【基于PLC的水果保鲜控制系统的硬件和软件设计案例7700字】

基于PLC的水果保鲜控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u18694基于PLC的水果保鲜控制系统的硬件和软件设计案例 118211第1章保鲜系统的硬件设计 1196771.1系统的总框架设计 1323011.2主电路设计 268371.3控制电路设计 330451.4温湿度传感器的设置 370221.5传感器的设置 4238611.5.1温度传感器 4147671.5.2湿度传感器 597281.5.3氧气测量仪 6261741.5.4制氮机 6139871.5.5风机 7286801.5.6制冷机 8272151.5.7热电偶 9218991.5.8加湿器 10238871.6PLC的选型 1188401.7北京昆仑MCGS组态软件简介 13211211.8I/O接口分配 1317431第2章程序设计及仿真 14106292.1苹果保鲜系统的总流程设计 14201222.2PLC的梯形图如下 1449752.2.1梯形图主电路 14194972.2.2三个子函数如下 15250862.3仿真 17第1章保鲜系统的硬件设计1.1系统的总框架设计本次设计苹果保鲜控制系统是通过传感器作为信号输入，PLC转换数值后判断大小来决定不同状态下的电机启动情况的控制系统，具体的硬件框图的设计如下所示。图SEQ图\*ARABIC3-1总框架设计图 可以看出本次实验是通过以上设备实现温湿度，氧气浓度的控制的。基本包括温湿度传感器，氧气浓度传感器，风机，制冷机以及热电偶。当氧气浓度过高或者过低会影响风机以及氮气机的启停。当保鲜库中的温度过低则会打开热电偶，过高会打开制冷机。同理，当保鲜库中的湿度满足设定值的不同要求后，PLC也会控制加湿机以及风机的启停状态。当这些输出端口合闸之后都会有对应的指示灯来提醒用户。 1.2主电路设计按照要求，本次实验的主电路如下图所示，其中SB3-SB7均为不同状态下的按钮，制冷，加热，进出气开关，干燥，加湿开关。相对应的电机则为制冷机，热电偶，制氮机，风机，加湿器。通过PLC直接控制各设备的启动与停止。图3-2主电路图1.3控制电路设计图3-3控制电路图当按下开关后，若温控开关被PLC合上，此时加热器通电加热，此时指示灯3接通，表示加热器正在加热。到达温度后，加热器断电停止工作。同理当氧气浓度传感器的使之满足要求使PLC控制的氮气开关合上，则指示灯2亮，表示氮气机开始工作。1.4温湿度传感器的设置图3-4温湿度电路图PLC将传感器发出的数据经由变送器转换成模拟信号输出。再有PLC内部结构转换成对应的实数。如图为温湿度的模拟量输出信号。1.5传感器的设置1.5.1温度传感器温度传感器：最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数式中ε为材料表面发射率，ρ为反射镜的反射率。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度现阶段应用比较广泛的有:热敏电阻、热电偶、集成温度传感器和RTD电阻温度传感器，每类传感器都根据结构、材质、环境有各自的特点，热敏电阻感受温度变化比较敏感，对温度的识别范围宽阔，但它自身存在自热的问题，因此测量温度的变化精度不太高，热电偶因其自身结构坚固，不易损坏，再加上其制造成本较低因此在市场上应用十分广泛﹐热电偶对温度变化比较敏感，具备很宽的测量范围，电阻式传感器价格昂贵，主要适应于对温度精度要求的工业环境，本文设计的保鲜库因系统含有降温装置，加之整个保鲜空间温度偏低，传感器的自热问题对其影响微小,价格昂贵的电阻式传感器从成本和控制要求来分析，不宜适用于保鲜系统，为了使系统控制精度更高，本文选择K型热电偶和PT100铂电阻，根据测量原理不同，热电阻测量原理是根据导体或半导体的电阻随温度变化而变化的特性进行温度测量﹐热电偶测是利用热电效应来测量温度，使用两款成本较低，测量精度满足保鲜需求的温度传感器，形成多传感器融合优势互补，保鲜温度测控更优良的测量装置。非接触测温优点：测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。下图为一种温度传感器。图3-5温度传感器1.5.2湿度传感器湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。这方面没有干湿球测湿方法好。下面对各种湿度传感器进行简单的介绍。一种选择壁挂式温度传感器，第二种选择最简单的湿敏元件作为检测湿度的器件。依据两种不同类型湿度传感器采集的湿度值，求出平均值，作为保鲜库实时温度值，提高系统对湿度的控制精度。