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1、设计题目 plc控制恒温水箱的设计学 校：姓 名：学 号：指导老师：目录1 设计方案的确定 31.1 各控制方案的比较 31.2 PLC温控系统原理42 系统硬件设计62.1硬件分配62.3恒温控制的PLC控制装置示意图72.4工艺过程及控制要求说明72.5 I/O地址表92.6温度传感器92.7 PLC主机112.8 执行单元132.9 LED显示器显示方式132.10 各电器元件的选择133 系统的软件设计143.1恒温系统控制流程图143.2 恒温系统梯形图163.3 恒温控制系统程序26参考文献29致 谢301 设计方案的确定1.1 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
2、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
3、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。1.1.1 纯模拟电路控制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
4、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，有控制精度高、控制温度范围大、制冷响应速度快等特点。1.1.2 PLC 控制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
5、更较多的场合。3功能强，通用性好。PLC产品已经形成系列化，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。1.1.3 单片机控制单片机常用的是C，汇编与Basic。就算是C，也有许多不同的开发工具(如ICCAVR，CodeVersion,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。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。1.2 PLC温控系统原理由感温元件热电偶检测温度，通
6、过温度变送器把温度传送给 FX 3A ， ONA/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。图1 PLC控制的温控系统工作原理框图2 系统硬件设计2.1 硬件分配PLC控制的恒温箱温控系统硬件包括：1.温度传感器2放大器部分3. A/D转换部分。4.FX0N-60MR。5执行单元。6.LED显示器2.2 I/O 电器接口图TT3-12
7、v图2 I/O电器接口图2.3 恒温控制的 PLC 控制装置示意图图 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。搅拌显示搅拌电动机温度显示温度1显示温度2显示温度3显示 0 0i X |示冷却风扇电恒温水箱阀1开启显液位检测2加热装置动机-1风扇冷却温度2检测风扇开启显示手阀流量显示0S流量阀手阀1阀门1温度3检测图 3 控制装置示意图2.4 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
8、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
9、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 oC ,。要采用PID调节加热。当水温高于设定值510 O?时，要 进冷水。当水温在设定值05oC范围内，仍然采用PID调节加热。当水温高于设 定值10oC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。2.5 I/O地址表表1 I/O地址信号名称器件代号地址编号功能说明输入信号SB1X10系统启动开关SB2X15系统停止开关SQ1X11上液位开关SQ2X12下液位开关SPX5流
10、量检测开关输出信号KA1YO启动泵YV1Y1水电磁阀1YV2Y2水电磁阀2KA2Y3冷却风机KA3Y4搅拌电动机KA4Y5加热装置HLY7报警指示灯8241 码Y10Y10显示数据用输出信号C1Y20温度显示1LED信号地址C2Y21温度显示2LED信号地址C3Y22温度显示3LED信号地址C4Y23流量显示LED信号地址C5Y24功率显示LED信号地址2. 6温度传感器2.6.1热电偶本文采用J型热电偶。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。热电偶温度计是由三部分组成：1.热电偶（感温元件）；2.连接热电偶和测量测量仪表的导线（对应型号的补偿导线及铜线）；3.测量仪表；其优点是：测量精度高
11、。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50 1600C均可边续测量，某些特殊热电 偶最低可测到-269C（如金铁镍铬），最高可达2800C（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受 大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。热电偶测温基本原理：将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构 成一个闭合回路。当导体AB的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便 产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶 就是利用这一效应来工作的。为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下
12、： 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。2.6.2 温度采集电阻炉温度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，.J以 通过精密放大器将信号进行处理。但通常温度转换的数字J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
13、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0 -800C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0- 2000，若数字量为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。2.6.3 A/D转换部分FX0N-60MR型PLC采集模拟量，需要扩展模块，采用FXON-3A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，
14、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 /TO指令来执行的FROM 是从FX0N- 3A中读数据的指令，而TO是将数据写入FX0N- 3A的指令。实际上 读写的操作都是对FXON-3AD的缓冲寄存器BFM进行的操作。该缓冲区由32个 16b 的寄存器组成。其中包括通道是否开通，电压输入还是电流输入的选择等。2.7 PLC主机PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信 接口、扩展接口电源等部
15、分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单 元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、 上位计算机等外设连接。对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内；对于模块式PLC，各部件独立封 装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。无论是哪种结构类型的 PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。PLC的软件由系统程序和用户程序组成。系统程序由PLC制造厂商设计编写 的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括 系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在 PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。 由于PLC是专门为工业控
