基于PLC的温度监控系统设计.doc

目 录摘要-2Abstrack-20 引言-21 总体设计分析-32.1 温度传感器-32.1.1 温度传感器的发展-32.1.2 温度传感器的类型-32.1.3工作原理-42.1.4主要技术指标-42.1.5 温度传感器类型的选择-42.2 PLC类型的选择-42.3 A/D模块及其温度控制编程-52.3.1 A/D模块的介绍-52.3.2 数据转换-52.3.3软件编程的思路-62.4 显示电路-62.4.1 MAX7219简介-62.4.2 MAX7219的主要特点-62.4.3 MAX7219的工作过程-62.4.4通讯时序图-72.4.5MAX7219的位寄存器和控制寄存器-72.4.6 使用MAX7219应注意的问题-82.4.7软件编程-82.5报警电路-93 程序的流程图-94 整个系统的软件编程-105 结束语-11谢词-11参考文献-12基于PLC的温度监控系统设计作 者 *指导教师 *摘要 ：可编程控制器(plc)作为传统继电器控制装置的替代产品已广泛应用工业控制的各个领域，由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小，组装灵活，编程简单抗干扰能力强及可靠性高等特点，非常适合于在恶劣的工业环境下使用。本文所涉及到的温度监控系统能够监控现场的温度，并且能够通过现场和计算机控制，其软件控制主要是编程语言，对PLC而言是梯形语言，梯形语言是PLC目前用的最多的编程语言。关键字： PLC 编程语言 温度Design of the temperature supervisory is based on PLCAuthor * Guide teacher *Abstract: Programming controler ( plc ) the replacing product as traditional relay control equipment each that already applies industrial control extensively field ，Since it can change control course through software ，It is little to have volume，Assembly is flexible , the programming simple ability of interference rejection is strong and reliability higher characteristic, suit very much in bad industrial environment use. The temperature supervisory system that this paper is concerned with can the temperature of monitoring scene ，And can the control on-the-spot with pass through computer control, its software control is programming language mainly, for PLC is ladder-shaped language, ladder-shaped language is the most programming language that PLC now uses. Keyword： PLC Programming language Temperature 0 引言在现代化的今天，现代化控制是一个国家现代化水平的标志之一，在工业自动化领域，可编程控制器(PLC)作为自动控制的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，成为大多数自动化系统的设备基础。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用设计，它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控定时、计数和算术等操作的指令，并采用数字式、模拟式的输入和输出，控制各种的机械或生产过程。长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。1969年美国DEC公司研制出第一台可编程控制器，用在GM公司生产线上的获得成功。其后日本、德国等相续引入，可编程控制器迅速发展起来。 进入20世纪80年代，由于计算机技术和微电子技术的迅速发展，极大的推动了PLC的发展，使的PLC的功能日益增强。