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1、 技师核心技术专题研修设 计 说 明 书课题名称 工业恒温水箱 专业班级 05技师 学生姓名 吕威 俞琪帅 学 号 052722 052807 指导教师 谢铿 宁波技师学院电气技术系2011年3月目 录1 引言12 总体设计22.1设计要求：22.2解决方案32.3恒温箱的组成结构33 硬件设计63.1 电源电路63.2 进水部分63.3 加热器部分63.4 搅拌部分73.5 供水排水部分73.6 输入输出模块83.7 模拟量输入块83.8 模拟量输出模块93.9 温度输入模块103.10 变频器的选择103.11加热器和调压模块选择103.12 传感器选择103.13 水箱与水管113.14
2、 其他器件选择123.15系统流程框图134 软件设计144.1 程序流程图144.2 PID144.2.1 PID的优缺点154.2.2 PID控制用数据列表154.2.3 PID I/O数据列表164.2.4 PID控制用数据举例174.3 触摸屏18电气专业技师核心技术专题研修设计说明书 第1页1 引言随着工业生产水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用 ，恒温系统得到了发展的机遇。于是我们选择了一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的工业恒温水箱做为课题。本系统采用PLC进行逻辑控制，采用PID功能进行温度控制。系统存在工作可靠，安全，使用方便，控制精度高等优点。 2 总体设计2.1设
3、计要求：1、温度设置范围为0-60度，精度1.5。2、可设置水位（下限210mm，上限建议最高400mm）。3、加热时进行搅拌使加温均匀。4、水泵供水压力为1.5公斤。5、能远程控制供水。6、触摸屏显示温度值和温度的变化曲线。7、触摸屏显示水泵的供水压力值。8、触摸屏显示水位动态。9、触摸屏显示变频器频率。10、当触摸屏坏时，可使用外部手动按钮和仪表进行恒温。11、变频器坏时，可以直接全压启动水泵进行供水。设计主要为工业提供恒温，来保存一些化学用品进行一些工业生产必要的辅助作用（例如化工染料厂）。另外增加了一个排水口，当水箱内的水没用时不用松开出水口的水管可以通过排水口排除。2.2解决方案图2
4、-1 设计主要采用PLC、变频器、温度传感器、压力传感器、A/D模块、D/A模块、热电偶输入模块、加热器、水泵等来组合完成。通过PLC、加热器、温度传感器、热点偶输入模块来实现恒温控制。触摸屏与PLC用网线进行连接，设备内部有足够水量情况下由温度传感器不断将水箱温度信号变成电信号送向PLC，温度传感器把采集到的模拟信号送入热点偶输入模块从而转换成数字信号，再由PLC进行PID运算，获得最佳控制参数，运算后的值通过D/A模块转换为模拟量在通过到全隔离单向交流调压模块控制加热器。供水时把A/D模块测得的值给PLC经过PID程序得到的操作值通过D/A模块输给频率器来使水泵输出压力恒定在1.5公斤。2
5、.3恒温箱的组成结构恒温箱主要由进水、加热、搅拌与供水控制和显示部分组成，经过这些部分紧密的配合来使恒温箱达到正常工作的目的。设计将采用三菱Q系列PLC进行控制，并配备触摸屏来控制和显示动态。图2-2 总体框图 图2-3 水箱表面手动按钮图2-4 元器件布置图3 硬件设计3.1 电源电路课题采用三相四线制供电，380V的电源来接变频器和水泵，220V输入到开关电源，并接PLC电源模块和触摸屏，开关电源输出直流24V为各种模块使用。3.2 进水部分进水部分是恒温箱的基础部分，主要是通过电磁阀的通断来控制进水量，如下图所示压力传感器（YL1)测得的水压经过AD模块转换到PLC里和设定的水压比较，当
6、水位到达设定值时把电磁阀关闭停止进水。下图为压力传感器接线图：图中V+、V-为AD模块上端子，1、2为传感器上2个接点。图3-1 压力传感器接线3.3 加热器部分课题中的加热部分主要由1个加热器、全隔离单向交流调压模块、组成，把温度传感器测到的值经过AD模块转换到PLC，再通过模拟量输出模块把PID计算得到的操作值经过DA模块转换送到调压模块，由调压模块来控制加热器从而调整温度。图3-2 加热部分接线3.4 搅拌部分为了让加温均匀，由阀门和水泵组成搅拌部分，如下图所示需要搅拌时打开下图中的2个电磁阀让里面的水进行：水箱 电磁阀 水泵 电磁阀 水箱进行循环运动从而使加热均匀达到搅拌效果。图3-3
7、 搅拌部分图3.5 供水排水部分供水部分由水泵、电磁阀、压力传感器组成，可对高处需水处进行供水，当水温加热到设定值后，如得到远程或本地需要供水信号就打开下图中的2个电磁阀变频器得到信号对水泵进行控制即可进行供水，并把供水压力在触摸屏上显示。供水时由A/D模块测得的值给PLC经过PID程序得到的操作值通过D/A模块输给频率器来使水泵输出压力恒定在1.5公斤。排水部分是为使用方便设计的，当水箱中的水没有作用或弄脏时可以从排水口把水放完。图3-4 供水部分图3.6 输入输出模块它们是去Q系列PLC与外部设备的接触模块输入模块选择了QX41,输出模块为QY41P。3.7 模拟量输入块模拟量输入块接受电
