PLC恒温水箱控制系统毕业设计(共36页)

1、恒温水箱控制系统的设计第一章 绪 论温度是工业控制对象主要被控参数之一，在温度控制中由于受到温度控制对象特（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响使得控制性能难以提高有些工业过程温度控制的不好直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统非常有价值。1.1 课题背景自70年代以来，由于工业过程控制的需要特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：

2、1.适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；2.能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；3.能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；4.这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术运用先进的算法适应的范围广泛；5.温控器普遍具有参数自整定功能借助计算机软件技术温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能有的还具有自学习功能它能够根据历史经验及控制对象的变化情况自动调整相关控制参数以保证控制效果的最优化；6.温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点目前国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、

3、小型化等方面快速发展。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛但从国内生产的温度控制器来讲总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平成熟产品主要以点位控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制，而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟。形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后还没有开发出性能可靠的自整定软件，控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定，这些差距是我

4、们必须努力克服的随着我国经济的发展及加入WTO我国政府及企业对此都非常重视对相关企业资源进行了重组相继建立了一些国家、企业的研发中心并通过合资、技术合作等方式组建了一批合资、合作及独资企业使我国温度等仪表工业得到迅速的发展当前由于国内、国外的温度控制系统、计算机控制等控制手段较多因此需对相关问题进行研究以确定系统合适的设计方案。目前主要有模拟、集成机械式温度控制器和智能电子式温度控制器两大系列。国际上新型温度控制器正从模拟式向数字式、电子式；从集成化向智能化、网络化的方向发展。在当今电子信息时代，电子自动化、信息采集控制在任何行业都是不可逆转的潮流，智能电子式温度控制器全面取代机械式温度控制器

5、将在未来很短时间内实现。1.2 设计指标1）要求系统具有自动和手动两种工作方式；2）温度范围：2099温度超限能进行报警；3）实际温度与设定温度只差小于5，采用PID调节加热；水温高于设定温度5 10进冷水；水温高于设定值10以上采用进冷水和风机同时冷却的方法同时降温;4）进水时无流量、加热时水温无变化进行报警。 本次设计用到的主要芯片有主控单元FX2N-48MR、三棱PLC扩展模块FX0N-3A、热电阻温度传感器PT100、CD4511BCD译码器、4只用于显示设定温度和实际温度的数码管、以及加热器件加热棒。根据键盘设定温度PLC能采集实际温度和设定温度比较从而调节可控硅的导通角控制加热棒的

6、加热时间经过PID算法达到精确控制的目的，当液位超过预设范围且无流量变化或加热时水温无变化系统能触发报警，本PLC控制的恒温水箱系统设计从理论上可行。 第2章 FX2N-48MR PLC简介2.1 三菱FX2N-48MR的性能(1)灵活的配置除了具有满足特殊需求的大量特殊模块外,6个基本单元中的每个单元可扩展至256I/O(2)高速运算基本指令:0.08us/指令,应用指令:1.52至几百us/指令(3)突出的寄存器容量FX2N系列包括8K步内置RAM寄存器,用一个寄存器盒可扩展到16RAM或EEPROM(4)丰富的元件资源3072点辅助继电器,256点计时器,235点计数器,8000数据存储

7、器2.2三菱FX2N-48MRPLC技术参数FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。系统配置既固定又灵活：在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。备有可自由选择，丰富的品种可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。令人放心的高性能程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充

8、至16K步。2.3三菱FX2N-48MRPLC的特点 1. 编程方法简单易学考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯和应用微机的实际水平，FX2N-48MR PLC配备有他们最容易接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图非常接近。而且某些仅有开关量逻辑控制功能的PLC只有十几条指令。通过阅读FX2N-48MR PLC的使用手册或短期培训，电气技术人员或技术工人只要几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。 2. 硬件配套齐全用户使用方便FX2N-48MR PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。用户在硬

