基于计算机、PLC_818l板卡的温度测量与控制系统.doc

设计说明书内容课程：计算机控制技术课程设计电子与电气工程系实践教学环节说明书题目名称：基于A/D、D/A板卡的计算机温度测量与控制系统院 （系）：电子与电气工程系 专 业 ：自动化 班 级 ：089611班 学生姓名：李赛赛 指导老师：翟天嵩 张居现 起止日期：2011年5月9日2011年5月27日1、 设计目的和要求（1） 设计目的：1. 通过数据采集板卡和上位机控制计算机，设计一套完整的计算机温度测控系统，以达到培养学生利用所学理论知识解决实际问题以及综合运用知识的能力；2. 通过一个温度测控系统的设计，锻炼学生D/A转换器、传感器、A/D转换器、计算机控制系统架构等硬件的应用能力；3. 通过控制算法的编程实现和组态软件的使用，锻炼学生计算机控制系统软件的实现能力。（1） 设计要求： 设计一套完整的计算机温度测控系统。要求可以实时监控当前温度，并进行温度的实时控制，以达到所期望的温度值。1. 采用Pt100温度传感器，测温范围：0100；2. 搭建用数据采集板卡进行温度采集与控制的硬件线路；3. 用组态王编写温度量采集与监控程序；4. 控制精度为0.5。2、 设计条件及软硬件选择与相关设定（1） 工业组态软件组态王亚控组态王6.51 画面:1) 支持大画面、导航图：用户可以制作任意大小的画面，利用滚动条和导航图控制画面显示内容；绘制、移动、选择图素时，画面自动跟踪滚动。2) 方便的变量替换：可以单独替换某个画面中的变量，也可以在画面中任意选中的图素范围内进行变量替换。3) 自定义菜单：支持二级子菜单。丰富的提示文本：系统提供丰富的图素提示条文本，包括简单图素和组合图素。4) 任意选择画面中的图素：在画面中使用键盘和鼠标结合可以任意选择多个图素进行组合、排列等操作。1 变量:1) 定义结构成员时可以定义基本属性，例如变量属性、报警属性和记录属性等。2) 定义结构变量时自动继承结构成员的属性。3) 结构变量可整体赋值。4) 结构变量可作为自定义函数的参数。2 在数据词典中可以任意选择多个变量集中修改变量共有属性。非线性表: 非线性表新增导入导出功能，能导出为逗号分隔文件(*.csv)，可在文本状态编辑或传送，编辑完成后还可导入，据此可实现不同工程中的非线性表重复利用。 网络状态的控制和显示 通过引用网络上计算机的“网络状态”变量得到网络通讯的状态。同时，能够对网络的通讯状态进行控制。对于定义“网络节点”的网络通讯方式，是在网络设备上建立commerr寄存器来完成网络状态的显示和控制。3 图形： 用户希望怎样的图形画面，也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。4 数据：怎样用数据来描述工控对象的各种属性，也就是创建一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比如温度，压力等。5 连接：数据和图形画面中的图素的连接关系是什么，也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。（2） 硬件选型：图1 PCL818L A/D板卡1 研华PCL-818L A/D板卡1) 12位A/D 分辨率；2) 最高达100kS /s的采样率；3) 16通道单端或8通道差分输入；4) 单极性或双极性模拟量输入范围；5) 双极模拟输入范围；6) 可编程的增益设置：0.5，1，2，4，8；7) 输入范围:10V、5V、2.5V、1.25V、0.625V0-10V、0-5V、0-2.5V、0-1.25V；8) 自动模拟输入扫描；9) 模拟输入支持DMA传输方式；10) 2通道12位多路切换模拟输出,1通道16位通用定时/计数器；11) 16通道TTL数字输入和16通道TTL数字输出。PCL-818L 是为IBM或其他兼容计算机设计的一款高性能、高速多功能数据采集卡。