PLC控制温度湿度压力传感器.doc

中文摘要摘 要 目前对于工厂环境的监测和控制，基本上是人工进行的，劳动强度大，繁琐。由于人工反应不及时，造成损失的现象时有发生。而且现在许多工厂车间对于环境的要求越来越高，固有的监测和控制方法已经不能满足其需求。随着PLC技术的发展，PLC技术被更广泛的应用于实时监测和控制中来。通过PLC技术的应用，能够清晰直观并且实时的收集信息，并自动快速的做出反应，实现对车间环境的自动化、智能化。本论文主要讲述了基于以西门子S7-200系列可编程控制器（PLC）为主要的控制元件，采用PID算法进行控制，运用PLC梯形图编程语言进行编程。本次设计的目的是实现对工厂环境的温度，湿度及管道压力进行实时监测和显示，并通过PID算法对温度、湿度和压力进行控制，使环境可以维持在工业要求的范围内。关键词： 温度 湿度 压力 可编程控制器 I AbstractABSTRACT Now the monitoring and controlling of factory environment is basically a manual of labor-intensive and cumbersome. Artificial response in a timely manner, resulting in the phenomenon of the loss occurred. And now, the increasingly high demand for many of the factory floor environment, inherent in the monitoring and control methods have been unable to meet their needs. With the development of PLC technology, PLC technology is more widely used in the real-time monitoring and control. Through the application of PLC technology, clear and intuitive and real-time collection of information, automatically and quickly respond to the automation of the workshop environment, intelligent.This paper mainly based on Siemens S7-200 series programmable controller (PLC) for the control of the main components,the use of the PID algorithm,the use of PLC ladder programming language programming,to achieve the factory environment, temperature, humidity and pressure of the pipeline real-time monitoring and display, and at the same temperature, humidity and pressure control design method.Key words: temperature humidity pressure PLC IV目录目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章 引言 1 1.1 课题的背景和意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 本课题的主要研究内容 2 第二章 PID算法介绍 3 2.1 PID算法简介 3 2.2 PID参数的调整 4 2.3 PID控制的应用 5 第三章 基于PLC监控系统的硬件设计 7 3.1 系统的主要技术指标与参数 7 3.2 系统设计方案的论证 7 3.3 PLC的概述及选型 7 3.3.1 PLC的产生和应用 8 3.3.3 PLC的选型 10 3.4 传感器的选择 11 3.4.1 温度传感器的选择 11 3.4.2 湿度传感器 13 3.5 模块的配置和应用 15 3.6 其他元器件的选择 16 3.7 系统硬件接线图 17 第四章 系统的软件设计 19 4.1 常用PLC程序的设计方法 19 4.2 系统流程图 19 4.3 温度监控程序的设计 20 4.4 湿度监控程序设计 25 4.5 压力监控子程序 28 结论 33 参考文献 34 致谢及声明 35 第一章第一章 引言1.1 课题的背景和意义 温度、湿度、压力和人类的生产、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、压力的检测和控制。