9、件方面的设计工作只是确定FX2N-48MR PLC的硬件配置和外部接线。PLC的安装接线也很方便。 3. 通用性强FX2N-48MR PLC的生产具有系列化和模块化特点，硬件配置相当灵活，可以很方便地组成能满足各种控制要求的控制系统。组成系统后，如果工艺变化，可以通过修改用户程序，方便快速地适应变化。 4. 可靠性高抗干扰能力强，绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。FX2N-48MR PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。FX2N-48MR PLC的平均无故障间隔时间高，如日本三菱公司的F1、F2系列PLC的平均无故障间隔时间长达30万小时

10、，这是一般微机所不能比拟的。 5. 系统的设计、安装、调试工作量少FX2N-48MR PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序很容易掌握，设计和调试梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少得多。 6. 维修工作量小维修方便FX2N-48MR PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的指示灯或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因。用更换模块的方法可以迅速地排除PLC的故障。 7. 体积小，能耗低以F1-40M型PLC为例

11、，其外形尺寸为305ll0110mm，功耗小于25VA。由于体积小，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。2.4三菱FX2N-48MRPLC开发环境可编程控制器的产生和发展与继电器有很大的的关系。继电器室一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，虽有上百年的历史，但在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，可能会花大量时间，严重地影响生产。如果工艺要求发生变化，就得重新设计线路连线安装，不利于产品的更新换代。显然，需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更可靠，更容易维护，更能适应经常变动的工艺条件，因此在1969年，美国数字

12、设备公司根据要求研制出世界上第一台可编程控制器。在20世纪70年代后期，随着微电子技术，计算机技术和数字控制技术的迅速发展，人们为了与电脑区分，就把可编程控制器称为PLC。 第3章 设计思想与方案论证各控制方案的比较根据任务设计要求恒温水箱的水温需要运用PID控制。在工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制简称PID控制又称PID调节。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

13、时最适合用PID控制技术。PID控制器就是根据系统的误差利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。首先PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统这样PID 就可控制了。其次PID参数较易整定。也就是PID参数Kp、Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化PID参数就可以重新整定。第三PID 控制器在实践中也不断的得到改进PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定

14、通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。3.1 设计思想方案1：纯模拟电路控制温度采集信号放大预设温度比较器信号放大继电器输出加热棒图3.1 纯模拟电路控制的恒温系统 传统的温度控制较多地使用纯模拟电路并采用继电器一接触器或者双向晶闸管进行模拟部分驱动制冷器件。纯模拟电路温度控制有很多不足之处，比如:模拟电路复杂、控制精度不高、控制参数的调整要依靠经验数据，很难做到动态调节、系统操作复杂，不利于远程控制、实时控制以及数据的实时采集等等。本文在分析了温度控制的特点后，建立在PID参数自整定方法的温度控制方法，具有控制精度高、控制温度范围大、制冷响应速度快等特点。此方案是传统的一

15、位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所地结果的精度不高并且调节动作频繁、系统静差大、不稳定、受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，难以用数码管显示或者LCD液晶显示，难以用键盘设定，其方案一框图如图3.1所示。方案2：单片机控制单片机系统温 度传感器温度显示水箱温度故障显示报 警加热棒继电器输出液位显示按 键 图3.2单片机控制的恒温系统此方案采用单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统通过温度传感器（DS18B20）对水箱内水温进行检测，

16、得到模拟的温度信号，在经过A/D转换成数字信号之后，则可用数码管来显示或者用LCD液晶显示水温的实际值，还能用键盘输入设定值，也可实现打印功能。本方案还可选用51单片机（内部含有4KB的EEPROM），不需要外扩展存储器可使系统整体结构较为简单。但是它是一种传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也比较麻烦，用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差、故障率高、不易扩展、对环境依赖性强、开发周期长。一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。单片机常用的是C，汇编与Basic。就算是C，也有许多不同

17、的开发工具(如ICCAVR Code Version,IAR,GCC.)，彼此不兼容。这种百花齐放的局面，它让我们的交流变得更加困难。其方案二框图如图3.2所示。方案3：PLC控制图3.3 PLC控制的恒温系统PLC系统温 度传感器温度显示水箱温度故障显示报 警加热棒继电器输出液位显示按 键PLC控制系统有以下一些特点： 1）可靠性高。它采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路完成。 2）应用灵活。PLC已实现产品的系统化，标准化的积木硬件结构和单元化的软件设计，使它不仅可以适应规模不同，功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合。 3）功能强，通用性好。PLC产品已