PLC可进行模拟量控制、位置控制和PID控制等，易于实现柔性制造系统。远程通信功能的实现更使PLC 如虎添翼。目前，在先进国家中，PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业。之所以应用广泛，是因为PLC有很多优点，本文涉及的温度监控系统是以PLC为核心的监控系统。该项目的最终目标是开发一个能进行加热，能够通过传感器检测实际的温度值，而且能够显示温度值，当实际温度值和设定温度值不相等时发出报警信号，以便让操作工控制。本系统在温度控制方面应用广泛，例如面包的生产，工业中的锅炉加热等。本系统的控制是采用PLC的编程语言-梯形语言，梯形语言是在可编程控制器中的应用最广的语言，因为它在继电器的基础上加进了许多功能、使用灵活的指令，使逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路。温度监控系统作为一个应用系统，要不断地完善，适应时代、市场的需要才能有所发展。1总体设计分析 根据温度系统的具体设计要求要求PLC系统能够监控反应器的温度。开始工作时全速加热，到设定值时保温40分钟停止加热。通过串行方式在LED上显示3位温度值。保温过程中温度过高/低时能发出声光报警，声报警能用按钮手动解除，光报警在正常时自动解除通过通信方式传送给监控电脑，监控电脑能检测对象的参数、状态。基于以上的要求，所设计的系统必须有以下结构模块：温度传感器单元、温度的LED串行显示单元、PLC模拟量转换模块单元、电脑监测单元 。2 系统的结构模块温度监控系统是将温度通过温度传感器传送到A/D模块，A/D模块将温度转换为数字量，在传送到PLC。其传送主要是通过PLC的指令，指令控制部分是接收外部各种控制信号，并完成对于各种信息的处理以及完成对外部设备的控制。PLC与外部设备的连接主要是通过I/O口，其功能是接收输入信号，传出输出信号。整个系统包括：PLC 、A/D模块 、显示电路。系统原理框图如图1所示。显示电路FP0A21模块温度传感器 加热单元电 脑图12.1 温度传感器2.1.1 温度传感器的发展 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。2.1.2 温度传感器的类型 温度传感器有热电偶和热电阻两种类型，在选择时根据不同的场合选择不同的类型。1、铂热电阻温度传感器是一种广泛的测温元件，在-50到600度范围内具有其它任何温感器无可比拟的优势，包括精度高，稳定性好，抗环境干扰能力强等。 2、热电偶温度传感器 两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用由于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1度时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5-40微伏/度之间。热电偶式温度传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应的速度，可以测量快速变化的过程，对一般的工业应用来说，为了保护感温暖元件的反映也就迟缓的多。使用热电偶的时候，必须消除环境温度的波动对测量带来的影响。有的把它的自由端放在不变的温度场中，有的使用冷端补偿器抵消这种影响。2.1.3 工作原理1、热电偶式温度传感器：热电偶式温度传感器能把被测温度信号转变成热电势信号，利用电测仪表测出电势大小，就可求得被测温度值。2、铂电阻温度传感器：是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性测量温度，显示仪表将会指示出铂电阻的电阻值所对应的温度值。当被测介质存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。2.1.4主要技术指标1、热响应时间： 在温度出现阶跃变化时,热电阻的电阻变化至相当于该阶跃变化的50%所需的时间,称为热响应时间, 用0.5表示。2、公称压力： 一般是指在工作温度下,保护管所能承受的静外压而不破裂。实际上，允许工作压力不仅与保护管材料直径、壁厚有关，还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的流速和种类有关。3、绝缘电阻： 常温绝缘电阻的试验电压可取直流10100V，任意值。环境温度在1535范围内，相对湿度不大于80%，常温绝缘电阻应不小于100M。2.1.5 温度传感器类型的选择 根据实际的需要选择了WZP系列的温度传感器，其电流范围是：4 20 MA，测温范围0100度。2.2 PLC类型的选择目前，各个厂家生产的PLC其品种、规格及功能都各不相同。