居民室温快速准确的控制论文.doc

本科毕业设计论文本科毕业设计论文 摘 要 集中供暖工作是我国北方城市生活中的大事 其大规模实施为提高城市的 现代化水平 改善城市的大气环境做出了突出贡献 但传统供暖系统自适应能 力和智能控制的缺乏使供暖工作并没有得到广大群众的充分肯定 如何提高暖 气控制系统的自动化和现代管理程度 是当前供暖工作研究的重要课题之一 针对供暖系统的现状 本文提供了一种节能环保 科学合理和具有现代智 能控制思想的实施方案 温度是一类大时滞 非线性物理量 很难对其建立精 确的数学模型和用经典控制方法控制 本文从供暖系统的自适应调节功能出发 采用模糊 PID 的控制方式 以 PLC 作为核心控制器件 通过相关感测和执行机 构 实现对居民室温快速准确的控制 同时 本文还提供了适用于小区和供暖 部门关于暖气费用收缴的管理软件 该软件在上位机中建立暖气用户的数据库 通过上位机与下位机间的串行通讯 将上位机中用户的缴费信息发送到下位机 实现对阀门的控制 从而完成对小区暖气缴费的管理 实验观测证明 本设计 方案能够根据不同情况对暖气用户室温进行自动调节 能够在中央计算机的要 求下控制每个用户暖气的开闭 并能够监测每个用户的室温 有效地提高暖气 管理人员的工作效率 且有反应快 精度高等优点 有较强的实用性 关键词 PLC PID 控制 数据库 通讯 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 ABSTRACT Central heating is an event in the northern city life it was largely implemented makes outstanding contributions for improving urban modernization level and urban atmospheric environment But the traditional heating system doesn t get fully affirmed by the masses because it is lack of adaptive function and intelligent control How to improve the automation and modern management level of heating control system which is one of the important topics on current study of heating work Concerning the current situation of heating system this paper provides a kind of energy conservation environmental protection science reasonable solutions with modern intelligent control idea Temperature is a large delay and nonlinear physical quantity it is difficult to be control by precise mathematic model and classical control method Begin with the adjustment and adaptive function of heating system introducing fuzzy PID control method using the computer as the core control devices employing the relevant sensors and actuators this paper realize the fast and accurate control to room temperature of resident At the same time this paper also provides the management software which applicable to take over heating fee for residential and heating department This software establishes the database of heating users in upper computer by serial communication between upper computer and lower computer according the users information from upper computer realizes the control to the valve by lower computer and accomplishes the management of taking over heating fee Experimental observations to prove this design can automatically adjust the heating users room temperature according to different situations control each user s switch of heating at the request of central