后接入 电流输入信号的 端 将 A 接到电流输入的 端 将未连接传感器的通道要 将 X 和 X 短接 EM235 的接线原理如下图 3 4 所示 图 3 4 EM235 接线原理图 注意上图中 M 端子接 24V 电源的负极 L 端子接 24V 电源的正极 对于某一模 块 只能将输入端同时设置为一种量程和格式 即相同的输入量程和分辨率 EM235 模块上的 DIP 开关可以设置模拟量输入的类型及范围 在这里选择 0 20ma 如下图所示 鲁东大学本科毕业设计 6 图 3 5 EM235 拨码开关的选择 干球温度和湿球温度在 EM235 被采集并被转化成数字量 分别存储在 AIW4 和 AIW6 寄存器区中 3 2 4 PLC 实现对温度值的采集与处理 S7 200 通过总线行式可以直接读取寄存器 AIW4 和 AIW6 的值 在 PLC 中对变 量进行相应的变化和处理 如下图 3 6 所示 图 3 6 PLC 温度值转化程序 鲁东大学本科毕业设计 7 PLC 模拟量标度转化原理 信号的变换需要经过以下过程 物理量 电阻信号 传感器信号 电流信号 标准电信号 4 20ma A D 转换 数值显示 最终使用转换公式为 T 变送器量程上限 变送器下限 AIW4 6400 25600 变送器下限 3 2 5 上位机组态软件实现显示 首先打开通用版 MCGS 然后新建用户窗口并命名为主控窗口 图 3 7 用户窗口 然后打开用户窗口添加两个标签 分别命名为实验室温度和湿球温度 实验室温 度实际为干球温度 再添加两个输出框用来显示各温度值 同时对输出框进行变量 连接设置变量分别为干球温度和湿球温度 数据类型为数值型 鲁东大学本科毕业设计 8 图 3 8 输出变量的属性设置窗口 然后在设备窗口里进行变量连接 首先添加一个通用串口设备然后在通用串 口父设备挂接一个子设备 子设备选择 S7200PPI 通信协议 PPI 协议是西门 200 所 特有的一种单主站多从站的通信协议 通信效率很高能够很好的满足本系统对通信 速率的要求 添加完 S7200PPI 驱动 然后设置内部属性 增加相应的通道然后进行变量连接 最后进行通道处理 设置至设备的地址 S7 200PLC 出厂默认地址为 2 将地址设置 成 1 255 之间的任一个数 同样 S7 200PLC 也要设置成和组态软件里相同的通信参 数 可以通过 Step7Micro Win 的通信模块进行设置 具体过程如下图所示 图 3 9 增加子设备 鲁东大学本科毕业设计 9 图 3 10 设置子设备地址 设置内部属性并增加通道 图 3 11 新建通道 进行通道连接 将变量与设备地址建立关系 这样才能读出下位机寄存器的值 来 鲁东大学本科毕业设计 10 图 3 12 通道连接 将通道的数据进行处理 将数字量转化为相应的工程量 转化公式为 0 00390625 X 75 和 0 0078125 X 100 因为两个变送器的量程分别为 50 50 和 50 150 所以两个公式才会不同 图 3 13 通道数据处理 最终的显示效果如下图 3 14 所示 鲁东大学本科毕业设计 11 图 3 14 空气指标显示 上位机还可以将采集到的实验室温度以及适度以曲线的形式显示在组态软件上 曲线包括实时曲线和历史曲线 并且可以打印曲线 也可以以报表的形势显示温度 和湿度值 并且可以将报表打印出来 如下图 3 15 所示 图 3 15 温湿度实时曲线显示 系统中有两个温度计内部液体的变化是根据模拟量的变化而变化的 可以示意室 内干湿球温度的变化如下图 3 16 所示 鲁东大学本科毕业设计 12 图 3 16 温度计显示 3 3 除湿和加热的实现 3 3 1 除湿的意义 本系统为热泵实验室的温湿度控制系统 实际的环境中会有热泵的室外机在里 边工作 空气源热泵实际工作时会吸收实验室环境中的热量给水进行加热 实验室 环境温度会骤降水汽会凝结成为小水滴 空气中的湿度和温度会相应的降低 而实 际情况却不允许加入热泵系统 所以在实验环境中加入了一个除湿环节和一个加热 环节 3 3 2 除湿的实现 在 MCGS 组态软件中加入一个启动和停止按键 通过这个按键对 PLC 的 Q0 0 位进行操作 当 ON 按键按下时旋转循环 1 置 1 当 OFF 按键按下时旋转循环 1 置 0 在主控窗口中加入一个动画按键构件 双击构件设置属性 当为分段点 0 时装载 位图风扇 1 当分段点 1 时装载位图风扇 2 对应数据对象的名称设置成旋转可见度 1 然后在脚本语言中加入以下脚本语言 