本人选择了日本松下电工公司的FP系列PLC，主要有FP1、FP-M和FP0。FP0是超小型PLC，之所以选择松下公司的PLC，是因为其产品特点有以下几点。 丰富的指令系统在FP系列PLC中，即使是小型机，也具有近200条指令。除能实现一般逻辑控制外，还可进行运动控制、复杂数据处理。 快速的CPU处理速度FP系列PLC各种机型的CPU速度均优于同类产品。FP0的CPU处理速度为0.9MS/千步。 大程序容量FP0具有5000步的大容量内存及大容量的数据寄存器，可用于复杂控制及大数据量处理。 通信功能由于FP0的编程工具接口是RS-232C，所以连接个人电脑仅需一根电缆，不需适配器。2.3 A/D模块及其温度控制编程与FP0配接的A/D混合模块的型号为A21，在实际应用中往往需要通过模拟量采集的值，对执行机构进行控制。2.3.1 A/D模块的介绍1、占用I/O通道A21模块有2个模拟量输入通道：CH0、CH1， 及占用I/O通道分别为： CH0-WX2（模拟量输入通道） CH1-WX3（模拟量输入通道） 根据本系统的要求选择CH0通道2、A/D输入的转换特性 输入为直流电流 020MA输入电流转换值0.002.55005.010007.5150010.0200012.5250015.0300017.5350020.040002.3.2 数 据 转 换 由于A21的输出数据是十进制的，也就是说DT0中的数据是十进制的，那么必须将温度25度转换为相应的十制才可以比较，即数据转换的问题。可通过以下计算思路，得出温度与相对应的十进制值的关系。温度传感器的输出信号为420mA的电流值，对应于0度100度的温度，温度与电流是线性的，则有：y1=（25/4）x1+25其中 y1 代表温度值，x1代表电流值，根据以上数据转换图表，当输入4-20mA时，温度值与十进制存在以下关系：k2=250x21000,且x2=20MA，k2=4000则有温度值和十进制的关系如下：(（4/25）y1)-4=(k2/250)-4其中y1和k2 分别代表温度值和十进制值。当温度值为40度时,对应的十进制是1600。根据以上分析，我们可计算出任意模拟输出的物理量与计算机所能处理的十进制之间甚至二进制的关系，从而为计算机与物理量数据的交互提供了一个通道。在本文的应用中，通过PLC模拟单元对数据的转换和传递，实现了实时模拟值与需求值不断比较，直到达到需求值时所应执行的动作。因此在程序中用K1600与DM0中的数据比较；用CMP指令实现，同时产生一个标志。但在本文应用中需要注意两点：一是由于PLC采用的扫描工作方式，存在着扫描时间，因此所采集的值到执行件执行时模拟值已发生变化，同时，若我们用CMP指令时，取值一般是小于等于或大于等于这个结果，因为PLC运行时，CPU只能分时地一个操作一个操作地执行，那么模拟值等于需求值同时又在执行CMP的指令的概率就很小，极其容易导致死循环。因此我们用以上介绍的方法时，应用在执行元件取值的范围允许大于PLC一个扫描周期内模拟值变化的状态.2.3.3软件编程的思路在程序开始时，首先要将设定值写入输出通道，以便进行A/D转换，用第一次循环标志R9012执行。PLC上电后，需要约100ms开始进行A/D转换，为了使数据完全转换，在程序开始时，延时200到300ms后再从通道中用MOVE指令读出数据，程序如下：该指令用于从模拟I/O单元读取数据，并把数据传送至目的寄存器中。经过A-21将温度的值输入PLC内部后，可以通过DT0值执行动作。这里介绍一下在温度为40度时停止加热。为实现这样的功能我们的思路是：温度为40度作为一个标准值，拿这个值与DT0中的值不断的比较，直到DT0中的值等于40度，DT0中的值为40度产生一个标志,在R900B为ON后，表示温度已达到设定值，可执行相应的动作处理。2.4 显示电路在工业控制、仪器仪表、图形显示和邮电及其它行业的窗口广告显示系统中，需要有一种LED显示驱动电路。从目前的LED显示驱动电路来看，普遍采用MAX7219显示驱动器，因为MAX7219有很多优点。2.4.1 MAX7219简介MAX7219是Maxim公司生产的高性能的8位LED显示驱动器，它可直接驱动多达8个数码管或64.只发光管，大大方便了显示电路的设计。它的内部具有数据保持、译码、多路扫描及一个静态RAM电路。可对单个数位进行寻址。不管显示多少位，仅需PLC的三个输出口。其线串行接口方式可与PLC直接相连,从而大大节省了PLC的端口资源并可在产品设计中使显示电路简单化。2.4.2 MAX7219的主要特点串行接口信号频率可达。可独立控制各段。可选择编码或非编码方式。在关断方式下,显示数据不改变,维持电流仅。可用数字和模拟两种方式控制显示亮度。内含双端口静态。可直接驱动共阴极显示器。