plc控制恒温水箱的设计

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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52 系统硬件设计72.1硬件分配72.3恒温控制的PLC控制装置示意图 82.4工艺过程及控制要求说明82.5 I/O地址表102.6温度传感器112.7 PLC主机132.8 执行单元162.9 LED显示器显示方式 162.10 各电器元件的选择173 系统的软件设计173.1恒温系统控制流程图173.2 恒温系统梯形图193.3 恒温控制系统程序29参考文献32致 谢331 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

2、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

3、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

4、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。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

5、工艺流程变更较多的场合。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。它及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,汇编及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

6、偶检测温度，通过温度变送器把温度传送给FX 3A，A/D转换过程中，温度变为模拟电压输入给PLC。PLC为控制 ON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11H

7、BFJ 转换电路交流220转换器加热器 no ；码译码:.2址、Ai：QV:.KCM2C H.CH2Lr：QN-G.uM:：LCrxnN-3FXON-3cnvoYE Y3 Y4 Y5丫 7r 2WU2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2显示温度1显示温度2显示温度3显示 0 0冷却风扇电 动机恒温水箱液位检测1吒!ZL_温度检测2-E 土三三三三液位检测2 -E加热装

8、置温度2检测风扇开启显4阀1开启显示流量显示阀门1温度3检测一 .F -I风扇冷却手阀阀2开启显M示流量阀=fc=泵阀门2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

9、。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 温并及设定值比较；若温度差小于 5oC ，。要采用 PID 调节加热。当水温 高于设定值510 OC 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，采用进水及风机冷却同时进行的方法实现降温

10、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ClY20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

11、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。因热电偶直接及被测对象接触，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

12、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： 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； 补偿导线及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及有害介质充分隔离。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

13、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，.IJ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t7。例如我们测温范围为OCPC,采用PtlOO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,及电压成线性关系，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1 V;数字量为2000 时，对应的电

14、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FX0N-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，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T

15、O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、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单 元及输出单元是连接现场输入/输出设备及CPU之间的接口电路，通信接 口用于及编程器、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

16、结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置及组合。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，用户不能直接读写及更改。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是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者 是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要 编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。PLC编程

17、语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产 品采用的编程语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳两种类型：一是 采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达方式 编程语言，如梯形图等。PLC的发展趋势：1、向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理 能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC 的扫描速度可达0.1 ms/k步左右。PLC的扫描速度已为很重要的一个性能 指标。在存储容量方面，有的 PLC 最高可达几十兆字节。为了扩大存储容 量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。2、向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型 PLC 比较多，为了

18、适 应市场的多种需要，今后 PLC 要向多品种方向发展，特别是向超大型和超 小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC,其使用32 位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。小型PLC由整体 结构向小型模块化结构发展,使配置更加灵活,为了市场需要已开发了各 种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为816点，以 适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司Q系列PLC。3、PLC 大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制 系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控 制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CP

19、U和存储器的 智能I/O模块，既扩展了 PLC功能，又使用灵活方便，扩大了 PLC应用范 围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通 信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联 网手段；另一类是PLC及计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信 模块及计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商 制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统， PLC 已成为集散控制系统(DCS )不可缺少的重要组成部分。4、增强外部故障的检测及处理能力.根据统计资料表明：在PLC控制 系统的故障中，CPU占5%, I/O接口占15%,输入设备占

20、45%,输出设备占 30%，线路占 5%。前二项共 20%故障属于 PLC 的内部故障，它可通过 PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂 家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系 统的可靠性。5、编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言 也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外， 为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程 控制的流程图语言、及计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多 种编程语言的并存、互补及发展是PLC进步的一种趋势。2

21、.8 执行单元 输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动 控制器件。继电器的继电特性，继电器的输入信号x从零连续增加达到 衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym, 即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将 不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常 开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入 -输出特性。2.9 LED显示器显示方式发光二极管显示器，简称LED （Liquid Emitting Diode）。

22、LED显示块 是由发光二极管显示字段组成的显示器，有7段和“米”字段之分。由N个LED显示块可拼接成N位LED显示器。N位LED显示器有N根位选线和8XN （或16XN）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。2.10 各电器元件的选择名称型号、KA1KA2KA3KA4熔断器JZ744JZ744JZ744JZ744RL1-1003 系统的软件设计3.1恒温系统控制流程图系统控制程序流程如图 所示,程序中用到的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

23、温;D34为水流速度;D44为加热功率.以下是恒温控制系统流程图。18 / 38否否否L低水温与设 定值比较液位到否？1.高温差是、否小于等于5度与i连上否测试温送处理启动阀放水启动 泵上水进行水 温调节温度设定 工作方式选择测试水箱温度并 与设定值比较初始化进水启动搅拌 电动机热功率 二转换1 I调节图4 温控系统流程图3.2 恒温系统梯形图根据上述恒温控制流程流程图及系统要求,可得系统梯形图如下:T-lH卜Hir i. .KIUU IJI -仁| |IfCVD4；：11PD1K-lJ62| |和 K_:SDI；_11PT/1K6陌弓H6:-| |NrK 汗TQ111 Uil K6Flf.-