PCL-818L 具备所有数据采集卡的功能，例如，A/D ，D/A 转换，DIO 和定时/计数器，本卡的高规格使其在需要高速采集的情况下得到广泛应用。 PCL-818L 为低电平输入(例如，热耦合信号测量)提供专门的高增益可编程仪表放大器。PCL-818L 板卡在全部增益下最高可达到100kS /s 高速采样率。PCL-818L 具有16 路单端输入和双极性输PPCL-818L 具有2 路12 位双缓冲模拟输出，16 路数字输入和16 路数字输出，1 个通用定时/计数器。板卡开关和跳线控制设置参见研华PCL-818系列板卡中文手册。2 康拓 IPC5373 32路光隔开关量功放输出板1) PC总线与用户接口设备之间实现完全的电隔离，隔离电压2500Vrms；2) 占用4个连续口地址：154H-157H；3) 各输出信号具有锁存功能，上电复位清零；4) 采用达林顿管功放集电极开路输出，负载电源540V，驱动电流单路最大200mA，每片达林顿管负载电流最大500mA，可直接驱动继电器、电磁阀等；5) 用户接口为40芯扁平电缆插座（IPC5373）或37芯D型连接器（IPC5373D），IPC5373D板上带DC/DC，不用外接电源；6) 各功能及电路原理参见IPC5373使用说明书。3 研华PCLD8115接线端子1) 工业接线端子板；2) 用于818L/ 818HG/ 1800等；3) 支持PCL-818系列多功能数据采集控制卡；4) 易于安装的DIN导轨安装外壳；5) 低成本螺丝端子板；6) 能在恶劣环境中可靠连接的工业端子板。4 研华610H工控机及配套设备1) 4U高支持14槽背板；2) 配置300WATX PFC PS/2电源；3) 前端可安装3个半高磁盘驱动器，一个3.5FDD 和一个内置3.5磁盘驱动器；4) 前置USB / PS2 接口；5) 前置系统状态监测模块；6) 能抗冲击，振荡，并且能在高温下稳定工作；7) 支持ATX 母板和400W PFC电源。5 AI-818A人工智能工业调节器、Pt100热电阻pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。Pt100的阻值与温度变化关系为：当Pt100温度为0时它的阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当Pt100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。 金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：Rt=Rt01+（t-t0） 。5AI-818A人工智能工业调节器作为与Pt100相对应的温度传感器，0100根据测得Pt100的电阻值输入，输出420mA的标准电流信号，在输出端并联250欧姆电阻后，得到15V的标准电压信号输入到PCL-818L板卡。1) 5AI-818A人工智能工业调节器参数设置：2) HIAL（测量上限）：100；3) LoAL（测量下限）： 0 ；4) dHAL（偏差上限）：5.0；5) dLAL（偏差下限）：5.0；6) Ctrl（控制方式）：0；7) Sn：21（此时选定输入为Pt100）；8) dip=1；9) diL=0；10) dIH：100；11) Opi：4；12) Addr:40；13) bAud:200；设定输出为420mA电流信号14) run=1；15) Loc=808；仪表选择6 其他硬件设备 低压继电器（24V）、交流接触器（220V）、热水器（模拟加热炉）、风扇（模拟冷却泵）、导线若干、插板。