并且随着人们生活水平的提高，人们对生存环境越来越关注，而空气中的湿温度变化与人体的舒适度和情绪都有着直接的影响，所以对温度、湿度的检测及控制是非常有必要的。而且现在管道爆炸的现象也时有发生，因此对于管道压力的检测和控制也是必不可少的。总之，环境温湿度及管道压力的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。 本设计是基于西门子S7-200系列PLC为主要控制元件进行设计的，可编程控制器（PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术、人机对话的一种新型的、通用的自动控制装置。它具有抗干扰能力强、可靠性高，控制系统结构简单、通用性强，易于编程、使用灵活方便，功能强及适应工业环境下应用等一系列优点，近年来在工业自动化、机电一体化、传统产业技术等方面应用越来越广，成为现代工业控制三大支柱产业之一。PLC的最终目标是用于实践，提高生产能力及产品质量。如今，PLC技术的应用已经成为世界潮流，PLC技术将在我国得到更全面的推广应用。 本文主要介绍利用PLC的相关知识实现对车间温度、湿度及管道压力的实时检测、显示并且能够实现自动控制的设计方法。此设计不仅要求能够对温湿度和压力的检测显示，更重要的是实现其控制作用。在此过程中，用到了PID闭环控制技术以实现对温湿度和压力的控制，使其稳定在一定的范围内。此设计解决了人工操作繁琐，误差大的缺点。1.2 国内外研究现状自70年代以来，由于工业发展及功业技艺的要求越来越严格，对于控制系统的要求也越来越迫切，而且现在由于集成电路和计算机技术以及自动控制理论的发展，国内外控制系统的发展速度也有了很大的提高，并在自动化，适应性、整定参数等方面取得成果，在这方面，以日本、美国等国的技术比较优越，也生产出了许多功能强大、性能好的仪器仪表，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点：1）适应于大惯性、大滞后等复杂的参数控制体统的控制。2）能适应于数学模型难以建立的参数控制系统的控制。3）能适用于过程复杂、参数时变的参数控制系统的控制。4）这些参数控制系统普遍采用自校正控制、自适应控制、人工智能控制、模糊控制等先进控制理论及计算机技术，运用各种先进的算法，实现的功能更加丰富，适用的范围更加广泛，5）参数控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，参数控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。随控制系统在国内各行各业的应用广泛，但从国内参数控制系统的设计来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家的发展相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这一领域的发展水平只相当于20世纪80年代中后期的水平，已经初具规模的产品主要以“点位”控制和常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的参数系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变参数系统。现代控制系统应能适应于较高的控制场合实现智能化、自动化，在这一方面的技术国内还不十分成熟。随着科学技术的不断发展，人们对各种控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的参数控制系统是国内外必然发展的趋势。1.3 本课题的主要研究内容以车间环境为被控对象，以温度、湿度、压力为被控参数，以加热器，加湿器，阀门的开关为控制参数，以PLC为控制器，构成控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现环境温湿度及压力的自动控制。 PLC技术在监控系统上的应用，通过分析和研究系统的硬件配置、原理图的设计、程序的设计，建立数学模型、选择算法、整定参数、人机界面的合理布局等。论文通过对西门子公司的S7-200系列可编程控制器的应用，实现其监控功能。首先，由传感器将检测到的实际量转化为电流信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到PLC中，经过PLC中指令的处理，将数据转换、判断，然后输出显示并预报警，在控制过程中需要应用PID调节，PID控制器输出转化为0-10mA的电流信号输出来控制各类仪器，使各参数稳定在一定的范围内。- 2 -第二章第二章 PID算法介绍2.1 PID算法简介 现在的自动控制技术大多都是基于反馈控制来设计的。反馈设计技术包括三个基本环节：测量、比较和执行。测量获得的是工程需要控制的变量，并把它与设定值进行比较，在测量值和设定值之间存在误差，通过此误差来纠正和控制系统的输出。