8、量或非电量变送器提供的标准电流信号或标准电流信号，因此模拟量输入块的选型与变送器有很大的关系。三菱Q系列模块能高速、高精度地将外部的电压或电流信号转换为数字量，并放入CPU的模块。选型时应考虑以下问题：1：分辨率PLC的模拟量输入模块的分辨率用于转换后的二进制数的位数来表示（这里为16位），Q系列AD模块的分辨率都一样都可以设置最高分辨率和正常分辨率模式，本课题所用的为正常分辨率模式。2：模拟量模块的转换速度三菱Q系列的模拟量模块转换速度比较快，一般情况下为80us/通道。（当有温度漂移时速度会有所改变）3：模拟量通道数本课题所用到的模拟通道数为2个通道，由于Q系列最小为4通道，所以选择4通道
9、。4：模拟量模块是否有光隔离由于系统的安全性和抗干扰等方面的原因，PLC与I/O端口之间有光隔离，模块各通道之间没有隔离。由于以上的因素能符合我们的设计要求，又不造成资源浪费选择了Q64AD。3.8 模拟量输出模块模拟量输出模块主要是把从PLC得到的数字信号变换成被控对象能接收的模拟信号，DA模块能将数字信号转换位模拟量电压或电流输出。Q系列模拟量输出模块高速、高精度地将CPU模块所赋予的数字量数据转换为模拟量信号，并输出到外部设备上。主要型号分为Q62DA(2通道）、Q64DA(4通道）、Q68DAV（8通道）和Q68DAI（8通道）。 Q系列模块的转换速度和精度都是一样的，能在80us/通
10、道的速度下进行转换处理。转换精度较高为0.1%（当环境温度为255时）。所有型号的DA模块分辨率模式可以按照应用来切换，并且可以选择数字值分辨率设置1/4000、1/12000或1/6000。由于系统的安全性和抗干扰等方面的原因，PLC与I/O端口之间有光隔离，模块各通道之间没有隔离。从通道数量考虑本次设计只需要用到2个模拟量输出通道，应选用Q62DA,但由于学校有Q64DA为了不浪费资源所以选择了Q64DA模块。 3.9 温度输入模块课题中采用了Q64RD来作为温度输入模块，它将PT100所测得数值转换成数字量并输送给PLC。我们使用的是模块的2号通道所以将H1011输入到G0里。3.10
11、变频器的选择变频器是微计算机及现代电力技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成变频器的主电路。作为教学模拟器材水箱比较小，现有的水泵功率为750W，为了节省成本选择了750W的水泵，因为变频器:选择变频器容量设备容量的（11.25）倍。750*1.25=937.5W，为了节省成本，选用了现有的1500W三菱E700变频器。3.11加热器和调压模块选择加热器选择公式为w=cm(t2-t1)(c为水的比热容，m为质量，t2加热后温度，t1加热前温度）W=4.2*10焦/千克摄氏度*0.059立方米*1000kg/m*60摄氏度=14868000J，t选择45分钟，p=w/t=
12、14868000/2700=5506W 所以选择功率为5KW的加热器。调压模块要选择了90A的，我们选择了LSA-2P90YB。3.12 传感器选择此次设计是用来实现对水位、温度的控制，对传感器的选择是很关键的，标准的模拟量传感器用于将传感提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如DC010V和420mA。传感器分为电流输出型和电压输出型，电压输出型变送器具有恒压源的性质。电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。电流传送的传送距离比电压传送的传送距离远得多。1 压力传感器选择课题中需要2个压力传感器一个测水位的压力传感器采用了三线制嵌入式的压力传感器，选用的传感器是由广州森
13、纳士生产的，型号为（ DG1300-BZ-A-2-0.01 ） ，该传感器的量程为1m，我们的水桶最高为0.75m所以选择这个压力传感器。另一个水泵出水口的压力传感器因课题中水泵供水压力为1.5公斤，所以选择现有的6公斤压力传感器。2 温度传感器选择温度传感器将测得的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如DC010V和420mA。PT100的传感器价格便宜使用方便，性价比比较高，又能达到课题所需要的0-60度温度，所以本课题就用了2线制的PT100变送器（PT100的变送器价格便宜又符合课题要求、经济实惠）。接线时还要注意导线电阻要满足1+2小于等于2千欧。1和2之间的导线电阻值
14、的差应该最大10欧。 PT100温度感测器的电阻值会随温度变化而改变，具有正温度系数，我们就是利用此特性来测量温度。 3.13 水箱与水管因为水泵输出为4分管，为了让出水压力变大我们把水箱底部到水泵改成了6分管口径。水箱是恒温箱的重要部件之一，恒温水箱此设计的水箱采用1.52mm的不锈钢材料制作（需要考虑加热器、水管等元件的固定，所以水箱不能选择太薄。由于做为教学模拟设备水箱的大小选择了高700mm宽400mm的桶（由一个高500mm的圆柱和一个高175mm的圆台组成）如图所示：图3-5 水箱水箱不能满水量使用所以把可用部分定在450mm箱体积=RRh+RRh/3=3.14*0.2*0.2*0.40+3.14*0.2*0.2*0.2/3=0.05652+0.00837=0.059m（下面小圆锥部分忽略不计）3.14 其他器件选择1交流继电器的选择1) 接触器主出头额定电压应大于或等于控制线路的额定电压，这里选择3