computer and supervise each user s room temperature effectively improve the efficiency of heating management personnel At the same time it takes on the virtue of quick response and high precision also has strong practicability KEY WORDS PLC PID control database communication 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 课题来源 1 1 2 供暖系统的发展 2 1 3 本课题的研究任务 3 1 3 1 中央计算机管理软件 3 1 3 2 控制器 PLC 软件编程 3 1 3 3 硬件电路及其接口 3 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计 4 2 1 PLC 的概念及发展 4 2 2 系统的控制方式 5 2 3 系统构思和总体方案描述 7 第三章第三章 硬件电路的组成硬件电路的组成 9 3 1 可编程序控制器 PLC 9 3 1 1 CPU 本体 9 3 1 2 模拟量输入模块 11 3 1 3 模拟量输出模块 12 3 1 4 CPU 和扩展模块的连接 12 3 2 温度传感器 13 3 3 比例阀 14 3 4 比例阀放大器 15 3 5 串行接口电路 16 第四章第四章 软件设计软件设计 18 4 1 下位机程序设计 18 4 1 1 PLC 编程环境简介 18 4 1 2 输入输出设计 20 4 1 3 PID 控制程序的实现 21 4 1 4 通讯程序设计 24 4 2 上位机程序设计 29 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 4 2 1 数据库的建立 29 4 2 2 软件与数据库的连接 30 4 2 3 通讯程序设计 32 4 2 4 软件界面设计 34 第五章第五章 全文总结全文总结 37 5 1 研究工作总结 37 5 2 今后工作展望 37 参考文献参考文献 38 致致 谢谢 39 毕业设计小结毕业设计小结 40 附附 录录 41 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 第一章 绪论 1 1 课题来源 锅炉供暖是我国北方地区解决冬季供暖问题的主要方式之一 也是城市的 基础设施之一 是保证城市经济发展 居民正常过冬的必要条件 每年要投入 大量的人力 物力 财力来确保供暖工作的顺利进行 这项本来是送温暖的服 务 很多地方做的不够好反而让部分居民感到了阵阵寒意 也让供暖方左右为 难 除此之外 对暖气不热或过热 居民的意见也很大 因此 供暖管理是否 科学化 合理化 直接决定着供暖的能耗 质量和供暖单位的经济效益 随着 人民生活水平的不断提高 供暖范围日益扩大 建筑能耗也将大大提高 所以 为了保证供暖质量 满足使用要求 并使热能设备和热能输送经济合理 就要 对供暖系统进行调节 目前 国内对暖气控制并没有足够地重视 采用传统取暖的控制方式还比 较普遍 但传统取暖方式基本形式有其先天的缺陷 1 系统不具有个体调节能力 单管垂直采暖系统的主要缺点是不利于进行局 部调节 无法改善和满足热用户的热舒适性要求 而且由于该系统是将热 水先供到住宅楼的顶层 然后依次向下分至各用户 这就在理论上造成不 同楼层的热用户的散热器的供暖系数也不相等 因此造成顶层过热 底层 过冷 冷热不均现象 顶层用户过热时只能通过打开门窗的方式来放走热 量以降低室内温度 这就造成了能源的浪费 如果采用调节整体热水流量 来降低室温 就会造成低层用户过冷的现象 因此 该系统也无法对各用 户单元的室温进行单独调节 导致了能源的浪费 2 系统维修时浪费能源 由于单管垂直采暖系统是一个整体的热水循环系统 如果该系统有一处设施漏水或堵塞 整个系统将会受到影响 严重时可能 导致整个住宅楼停供 而且在维修时会造成大量热水浪费 在寒冷地区可 能会出现供水管冻裂等严重问题 造成不必要的事故 影响居民的正常生 活 3 闲置住宅的能源浪费 由于室内采暖系统是单管串联式 所以每层 每户 住宅必须用暖气 否则该系统就无法正常运行 如果出现有些用户不想用 暖气或者有些住宅长期闲置 这就必然导致能源的浪费 目前在一些非采 暖且在发展小区采暖的地区 此种现象十分突出 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 4 不利于供暖部门的管理 对于拖欠热费的用户处理困难 如果要停止个别 用户的供暖 可能影响到整个住宅楼停供 如此导致供暖费用收愈加缴困 难的恶性循环 致使供暖企业入不敷出 连年亏损 1 2 供暖系统的发展 近几十年来 我国已经在能源节约方面取得了巨大的进步 从 1980 年到 2000 年 我国在保持经济快速发展的同时每单位国内生产总值能源消耗以平均 每年 5 24 的速度下降了 66 这个成就令世界震惊 然而 跟发达国家比起 来 中国目前的每单位国内生产总值能源消耗依然很高 大约是经济合作组织 成员国平均水平的 3 8 倍 因此中国能源节约的道路依然任重而道远 随着大力倡导创建节约型社会的理念 近年来节能问题在供暖系统设计中 越来越被人们重视 因此有必要在新建住宅中采用更合适的供暖系统形式来满 足人们的需要 在节能问题上 尤其是特别重视能源利用过程前的处理 即在 规划设计整个供暖系统时 