基于PLC的海洋环境仿真控制系统本科生毕业设计论文

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1、天津理工大学2011届本科毕业设计说明书第一章 绪论1.1 引言随着世界经济的迅速发展，人类对矿产资源的需求日益增加，资源的开采亦日益加剧，陆地资源正日趋贫化和枯竭，丰富的海底矿产资源将成为人类可持续发展的重要物质基础1。许多国家已经把开发利用海洋资源作为基本国策；许多著名的政治家、经济学家都预言，二十一世纪将是“海洋经济时代”2 根据国内外科学家多年的勘探和研究表明，占地球表面积约71的海洋是一个巨大的资源宝库，其矿产资源存储量大大高于陆地的存储量，而且一些新的矿床还不断被发现。在已发现的深海矿产资源中，对人类生产生活有重大应用价值的主要有多金属结核矿、铁锰结壳矿和海底热液矿等。其中大洋多金

2、属结核是一种富含锰、铜、钴、镍等多种金属的结核矿，主要分布在世界大洋底部水深35006000rn的海底表层，在整个大洋底的储量约为3万亿吨，其中仅太平洋地区就达17万亿吨3，并且其储量还将以每年100万吨的速度增长。大洋多金属结核所含的锰、铜、钴、镍等金属的储量分别是陆地相应储量的200，40，129和328倍。可见，深海的矿产资源不仅储量丰富，且矿产的品位极高，其所含的多种矿产都是人类工业生产和国防等工业的必备资源。因此，深海底丰富的矿产资源已成为世界瞩目的具有商业开发前景的战略资源，对深海环境的研究也成为世界各国的重要研究课题。1.2 本课题研究的目的和意义1.2.1 海洋环境研究的重要性

3、随着社会的发展和进步以及世界人口的急剧增加，陆地资源正日趋贫化和枯竭。丰富的海底矿产资源将成为人类可持续发展的重要物质基础，许多国家已经把开发利用海洋资源作为基本国策。与此同时海洋的鱼类资源、海洋风暴以及海浪等许多的海洋气象都对我们人类的发展有着重要的意义。图1.1 矿藏丰富的海洋据我国国土资源部发布的全国矿产资源规划 (2008至2015年)4说，中国经济社会发展对矿产资源的需求持续快速增长，矿产资源保障程度总体不足，中国正成为一个能源消费大国。据预测，如不加强勘查，到2020年，在中国45种主要矿产中，有19种矿产将出现不同程度的短缺，其中11种为国民经济支柱性矿产，我国矿产资源的对外依存

4、度将上升到60，资源紧缺将严重制约中国经济的快速、可持续发展。所以，走向大洋，在深海开辟新资源，是中国一项重大的海洋发展战略3。海洋研究开发不只是关系到一个国家的资源战略问题，而且与国家的安全息息相关，这个安全涵盖一个国家的政治、经济权益。位于国家管辖海域之外的国际海底区域，面积约为2517亿平方公罩，约占地球表面积的49，根据联合国海洋法公约的规定，这一区域及其蕴藏的丰富资源是全人类共同继承的财产，由国际海底管理局代表全人类进行管理和协调。但从20世纪60年代起，国际海底资源开发的实际“游戏规则就是捷足先登，谁投资谁占有，谁开发谁受益。只要有能力有实力，开发就有优先权。一些发达国家利用自己资

5、金、技术上的优势，竞相开始争夺国际海底资源。因此，我国也必须通过积极参与深海海洋环境的研究，为我国深海资源的探索和海洋和环境的保护提供有力的支持。打破西方国家对“人类共同继承财产”的垄断，促进国际海底资源开发制度建立的公正性和合理性，维护我国开发国际海底资源的应有权益。1.2.2 研究的目的和意义生命起源于海洋，人类繁衍于陆地。今天，面对陆地资源短缺的压力，人类又把目光转向海洋，提出了“重返海洋”、“21世纪是海洋世纪”的说法。因此海洋的探索是我们人类亘古以今从没有间断过的研究4。然而在短期内，人类乘坐潜水器潜入深海还不太现实。因为在海洋中，每下潜100米就增加10个大气压，几毫米厚的钢板在1