在自动过程控制中应用的反馈技术关键是：把测量值与设定值进行正确的比较后，如何利用比较后的结果来调节系统误差，使系统可以处于设定值的稳定工作状态。 在过去的几十年一直到现在，PID控制（即比例积分微分控制）广泛的应用于工业过程控制中。现在工业的高速发展，对于控制技术的要求加大，在这样的推动下其也有了长足的发展，在工业自动化过程控制中大约有90%以上的控制采用PID控制。 PID控制由比例控制环节（P）、积分控制环节（I）和微分控制环节（D）三部分组成，PID的控制原理清晰易懂，不需要很高的基础，PID控制规律可以简单的表示为： 现阶段能被广泛应用的控制技术就是PID控制，他的使用方法灵活多变，通俗易懂，而广受欢迎。已经开发的产品，使用时只需要将其三个参数（KP，KI和KD）进行整定计算就可以了。有很多情况可能不需要三个环节都使用，这个时候我们也可以只用一到两个单元，但是在PID控制中比例控制是不能少的。PID控制的优点如下： （1） PID的控制原理比较简单，使用起来也比较方便，PID的其他部分不用改变，只需要根据其动态特性的变动而重新设定这三个参数KP、KI和KD就可以了。（2） 适应的环境多样，PID控制器现在已经有了统一的标准，并且已经商品化，即使目前才开发出来的过程控制计算机，他也是建立在在PID控制的基础之上的，PID在现代控制中仍然是处于绝对地位的，这样造就了PID的应用范围更加广泛。 在科学技术尤其是计算机技术迅速发展的今天，虽然涌现出了许多新的控制方法，但PID仍因其自身的优点而得到了最广泛的应用，PID控制规律仍是最普遍的控制规律。PID控制器是最简单且许多时候最好的控制器，特别是在过程控制中应用最广泛。2.2 PID参数的调整 控制器参数整定：是指对调节器的比例增益KP、积分时间TI、微分时间TD和采样时间TS 进行整定，就是确定其值。 整定的过程就是观察系统的响应，调整调节器的各个参数，让它的各种特性和能够与过程特性相一致，以改善动态过程和静态的指标，使其控制得到的结果达到最佳。现在常用的整定方法有两大类，即工程整定法和理论计算整定法。理论计算整定法需要知道被控对象的数学模型，根据系统确定的参数指标，利用理论计算（即微分方程、根轨迹、频率法等），求得的系统参数。此方法不仅计算量大且复杂，而且数学模型的建立是通过分析法或实验测定法而得到的，因此只能近似的反映系统的动态特征，由此方法得到的整定参数精度不能达到很高，在工程上没有被广泛的应用。工程整定法是一种不用知道对象的数学模型，不用知道理论计算的理论知识就能在自动控制系统当中直接进行整定的方法。由于它是一种简单实用的方法，因此其在实际工程中被广泛的应用。常用的工程整定法有临界比例度法、经验整定法、自整定法、衰减曲线法等。经验整定法的整定步骤可分为先整定比例环节、整定积分环节、最后整定微分环节三步： 1.比例控制环节的整定：由小到大改变比例增益KC，观察此过程中的响应曲线，直至得到反应最快、超调量最小的响应曲线，此时的增益为最佳值，即整定值。2.积分控制环节的整定：若是只用比例控制不能满足稳态误差的要求，此时就要考虑加入积分控制环节。首先将通过步骤1中确定的比例控制系数减小5080，再装入一个较大的积分时间TI，观测得到的响应曲线。然后慢慢的减小积分时间，使积分作用加大，同时根据响应曲线的变化调整KC，这样反复的试验各个数值，直到得到较满意的响应曲线，这样就可以得到比例和积分参数的整定值。3.整定微分环节：若经过步骤（2），得到的比例积分控制参数只能消除稳态误差，而对于动态过程中的误差不能有很好的效果，此时则应加入微分控制，构成比例积分微分控制。微分时间的整定首先将微分时间TD置0，逐渐加大微分时间TD，同时根据响应曲线的变化相应地对比例系数和积分时间进行微调，反复试验直至获得满意的控制效果这样就得到了系统需要的PID控制参数。对于采样周期，通常根据工作过程和外界干扰的幅度来确定。对于响应速度快容易受到干扰的控制系统，一般采样周期要选择时间较短的；反之，采样周期应该选取时间较长的。采样周期的选取还应该综合考虑到PI D 参数的作用，采样周期与参数的调整应该配合选择，必须注意的采样周期的选择应远小于过程中出现的扰动信号周期，有些执行器的响应时间比较长，这时采样周期如果选取的较小时，这样的系统将失去意义，因此需要适当选择大一点的采样周期；在能够满足计算机运算速度的要求下，采样周期选取的越短，则控制器的控制效果越好；当系统的响应纯滞后时间比较长时，一般我们把采样周期选为纯滞后时间的1/41/8。根据经验采样周期，在本设计中温度的采样周期选择15S，湿度的采样周期选择10S，压力的采样周期选择5S。表2.1 经验采样周期被测参数采样周期T（s）备 注压力310优先选用48（s）温度1520或纯滞后时间，串级系统：副环主环湿度 10152.3 PID控制的应用PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为： 西门子S7-200中的PID算法的算式为： 式中 第n采样时刻的计算值； 增益； 采样周期； 积分时间； 微分时间； 第n采样时刻的给定值； 第n采样时刻的过程变量值； 第n-1采样的积分项 PID控制各环节的控制作用：c的加大，能够使系统的动作更加迅速，减小稳态误差，增加振荡次数，加长调节时间。