选择SAL-LCD温度传感器作为本次实验的温度传感器，下表为其参数。种类参数精度大于20bit的精度显示8位数字或者用6或位显示温度结构应变桥式，电阻为350，1000，5000欧均可接口方式RS232/RS485/4-20mA功能两路光电隔离输出工作方式延时控制或这组合控制电压3~5V温度范围-200度至800度表格3-1以下为一些注意点湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。也避免在粉尘较大的环境中使用。为正确反映欲测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。如果被测的房间太大，就应放置多个传感器。湿度传感器的形式不是很多，但是不管是什么样的湿度传感器在使用过程中还是要注意以上几个细节问题，不仅仅是湿度传感器所有的传感器在使用过程中都有它的注意事项，在使用的时候应该首先阅读使用说明书已经和厂家咨询相关的问题，才能更好的使用。微型湿度传感器实物图如下。图3-6微型湿度传感器1.5.3氧气测量仪氧气检测报警仪，是一款个人便携式气体检测报警仪，它的传感器采用电化学传感器，反应灵敏，适用于在工矿企业环境空气中连续检测氧气的百分比浓度，当环境浓度偏高时，进行高限、低限声、光、震动报警，警示现场人员尽快撤离危险区域1.5.4制氮机制氮机，是指以空气为原料，利用物理方法将其中的氧和氮分离而获得氮气的设备。根据分类方法的不同，即深冷空分法、分子筛空分法(PSA)和膜空分法，工业上应用的制氮机，可以分为三种。其中PSA制氮机最为便宜。PSA变压吸附制氮原理碳分子筛可以同时吸附空气中的氧和氮，其吸附量也随着压力的升高而升高，而且在同一压力下氧和氮的平衡吸附量无明显的差异。因而，仅凭压力的变化很难完成氧和氮的有效分离。如果进一步考虑吸附速度的话，就能将氧和氮的吸附特性有效地区分开来。氧分子直径比氮分子小，因而扩散速度比氮快数百倍，故碳分子筛吸附氧的速度也很快，吸附约1分钟就达到90%以上；而此时氮的吸附量仅有5%左右，所以此时吸附的大体上都是氧气，而剩下的大体上都是氮气。这样，如果将吸附时间控制在1分钟以内的话，就可以将氧和氮初步分离开来，也就是说，吸附和解吸是靠压力差来实现的，压力升高时吸附，压力下降时解吸。而区分氧和氮是靠两者被吸附的速度差，通过控制吸附时间来实现的，将时间控制的很短，氧已充分吸附，而氮还未来得及吸附，就停止了吸附过程。因而变压吸附制氮要有压力的变化，也要将时间控制在1分钟以内。制氮机是按变压吸附技术设计、制造的氮气制取设备。制氮机以优质进口碳分子筛（CMS）为吸附剂，采用常温下变压吸附原理（PSA）分离空气制取高纯度的氮气。通常使用两吸附塔并联，由进口PLC控制进口气动阀自动运行，交替进行加压吸附和解压再生，完成氮氧分离，获得所需高纯度的氮气。下图为制氮机示意图。图3-7小型制氮机1.5.5风机风机是我国对气体压缩和气体输送机械的习惯简称，通常所说的风机包括通风机，鼓风机，风力发电机。气体压缩和气体输送机械是把旋转的机械能转换为气体压力能和动能，并将气体输送出去的机械。风机的主要结构部件是叶轮、机壳、进风口、支架、电机、皮带轮、联轴器、消音器、传动件（轴承）等。无动力通风机是利用自然风力及室内外温度差造成的空气热对流，推动涡轮旋转从而利用离心力和负压效应将室内不新鲜的热空气排出。图3-8风机1.5.6制冷机①压缩式制冷机。依靠压缩机的作用提高制冷剂的压力以实现制冷循环，按制冷剂种类又可分为蒸气压缩式制冷机（以液压蒸发制冷为基础，制冷剂要发生周期性的气-液相变）和气体压缩式制冷机（以高压气体膨胀制冷为基础，制冷剂始终处于气体状态）两种，现代制冷机以蒸气压缩式制冷机应用最广。②吸收式制冷机。依靠吸收器-发生器组（热化学压缩器）的作用完成制冷循环，又可分为氨水吸收式、溴化锂吸收式和吸收扩散式3种。③蒸汽喷射式制冷机。依靠蒸汽喷射器（喷射式压缩器）的作用完成制冷循环。④半导体制冷器。利用半导体的热-电效应制取冷量。制冷机的主要性能指标有工作温度（对蒸气压缩式制冷机为蒸发温度和冷凝温度，对气体压缩式制冷机和半导体制冷器为被冷物体的温度和冷却介质的温度），制冷量（制冷机单位时间内从被冷却物体移去的热量）、功率或耗热量、制冷系数（衡量压缩式制冷机经济性的指标，指消耗单位功所能得到的冷量）以及热力系数（衡量吸收式和蒸汽喷射式制冷机经济性的指标，指消耗单位热量所能得到的冷量）等。制冷机可分为：压缩式制冷机、吸收式制冷机、蒸汽喷射式制冷机，半导体制冷。其中蒸汽压缩式制冷机（活塞式、回转式、螺杆式、离心式）、吸收式制冷机和蒸汽喷射式制冷机应用较为广泛。我国除少数大冷量和特殊用途的冷冻机外，一般用途的活塞式、离心式、螺杆式、涡旋式、溴化锂吸收式、蒸汽喷射式制冷机，以及冷冻、冷藏、低温试验等设备。