6、万米洋底就像大气中的鸡蛋壳一样易碎。为了克服这些障碍，从事深海探测的大部分科学家都已从有人驾驶潜水器转向机器人潜水器的研究。现在，称为“遥控潜水器”(ROV)的有绳潜水探测器和小型的计算机控制蓄电池驱动潜水器(AUV)可以由任何合适的船只操纵。 另一种可能解决的方案是开发出能取代适于海洋最深处压力的船壳。而对于潜水器的浮力材料，不仅要求它能承受住巨大的压力，而且要求它的渗水率极低，以保证其密度不变，否则机器人就会沉入海底。在高压环境下，耐高水压的动态密封结构和技术也是水下机器人的一项关键技术。机器人上任何一个密封的电气设备、连接缆线和插件都不能有丝毫渗漏，否则会导致整个部件甚至整个电控系统的毁

7、灭。所以传统的海洋探索都必须要进行实际的勘测与研究。目前许多深海作业都需要人员携带大量的仪器在海上进行，常规的海上作业经费高、周期长、风险大，这样不仅是人力、物力的浪费，而且更为重要的是往往要面临着许多的困难和危险。 图1.2 危险而神秘的海洋于是人们往往求助于仿真技术和虚拟现实技术来解决这些问题，进行真实海洋环境的仿真研究。采用虚拟现实技术实时显示真实海洋环境，进行虚拟海洋环境仿真系统的研究，已经成为当前视景仿真技术的重要研究方向之一。在实验室构建一个海洋环境仿真模拟系统便可以通过设定控制不同的参数对深海环境进行研究。由于海洋受到海上结构物、风力、地震、气候等多个因素作用，模拟复杂多变的海洋

8、环境可以大大降低开发费用，缩短开发周期、保证工程的顺利进行。在海洋环境系统研究中，有了虚拟海洋环境的帮助，人们就不再需要深海作业或者实际观测等手段来获取资料，这样不但降低了实验成本而且提高了资料的精确性。因此一个实时性强且丰富、逼真的虚拟海面场景对于我们研究海洋风暴的形成、鱼类资源，了解海洋生态结构以及各种矿产资源的探索和开发有着重要意义。1.2.3 海洋环境仿真系统的构成海洋环境仿真控制系统是在实验室中构建一个虚拟的控制系统境。系统主要由PH值调节子系统、温度调节子系统及溶解氧调节子系统构成。通过进行海水的配置，调节海水盐度、温度、PH值及溶解氧等参数至设定值从而构建一个仿真的深海环境。图1

9、.3 系统结构示意图 图1.2是系统的结构示意图。利用海水调节容器中的加热和冷却装置来调节海水温度，并进行搅拌；通过加入高浓度盐水或者蒸馏水调节盐度；通过控制酸水或者碱水从而控制其PH值；最后利用氧气泵调节溶解氧的含量。通过对这些参数的设定与调节使其模拟出一个逼真的海洋环境，为我们的科学研究提供支持。1.3 国内外发展及研究概况1.3.1 国内外对海洋的探索人类最初对海洋的开发是由于渔业而产生的,但是自从英国人在海底发现第一块锰结核之后,人类对海洋的工业化的开发就开始了。高科技的诞生不仅改变了传统的捕鱼方式,也加速了人类对海洋各种资源的开发。日本在海洋探索方面走在了各国的前列。比如“海沟”号无