18、经形成系列化，单元化，并配合品种齐全的控制单元供用户选择，还可以组成满足各种要求的控制系统。 4）编程简单。采用梯形图编程方式。它与传统的继电器接触控制线路图有许多相似，操作容易。 5）PLC具有体积小，能耗低，质量少。此方案由热电偶检测温度，通过温度变送器把温度传送给FX0N-3A ，A/D转换过程中，温度变为模拟电压输入给PLC。PLC为控制装置主机，通过PID运算，调整模拟量大小，完成温度控制任务。控制中将模拟量变为脉冲数字输出，用数字显示，温度的控制由程序设定，用PLC的PID控制功能调节。为了防止干扰，在PLC输人、输出模块前、后加装了隔离变压器，同时加设了上限及故障报警装置。其方案

19、四框图如图3-1-3所示。由于方案一是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改比较麻烦，而方案二是采用单片机为控制核心的控制系统，利用单片机按增量式的PID控制算法对采集的温度数据进行处理，得到控制量，利用增量式的PID控制算法来控制PWM波形的产生进行控制继电器，从而控制加热棒的进行加热，实现对水箱内水温的恒温控制。方案三由TP100检测温度，通过温度变送器把温度传送给FX0N-3A ，A/D转换过程中，温度变为模拟电压输入给PLC。PLC为控制装置主机，通过PID运算，调整模拟量大小，完成温度控制任务。控制中将模拟量变为脉冲数字输出，用数字显示，温度的控制由程

20、序设定，用PLC的PID控制功能调节。为了防止干扰，在PLC输人、输出模块前、后加装了隔离变压器，同时加设了上限及故障报警装置。综上所述,结合各个控制方案的特点,所以选择用PLC来进行控制。第4章 硬件系统设计整个系统由软件和硬件两部分组成。本章详细介绍了系统的硬件和软件设计，并对硬件和软件的每一个部分进行了分析。硬件和软件的每一个坏节都是深思熟虑而成，各自完成相应的功能并组成一个统一的整体。4.1 硬件组成PLC控制的恒温箱温控系统硬件包括：主控单元三棱FX2N-48MR PLC、三棱PLC扩展模块FX0N-3A、热电阻温度传感器PT100、CD4511BCD译码器、4只用于显示设定温度和实

21、际温度的数码管、以及加热器件加热棒。 系统硬件由电源电路，温度检测变送电路、模数接口转换电路、PLC系统和人机接口等部分组成。系统电源为整个系统提供电能；温度检测变送电路将检测到的温度信号转换成标准的电压信号输入到模数接口转换电路；模数接口转换电路输出的数字信号进入PLC系统；PLC系统根据输入的数字信号控制控制执行器的运行及温度的显示。原理框图见附录图4-1。4.2 恒温装置示意图如图4.1所示为水温恒温控制装置的结构示意图，它包括控制恒温水箱、冷却风扇电动机、搅拌电动机、储水箱、加热装置、温度检测装置、温度显示、功率显示、流量显示、阀门以及有关状态显示等。系统用到4只用于显示设定温度和实际

22、温度的数码管和加热器件加热棒。根据键盘设定温度PLC能采集实际温度和设定温度比较从而调节可控硅的导通角控制加热棒的加热时间经过PID算法达到精确控制的目的，当液位超过预设范围且无流量变化或加热时水温无变化系统能触发蜂鸣器和指示灯进行声光报警。4.1 控制装置示意图4.3 工艺过程及控制要求说明本系统是一个恒温控制系统，要求设定的温度在某一个数值。加热采用电加热，功率为1.5KW，温度设定范围在2080摄氏度之间。恒温水箱内有一个加热装置、一个搅拌电动机、两个液位检测开关、两个温度传感器。液位检测开关为开关量传感器，检测水位的高低，反映无水或水溢出状态。两个温度传感器分别为测量水箱入口处的水温和