但是比例系数过大时，系统状态将会趋于不稳定。而比例系数太小，又会使系统的反应时间增加。比例系数可以选负数，这主要是由控制器件、传感器以控制对象的特性决定的。如果比例系数的符号选择不当，过程变量就会离设定值越来越远，若遇到如此情况，则c的符号就一定要取反。积分控制的作用是减弱甚至消除稳态误差能够提高系统的精度，但是也会使系统的稳定性下降。积分时间i 越小，其积分作用越强，当积分作用过强时，会使系统不稳定。微分控制的作用是可以改善系统的动态特性，微分时间的大小影响系统的超调量，影响系统的调节时间。PID指令的使用：1、建立回路表，回路表格式如下表1所示。 表 2.1 PID的回路表偏移地址域格式定时器类型中断描述0过程变量PVREAL输入过程变量，必须在0.01.0之间4设定值SPREAL输入给定值，必须在0.01.0之间8输出值MREAL输入/输出输出值，必须在0.01.0之间12增益KREAL输入比例常数，可正可负16采样时间TREAL输入单位s，必须是正数20积分时间TREAL输入单位min，必须是正数24微分时间TREAL输入单位min，必须是正数28积分前项MXREAL输入/输出积分前项，必须在0.01.0之间32过程变量前值PVREAL输入/输出包含最后一次执行PID指令时存储的过程变量值2、对采样的过程数据进行标准归一化处理，第一步是将实际数值从16位整数数值转换成32位的实数值，第二步是将数值的实数变化为在0.01.0之间的标准数值，在归一化的过程中，对于单极性的数据，除以32000，双极性的数据除以64000。3、用PID指令进行计算。 注意：每个回路的回路号不能相同，回路号有07，所以程序中最多能够使用8条PID指令。4、在回路输出被应用于驱动外部设备前，回路输出必须被转换成16位的整数，其实就是输入的逆变换。- 35 -第三章第3章 基于PLC监控系统的硬件设计3.1系统的主要技术指标与参数 1、能够精确地实现对车间温度的检测，测温范围255。 2、能够实现对车间湿度的检测，测量湿度的范围为50RH5%RH。 3、能够精确地实现对车间管道压力的检测，测量压力的范围为5MPa。 4、能够实现温湿度及压力的同时显示，并能判断报警。5、 能够实现对温湿度及压力的闭环控制。3.2系统设计方案的论证 与其他微型计算机相比，PLC拥有更多的优势，PLC更适用于恶劣的工业环境，具有更强大的数据处理功能和功能指令集，编程简单，编程指令模块化，能够实现就地编程、监控、通讯等功能，还能实现远程控制功能。PLC的梯形图语言直观、清晰、可读性强，易于掌握。PLC具有丰富的功能指令，能够实现加 减乘除四则基本运算,数据的传送、比较、移位、转换,堆栈等功能，还具有实时时钟指令，使定时及时间的设置与显示功能得以实现。系统总原理框图如图3.1所示. 图 3.1 系统总原理图3.3 PLC的概述及选型 PLC是在工业环境应用的背景下设计的一种数字运算操作的工业控制计算机，可编程控制器采用可编程的存储器以记忆、储存和执行逻辑、顺序、定时、计数和算术运算等功能，并通过输入和输出来控制各类仪器或生产过程。3.3.1 PLC的产生和应用1969年美国数字设备公司（GEC）首先成功研制第一台可编程控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上试用成功，开创了工业控制的新局面。1971年日本引进此项技术，很快研制出日本第一台可编程控制器DSC-8。我国从1974年开始研制，1977年开始在工业中推广应用。进入20世纪70年代，随着电子技术的发展，尤其是PLC采用通用微处理器，这种控制器不再局限于当初的逻辑运算，功能不断增强。进入20世纪80年代，由于微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的PLC得到长足的发展，使PLC的功能有了新的突破，可靠性提高，体积和功耗减小，编程更为灵活方便，故障检测更加准确。目前，随着PLC技术的发展，功能的不断丰富，PLC的应用越来越广泛，被应用于顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理等领域。现在PLC在国内外已被钢铁、采矿、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、造纸、环保及文化娱乐等各个行业所广泛应用。3.3.2 PLC的组成和工作原理可编程控制器一般由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入/输出单元、（I/O单元）、编程器、电源等主要部件组成，如图2所示。1中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，利用集成图 3.2 可编程控制器基本结构框图电路技术，把这些电路集中在一个芯片内。