10、人驾驶深海探测器，曾在1995年潜入世界最深的马里亚纳海沟，潜深达到10911米。但不幸的是，“海沟”号最终却在日本沿海失踪了5。大海正以自己特有的魅力召唤着人类。“海沟”号的失踪并不能阻止人类进行深海探测，正像“哥伦比亚”号失事不能阻止人类的航天事业一样。今天的人类正面临着人口、资源和环境三大难题。随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正日益减少。为了生存和发展，人们必须寻找新的物质来源，海洋应当是首选。因此一些科学家认为，深海给人类带来的利益要比那些耗资庞大的太空计划实惠得多。此外，深海生物新物种的发现，在探索生命起源方面具有重大意义：1. 发

11、现地下生物圈4-51977年，美国的“阿尔宾”号潜水考察船最早在太平洋上的加拉帕戈斯岛附近2500米深的海底发现了热水（温度高达90）喷出孔周围存在着“热水喷出孔生物群落” 5。以此为契机，1984年，日本海洋科学技术中心使用“深海2000”号在距东京不远的相模滩1200米海底深处也发现了热水喷出孔生物群落，其中有在壳质形成的栖管内生活的虫类以及蜗牛、贝纲、甲壳纲、多毛纲、海葵目等的多种生物。据研究，这些动物不依赖光合作用，而把从地球内部喷出的硫化氢和甲烷等还原性低分子化合物作为初级能源，依靠由以硫酸化细菌、甲烷化细菌等为主的化学合成细菌构成的食物网供应能源。不仅如此，在相模滩及日本列岛附近的

12、日本海沟及南海海沟等处，还发现了“冷水涌出带生物群落”。它们同样是通过化学合成而诞生的生物群落。到目前为止，在日本列岛周围海底，已经发现了18处冷水涌出带生物群落和13处热水喷出孔生物群落。自从发现了存在于海底的热水喷出孔生物群落之后，各国科学家竞相在太平洋、印度洋和大西洋等海域寻找深海生物。结果发现，这种热水喷出孔生物大多生存在地质构造上是活动着的海岭的两侧。而且，它们之间还有某种共同之处。在考虑到海底扩大的不连贯性和海底扩大的历史过程等因素的基础上，科学家对热水喷出孔生物群落的生物地理学特征进行了比较，结果提出如下假说：“生活在大西洋的热水喷出孔生物群落里的生物是从东太平洋派生出来的，而最

13、有可能的传播路线可能就是东南印度洋海岭和西南印度洋海岭。”2000年8月，日本海洋科学技术中心使用深海考察船“海岭”号又在印度洋的中央海岭、东南海岭和西南海岭的交接处（南纬251910、东经70224，水深2420米）发现了热水喷出孔生物群落，共有20多种生物，其中许多都是第一次发现。这表明，即使在深海海底那样的极限环境里，也存在着多样性的生物世界。科学家们设想：地球诞生初期的微生物有可能不受外界干扰而照原样生存下来；既然海底地壳下这样严酷的环境中还有生物生存，那么，在火星等星球上也会有生命存在；如果热水喷出孔生物是适应地球诞生初期高温环境的生物的话，那么，这就有可能使我们解开地球生命起源的奥

14、秘。2. 进一步探索地球生命的起源4-5海底堆积着各种各样的物质层，保存着有关地球的各种历史资料，由此也可以了解地球气候的变化过程。根据迄今为止的研究，80万年来，地球上曾经有过多次超过现在的高温（40）和寒冷（40）的时代。而从1万年前开始到现在，地球在气温上处于“异常的稳定期”。更有意义的是，上述谈到的“地下生物圈”，正是探索生命起源的绝好场所。把它与地球外行星上的生命现象进行比较，将加深人类对生命、对自身的了解。为了进一步探索地球生命的起源，日本已在2003年起，与美国联合实施“统一国际深海地球勘探计划（IODP）”。为此，日本建造了“地球”号地球深部勘探船，并于今年1月在三井造船公司冈