下图为微型制冷机图3-9微型制冷机1.5.7热电偶在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种无源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeckeffect）。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿正常。与测量仪表连接用专用补偿导线。下图为热电偶的示意图图3-10热电耦1.5.8加湿器湿度作为空气主要参数之一，与人们的生活、生产息息相关，人生活在50～60%的湿度环境中觉得舒适，否则会觉得干燥或湿闷。在纺织行业湿度低于40%则易断纱；烟草行业湿度高于70%则易霉变，而当湿度低于30%极易产生静电对电子行业极为不利。随着现代空调技术的发展，空气湿度调节技术和各类加湿、除湿设备也得到发展。我国在60年代即开始重视研制开发降湿设备，先后对升温降湿、转轮降湿及低温凝露降湿进行开发，且其产品在国内早已广泛应用。但是加湿技术一直到70年代初还停留在淋水加湿和电极式加湿上，随着纺织、电子、印刷、烟草、特种储备等技术的发展和人民对生活环境舒适性要求的不断提高，对加湿技术提出了新的课题，70年代后期蒸汽加湿技术得到广泛应用，干蒸汽式工业加湿器试验成功。到80年代随着中外技术的进一步交流，离心式加湿、超声波加湿、远红外加湿等先进技术得到长足发展并均已商品化。80年代末又出现了高压喷雾式工业加湿器、新型电极式工业加湿器、湿膜式工业加湿器等新产品。如今工业加湿器品种繁多，性能各异，用户在选购工业加湿器的时应根据产品性能特点、湿度需求、使用场合等因素进行选择。高压喷雾加湿系统的工作原理是利用高压柱塞泵将水压提高到50-70kg/cm,然后将加压后的水经耐高压输送管线由专业喷嘴将其雾化,产生0.3-3的微雾颗粒,使其能够迅速从空气中吸收热量完成汽化并扩散,从而完成空气加湿、降温的目的。特点加湿效率高：由于设备产生的水雾颗粒极为细小，汽化过程完成快,使其汽化效率达到了90-100%的高效率。加湿、降温效果非常理想。加湿量大：单机最大输出流量可达100-1600kg/h，可在流量范围内任意设置喷头数量,并通过对压力及流量的控制达到加湿量的精确调节。维护量低：加湿器主机采用工业型高性能进口柱塞泵，实现长时间连续运行系统,整个系统设计安全、稳定,实现无人化管理，尤其是喷头及水雾分配器均为无机械运转部件，可实现无故障运行。洁净度高：由于设备使用进水做了净化处理,并且整个系统决无循环用水，保证了加湿过程的较高洁净度。运行费用低。适用范围广：该设备不但适用于中央空调机组配套用加湿，而且特别适用于很多场所的大空间整体或局部加湿，例如：纺织、印刷、烟草、汽车喷涂、电子厂房、电厂、钢厂、农业、畜牧业等场所的加湿、降温。下图为工业加湿器图。图3-11工业加湿图1.6PLC的选型本次实验中选则西门子S7200系列西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。基本单元S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用.扩展单元S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数.编程器PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。程序存储卡为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。程序存储卡EEPROM有6ES7291-8GC00-0XA0和6ES7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8K和16K程序步。写入器写入器的功能是实现PLC和EPROM之间的程序传送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。文本显示器文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。图3-12西门子S72001.7北京昆仑MCGS组态软件简介北京昆仑通态自动化软件科技有限公司是国内一家高科技企业集团。公司主要从事专业自动化软、硬件的开发、设计与应用系统的集成，并向用户提供从硬件到软件的总体设计方案。公司下设北京公司总部、无锡客服中心、深圳生产基地、成都制造中心、上海办事处、深圳办事处、济南办事处、南京办事处、成都办事处、沈阳办事处、西安办事处、无锡办事处、杭州办事处、佛山办