应该考虑该系统的节能前景及经济效益 因此 在 进行住宅室内采暖系统设计时 将考虑热单个用户温度控制的需要 据初步测 算 采取按需供暖分户自动调节 可以实现采暖节能20 以上 1 住宅供暖问题 涉及千家万户 要求在长期的应用和考验中 逐渐发展成 一项成熟的应用技术 建设部 民用建筑节能管理规定 的颁布实施 推动我 国新建民用建筑集中供暖节能技术的进步 而与此同时 我国现有建筑进行节 能改造势在必行 住宅进行供暖分户管理实现建筑节能 提高室内供暖质量 是加强供暖系统智能化管理的一项重要措施 不仅仅要对供暖管网进行节能改 造 同时要对既有的用户暖气的控制方式进行节能改造 使其适应分户暖气收 费的需要 才能真正的实现供暖的节能 目前 在我国这种分户式管理系统的研究刚刚起步 大部分都处于尝试阶 段 原有的室内供暖系统多为单管垂直系统 缺乏独立调节能力 用户对热是 商品没有深刻的认识 缺乏节能意识 仅此使我国住宅采暖单位面积能耗高出 先进国家 2 倍左右 且不便于供暖部门管理 而且例如学校 办公楼 商店等 公共建筑 在一天的使用时间低于 24 小时 除在使用时间内需要保持舒适温度 以外 其它时间并无温度要求 单独对这些建筑采用间歇供暖是经济合理的 供暖系统的按户管理是供暖发展的方向 是解决收费难和实现节能的唯一出路 随着人民生活水平的提高 人们不再仅满足于吃饱 穿暖 而是不断追求高质 量 高品位的生活 分户管理采暖系统的特点是对每个采暖用户进行单独控制 即每户独立采用一个供水系统 可以单独对用户进行调节 关断 不会影响其 它用户 达到分户管理目的根本方法就是对用户独立地进行控制 现代暖气温度控制旨在以智能的方式 以最小的人力和物力实现最优的控 制效果 自动化的范围是极其广泛的 没有自动控制就没有高效率 高质量 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 在社会日益进步 自动化程度越来越高的今天 随着自动控制理论与实践的发 展 手动控制的供暖系统逐渐变得不能满足人们的需求 自动控制系统在供暖 系统中的应用已经成为了一种迫切的需要 1 3 本课题的研究任务 暖气自适应系统主要由中央计算机管理软件设计 控制器 PLC 软件编程和 硬件电路及其接口三大部分内容构成 具体包括 1 3 1 中央计算机管理软件 1 实用完善的计算机控制窗口界面 2 方便简洁的用户信息管理系统 3 与下位机的数据通讯 1 3 2 控制器 PLC 软件编程 1 实现用户室内温度的自动调节 2 存储所有用户的暖气开关的开闭信息和室内温度信息 3 与上位机的数据通讯 1 3 3 硬件电路及其接口 1 上位机与下位机的通讯连接 2 温度传感器与 PLC 的信号传输连接 3 PLC 与阀门的驱动连接 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 第二章 系统总体方案设计 2 1 PLC 的概念及发展 可编程序控制器是在继电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动 控制装置 早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制 替代以继电器 接触器为主的各种顺序控制 因此 称它为可编程序逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 2 4 进入 20 世纪 80 年代以来 由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展 极 大地推动了可编程序控制器的发展 使其功能日益增强 更新换代明显加快 随着技术的发展 国外一些厂家采用微处理器 Microprocessor 作为中央处理 单元 使其功能大大增强 它不仅具有逻辑运算功能 还具有算术运算 模拟 量处理和通信联网等功能 PLC 这一名称已不能准确反映它的特性 因此 1980 年美国电器制造商协会 NEMA 将它命名为可编程序控制器 Programmable Controller 缩写为 PC 但由于个人计算机 Personal Computer 也简称 PC 为避免混淆 可编程序控制器习惯上仍成为 PLC PLC 与目前应用于工业过程的各种实现顺序控制设备比较 具有明显的优 势 表 2 1 为继电接触器控制系统 微机控制系统 PLC 控制系统之间的比较 表 2 1 继电接触器控制系统 微机控制系统 PLC 控制系统比较 项 目继电接触器控制系统微机控制系统PLC 控制系统 功 能用大量继电器布线逻 辑实现顺序控制 用程序实现各种复杂控制 功能最强 用程序可以实现各种 复杂控制 通 用 性一般是专用要进行软 硬件改造才能作 其它用 通用性好 适应面广 可 靠 性受机械触点寿命限制一般比 PLC 差平均无故障工 作时间长 抗干扰性能抗一般电磁干扰要专门设计抗干扰措施 否则易受干扰影响 一般不用专门考虑 抗干扰问题 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 适 应 性环境差 会降低可靠 性和寿命 工作环境要求高 如机房 实验室 办公室 可适应一般工业 生产现场 接 口直接与生产设备连接要设计专门的接口直接与生产设备连接 灵 活 性改变硬件连接逻辑 工作量大 修改程序技术难度大修改程序较简单容易 工作方式顺序控制中断处理 响应最快顺序扫描 系统开发图样多 安装接线工 作量大 调试周期长 系统设计较复杂 调试技术难 度大 需要有系统的计算机知 识 设计容易 安装简单 调试周期短 维 