15、山公司厂举行了“进水式”。这条船长210米，宽38米，高116米，深16.2米，吃水9.6米，排水量约6万吨，船员150名，能够从海底向下钻探达到5公里7公里（这是地壳到地幔的最短距离）处的地幔。为了实施这一国际性研究活动，世界海洋科学技术中心设立了“深海生物风险中心”，开发了“深海微生物实验系统”，其中包括地壳岩芯标本的防止微生物污染技术、地壳岩芯及岩石标本的微生物解析法、微生物分离法和培养法等技术。人们对这个计划寄予了极大期望，期待着能够在揭开生命起源之谜等方面获得进展。1.3.2 本课题的发展概况 为了更好、更方便的的对海洋环境进行开发和研究，各国加大了对虚拟的海洋环境系统的投入与建设。

16、系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真（Simulation）就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程7。最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。可以说，现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段9。其应用范围在不断扩大，应用效益也日益显著

17、。然而，之前构建的虚拟的海洋环境系统都是建立在各种各样的复杂的机械设备基础之上，而且还需要实验人员的随时监控与调节。但是随着电子技术的发展,以及可编程序控制器(PLC)的产生。现在大多数海洋环境仿真控制系统都是基于PLC建立的。PLC已经成为现代工业控制的三大支柱之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序，具有远程通讯功能、易于计算机接口。能对模拟量进行控制，具备高速计数与控制等高性能模块等优异功能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数器继电器等组成的传统的继电接触器控制系统，在机械、化工、石油、冶金、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用13。PLC得应用广度和深

18、度已经成为衡量一个国家工业先进水平的重要标志之一。如今PLC也更多的具有计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有数据处理、通信、网络等功能。由于它可以通过软件来改编控制过程，而且体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。可编程控制系统是一种专门为工业环境下使用而设计的数字运算操作电子系统，它采用了一种可编程运算、顺序控制、定时、计数和算术运算的操作的指令，通过数字式模拟式输入、输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程序控制器的出现，以其无可媲美的优越性，最终一定将取代继电器-接触器系统。然而基于PLC的海洋环

19、境仿真控制系统的温度调节通常由位式或时间比例式温度调节仪控制的工业加热装置控制的，其主回路由接触器控制时因为不能快速反应，所以控温精度都比较低，大多在几度甚至十几度以上。但是，近些年随着电力电子技术及元器件的发展，主回路用无触点的可控硅和固态继电器代替接触器，配以PID或模糊逻辑控制的调节仪构成的温度控制系统， 其控温精度大大提高。与此同时随着20世纪90 年代初出现了一种新的人机交互技术（触摸屏技术）。如今的海洋环境仿真控制系统都是有PLC与触摸屏结合来实现调节和控制的。实验人员仅需用手指或其他物体摸触摸屏时,所触摸的位置(以坐标形式)被触摸屏控制器检测,并通过串行通信接口送到计算机或PLC

20、的CPU, CPU将此坐标和触摸屏上的各个图形对象(代表特定的信息)的坐标相对比,从而确定输入的信息25。这样极为方便了现场的参数设置及调试工作。总之，基于PLC的海洋环境仿真控制系统已经日趋完善。1.4 本课题主要的研究内容本课题主要是在实验室中构建一个虚拟的海洋环境仿真控制系统，利用PLC、变频器、及触摸屏技术等完成控制系统的设计和参数的调整。从而模拟出各种各样的深海环境，为海洋探索及深海资源开发提供有力的技术支持。具体内容如下所示：1. 了解深海探测的重要意义及海洋资源对一个国家的重要性。2. 熟悉PLC、变频器、触摸屏及传感器的功能和用法以完成选型。3. 完成系统总体结构的设计，并对结

21、构进行探索和改进。4. 根据不同的实验要求，对系统的PH值、温度、及溶解氧进行设定和调节。5. 掌握PLC各模块的功能，使用PLC的梯形图完成程序的设计、编译与调试。1.5 本章小结本章节主要阐述了海洋探索的意义和重要性，基于PLC的海洋环境仿真控制系统的目的与意义，介绍了目前国内外对海洋环境的研究及发展概况，并对本课题的主要研究内容进行概述。第二章 控制系统组成基于PLC的海洋环境仿真控制系统是在实验室中构建一个虚拟的海洋环境。通过使用PLC、变频器、Touch-PC、及一些传感器和电控元件等形成一个综合的控制系统。通过PLC与触摸屏的通信构建一个人机界面，并在主控系统的调解下完成对海水的温