CPU是通过总线与外部连接的。CPU是PLC的核心部件，它按PLC中存储的系统程序赋予的功能来控制PLC工作，用户程序和数据是在运行前存入存储器中的，当PLC运行时，CPU以扫描的方式来执行用户编写的程序。CPU的主要任务是接收并存储用户程序和数据；用扫描的方式通过I/O口接收由输入装置送来的现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器和规定的数据存储器中；诊断电源和PLC的工作状态以及编程过程中出现的语法错误；PLC运行状态时，在CPU中进行数据处理及运算等功能。 2. 存储器PLC的存储器分为两部分：系统存储器和用户存储器。系统存储器是用来存放生产厂家编写的固有程序，用户是不能修改的。它是PLC能够完成其他工作的基础，系统程序包括三部分：系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用管理程序。用户存储器包括程序和数据存储器两部分。程序存储器存放的是用户编写的应用程序，现在常用的存储器有ROM、EPROM和EEPROM存储器，其内容用户可以修改。用户数据存储器存放的是程序中的状态和数据等。存储器的大小是PLC性能指标之一。 3. 输入输出单元 输入输出单元（I/O口）是PLC与电气回路的接口。PLC的输入/输出单元包含两部分：与被控设备相连接的接口电路和输入输出的映像寄存器。输入单元接收输入设备的各种控制信号，接口电路转换为能识别的信号并存入输入映像寄存器。输出映像寄存器是储存处理结果的，输出映像寄存器有输出点相对应的触发器组成，输出接口电路是将处理后的弱电信号转换成强电信号输出。PLC的输入和输出信号类型分为两类：开关量和模拟量。开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。4.电源PLC所使用的电源有220V的交流电或24V直流电源，其内部还有开关电源，PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源，有的还为输入电路提供24V的工作电源，开关电源为为内部电路提供5V电源。可编程控制器的工作原理:PLC是一种工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理的基础上，而CPU是以分时操作的方式来处理各项任务，计算机在每一瞬间只能处理一项任务，所以程序的执行是按编入程序的顺序一步一步完成的，这样我们就称作其是在时间上的串行（即串行工作方式）。PLC是以循环扫描，顺序执行的方式来工作的。一次执行全部程序扫描所需的时间称为扫描周期或工作周期。PLC一个扫描周期就是从 CPU 执行第一条指令开始，然后按照程序编写的顺序一条一条地执行用户程序直到最后一条用户程序执行结束，然后回到第一条指令的时间。CPU会再次从第一条开始扫描， PLC 的执行就是这样一遍一遍的重复上述扫描过程的。3.3.3 PLC的选型1.PLC机型的选择 PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑以下几点。 1）合理的结构形式 PLC主要有整体式和模块式两种结构形式。整体式PLC的每个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能拓展灵活方便，当I/O点数不足时，只需加入I/O拓展模块就可以了，现已开发了许多实用的模块，在模块的选择上有很大的余地，而且模块的维修方便简单，厂家提供维修服务。此类形式常用于较复杂的控制系统。 2）安装方式的选择 PLC的安装方式分为集中式、远程I/O式及多台联网分布式。集中式安装不需要装配驱动远程I/O的硬件结构，系统的反应能力强，安装成本低；远程I/O式适用于大型系统的安装，系统的部件装置可以分布范围在很广的范围内，可以在现场安装控制装置，这样可以得到一个连线短的系统，但需要额外的装设驱动器和远程I/O电源；多台联网分布式多被应用于多台设备既能分别独立控制，又得把他们互相联系起来的系统中，在此方式下必须用到通讯模块来连接各部分的设备。 3）功能要求 一般小型都PLC都能实现运算、定时、计数等功能，对于只需要开关控制的设备都可满足。对于以开关量为主，带少量模拟量控制的系统可选用具有加减运算、数据传送功能的增强型抵挡PLC。对于控制功能复杂的系统可选用中高档PLC。中高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。2.PLC容量的选择 PLC容量的选择包括I/O点数和用户存储容量选择两方面。 1）根据对控制设备的分析，有被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%的徐亮来确定所需的I/O点数，另外注意，一般同时接通的输入点数不得超过总输入点的60%。PLC的输出点可以分共点式、分组式和隔离式几种接法。 