护定期更换继电器 维 修费时 技术难度较高现场检查 维修方便 总之 PLC 是以微处理器为核心的 集计算机技术 通讯技术 自动控制 技术 简称 3C 技术 为一体的新型工业控制装置 是在顺序控制器和微机控 制的基础上发展起来的新型控制器 是一种以微处理器为核心用做数字控制的 专用计算机 它具有丰富的输入 输出接口 并且具有较强的驱动能力 PLC 以 其极高的可靠性 丰富的编程语言 实用的编程方法 强大的功能 优良的性 能 良好的耐恶劣环境能力成为现代化工业控制中最值得重视的先进控制器 也是目前工业控制领域中增长速度最迅猛的工业控制设备 随着科学技术和微 处理技术的迅猛发展 PLC 技术和产品趋于完善 广泛应用于各种场合 正是 由于 PLC 的这些优势 所以本设计选择以 PLC 作为下位机 2 2 系统的控制方式 在生产过程中为了提高产品质量 增加产量 节约原材料 要求生产管理 及生产过程始终处于最优工作状态 因此产生了一种最优控制的方法 这就叫 自适应控制 在这种控制中要求系统能够根据被测参数 环境及原材料的成本 的变化而自动对系统进行调节 使系统随时处于最佳状态 本设计目的是要使 温度始终保持在设定的范围内 也就是对温度的自适应控制 所采用的控制方 式是 PID 控制 5 PID 控制问世至今已有近 70 年历史 它以其结构简单 稳定 性好 工作可靠 调整方便而成为工业控制的主要技术之一 当被控对象的结 构和参数不能完全掌握 或得不到精确的数学模型时 控制理论的其它技术难 以采用时 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定 这时应 用 PID 控制技术最为方便 即当我们不完全了解一个系统和被控对象 或不能 通过有效的测量手段来获得系统参数时 最适合用 PID 控制技术 PLC 是利用 其闭环控制模块来实现 PID 控制 PID 控制是偏差比例 P 偏差积分 I 偏差微分 D 控制的简称 在模拟控制 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 系统中 常规模拟 PID 控制系统原理框图如 2 1 图所示 r t 积 分 比 例 微 分 被控对象 y t 2 1 PID 控制系统原理框图 目前对于温度的控制大多是采用 PID 控制 这种方法简单 便于实现 但 是对于像室内温度这种非线性 大滞后 时变的温度控制系统采用传统的 PID 控制 同一组控制参数很难兼顾不同情况下的控制要求 且会产生较大超调 调节时间长 控制效果差 模糊控制 6 7 的方法是以人对被控单元的控制经验为 依据而设计的控制器 同样不需建立被控系统的精确数学模型 而且具有良好 的适应性和鲁棒性 自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数 实时改变其控制策 略 使控制系统指标保持在最佳范围内 但由于操作者经验不易精确描述 控 制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示 而模糊理论正是解决这一问 题的有效途径 人们运用模糊数学的基本理论和方法 把规则的条件操作用模 糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息 如评价指标 初始 PID 参数等 作为知识存入知识库中 然后根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理 实 现自动对 PID 参数的最佳调整 从以上的分析可知模糊自适应 PID 控制应用在 具有明显的纯滞后 非线性 参数时变类似于室内温度这样特点的控制对象可 以获得很好的控制性能 大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自适应 PID 控制室内温度是一个非常好的解决方法 它不仅能发挥模糊控制良好的鲁 棒性 快速的动态响应 极短的上升时间和很小的超调等特点 又具有 PID 控 制器的动态跟踪品质和稳态精度 因此在温度控制器设计中 采用 PID 参数模 糊自整定复合控制 实现 PID 参数的在线自调整功能 可以进一步完善 PID 控 制的自适应性能 在实际应用中取得较好的效果 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 2 3 系统构思和总体方案描述 一般的控制系统都是采用上位机与下位机相结合的方法来进行控制的 暖 气自适应调节系统也是如此 本系统将中央计算机作为上位机 PLC 作为下位 机 由硬件电路和软件编程两部分组成 硬件电路是这样构思的 首先 通过温度传感器对每个用户室内温度进行 采集 将输出信号送到 PLC 的模拟量输入模块 然后通过其内部的 A D 转换器 将模拟信号变为数字信号送至 PLC 的 CPU CPU 对采集的温度信号进行模糊 PID 运算 将运算结果进行处理后送到 PLC 的模拟量输出模块 再通过其内部 的 D A 转换器将数字信号变为模拟信号输出到比例阀放大器 接着比例阀放大 器将输入的控制信号按一定程度放大 将其作用于比例阀 即最终实现了对阀 门的控制 相应地也就实现了对温度这个连续变化的物理量精确 快速的闭环 控制 软件编程是这样构思的 首先 对工作时序 模糊 PID 控制方式和通讯设 置进行编程 将其载入下位机 其次 在上位机中对小区的用户资料建立一个 数据库 对用户的信息进行记录 然后 在上位机设计一个系统管理软件 包 括对数据库的操作和与下位机通讯的功能 同时 利用 PLC 本体上集成的 RS232 