23、水箱中的水的温度。储水箱中，也装有一个温度传感器。恒温水箱中的水可以通过一个电磁阀或手动开关阀将水放到储水箱中。储水箱中的水可以通过一个电磁阀引入到恒温水箱中。水由一个水泵提供动力，使水在系统中循环。水的流速由流量计测量。恒温水箱中的水温，入水口的水温，储水箱中的水温度、流速及加热功率均有LED显示。两个电磁阀的通断，搅拌和冷却开关均有指示灯显示。控制系统的控制过程：当设定温度后，启动泵向恒温水箱中供水，水上升到液位后，启动搅拌电动机，测量水箱水温并与设定值比较；若温度差小于5，。要采用PID调节加热。当水温高于设定值510时要进冷水。当水温在设定值05范围内，仍然采用PID调节加热。当水温高

24、于设定值10以上时，采用进水与风机冷却同时进行的方法实现降温控制。此外对温度、流量、加热的电功率要进行实测并显示。若进水时无流量或加热、冷却时水温度无变化时应报警。4.4 I/0地址表表4.1 I/0地址信号名称器件代号地址编号功能说明输入信号SB1X000系统启动开关SB2X004系统停止开关SQ1X001上液位开关SQ2X002下液位开关SPX003流量监测开关KEY+X005温度加1KEY-X006温度减1输出信号KA1Y012启动水泵YV1Y002水电磁阀1YV2Y003水电磁阀2KA2Y014冷却风机Vout加热装置HLY002报警指示灯BCD码Y004Y7显示数据数码管Y008温度

25、显示1LED信号数码管Y009温度显示2LED信号数码管Y010温度显示3LED信号数码管Y011功率显示LED信号4.5 电源电路电源电路的设计是由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。 如下图4.2所示，把220V交流变成低压直流的四个组成部分：降压整流滤波稳压。图4.2 电源电路 降压电路就是把220V的电压降到低电压24V。把输入U1的有效值220V，频率50HZ的电网电压变换成所需要的电压U1，一般情况下，直流电压的数值和电网电压有效值相差很大，因此需要通过

26、电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。下面介绍一下变压器的工作原理：变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。原理图如图4.3所示：图4.3 变压器原理图变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理：当一次侧绕组上加上电压1时，流过电流1，在铁芯中就产生交变磁通1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势1，2，感应电势公式为：E=4.44fNm式中

27、：E-感应电势有效值f-频率N-匝数m-主磁通最大值由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压1和2大小也就不同。当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（0），这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流0，一部分为用来平衡2，所以这部分电流随着2变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。 整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动

28、直流电，二极管在电路中起开关的作用。整流电路的目的是利用其具有单向导电性的整流元件，将正负交替的正弦交流电压U1整流成单方的脉动电压U2。本设计中采用的是桥式整流电路。桥式整流电路，也可认为它是全波整流电路的一种，变压器绕组按图3方法接四只二极管。 D 1 D 4 为四只相同的整流二极管，接成电桥形式，故称桥式整流电路。利用二极管的导引作用，使在负半周时也能把次级输出引向负载。具体接法如图所示，从图中可以看到，在正半周时由D1、D2导引电流自上而下通过RL，负半周时由D3、D4导引电流也是自上而下通过 RL ， 从而实现了全波整流。 在这种结构中，若输出同样的直流电压，变压器次级绕组与全波整流

29、相比则只须一半绕组即可，但若要输出同样大小的电流，则绕组的线径要相应加粗。 至于脉动，和前面讲的全波整流电路完全相同。由于整流电路的输出电压都含有较大的脉动成分。为了尽量压低脉动成分，另一方面还要尽量保留直流成分，使输出电压接近理想的直流，这种措施就是滤波。滤波通常是利用电容或电感的能量存储作用来实现的。 滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分，电容和电感起滤波的作用。整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大，在一些要求直流电平滑的场合是不适用的，需加上滤波电路，以减小整流后直流电中的脉动成分。为了减小电压U2的脉动，需通过低通滤波使输出电压平滑，理想情况下