2.4.3 MAX7219的工作过程MAX7219是一个可编程器件,片内有移位寄存器,B码译码器,多通道扫描电路,段和位驱动器,存储每位数据的RAM等.只需通过若干次的输入双字节数据,就可完成对MAX7219的控制与显示输出.双字节数据格式如下表：双 字 节 数 据 格 式 表D15 D14 D13 D12D11 D10 D9 D8D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0任 意地 址数 据上面是串行数据的传送格式，串行数据共有16位。其中D7 D0为数据位，D11D8 为要写入该数据的寄存器地址，D15D12是无关位（可为任意数）。地址分布如下表：寄 存 器位不工作式0位1位2位3位4位5位6位7位译码方式亮度控制扫描个数关闭显示测试D15-D12任 意D1100000000111111D1000001111000011D900110011001100D8010101010101012.4.4通讯时序图通讯时序图如下图。数据发送按由高到低的原则，首先发送D15，最后发送D0，发送到DIN端的串行数据在每个CLK的上升沿被移入到内部16位寄存器中。在LOAD的上升沿，最后接收到的8位数据被锁存到对应地址的数字或控制寄存器中。LOAD必须在锁存D0的时钟上升沿同时或之后，但在下一个时钟上升沿之前变高，否则数据将会丢失。2.4.5 MAX7219的位寄存器和控制寄存器MAX7219片内寄存器分为8个位寄存器和6个控制寄存器。每个位寄存器用来存放点亮对应LED的具体内容。控制寄存器决定LED的工作方式，6个寄存器分别为：译码方式寄存器、亮度寄存器、扫描个数寄存器、关闭寄存器、显示测试寄存器和不工作方式寄存器 位寄存器该寄存器决定LED显示的内容。当用B译码方式时，位寄存器的内容与显示字符的对应关系如图所示。D7置1时，代表有小数点，D6-D4无效，D3-D0代表16个字符。当选择不译码时，位寄存器的内容直接与LED的8段（A-G，DP）相对应，其中D7指向DP段，D6指向A段，顺序排列，D0指向G段。位置1时代表段点亮，否则代表熄灭。 译码方式寄存器该寄存器决定位寄存器的译码方式。有B玛和不译码两种。下表列出寄存器的数据与译码方式的对应关系。译码方式寄存器的数据与译码方式译码方式D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D00-7位LED不用译码 0 0 0 0 0 0 0 00位用B译码，1-7位不用译码 0 0 0 0 0 0 0 10-3位用B译码，4-7位不用译码 0 0 0 0 1 1 1 10-7位用B译码 1 1 1 1 1 1 1 1 显示亮度寄存器其中D7-D4位可任意，而D3-D0可选择0000-1111。D3-D0的值越大，LED显示器越亮。 关闭寄存器工作在关闭方式时，扫描振荡器停止工作，LED数码管熄灭，而位和控制寄存器的数据保持不工作在此方式下可节省电源，同时也提供闪烁显示功能。关闭寄存器的内容是这样规定的：D7-D1位无效，D0位置1代表关闭工作方式。 扫描个数寄存器该寄存器决定显示多少个LED。在一般情况下，显示八个LED扫描速率为1300HZ，不满八个LED显示时，扫描速率为8*f/N，N为显示LED的个数。 显示测试寄存器该寄存器工作与两种方式：显示和显示测试。显示测试方式使所用的8个LED点亮，而不改寄存器的内容，且优于关闭寄存器的工作。其中D7-D1位可任意；D0=0，LED处于正常工作状态；D0=0允许显示，LED处于显示测试状态。2.4.6 使用MAX7219应注意的问题 MAX7219的线串行接口可方便地连接到PLC上,当其16位数据串行发送到DIN端后,该数据将在每个CLK的上升沿被移入内部16位移位寄存器中,然后在LOAD的上升沿锁存到数字或控制寄存器中。在强干扰环境下,如大功率电机的起停或高压发生过程中,干扰源可能通过供电电源或根信号线串入显示电路而造成显示器的不稳定,从而出现笔段跳跃、显示不全、甚至全暗或全亮的现象。为此,可通过在根信号线上对地接入一个1000PF的瓷片电容来有效地滤除因空间干扰而引起的尖脉冲。2.4.7软件编程本系统采用调用子程序方式对MAX7219进行控制,传送位数据的地址位和数据位。在主程序中对MAX7219的初始化。包括：译码方式寄存器、显示亮度寄存器、扫描个数寄存器等。显示程序实际上就是在CLK和LOAD时序的配合下不断通过DIN向MAX7219的相应控制寄存器和数据显示寄存器写入16位二进制数据包的过程。所以问题的关键在于编写一个通用的写入子程序将CPU的内容从高位到低位在CLK的作用下依次移入到MAX7219的移位寄存器,最后在LOAD的上升沿锁存到相应的内部控制寄存器和数据显示寄存器中。 其程序如下： 以上程序