通讯网络接口 实现上位机与下位机 的串行通讯 通过通讯上位机可以发送缴费情况的数据给下位机 控制每个用 户的暖气开关 而且 上位机还可以接收下位机发送的数据 了解每个用户的 室温情况 有利于故障和意外情况的排查 系统总体方案设计如图 2 2 所示 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 中央控制计算机中央控制计算机 RS232 P L C C P U 扩展输入模块扩展输出模块 温度传 感器 比 例 阀 放 大 器 比 例 阀 室 内 温 度 运 算 放 大 器 运 算 放 大 器 比 例 阀 放 大 器 比 例 阀 室 内 温 度 图 2 2 系统总体方案图 该设计是集暖气自适应控制和现代化分户管理方式于一身的综合性系统 系统可以根据默认的温度设置要求和室内的温度情况自动调整供暖的多少 管 理工作人员可以省时省力地管理暖气费用收缴 及时方便了解用户室内温度情 况 本系统具有调整安全性能高 室温调节快捷 控制简易 节能效果好 成 本低廉等特点 它能够较好地适应今后市场经济发展的需求 同时能够产生巨 大的经济效益和社会效益 温度传 感器 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 第三章 硬件电路的组成 3 1 可编程序控制器 PLC 本设计的可编程序控制器选用的是北京凯迪恩公司 KDN K3 系列小型一体 化可编程序控制器 8 K304EX 14AR 同时配备一个模拟量输入模块 K331 04IV 和一个模拟量输出模块 K332 02IV 3 1 1 CPU 本体 K304EX 14AR 是高品质的小型一体化可编程控制器 在 CPU 本体中集成 了电源 通讯口和一定数量的 I O 再通过扩展模块可以实现中小规模的控制系 统 由于采用了软硬件优化设计 CPU 逻辑指令执行时间小于 0 5 s 为适应 复杂的过程控制和机器控制需求 特别加入了 PID 算法 运动控制等多种高级 控制指令 CPU 模块采用了一款功能强大的 16 位处理器 外接系统程序存储 器 FLASH 用户程序存储器 RAM 实时时钟 电源电路 看门狗 输入 输出处理电路等 构成一个基本的微计算机系统 其工作电压为 AC130 300V 同时可以通过扩展总线向外提供 5V 和 24V 电压 CPU 通 过其自身集成的 RS232 串行接口与第三方设备 系统实现互联 接口支持标准 的 Modbus RTU 协议以及自由通讯方式 默认设置下 使用的是 Modbus RTU 协议 CPU 作为 Modbus 从站 CPU 本体集成了 8 个数字输入 DI 接口和 6 个继电器输出 同时还可以很方便地通过扩展总线来连接其它功能模块 比如 模拟量输入模块 CPU 及扩展模块的工作环境如表 3 1 所示 表 3 1 CPU 及扩展模块的工作环境 工作温度0 55 允许相对湿度95 无冷凝 存储温度 20 85 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 CPU 本体实物结构如图 3 1 所示 图3 1 CPU本体结构图 CPU 本体的 DI 输入端 既可以用于普通的数字量 开关量 输入 也可 以用于高速脉冲量输入 DO 输出端部分在 CPU 本体的上侧 各输入输出通道 与内部 CPU 电路之间均有光电隔离 并对应相应的状态指示灯 指示输入通 道的通断状态 CPU 本体的 I O 地址是固定不变的 由 I O 的类型及在 I O 信 号线连接端子中的位置决定的 K304EX 14AR 的 I O 连接如图 3 2 所示 上 面一排为 6 个端口的输出 下面一排为 8 个端口的输入 图3 2 K304EX 14AR的I O连接 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 CPU 运行状态指示灯包括运行 RUN 停 止 STOP 通讯 Comm 故障 Err 四个指示灯 如图 3 3 所示 运行 RUN 停止 STOP 指示灯指示 CPU 的运行 停止状态 运行 RUN 指示灯为绿色 停止 STOP 指示灯为红色 通讯 Comm 指示灯 用以指示 CPU 与其它设备通讯时的状态 当 CPU 发送数据时绿色通讯 Comm 指示灯会闪烁 故障 Err 指示灯用以指示 CPU 在运行过程中发 生通讯 程序运行错误 产生硬件故障等 故障 Err 指示灯为红色 当在运行中产生错误状态时 CPU 会依据错误状态的级别 来进行错误处理 3 1 2 模拟量输入模块 模拟量输入模块 K331 04IV 具有四个通道 可以测量标准的电压或电流信 号 4 20mA 1 5V 0 20mA 10 10V 在模块中采用了 14 位的高精 度 A D 转换芯片 该模块在 CPU 的 AI 映像区中占用 8 个字节的地址空间 每 通道 2 个字节 每个通道的参数 包括地址 信号形式 滤波方式等 均可以 通过 EasyProg 该公司开发的 PLC 编程软件 将会在软件设计部分予以介绍 软 件单独进行配置 因此在一个模块中可以混合不同的信号并且各通道可以采用 不同的滤波方式 每个通道均有红色 LED 指示 4 20mA 或者 1 5V 输入信号 超限 主要特点如下 4 通道多信号输入 可以测量 4 20mA 1 5V 0 20mA 10 10V 信 号 各通道电流输入不允许超过 20 4mA 电压输入则不允许超过 10 2V 信号测量精度 0 2 F S 各通道通过 EasyProg 软件单独进行参数配置 各通道红色 LED 指示 4 20mA 