24、1Tb：-| |1i F K . -IK i_ nr n 1 Krr; i胪:：-|ri / q：；i itL4；QJI；-|H./Ldr?YPrdm 其111：-| |N：7 rll： mYP Ed：汨IFF-| |N：7LiiM3 E北I：-IIE2T010K2701?K2Y01DK2Y01D肚匚 -n -卜；KidDC 9kl：iri- .1K72DCjF：Ld止FTIJJF：L5恥5IK.l113012KLuLbBl 01KIJlliZhMJ3.3 恒温控制系统程序恒温控制系统的程序如下图uLT1010L24ANTrsi1DER400LZ5ourraiJC302帧I0L5L2BLDrs

25、i/iOUTR400LZ9TOKDKITHlKL4LDrJIDDL3BTDKUH3KL5MFDBDE255nrFEfflKDDIDKLJZLDFJ-40EL5BLDT313RIDL4L57MUL LDDIZ14ORN40LLB4DIVD12E25ED1415ORN403liLCMPD15E5M312IS虹归L7B11UI312ITVDVKLLLH61L79OElfl-：1322ourFJ2LI0LBDAUE：23WDVE222HG11E：LIKD1428LDFJ2LI0LB4LDI12DD29CfflPH54KOH210LB5AKCrae驅MIDFJ2LLLBBOUTr92E30：rWD25U

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29、441NFS334MTF442ABH395SUEB54D4161443NOVK191B49342MULB51E2144440wrr349EDmi449CNFD44K3忸：35UOB贬45&NTS：35LoirrIFI3D445TAHJW3O352LilflZDD450NOVK106B49353AMTTOOL4B3NFF354MUTDDZ4B4匚HF44K4NE2355axaTDD3inNFS356OUTIA311如M53357LLH2DD173NOVK158U-IQ358AND舵17BNFF：3E3CNFB4H54M4479CMPD44朋NEEW：ELIIN44BBNFS367OBIH54KY

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34、ZDLino?L5EM耳JVJJ9丄9LimEdJJIASIS创ZlL6btt嵯61JOOLSUIJ1UamHLMH叫隅IJL参考文献1 陈琳.可编程控制器应用技术. 化学工业出版社,2004.42 黄明琪,王福平. 可编程序控制器. 重庆: 重庆大学出版社,2003.63 张健民等, 机电一体化系统设计. 北京: 高等教育出版社,20024 赵先仲, 机电系统设计, 北京:机械工业出版社,20045 吴圣庄, 金属切削机床概论. 北京:机械工业出版社,19936 王淑英等,电器控制及 PLC 控制技术. 北京:机械工业出版社,2005.17 瞿大中, 可编 程控制器应用及实验. 武汉:华中科

35、技大学出版 社,2002.128 高钦和, 可编程序控制器应用技术及设计实例 . 北京:人民邮电出版 社,2004.7致谢本次PLC课程设计是对我PLC课程学习效果的最好检验。经过这次设 计，提高了我很多的能力，比如查阅资料能力、分析问题的能力、严谨的 工作作风、细心谨慎的学习态度等。在这期间凝结了很多老师和同学的心 血，在此表示衷心的感谢。首先，我要特别感谢乔水明老师对我的悉心指导，在设计期间老师帮 助我确定了设计的大致方向，理清设计思路，指导实验方法，提出有效的 改进方案。导师渊博的知识、严谨的学风、诲人不倦的态度和学术上精益 求精的精神使我受益终生。其次，我要感谢本专业的其他同学。在此次

36、设计过成中我们一起讨论、 一起学习，不但使我在学习水平上有很大的提高，更懂得和他人一起讨论 和学习可以获得很多的知识。在此，我要向老师深深地鞠上一躬，感谢老 师在学习期间对我的严格要求，同时也要感谢身边同学的热心帮助。34 / 38附件图纸T2SEIHLU口FUOFU 2+V1匚 占普習智彗ITK, F：H：nM-euMF：p|_r；NCOM0 Y3 4 Y5 Y7VOY7Y2(JY2CHICH2CHICH 2FXDN-3FXCN-：U2B日I匚IO 接口图W:誉亍:是主PC.1&1 -V- ；=3% =込豆戏w z =7. _ 、 ji. -二三工疳:三乏士2$.急亘三空-:= 三专氓评 主 M j函三竺11/岛妄FIDK=恒温控制流程图泊蚕1:.-.豆乙二口恒温控制装置图38 / 38