30、，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅有直流电压，然而，由于滤波电路为无源电路，所以，接入负载后势必会影响滤波效果，对电源电源稳定性要求不高的电子电路滤波，整流后的直流电压U3可作为供电电源。下面介绍一下电容滤波的原理。在小功率整流电路中主要采用电容滤波。电容滤波的电路图如下所示，当电刚接通时，U2从正半周的零值开始增加，二极管D1，D3导通，导通电流一路向负载RL供电+另一路向电容充电，由于二极管的导通电阻很小，充电时间常数很小，电容两端电压UC几乎与U2同步增大。当UC=U2时，U2开始下降，此时U2小于UC。二极管收反向电压作用而截止，电容C向RL放电，由于放电常数很小，UC按照

31、指数规律缓慢下降当UC=|U2|时，U2的负半周使D2，D4正偏导通。电容C又充电，重复上述过程，得出的波形显然比没有滤波时平滑的多。 压电路对整流后的直流电压采用技术进一步稳定直流电压。三端稳压器是常用的稳压器件。交流电压通过整流，滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但当电网波动或负载变化时，平均值也将随之变化。因此，稳压电路的功能是：使输出直流电压U4基本不受电网电压波动和负载变化影响，从而获得足够高的稳定性。稳压电路概述引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。 集成稳压器集成稳压器是指将不稳定的直流电

32、压变为稳定的直流电压的集成电路。由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。4.6 pt100温度传感器4.6.1 pt100温度传感器原理PT100是一个温度传感器，是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器，可以工作在-200至650的范围。电阻式温度检测器(RTD,Resistance Temperature Detector)是一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻系数，如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度检测器是以

33、金属作成的，其中以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,最为稳定、耐酸碱、不会变质、相当最受工业界采用。PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+T)其中=0.00392，Ro为100(在0的电阻值),T为摄氏温度，因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。1：Vo=2.55mA100(1+0.00392T)=0.255+T/1000。2：量测Vo时,不可分出任何电流,否则量测值会不准。电路分析由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,由于7.2V齐纳二极体的作用,使

34、得1K电阻和5K可变电阻之电压和为6.5V,靠5K可变电阻的调整可决定电晶体的射(集极)极电流,而我们须将集极电流调2.55mA,使得量测电压V如箭头所示为0.255+T/1000。其后的非反向放大器,输入电阻几乎无限大,同时又放大10倍,使得运算放大器输出为2.55+T/100。6V齐纳二极体的作用如7.2V齐纳二极体的作用,我们利用它调出2.55V,因此电压追随器的输出电压V1亦为2.55V。其后差动放大器之输出为Vo=10(V2-V1)=10(2.55+T/100-2.55)=T/10,如果现在室温为25,则输出电压为2.5V。 图4.4 PT100铂电阻RT曲线图 4.7 温度采集恒温

35、水箱控制系统的模拟量主要为温度。温度的检测有很多种方法，常用的有热电阻法、热电偶法等等。它们的原理都基本本相似，主要是将温度信号转换为电压或电流信号，如果转换的信号大小在模拟量转换模块输入范围内，就通过精密放大器将信号进行处理。但通常温度转换的数字与默认的比例关系大小相衬时，则需要对偏移量和增益量进行假设，所谓偏移量指的是数字量为当时对应的温度值。增益量指的是数字量为1000时对应温度值t7。例如我们测温范围为OCPC采用Pt100作为热敏电阻，在输入PLC前将电阻的变化转换为电压信号，温度在0800范围内对应的电压为18V，与电压成线性关系，例如我们以选用的数字量范围为02000,若数字量为

36、1时，对应的电压为1V，则偏移量为1V;数字量为2000时，对应的电压为8V，则数字量为1000时，对应的电压为4. 5V。图4.5 Pt100温度采集电路4.8 A/D转换本文采用基于PID过程控制模块的控制方法，利用FX2N-48MR型PLC的自调节功能，自动调节各相关参数。PID回路有2个输入量即SP(给定值)和PV(过程变量)SP通常是固定值，PV则要经过扩展模块经A/D转换后得到。SP与PV是实际值，由于PLC考虑到系统的通用性，对不同系统的数字大小、范围l与工程单位的区别，故在PID运算之前要将他们转换成标准化浮点数，即转换为0.00.1之间的标准化实数，这可通过指令运算来完成。与