if 旋转循环 1 1 then 旋转可见度 1 1 旋转可见度 1 if 加热器 1 then if i 20 then i i 2 else i 0 鲁东大学本科毕业设计 13 endif endif 此构件实现了两张不同图片的切换 在一张图的基础上另一张图形旋转了 90 然后 按下 ON 后两张图形交替显示 由于人的视觉暂留现象所以感觉风扇是旋转的 图 3 17 分段点 0 图 3 18 分段点 1 鲁东大学本科毕业设计 14 图 3 19 实际位图显示 当启动按钮按下时除了风扇会旋转同时会弹出一个矩形框提示系统的运行情况 和设备的运行状态 实际运行情况如下图 3 20 所示 图 3 20 除湿显示 3 3 3 加热的意义 当空气源热泵在实验室中工作时 热泵会吸收环境中的温度 通过制冷剂将热 量转移到热水中 这样环境中的温度会骤降 为此我们要向环境中补充热量 3 3 4 加热的实现 实际项目中的加热是利用了一套水循环系统 类似于家庭中使用的暖气 这套系 统是通过 PLC 控制变频器 变频器再控制水泵的转速从而达到控制水流的目的 在 实验室暖气片上放有两组风机将热量释放到空气中去 在系统中我们只需要通过 PID 指令控制变频器控制水泵的流速就可以达到恒温的目的 我们还需要一个流量计测 量水的流速作为反馈值 热水的来源是另一套空气源热泵系统 能够保证提供源源 不断的热量 鲁东大学本科毕业设计 15 图 3 21 实际加热设备 而在模拟系统中我选择了一个普通的加热器代替了上述的水循环系统 系统的加 热完全实现了自动控制 不需要人为的去干涉 操作人员只需要在组态软件中设置 温度的上限 系统就可以实现自动恒温控制 图 3 22 按键设置 鲁东大学本科毕业设计 16 图 3 23 温度设置窗口 点击程序中的温度设置按键可以打开温度设置窗口 然后再输入框内输入您所 要的温度系统会自动控制加热器对空气加热 温度设置变量在通道连接时连接 PLC 的 VB100 寄存器 在 PLC 里在做相应的处理再通过和实际温度值的比较控制 Q0 1 输出 图 3 24 加热器控制程序 硬件上的实现是通过 Q0 1 控制 IDEC 中间继电器的 1 和 8 脚控制加热器的通断 的 IEDC 中间继电器含有 2 路常闭和 2 路常开触点 切换电压可达到 5000VAC 1 分钟 触点负载可达到 8A 实物如下图 3 25 所示 图 3 25 IDEC 继电器 鲁东大学本科毕业设计 17 3 4 湿度控制的实现 3 4 1 湿度及其它空气参数的计算 1 1 湿度的计算方法湿度的计算方法 在现实生活中我们经常利用相对湿度表示空气中的湿度 根据国家气象局编著的 湿度查表 甲种本 的干湿表公式可以知道 实际水汽压力的值和干球湿球温度 值之间的关系为 e EAP t t 8 wet drywet 1 式中 e 为实际水气的压力 A 为干湿表的系数 也可以称为测湿系数 t为干球 dry 的温度 t为湿球的温度 E为湿球温度对应的纯水平液面的饱和水汽压 p 为 wetwet 气压值 饱和水汽压与温度有一定的函数关系 我们经常使用马格努斯经验公式 E E10 8 2 0 tbat 式中 经验系数 a 的值为 7 5 经验系数 b 的值为 237 3 t 为摄氏温度 E 6 11hpa 0 湿度的计算公式为 RH 8 dry E e 100 dry wetdrywet E ttAPE 3 式中 E为干球纯水饱和水汽压 RH 为空气的相对湿度 dry 由式 3 可以看出 相对湿度的精度取决于 t t及干湿表系数 A 的精度 drywet 因此在设计时要侧重于温度测量精度及 A 值测算精度的提高 由 Wylle 的理论和实验可知干湿表系数 A 是湿球直径 风速 温度 压力和气流 中水含量的函数 非常复杂 在实际使用中往往用下面的经验公式来计算 A 0 00001 65 8 v 75 6 4 当然我们也可以通过干湿球温度与湿度对照表拟合出湿度的计算公式 拟合就是 根据已有的离散数据 通过调节待定的系数拟合出一个非常相近的公式 由于篇幅 有限在这里不做详细讲述 拟合系数和公式如下所示 a1 0 000058555021637 a2 0 00011571159006 a3 0 000135408110067 a4 0 000492507566771 a5 0 000404764919962 鲁东大学本科毕业设计 18 a6 0 015332424000326 a7 0 