2）存储容量的选择 存储容量的计算我们不可能做到精确，粗略计算时就要留有很大的余量。在只有开关量的控制的系统中，可以用输入量的总点数*10字/点+输出量的总点数*5字/点来估算；计数器/定时器按（35）字/个来粗略估算；需要进行运算处理时按（510）字/量来粗略估算；在有模拟量控制的系统中，可以按每个接口200字以上的数量估算。最后，一般在经过以上估算后容量的基础上再加50%100%的裕量。本设计采用德国西门子S7-200 PLC。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性价比。 S7-200 系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。本系统中需要2个数字输入，15个数字量输出，另外因为有温度、湿度和压力三个模拟量的输入，需要模拟量输入扩展模块，又有3路模拟量输出，需要模拟量输出扩展模块。S7-200 CPU226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。其I/O口足够使用，且有模拟量扩展模块。因此选用S7-200 CPU226。3.4 传感器的选择3.4.1 温度传感器的选择DS18B20原理与特性：本系统采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换，大大简化了电路的复杂度，以及算法的要求。首先来介绍一下DS18B20这块传感器的特性及其功能: DSl8B20的管脚及特点 DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。内部结构主要由四部分组成：64位只读内部存储器、温度传感器、温度上/下限报警触发器TH和TL、暂存器。DS18B20的外形及管脚排列如图3.3所示 图 3.3 DS18B20的外形及管脚排列图 图 3.4 DS18B20内部功能模块 GND为电源接地线，DQ为数据信号输入/输出端，通过一个较弱的上拉电阻与PLC相连。VDD为外接供电电源输入端，范围3O5.5 V。DS18B20内部功能模块如图3.4所示， DS18B20的工作原理:DS18B20的测温原理与DS1820相同，只是因分辨率不同得到的温度值的位数DS18B20 为9位12位，而DS1820为9位，且温度转换时的延时时间变为750mS,DS18B20的测温原理图如图3.5所示。虽然现在高精度芯片的采用,但由于技术问题在实际情况上比较难实现,而实际精度不能达到很高的数值，不过温度寄存器中的数值基本可确定为所测温度。 斜率累加器的作用就是为了减少这一误差，它能够补偿和修正测温过程中的误差，修正计数器1的预置值。图中低温度系数振荡器的晶振振荡频率受温度影响很小，固其能够产生固定频率的脉冲信号，用于计数器1的输入。而高温度系数振荡器的晶振振荡频率随温度变化有着明显的改变，所产生的脉冲信号用于计数器2的输入。预置计数器1和温度寄存器的一个基数值，为在55所对应时。低温度系数振荡器晶振产生的脉冲信号经过计数器1的减法计数，当减到0时，温度寄存器中的数据值将加1，重新装入计数器1的预置，低温度系数晶振产生的脉冲信号在经过计数器1的减法计数，循环执行，直到计数器2内的数据减到0时，停止温度寄存器内值的累加，此时温度寄存器内的数值就是现场所测得温度。DS18B20的寄存器结构的配置，低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式或测试模式。在其出厂时改为被设置为，用户不要改动。R1和R0用来设置分辨率。 图 3.5 DS18B20的测温原理框图3.4.2 湿度传感器空气湿度的测量有很多种方法，湿度传感器的工作原理是其内置的物质从周围环境中吸收水分后引起的物质形态结构的变化，将这种变化以某种等价方式获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。最常用的有电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件，分别是根据其内置物质吸湿后的介电常数、电阻率和体积的变化而测量得到湿度的。下面介绍HS1100（顶端接触）/HS1101（侧面接触）湿度传感器的特性及其应用。1. 主要特性（1）不需校准的完全互换性；（2）可靠性高和长期稳定性；（3）响应时间快速；（4）使用方便体积小；（5）能够适用于线性电压和频率两种输出电路；（6）适宜于流水线自动插件的制造和自动装配过程等。相对湿度的范围是0100%RH，电容量的变化为16pF变到200pF，其误差为2.5%RH、反应时间小于5S、温度系数为0.04pF/，可见其有较高的精度。2. 工作原理HS1100/HS1101电容传感器，在电路图中就是一个电容器件，这个电容有着其自身特点：随着空气中湿度的改变其电容量也就改变，如何把电容的变化量等价的转换为能够被计算机识别的信号，常用的方法是将该湿敏电容连接在555振荡电路中，555振荡电路的连接如图3.7所示，其可以把电容值的变化量转为易于被计算机识别的与之成反比的电压频率信号。