37、之相对应回路的输出，要将运算后的标准化实数(0.00.1之间)转换成16 b的二进制数，再通过D/A转换输出。本设计是采用的两线制PT100桥式测温电路，如果测温距离较短，可以不考虑引线电阻的影响，则在0时，VF1=VF2=0.238V，VF= 0V，在300时，VF2不变，VF1=0.479V，VF= 0.241V。在传感器的后端电路中，只需要通过减法电路，得到VF1和VF2的差值，再做适当的放大，就可以满足AD的大部分量程，且电压采样值可以从零起调。 如果是长距离测温，不能忽略引线电阻的影响，则两线制电压源激励桥式电路仍然不能满足系统的需要。FX2N-48MR型PLC采集模拟量，需要扩展模

38、块，采用FX2N-48MR模拟量输入模块。该模块提供包括8位精度分辨率，2通道电压输入或电流输入，电压输入和电流输入可以自已选择。如果输入为电压接一个端子；如果输入为电流则需要接个端子。当电压超过正常范围时，电流超过正常范围32mA时，会对这个模块造成损坏。当存在过多的电气干扰时，以将连接FG的外壳地端和模块的接地端相连接PLC基本单元，FX0N-3A之间的数据通信是由FROM/T0指令来执行的。FROM是从FX0N-3A中读数据的指令，而T0是将数据写入FX0N-3A的指令。实际上读写的操作都是对FX0N-3A的缓冲寄存器BFM进行的操作。该缓冲区由32个16位的寄存器组成。其中包括通道是否

39、开通，电压输入还是电流输入的选择等。4.9 执行单元图4.6 电机接线电路图水泵、风机都是本设计的主要执行单元，外部接线图如图4.6所示，水泵的接触器线圈KM1与PLC的Y12相连，风机的接触器线圈KM2与Y14连接。通过控制Y12、Y14输出的电平来控制线圈是否得电从而控制两个电机的运行。设计的执行单元主要有可控硅、继电器和电磁阀。控制输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。可控硅是可控硅整流的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大半导体。实际上，的功用不仅是整流，它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电，等等。可控

40、硅和其它半导体器件一样，其有小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此功率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。可控硅的优点很多，例如：以小大功率，功率放大倍数高达几十万倍，反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无；效率高，成本低等等。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片

41、等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。4.10显示器显示方式图4.7显示电路发光二极管显示器，简称LED: (Liquid Emitting Diode)。LED显示块是由发光二极管显示字段组成的显示器，有了段和“米”字段之分。段显示数码管由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就

42、是8个，根据需要能组成位LED显示器。N位LED显示器有N根位选线和8N(或16N)根段选线。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同。段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的点亮和关闭。本设计 使用了4个共阴极数码管用于显示设定温度和实际温度（各两只）。4.11报警电路为使系统的人机交互界面更好，设置了两路报警信号，分别为两路红色的发光二极管，用于显示越限报警和误输入报警。当恒温箱水温高于工作人员所设定的上限温度或者低于设定的下限温度时，则认为发图4.8报警电路生了越限，越限报警灯(LED1)点亮，提示操作出现了越限报警，提醒工作人员注意是否有意外情况发生。值得一提的是

43、，当系统从低温开始加热，到下限温度以前系统都会出现越限报警。当出现越限报警时，工作人员应该注意是不是此种情况，此情况可以忽略。误输入报警(LED2)主要用于键盘管理中，当用键盘进行恒温设定、上、下限温度设定时工作人员如果没有按说明中所要求的步骤进行操作的话就是所谓的误操作。当出现误操作时误输入报警灯点亮，此时工作人员应进行输入检查，查看说明并更正。表4.2各电器元件的选择名 称KA1KA2KA3KA4熔断器型 号JZ744JZ744JZ744JZ744RL100名 称液位开关水泵风机搅拌电机加热棒型 号BZ240180Y-100DWT-IJJ-1DN50第5章 系统软件设计5.1 控制流程图系