000081958429721 a8 0 020534220853708 a9 0 004276979433673 a10 0 768060529274096 a11 0 207537207328461 a12 1 01344036145292 a13 16 19945677145896 a14 16 791343527335783 a15 96 73802222737889 湿度 1 a1 干球温度 干球温度 干球温度 干球温度 a2 湿球温度 湿球温度 湿球温度 湿球温度 a3 干球温度 干球温度 干球温度 湿球温度 a4 干球温度 干球温度 湿球温度 湿球温度 a5 干球温度 湿球温度 湿球温度 湿球温度 a6 干球温度 干球温度 干球温度 a7 湿球温度 湿球温度 湿球温度 a8 干球 温度 干球温度 湿球温度 a9 干球温度 湿球温度 湿球温度 a10 干球温度 干 球温度 a11 湿球温度 湿球温度 a12 干球温度 湿球温度 a13 干球温度 a14 湿球温度 a15 3 干球温度和湿球温度已在 MCGS 的实时数据库中定义 再将上述的变量和公式 写进循环脚本就可以得到湿度的值 通过与干湿球温度与湿度对照表比较得到误差 能够保持在 0 5 以内 在 MCGS 的循环策略中加入一个策略行和一个脚本程序 如 下图 3 26 所示 图 3 26 增加策略行 2 2 含湿量的计算方法含湿量的计算方法 鲁东大学本科毕业设计 19 根据饱和水蒸气压力与温度对照表我们可以拟合出以下的系数及公式 p1 0 07394 p2 0 2556 p3 62 49 p4 581 9 饱和水蒸气压力 p1 干球温度 干球温度 干球温度 p2 干球温度 干球温度 p3 干球温度 p4 含湿量 622 湿度 100 饱和水蒸气压力 101325 湿度 100 饱和水蒸 气压力 3 3 焓值的计算方法焓值的计算方法 焓值 1 01 干球温度 2500 1 84 干球温度 含湿量 1000 4 4 露点温度的计算方法露点温度的计算方法 b0 60 45 b1 7 0322 b2 0 37 a log 饱和水蒸气压力 log 2 7 b a a 露点温度 b0 b1 a b2 b 注意 注意 干球为 PT100 裸露在空气中直接和空气接触 湿球是用纱布将 PT100 包裹并 将它放入水中 湿球上包裹的纱布需要定期的进行更换 湿球必须置于通风的环境 中 并且附近的风速能够达到 2 5m s 只有纱布 水质 风速都到达了一定的要求 时 才能达到规定的精度 3 4 2 湿度控制的 PID 调节 1 PID1 PID 指令块的建立指令块的建立 图 3 27 PID 控制原理图 鲁东大学本科毕业设计 20 S7 200 可以通过 PID 指令进行 PID 调节 S7 200 最多支持 8 路 PID 调节 PID 调节是根据反馈值与给定值相比较从而控制输出 输出可以是数字量也可以是模拟 量 如果是数字量那么输出为一串占空比时刻变化的脉冲串 如果是模拟量那么输 出为一个连续变化的模拟量 0 20ma PID 功能块是通过 PID 回路表交换数据的 这 个回路表是建立在 V 区的 大小为 36 个字节 因此在建立 PID 功能块时需要指定两 个要素 PID 控制回路号 以及回路表的起始地址 PID 功能块的建立可通过手动建 立和向导建立 为避免造成不必要的错误建议使用 PID 向导对 PID 编程 建立过程 如下图 3 28 所示 图 3 28 指令向导 图 3 29 PID 向导 第一步 进行 PID 回路号的设置 鲁东大学本科毕业设计 21 图 3 30 设置回路号 第二步 进行 PID 参数的设置 图 3 31 设置 PID 参数 在低限和高限中输入一个实数 表示给定值的取值范围占反馈量程的百分比 在这里可以不必确定回路参数 可以在 PID 调节面板中进行修改 第三步 进行回路输入及输出值的设置 鲁东大学本科毕业设计 22 图 3 32 设置输入输出值类型 选择单极性还是双极性 单极性如 0 20ma 0 10V 双极性如 10V 10V 如果 输入量为 4 20ma 那么选择单极性 勾选 20 的偏移量 那么设置的过程变量为 6400 32000 输出类型选择数字量 设定周期值 第四步 设置回路报警的设置 图 3 33 设置回路报警 第五步 进行回路数据区的存储地址的设置 鲁东大学本科毕业设计 23 图 3 34 设置存储地址 第六步 增加手动控制 图 3 35 增加手动控制 第七步 完成 