HS1100/HS1101湿度传感器在不同的相对湿度中其电容值是不同的，而电容值得改变使电路输出的频率也发生相应的改变，HS1100/HS1101的容值随着相对湿度的增大而增大，而输出频率与之成反比，因此输出频率的变化是随着相对湿度值的变大而变小，即频率降低。表3.1给出了输出频率的典型值。 表 3.1 典型频率值（参考点：25，相对湿度：50%，输出频率：6728KHZ)湿度 %RH频率HZ湿度 %RH频率HZ073516066001072247064682071008063303069769061684068531006033506728图3.6给出了HS1101典型频率输出的555测量振荡电路，集成定时器555未接电阻R4、R2与湿敏电容C，构成对C的充电回路并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，R3是防止输出短路的保护电阻，R1用于平衡温度系数。 图 3.6 HS1101典型555应用电路3.5 模块的配置和应用本设计需要测量温度、湿度和压力三路模拟量信号，也需要三路模拟量信号的输出，而在PLC中应用的是数字量，所以就需要用到模拟量输入模块输出模块，因为有三路模拟量输入、三路模拟量输出，因此本设计选用的模块有模拟量输入/输出模块为EM235和模拟量输出模块EM232。因为EM235为三路模拟量输入、一路模拟量输出，EM232有两路模拟量输出，选用此两个模块能够满足系统的要求。1. EM235配置 表 3.2 EM235选择模拟量输入范围的开关表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0到100mV25VONOFFOFFOFFONON0到500mV125AOFFONOFFOFFONON0到1V250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFOFF25mV12.5VOFFONOFFONOFFOFF50mV25VOFFOFFONONOFFOFF100mV50VONOFFOFFOFFONOFF250mV125VOFFONOFFOFFONOFF500mV250VOFFOFFONOFFONOFF1V500VONOFFOFFOFFOFFOFF2.5V1.25mVOFFONOFFOFFOFFOFF5V2.5mVOFFOFFONOFFOFFOFF10V5mV EM235模块如何用DIP开关设置如表3.2所示。开关16可选择模拟量的单/双极性、增益、衰减性和输入范围。DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时为单极性输入，SW6为OFF为双极性输入。SW4和SW5决定其增益的选择，SW1,SW2,SW3共同决定了其衰减性的选择，下表中，ON为接通，OFF为断开。3.6 其他元器件的选择常用的LED显示器是由LED二级管组成，七段LED显示器是由七个LED二极管组成七个放光段所构成，这七个发光段通常标记为a,b,c,d,e,f和g，通过控制这七个二极管的点亮和熄灭，可显示09和A,B,C,D,E,F也能显示H,L,P等字符。LED显示器是由发光二极管构成的显示发光器件，二极管有阴阳极之分，因此七段数码管就可以有两种接线方式即共阴极方式和共阳极方式。封装时，共阳极连接是把七段LED二极管的阳极连接在一点上，而其阴极连到封装后器件的相应引脚上。当要点亮某一段时，在阳极上加入+5V的电压，在相应的引脚接入低电平即可。对于LED显示器共阴极连接方式，把二极管的阴极连接在一起，各阳极段接到相应的引脚上。当要点亮某一段时，只要使阴极接地，在相应引脚引入高电平即可。将PLC输出口与LED显示器的引脚相连，PLC输出口输出不同的数据即可在显示器上显示不同的数字。LED显示器有两种显示方式：静态显示与动态显示。当 LED显示器在静态显示方式下工作时，将共阳极或共阴极连接在一起，将其接地或+5V；并将每个段选线与一个8位并行口相连。在显示电路中，每一位都可以独立显示，方法是将该位段选线保持段选码电平，那么该位就能保持相应的显示内容。因为每位由一个8位输出口控制段选，所以在每一位显示字符可以各不相同。由于N位静态显示器需要N8根I/O口线，所占用的I/O口较多，所以在位数较多时采用动态显示。LED显示器动态显示时电路只需两个8位I/O口，将所有位的段选线并连在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由相应的I/O口线控制。其中一个控制段选码，另一个控制位选码。由于几个显示器的段选码都是由同一个I/O口来控制的，因此，在每个周期的时间里，8位LED显示器只可能接收相同的数据，也就只能显示相同的字符。而我们想要的是使每个显示器显示不同的字符，为了实现这一目标必须采用扫描显示的方式。