44、统控制程序流程如图所示，程序中用到了PLC内部数据存储器功能。D54为温度设定值；D4为流水温度；D14为流水温度；D24为储水箱水流速度； D34为水流速度；D44为加热功率。以下是恒温控制系统流程图。系统的软件部分以主程序为入口，在初始化之后调用键盘管理程序，完成对键盘的扫描，读入键值，并根据相应的键值进行各类操作。温度采样频率由定时器控制，在每一次采样完成之后进行模糊控制时间的计算和显示刷新。当通过热电偶采集的被测温度偏离所希望的给定值时，PID控制可根据测量信一号与给定值的偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D) ？运算，从而输出某个适当的控制信号给执行机构，促使测量值恢复到给定值，

45、达到自动控制的效果。比例运算是指愉出控制量与偏差的比例关系。比例参数P设定值越大，控制的灵敏度越低，设定值越小，控制的灵敏度越高，例如比例参数P设定为4%，表示测量值偏离给定值4%时，输出控制量变化100%。积分运算的目的是消除偏差。只要偏差存在，积分作用将控制量向使偏差消除的方向移动。积分时间是表示积分作用强度的单位。设定的积分时间越短，积分作用越强。例如积分时间设定为240秒时，表示对固定的偏差，积分作用的输出量达到和比例作用和积分作用是对控制结果的修正动作，响应较慢。微分作用是为了消除其缺点而补充的。微分作用根据偏差产生的速度对输出量进行修正，使控制过程尽快恢复到原来的控制状态，微分时间

46、是表示微分作用强度的单位，仪表设定的微分时间越长，则以微分作用进行的修正越强。PID模块操作非常简捷只要设定4个参数就可以进行温度精确控制; 1、温度设定 2、P值 3、I值 4、D值PID模块的温度控制精度主要受P、 I、D这三个参数影响。其中P代表比例，I代表积分，D代表微分。比例运算(P)比例控制是建立与设定值(SV）相关的一种运算，并根据偏差在求得运算值(控制输出量 )。如果当前值（PV)小，运算值为100%。如果当前值在比例带内，运算值根据偏差比例求得并逐渐减小直到SV和PVr匹配(即，直到偏差为0)，此时运算值回复到先前值(前馈运算)。若出现静差(残余偏差)，可用减小Y方法减小残余

47、偏差。如果尸太小，反而会出现振荡。积分运算(I）将积分与比例运算相结合，随着调节时间延续可减小静差。积分强度用积分时间表示，积分时间相当于积分运算值到比例运算值在阶跃偏差响应下达到的作用所需要的时间。积分时间越小，积分运算的校正时间越强。但如果积分时间值太小，校正作用太强会出现振荡。微分运算(D）比例和积分运算都校正控制结果，所以不可避免地会产生响应延时现象。微分运算可弥补这些缺陷。在一个突发的干扰响应中，微分运算提供了一个很大的运算值，以恢复原始状态。微分运算采用一个正比于偏差变化率(微分系数)的运算值校正控制。微分运算的强度由微分时间表示，微分时间相当于微分运算值达到比例运算值在阶跃偏差响

48、应下达到的作用所需的时间。微分时间值越大，微分运算的校正强度越强。图5-1-1 系统软件流程图N开 始按键？显示温度加/减？设定温度-1设定温度+1温度采际温设定温？YNN实际温设温？Y报 警报 警制 冷制 热Y显示实际温度减加5.1 恒温系统梯形图结 论本设计是以PLC为核心而设计的恒温水箱控制系统，它可以实现温度的自动采集，自动控制，如果经过调节温度还不在规定范围之内，系统会给予相应报警，以提示工作人员实施人工干预。作为控制系统的中心PLC，在该系统中至关重要的作用，它可以准确判断处理温度数据，并根据温度的情况，相应地控制着状态灯、扬声器和风机的工作。我