信号或者 1 5V 信号超限 各通道的输入信号首先由模块经过 A D 转换 得到的数值再进行线性变换 并将结果 在下面称之为转换值 经过扩展总线送往 CPU 模块中以供用户程序 访问 模拟量输入模块的转换值为测量的信号值乘以 1000 但模块对于各种信 号形式均有一定的测量范围 若输入信号超出测量范围 超过测量上限 则转 换值为 32767 超过测量下限 则转换值为 32767 图3 3 CPU运行状态指示灯 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 3 1 3 模拟量输出模块 模拟量输出模块 K332 02IV 模块具有 2 个通道 可以输出标准的电压或电 流信号 4 20mA 1 5V 0 20mA 10 10V 每种信号形式都有各自 的允许输出范围 若用户程序指定的输出值超过上 下限 则模块的实际输出 保持在上 下限值不变 这样可以保护所连设备以免因过高的输出而烧毁 在 模块中采用了 12 位的高精度 D A 转换芯片 该模块在 CPU 的 AQ 映像区中占 用 4 个字节的地址空间 每通道 2 个字节 每个通道的参数 包括地址 输出 信号形式 停机保持值等 均可以通过 EasyProg 软件单独进行配置 因此在一 个模块中可以混合输出不同的信号形式 主要特点如下 2 通道多信号输出 可以输出 4 20mA 1 5V 0 20mA 10 10V 信 号 输出信号精度 0 5 F S 每种信号形式都有各自的允许输出范围 各通道通过 EasyProg 软件单独进行参数配置 用户程序中指定的输出值首先经过扩展总线送到相应的 AO 模块中 然后 经过计算 变换并通过 D A 最终在指定的通道输出 模拟量输出模块的输出值 为用户指定值除以 1000 但各种信号形式的输出范围是有限制的 若用户程序 中指定的输出值超出上 下限 则最终的输出信号保持上 下限值不变 3 1 4 CPU 和扩展模块的连接 扩展总线是连接 CPU 模块和扩展模块的数据通道 在电气 机械上让各模 块连接成一个整体的系统 扩展总线的物理介质为 16 芯扁平电缆 在 16 芯中 分别定义了两路高速数据通道 扩展模块地址译码通道 5V 电源 电源地 GND 24V 电源等 扩展总线接口位于各模块的右端 扩展总线提供的 5V 电源 24V 电源均由 CPU 内部提供 其中 5V 电源是用于为各扩展模块 内部电路提供工作电源 而 24V 电源是特别设计作为继电器型 DO 扩展模块中 继电器线圈的驱动电源 DC24V CPU 的 5V 电源的电流为 720mA 24V 电 源的电流为 165mA 在实际的连接中 CPU 模块总是排列在最左端 扩展总线 电缆从 CPU 的扩展接口引出 依次向右连接扩展模块 连接步骤为 将第一个 扩展模块的 16 针扩展电缆插头接入 CPU 右端扩展接口的插座中 第二个扩展 模块的 16 针扩展电缆插头接入第一个扩展模块右端的扩展接口插座 依此类推 扩展模块连接完成后将全部扩展模块推紧 扩展电缆自然滑入模块左侧的蔽线 槽中 从正面看模块之间平滑过渡 没有缝隙 为增加扩展总线数据传输的稳 定性 通常需将最后一个模块扩展接口中的第 9 针与第 10 针使用短接线短接起 来 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 3 2 温度传感器 温度传感器作为本设计中的底层器件 置于用户室内 负责采集各个用户 的室温 根据本设计的特点对温度传感器有几个基本要求 1 测量的温度范围一定要满足要求 2 输出一定要为模拟量以便被 PLC 采集 3 精度应尽可能的高 4 体积不应过大 5 价格应较低廉 在上述诸多要求中 前两个要求必须满足 这是保证能准确测温和传输测 量结果的前提 后三个条件是实际操作中必须重点考虑的因素 基于上述原因 本设计选择了 LM35 系列的精密集成电路温度传感器 LM35DZ 温度传感器是 该系列中的一种 它能很好地满足以上要求 其特性如下 1 工作温度范围 0 至 100 在摄氏温度下直接校准 2 输出为电压信号 线性刻度系数为 10 0mV 3 确保 0 5 的精度 在 25 4 工作电压范围宽 4V 至 30V 5 低功耗 小于 60uA 6 在静止空气中 自热效应低 小于 0 08 的自热 7 非线性仅为 1 4 重复性好 LM35DZ 输出的电压线性地与摄氏温度成正比 比按绝对温标校准的线性 温度传感器优越的多 且该传感器生产制作时已经过校准 输出电压与摄氏温 度一一对应 使用极为方便 线性输出和内部精密校准使其读出或控制电路接 口简单方便 可单电源和正负电源工作 该器件采用塑封封装 体积很小 截 面积只有约 2cm2 且价格相当便宜 LM35DZ 温度传感器实物和封装形式如 图 3 4 所示 图 3 4 LM35 温度传感器实物 左 和封装形式 右 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 其中封装形式图中左边的 1 口对应的是电源正极 右边的 3 口对应的是接 地端 中间的 2 口对应的就是输出端 由该器件的原理可知通过测量输出端的 电压就可以准确地获得环境的温度 为了提高采集温度信号的精度 加强系统对温度的可控性 本设计还对温 度信号的输入部分做了改进 由于温度传感器的输出是 0 1V 的电压信号 测 量的温度范围是 0 100 即 10 0mV PLC 模拟量输入模块有 1 5V 和 10 10V 两种电压信号的接收方式 若直接用 10 10V 的信号接收方式 由于 模拟量输入模块的信号测量精度为 0 2 F S 