3、 设计方案（1） 系统框架图Pt100 温度变送器 PLCD8115接线端子 A/D转换（PCL818L） 工控机 加热器 接触器1 低压继电器1 IPC5373 、水壶 组态 冷却风扇 接触器2 低压继电器2 王 图2 系统框架图（2） 基于A/D、D/A板卡的计算机温度测量与控制系统的工作原理水壶内水的当前温度经Pt100测量后得到对应电阻值传送到温度传感器（5AI-818A人工智能工业调节器），经转换后得到15V的模拟电压信号由A/D转换板卡（PCL-818）转化为12位2进制数（24584096）输入到计算机。组态王6.53根据输入的数据进行控制运算，运算结果由输出板卡（光隔开关量功放输出板IPC5373）输出到低压继电器（24V），控制低压继电器常开触点的关断，低压继电器的常开触点作为接触器（220V）线圈电流的控制开关，当低压继电器常开触点闭合时，接触器线圈得电，接触器常开触点闭合，加热器/冷却风扇工作。工作过程：如设定温度控制上限为t1，温度控制下限为t2，增加中间温度为t0=(t1+t2)/2。则工作过程如下：1) 若水温低于t2：经检测换算后输入到组态王监控界面，运算后IPC5373设定值为64（0x40），输出通道1导通，低压继电器1线圈得24V电压，常开触点闭合，使得接触器1线圈得220V电压，接触器1的常开触点闭合，加热器开始连续工作，此时系统处于连续加热状态。当温度上升到t2后，系统推出连续加热状态，进入断续加热状态，加热器工作2s后停止工作2s，依次循环，直到水温升到中间温度t0，加热控制过程结束，IPC5373设定值为0（0x00），输出通道全部断开，加热器、冷却风扇都不工作，组态王继续监控水温，直到水温超过t1，或水温低于t2，系统进入相应控制过程。2) 若水温高于t1：经检测换算后输入到组态王监控界面，运算后IPC5373设定值为32（0x20），输出通道2导通，低压继电器2线圈得24V电压，常开触点闭合，使得接触器2线圈得220V电压，接触器2的常开触点闭合，冷却风扇开始连续工作，此时系统处于连续冷却状态。当温度下降到t2后，系统推出连续冷却状态，进入断续冷却状态，冷却风扇工作2s后停止工作2s，依次循环，直到水温降到中间温度t0，冷却控制过程结束，IPC5373设定值为0（0x00），输出通道全部断开，加热器、冷却风扇都不工作，组态王继续监控水温，直到水温超过t1，或水温低于t2，系统进入相应控制过程。3) 若水温处于t1和t2之间：IPC5373设定值为0（0x00），输出通道全部断开，加热器、冷却风扇都不工作，组态王继续监控水温，直到水温超过t1，或水温低于t2，系统进入相应控制过程。（3） 组态王6.53监控1 板卡设置1) PCL-818L设置地址为300，设置参见研华PCL-818系列板卡中文手册。图3 输入板卡（PCL-818L）板卡设置2) IPC5373设置地址为154，即使用154寄存器中的8个输出通道，初值为0x00，此时7个通道全部断开。相关设置参见IPC5373使用说明书。图4 输出板卡（IPC5373板卡）设置2 系统数据变量图5 系统数据变量1) 输入：模拟电压经A/D转换而成的，12位2进制数，PCL-818L转换电压设定位-5V+5V，则对应二进制为04096。由于输入电压为+15V，则对应二进制为24584096。图6 输入AI12) 输出：IPC5373板卡有四个寄存器输出，每个寄存器有8个通道（07），设定值为154H时，使用154寄存器的8个通道。各通道的导通与断开有2进制0、1控制，为1则导通，为0则断开,因此输出值为0255。.3) 其它数据变量均为内存整型、内存离散变量，在程序中起到辅助控制作用，控制相关提示灯的运行状态，如：加热显示、冷却显示、加热信号、冷却信号、断续加热信号、断续冷却信号。或者是中间变量，控制系统各状态的工作时间，以及起到消除误操作的作用，如：闪烁变量、断续变量。还有就是系统运行时的设定值与控制按键值，如：控制温度下限、控制温度上限、中间温度、运行与停止指令。图7 输出3 组态王监控界面设定模块冷却水泵历史曲线温度显示启停按钮图8 组态王监控主界面图9 启动、停止按键 图10 系统启动按键向导 图11 系统停止按键向导设定模块：温度上下线可使用游标实现线性设定，也可使用动画连接中“值输入”选项中的“模拟量输入”设定温度上下限。