鲁东大学本科毕业设计 24 图 3 36 完成 第八步 PID 在程序中的调用 图 3 37 调用子程序 图 3 38 PID 程序 PV I 反馈参数 Setpoin 给定参数 Output PID 调节的输出值 按照上述的步骤建立完向导之后 可以在 step7 中最左边的指令树中找到调用之 程序 在这里即可找到生成的 PID 指令 如果生成了多个 PID 指令请根据 PID 回路 号进行区分 鲁东大学本科毕业设计 25 图 3 39 实际加湿器 在实际项目中使用了 3 个加热器用来加热水产生蒸汽 使空气达到一定的湿度 而在模拟环境中我使用了一个电加热器用来模拟 图 3 40 固态继电器控制加湿器 PID 是通过控制固态继电器从而达到控制热水器的目的 PID 输出的脉冲控制继 电器的开合 固态继电器是一种新型无触点的电子开关器件 能够实现弱信号控制 强电 原理图如下 图 3 41 固态继电器原理图 注意 注意 如果程序中已经存在至少一个 PID 控制回路 那么就会生成一个中断函数 并 且这个中断函数是 8 个回路公用的 在其他回路中不能任意修改 中断函数使用的 是 SMB34 定时中断 在用户程序中不可以不要再使用此中断 也不能再向 SMB34 中 写入新的值 不然的话会造成 PID 指令停止工作 2 PID2 PID 指令块的调试指令块的调试 PID 的参数不存在经验值 每一个项目有它自己合适的 PID 参数哪怕是两个相 识的项目 所以需要去不断地调试以得到合适的值 由自动控制原理这门课中可知 过大的增益会造成反馈的振荡 积分时间控制输出的变化速率 积分时间越短得到的 修正就越快 但会造成系统的不稳定 微分使系统对扰动的敏感度增加 微分相当 鲁东大学本科毕业设计 26 于对反馈的预测性调整 一般情况下令其为 0 也就是我们常用的 PI 调节 PID 参数的调试需要观察反馈波形对于给定的变化的响应曲线 因此没有一个 有效的手段去观察反馈波形的变化就谈不上调试 PID 参数 因此在 step7 新版本中为 我们提供了 PID 调节控制面板 在控制面板中我们可以进行 PID 自整定和手动调节 PID 控制面板只有在连接了实际的 PLC 时才能够实时的仿真 5 图 3 42 PID 调试面板 4 系统的整体设计系统的整体设计 4 1 系统硬件的设计系统硬件的设计 一个具体项目实施的前提条件是整体方案的设计 一个好的设计者应该将整个 系统了然于胸 并且能够用 CAD 画出来让工程人员能够顺利的进行施工 前期的工 程图包括 硬件整体布局图和机柜布线图如下图 4 1 所示 鲁东大学本科毕业设计 27 图 4 1 系统整体布局图 图 4 2 机柜布线图 一个好的工程人员要能够根据布线图正确的接线 如上图所示 DYO 电源输出 的 1 2 端子分别为 220 的零线和火线 分别接到了 DY 的 1 2 端子上 可知接线 端子上标的线号都是一端要接的 4 鲁东大学本科毕业设计 28 4 2 系统软件设计系统软件设计 上位机软件的设计上位机软件的设计 运行软件时登陆初始画面 点击画面进入系统 图 4 3 运行时初始画面 图 4 4 主程序画面 鲁东大学本科毕业设计 29 图 4 5 实时温度曲线 图 4 6 实时湿度曲线 下位机软件的设计下位机软件的设计 流程图 流程图 鲁东大学本科毕业设计 30 开始 程序初始化 读入实时值和键入值 实时 设定 调用温度控制 升温 实时 设定 调用湿度控制 加湿 否 是 否 是 4 3 系统通信的设计系统通信的设计 本系统使用西门子 PPI 通讯协议 采用西门子标准的 PC PPI 通讯电缆或通用的 RS232 485 转换器 方便 快速的和 PLC 通讯 硬件连接如下图 3 9 所示 鲁东大学本科毕业设计 31 图 3 9 通信硬件连接图 和一台 PLC 进行通讯 即 RS485 的 A DATA 与 PLC9 针端口的第 3 脚连 接 B DATA 与 PLC9 针端口的第 8 脚连接 由于 224XP 具有两个通信口 在 这里我们选择使用 PORT1 采用 485 差分信号传输能够有效地抑制干扰 适合长距离 稳定传输 设置通用串口父设备的参数 设置相应的 COM 口 波特率 数据位 停 止位 校验位等参数 PPI 协议为点对点协议 是西门子公司为 S7 200 而开发的一 种协议 它的传输效率非常高 在 200 中得到了广泛的应用 除了上述所使用的 PPI 协议 我们也可以使用通用的 Modbus RTU 协议 Mod