这种接收方式将会产生最大为 40mV 的误差 而 40mV 表现在温度上就是 4 简而言之 若直接用 PLC 的 10 10V 的信号接收方式将有可能得到与实际相差 4 的温度值 这是本设计要 求所不能容忍的 究其原因在于温度传感器的输出信号相对于模拟量输入模块 的满量程过小 导致产生了较大的误差 因此 本设计实际上在温度传感器与 模拟量输入模块之间还加入了一个运算放大器 用 A741 单运放 和两个电 阻制成一个放大倍数为 10 倍运放 将温度传感器的输出信号接到该运放的同向 端 同时将运放的输出端接到模拟量输入模块 模拟量输入模块选为 10 10V 的接收方式 此时模拟量输入模块接收到的信号为 0 10V 40mV 的误差对放 大后的信号影响将会变得很小 只为原来的十分之一 3 3 比例阀 阀对流量的控制可以分为两种 一种是开关控制 要么全开 要么全关 流量要么最大 要么最小 没有 中间状态 如普通的电磁直通阀 电磁换向阀 电液换向阀 另一种是连续控制 阀口可以根据需要打开任意一个开度 由此控制通过 流量的大小 这类阀有手动控制的 如节流阀 也有电控的 如比例阀 伺服 阀 本课题是通过控制流量实现温度的控制 是属于液体流量的连续控制 考 虑到成本的问题 采用成本相对较低的比例阀 使用比例阀的目的就是以电控 方式实现对流量的节流控制 通过比较选用了德国宝得公司的 6223 型比例阀 该比例阀可用以控制较大的流量 滞后小 重复性高和响应灵敏度较好地确保 了优质的定位性能 且同时具有紧闭功能 该阀门的特性如下表所示 3 2 宝德 6223 型比例阀技术参数 技 术 参 数详 细 内 容 内 孔DN10 13 和 20mm 阀体材质黄铜或不锈钢 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 密封材质FPM 氟橡胶 可按需提供其它密封 介 质中性液体 介质温度 10 至 90 环境温度最高 55 连 接 口G 3 8 G 1 2 G 3 4 G 1 所需控制单元1094 型或 8623 2 或 8624 2 或 8625 2 型 电 源24V DC 防护等级控制器或电缆插座插好时 IP65 负载周期100 连续工作 安 装根据需要 尽量使执行机构朝上 迟 滞小于 5 重 复 性小于 1 FS 灵 敏 度小于 1 FS 稳定时间 90 小于 200ms 调 节 比1 10 3 4 比例阀放大器 各种阀门的操纵 控制都是通过力 力矩 或位移 角位移 形式的机械 量来实现的 其可以通过手动 气动 机动 液动 电动及其组合方式进行 一般采用电液控制 通过电 机械 E M 换能器将电量转换成控制机械运动所 需的机械量 比例阀的机械 E M 换能器通常是比例电磁铁 具有足够的输 出力和位移 比例阀通常由阀体 阀芯 复位弹簧和比例电磁铁等组成 比例 电磁铁实际是一个输出力与输入电流呈线性变化的电磁线圈 电磁铁将电流转 化为作用在阀芯上的力 以克服弹簧的弹力 从而控制阀芯的位移 阀芯与阀 体形成的开口大小决定阀的流量或压力 比例电磁铁为了输出克服弹簧力和液 动力 必须要有足够的电流 不同的厂家的比例电磁铁 最大位移所需的电流 值通常在 600 3000mA 不等 而工业控制标准信号通常是 1 5V 或 0 10V 或 10 10V 的电压信号和 0 20mA 或 4 20mA 电流信号 控制信号带负载能力 很弱 不足以推动比例电磁铁 所以需要一个信号匹配的器件 接收微弱的控 制信号 输出比例电磁铁所需的电流 这个就是比例阀放大器 同时比例阀放 大器加入了各种必要的环节 如死区调整 增益调整 斜坡时间和颤振调节等 由于选择了德国宝得公司的 6223 型比例阀 因此根据其需要本设计选择与 其配套的 1094 型控制单元作为比例阀放大器 该控制单元的特性及相关参数如 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 表 3 3 所示 表 3 3 1094 型控制器技术参数 技 术 参 数详 细 内 容 电 源24V DC 10 最大输出电流1 1A 功 耗0 5W 环境温度最高 55 输入信号0 20mA 或 4 20mA 或 0 10V 输入阻抗300K 0 10V 上升时间0 10s 电气连接 接插式 M 型 或 DIN 导轨安装式 H 型 接插式控制器带显示器 设定值和实际值输入 直接插在比例阀上 防护等级IP65 M 型 IP00 H 型 功 能 设置 PWM 信号的频率 选择标准输入信号 使最小和最大电流适应于实际压力范围 内置电流控制器 补偿线圈发热 斜波功能 防止位置信号突变 零点切断功能 位置信号小于最大设定值的 2 时关紧阀门 由于比例阀中的比例电磁铁最大位移所需的电流值通常在几百毫安到几安 按功放管的工作原理分模拟式和开关式 模拟式属于连续电压控制形式 功放 管工作在线性放大区 比例线圈两端的电压为连续的直流电压 功率驱动的功 放管功耗较大 必须加较大的散热片 开关式中功放管工作在截止区和饱和区 即开关状态 功放管功耗小 比例线圈两端的电压为脉冲电压 调节线圈电流 通过控制 PWM 的占空比实现 1094 型控制器就是通过开关式的控制方式 使 能耗大幅度地降低 而且不需要模拟式中大面积的散热片 体积也大幅度地减 小了 在连接形式上 本设计中比例阀放大器与比例阀采用接插式连接 比例 阀放大器将放大后的控制信号作用于比例阀 从而驱动比例阀按相应方式动作 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 3 5 串行接口电路 暖气自适应系统 