即用位口控制输出，是这一个显示器处于工作状态，然后段口输出数据，显示想要的数字。下一个时间，改变位口的输出，给另外的显示器送入选通电平，段口输出相应字段选码，这样就能保证该位显示相应字符。循环执行，由于计算机的运算速度快，扫描周期很短，这样连续扫描就会形成视觉暂留，就看不出有数字的变化了。3.7 系统硬件接线图模块号输出功能模块号输出功能CPUQ0.0aCPUQ1.2压力个位片选Q0.1bQ1.3温度十位片选Q0.2cQ1.4湿度十位片选Q0.3dQ1.5压力十位片选Q0.4eQ1.6声报警Q0.5fQ1.7光报警Q0.6gEM235AQW0控制加热器Q0.7hEM232AQW4控制加湿器Q1.0温度个位片选AQW6控制电动阀Q1.1湿度个位片选 1. I/O分配表模块号输入功能模块号输入功能CPUI0.0启动按钮SB1EM235AIW0温度输入I0.1手动/自动切换SB2AIW2湿度输入AIW4压力输入2. 硬件接线图如图3.7所示。 图 3.7 系统硬件接线图第四章第四章 系统的软件设计4.1 常用PLC程序的设计方法 PLC程序设计常用的方法主要有经验设计法、电路转换梯形图法、逻辑设计法、顺序控制设计法等。 1.经验设计法：即根据前人总结的典型控制电路程序，再按照设计中被对象的具体要求，把典型程序进行从新组合，而且需要反复调试和修改，得到现在系统所需要的梯形图，有时仅仅这些还不能满足要求，还需要增加中间环节，才能得出符合要求的系统。这种方法没有一定的规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。 2.继电器控制电路转换为梯形图法：用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。 3.顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。 4. 逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。 本次设计采用的就是经验设计法。 4.2 系统流程图 系统加电按下启动按钮SB1后，首先初始化I/O通道，设置输入量的范围。读入由温度传感器获得的温度量，由模拟量输入模块EM235将获得的温度量经A/D转换，转换为数字量送入PLC中，调用PID控制子程序，对于输入量与设定值间进行PID运算，运算结果输出控制加热器，然后返回主程序，通过工程量的逆变换将读入温度值转换为对应的显示数字量，送入输出锁存器，由片选口发出选通信号，将需要显示的显示器接通显示。当温度越限时发出报警信号。然后依次读入温度、湿度、压力信号，依照以上的顺序执行，对湿度和压力进行控制，循环以上步骤。系统流程图如图4.1所示。启动开始初始化I/O口读入数据调用PID程序进行控制输出显示数据处理报警越限？是否 图 4.1 系统流程图4.3 温度监控程序的设计 本设计是对温度的处理，需要用到传感器采取电信号，经过模拟量输入模块的转换为数字量送入PLC。信号的转变过程可以表示为：物理量传感器标准电信号A/D转换数字量-由PLC进行PID运算-数字量-D/A-模拟量-加热器。假设物理量为A5，范围为A0Am，实时物理量为X，标准电信号为B0Bm，实时电信号为Y，A/D转换数值为C0Cm，实时数值为Z，由于是线性关系，可以得到方程式 经过A/D转换后数值的方程式可表示为 由此式就可以得到逆变换的方程式 在本设计中温度传感器的测量范围为0100，标准电信号为420mA，输入信号的数字量为640032000。温度的设定值为25，其对应的数字量由转换公式可得到为9600。由逆变公式可得到温度的显示数值为X=100*（Z-6400）/25600。环境的变化量可以为5，我们可以设置当温度大于等于30或小于等于20时，系统发出报警信号。本设计采用的PID闭环控制系统，首先要建立回路表，初始化PID参数。该系统的控制过程：启动时，手动控制加热器使环境温度达到要求值，在显示器上显示实时的温度，然后切换到自动方式。I0.0控制手动/自动的切换,0代表手动，1代表自动。当工作在手动方式下，可以把过程变量直接写入回路表中的输出寄存器（VD108）。其中主程序的功能是PLC首次运行时利用SM0.1调用初始化子程序SBR0。子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立5S的定时中断，并且开中断。中断程序INT0的功能是输入测量值，并送入回路表，经过PID计算，将输出值输出，从而控制加热器，保证车间内的环境温度稳定在设定值。温度监控程序梯形图：4.4 湿度监控程序设计本设计中湿度传感器的测量范围是0到100%RH，标准电信号为420mA，输入信号的数字量为640032000。湿度的设定值为50%RH，其对应的数字量由转换公式可得到为19200。由逆变公式可得到温度的输出显示数值为X=100*（Z-6400）/25600。环境的变化量可以为5%RH，我们可以设置当温度大于等于55%RH或小于等于45%R