图12 上下限温度设定模块 图13 上限下设定温度的动画连接图14 温度上限设定图15 温度下限设定 图16 实时趋势曲图17 温度显示仪表向导温度显示仪表上部有“加热”和“降温”显示，当系统处于加热控制时，“加热”显示闪烁，当系统处于冷却控制时，“降温”显示闪烁。 图18 输入分段线性化定义由于Pt100检测温度经温度传感器变换成电压信号输入到A/D板卡，A/D板卡转化为12为2进制数送入监控系统的过程中会出现检测误差、转换误差、转换精度不同引起的误差等，使得监控系统采集到的温度与实际温度有不同程度的差值，为此引入了输入线性表，对温度实行实时分段线性补偿，使监控显示温度值与实际测量温度值的偏差尽量减小。显示温度与实际测量温度偏差以50为分界，50以下显示温度大于实际测量温度，50以上显示温度小于实际测量温度。因此，把0100的测量温度范围分为17个阶段，每个阶段包含5的温差，对每阶段的偏差进行线性补偿。4 系统运行程序if(运行、停止指令=1)中间温度=(控制温度上限+控制温度下限)/2;/*连续冷却、加热*if(本站点AI1控制温度上限)加热显示=0;冷却信号=1;time0=time0+1;if(time0=5)&(本站点AI1控制温度上限)冷却显示=1;加热、冷却输出=32;time0=0;断续变量=0;闪烁变量=0;if(控制温度下限=本站点AI1)&(本站点AI1=控制温度上限)/*断续加热、冷却*断续变量=断续变量+1;闪烁变量=闪烁变量+1; if(加热信号=1)断续加热信号=1; if(冷却信号=1)断续冷却信号=1; if(断续变量=20)&(断续加热信号=1)&(加热、冷却输出=64)加热、冷却输出=0;断续变量=0; if(断续变量=20)&(断续加热信号=1)&(加热、冷却输出=0)加热、冷却输出=64;断续变量=0; if(断续变量=20)&(断续冷却信号=1)&(加热、冷却输出=32)加热、冷却输出=0;断续变量=0; if(断续变量=20)&(断续冷却信号=1)&(加热、冷却输出=0)加热、冷却输出=32;断续变量=0; if(本站点AI1中间温度)加热显示=0;断续加热信号=0;加热信号=0;if(断续加热信号=1)&(闪烁变量=2)&(本站点AI1中间温度)&(加热显示=1)/*断续闪烁*加热显示=0;闪烁变量=0;if(断续加热信号=1)&(闪烁变量=2)&(本站点AI1中间温度)&(冷却显示=1)冷却显示=0;闪烁变量=0;if(断续冷却信号=1)&(闪烁变量=2)&(本站点AI1中间温度)&(冷却显示=0)冷却显示=1;闪烁变量=0;else加热、冷却输出=0;4、 设计结果与分析（1） 设计结果：如设定温度控制上限为60，温度控制下限为40，中间温度为t0=(t1+t2)/2=50。则工作过程如下：1 加热控制：检测水温为25.2，显示水温为25.2，“温度下限”闪烁，系统运算后IPC5373输出值为64（0x40），输出通道1导通，低压继电器1线圈得24V电压，常开触点闭合，使得接触器1线圈得220V电压，接触器1的常开触点闭合，加热器开始连续工作，此时系统处于连续加热状态，“加热”显示长亮。当温度初次上升到40并在1s后依然处于40以上时，系统推出连续加热状态，进入断续加热状态，“温度下限”停止闪烁，“加热”显示闪烁，加热器工作2s后停止工作2s，依次循环，直到水温升到50，加热控制过程结束，“加热”显示灭，IPC5373设定值为0（0x00），输出通道1断开，加热器停止工作，组态王继续监控水温，直到水温超过60，或水温低于40，系统进入相应控制过程。2 冷却控制：检测水温为75.3，显示水温为75.2，“温度上限”闪烁，系统运算后IPC5373输出值为32（0x20），输出通道2导通，低压继电器2线圈得24V电压，常开触点闭合