22、度、盐度、PH值以及溶解氧的调节使其达到设定值，从而创建一个虚拟的深海环境。为深海资源的探索和开发提供帮助。2.1 控制系统的结构本系统主要包括PLC主控模块，通信模块，传感器检测反馈模块，及相应的电控元件等，系统结构如图2.1。在实验室中往储水容器中制备海水（或直接采用海水），在主控系统综合控制下调节其盐度、PH值、溶解氧等参数。图2.1 控制系统结构图 实验室中已有装有海水的调节容器（容积大约为1100L）和分别装有较高浓度的盐、酸、碱溶液及清水的储备罐。储备罐通过管线同常压调节容器相连接，并配有电控开关阀、输送泵、流量计等配套设施，在主控系统的控制下对调节容器中海水的盐度、PH值、溶解氧

23、等进行调节。同时利用容器外表面所盘绕的冷加热管道及风机冷却系统，调节温度至设定值即可。2.2 各模块的主要功能及系统工作过程2.2.1 各模块的主要功能1PLC主控模块PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同14，如图2.2所示：图2.2 PLC硬件结构图本系统中PLC的主要功能是按照系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后

24、按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 2. 通讯模块本系统中，通讯主要应用于PLC与Touch-PC间的通讯以及PLC与变频器之间的通讯。利用PLC特有的通讯模块和RS232通讯电缆，将其相连。PLC与触摸屏通讯后，他们之间便可以进行数据的传输，通过在触摸屏上完成参数的设置与调节便能够将控制要求反映到PLC中，由PLC对数据进行处理，发出控制指令，完成控制。同时PLC也能够将采集到的信号传输到触摸屏上，由触摸屏对系统进行监测。PLC与

25、变频器通讯后，能够将控制指令传输到变频器中，由变频器完成对系统的控制，从而是控制精确可靠。3. 传感器检测反馈模块传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。其原理如图所示：图2.3 传感器原理图本系统中应用的传感器主要有温度传感器（热电偶）、PH值检测传感器、溶解氧检测传感器。它们都是将检测到的信号转化为相应的电流信号传输到PLC的模拟量控制模块中。根据控制要求与采集到的信号进行比较来执行控制过程。在整个控制过程中传感器都在不间断的进行信号的采集与反馈。4. 其它电控模块其它电控模块主要为执行机构，包括变频器、电磁阀、继电器、接触器、氧气泵、配

26、量泵、调压器、风机、固体加热器、搅拌电机等。它们都是根据PLC发出的控制的控制指令来执行对系统的控制，从而使系统的各种状态达到预先设定值。2.2.2 系统的工作过程1. 参数设定阶段首先，为了模拟出不同的深海环境，我们可以根据要求对参数进行设定。触摸屏与PLC进行通讯后，我们可以在触摸屏上设定要模拟的温度、PH值、溶解氧浓度等。这些控制要求便能够传输到PLC主控模块中，由PLC主控模块对数据进行处理。2. 检测反馈阶段由温度传感器、PH值检测传感器、溶解氧浓度检测传感器检测此时海水调节容器中的温度、PH值、溶解氧浓度，并将检测到的信号转化为相应的电流信号传输到PLC的模拟量模块中，由模拟量模块

27、来对数据进行处理。3. PLC主控模块处理阶段由PLC主控模块接收的来自触摸屏的控制要求与传感器反馈的值进行逻辑比较。PLC进行一系列的逻辑比较判断，从而发出控制指令控制执行机构是否动作。4. 执行机构动作阶段执行机构根据PLC发出的控制指令来决定是否动作。PLC通过加热棒及风扇分别控制容器的加热及降温。一个温度控制系统一般具有温度信号采集、信号处理、温度调节等功能。在PLC的温度控制系统中，温度信号的采集使用常用的温度传感器(热电偶、热电阻)。由于温度传感器检测来的信号不是标准的电压 (电流)信号，不能直接送给A/D转换模块因此温度传感器采集到的温度信号要经过变送器的处理后才能被A/D转换器