下位机可以通过串行口和上位机进行通讯 下位机通过 与上位机的通讯 根据发送来的数据控制执行机构动作 本设计使用的是 PLC 提供的 RS232 串行通讯接口标准 串行通讯接口作为上位机和下位机通讯的桥 梁 上位机主要完成数据的发送以及运行状态的显示功能 下位机则完成对上 位机发送数据的执行和向上位机传输数据 对通讯接口的设计 主要是数据 指令的传输 不允许有传输错误 因此 在通讯接口的各个环节上都要保证有高可靠的传输 其中包括在满足传输环境 要求的接口标准选择 因为不同的接口标准在满足特定的环境条件下才能可靠 的工作 可靠性保障措施 如通信的状态测试 误差校验及其它可靠性保证措 施的设置与使用 通常的标准串行接口的电气特性 都有满足可靠传输的最大通讯速度和传 送距离指标 但这两个指标之间具有相关性 适当地降低通讯速度 可以提高 通讯距离 反之亦然 RS232 接口是 1970 年由美国电子工业协会 EIA 联 合贝尔系统 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯 的标准 也是目前最常用的串行接口标准 用来实现计算机与计算机之间 计 算机与外设之间的数据通讯 注意由于 RS232 的电气标准不支持带电插拔 因此用户在插拔电缆之前必 须先断掉至少一方 PLC 或者计算机 的电 否则容易损坏通讯口 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 第四章 软件设计 软件是用户与硬件之间的接口界面 用户主要是通过软件与计算机进行交 流 软件是系统设计的重要依据 为了方便用户 为了使计算机系统具有较高 的总体效用 在设计系统软件时 必须全局考虑软件与硬件的结合 以及用户 的要求和软件的要求 运行时能够提供所要求功能和性能的指令或程序集合 同时程序能够满意地处理信息的数据结构 本文的软件设计包括下位机 PLC 和 上位机的中央计算机的程序设计 4 1 下位机程序设计 4 1 1 PLC 编程环境简介 本设计中所用编程软件为 EasyProg 9 它是 KDN K3 系列小型一体化 PLC 的编程软件 编程环境符合 IEC61131 3 标准 是一套功能强大 使用方便 高 效的开发系统 IEC61131 3 是 IEC 为工业自动化编程制定的标准 是在吸收不 同厂家编程语言风格及适应未来软件技术发展要求制定的 独立于任何一家公 司 适合不同领域 不同类编程人员习惯 自发布以来得到所有顶尖 PLC 厂家 的认可 各厂家的编程软件也在尽量向 IEC 标准靠拢 EasyProg 完全是自主研 发 采用了符合 IEC61131 3 标准的方案 由于许多用户通过各种渠道已经掌握 了大部分编程技巧 这就使得 EasyProg 简便 易学 使用起来将会得心应手 EasyProg 软件具有如下特点 符合 IEC61131 3 标准 支持 IL 指令表 和 LD 梯形图 两种标准语言 丰富的指令集 内置 IEC61131 3 定义的标准功能 功能块以及一些特殊的 应用指令支持中断服务程序 支持用户自定义功能块 子程序 允许在程序中选择显示绝对地址或者是其符号变量名称 便于工程的实施 维护灵活的硬件配置方式 最大限度地允许用户自定义各种硬件参数 完善的联机功能 包括下载 上载 在线监视 强制 读写实时时钟等 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 定义了完善的快捷键 右键菜单 方便用户的使用 对用户的错误操作尽可能地予以屏蔽 提示 体贴用户的操作 EasyProg 界面总体介绍如图 4 1 所示 图 4 1 界面的总体组成 菜 单 菜单中包含了 EasyProg 软件所有的操作命令 工 具 栏 工具栏中包含了用户使用频度较高的一些操作命令 状 态 栏 状态条提供了软件当前的状态信息和操作命令的提示信息 工程管理器 工程管理器中采用树型结构显示了整个工程的组织结构 包 括程序 配置等 用户可以在此对当前工程进行操作 管理 工程管理器 中支持右键菜单 用户工作区 这是用户使用的主要区域 用户可以在此打开硬件配置窗口 全局变量表 编辑器等窗口 完成配置硬件 声明全局变量 编辑程序等 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 任务 图 4 1 显示的编辑器 包括区域上部的变量定义表格和区域下部的程 序编辑器 编辑器又分为 LD 编辑器 IL 编辑器 指 令 集 指令集以树状列出了 KDN K3 系列 PLC 支持的所有指令 功能 功能块和用户自己编写的子程序 指令集又分为 LD 指令集 IL 指令集 信息输出区 信息输出区用于显示 EasyProg 软件的各种提示信息 其中 编译信息 窗口显示了用户最近一次的编译信息 而 通用信息 窗口 显示了最近一些操作的提示信息 如果需要可以对 EasyProg 软件进行一些默认设置 方法如下 执行 工具 软件设置 菜单命令 进入 软件设置 对话框 在 软件设置 对话 框中 用户可以对一些软件默认值进行设置 比如 默认编程语言 等 单击 确定按钮后 设置的默认值将立即生效并由 EasyProg 自动保存 不需要每次都 进行设置 EasyProg 安装后的 默认编程语言 是 梯形图 LD 4 1 2 输入输出设计 在熟悉了 EasyProg 软件及其编程语言后 就可以开始对 PLC 进行编程了 首先从设计最基本的输入输出程序开始 10 启动 EasyProg 软件后 执行 文件 新建工程 菜单命令或者单击 工具栏上的图标就会出现 新建工程 对话框 用户在此为新工程命名并选 择存放路径