28、识别并转换为相应的数字信号。根据所使用的温度传感器选用对应的温度变送器。使用的温度传感器选用对应的温度变送器。PLC对温度信号进行处理后，通过模拟量模块输出电流信号，电流信号可以通过调压器来控制电源的开度(即一周期内的导通比率)，从而控制电源的输出功率加热器根据电源输出功率调节加热强度。而对于冷却系统采用PLC的模拟量模块将采集到的温度信号转化为相应的电流信号，通过电流信号控制变频器变频调压改变风机输出功率来完成冷却系统的调节；同样当溶解氧浓度未达到要求时，PLC也发出控制指令给变频器，变频器输出控制电源控制氧气泵动作补充氧气，从而使溶解氧浓度达到要求；PH值调节，由检测到的PH值与控制要求进

29、行比较，未达到要求时，PLC发出控制指令控制电磁阀动作，将酸溶液、碱溶液在配量泵中进行混合后，在注入海水调节容器中，使其PH值达到要求。在整个执行阶段传感器一直在工作，将监测到的数据实时的反映到PLC中，从而控制执行机构的动作。2.3 控制方法1海水的盐度、PH值、溶解氧在常压下进行调节，通过加入高浓度盐水或者蒸馏水调节盐度；通过控制酸水或者碱水控制其PH值；利用氧气泵调节溶解氧的含量。2系统温度的升降采用容器外的加热及冷却系统实现，其热交换方式主要是传导，是一个较慢的过程。也就是说温度的控制是一个大惯量系统，其精确控制需要考虑调节过程中的大延迟问题。拟采用PID的调节方式进行控制，然后对其进

30、行补偿，抵消时滞对系统的影响。3. 对于溶解氧的控制参照与温度控制系统进行调节，而且也同样采用PID的方式控制。4. 触摸屏与PLC 配套使用,使得PLC 的应用更加灵活,同时可以设置参数、显示数据、以动画等形势描绘自动化过程,使得PLC 的应用可视化。在以PLC 为控制核心的系统中,触摸屏归属于“输入设备”, 数据传输方式为异步串行通信,我们采用RS232C 通信接口的将触摸屏与PLC 通过编程电缆进行连接。5. 控制系统以工控机为核心，采用分布式控制系统构建。工控机作为主控终端，负责整个系统的管理、维护和监控；具体参数的采样和控制分别在相应的控制终端实现。2.4 本章小结本章系统的阐述了基

31、于PLC的海洋环境仿真控制系统的组成结构，各模块的主要功能及控制系统的工作过程。同时还对控制方法进行了论述，在控制时要采用PID的调节方法使系统的控制更加可靠精确。第三章 元器件选型 随着科技的发展以及计算计的不对革新，传统的继电器、接触器控制已经逐渐被取代。如今的控制系统大多以PLC为控制核心。本课题应用的器件主要有可编程控制器（PLC）、变频器、触摸屏、传感器和电控元件等。3.1 可编程控制器介绍及选择3.1.1 可编程控制器的介绍可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用

32、户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的基本装置21。1. PLC的特点21 PLC的诞生给工业控制带来革命性的飞跃,与传统的继电器控制相比有着突出的特点。第一,灵活性、通用性强。继电器控制系统如果工艺要求稍有变化,控制电路必须随之作相应的变动,所有布线和控制柜极有可能重新设计,耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可,外部接线改动极小,甚至可以不必改动,其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。第二,可

33、靠性高,抗干扰能力强继电器控制系统中,由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的,大大降低了系统的可靠性。而在控制系统中,大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的,加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施,使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。第三,编程简单,使用方便。PLC采用面向过程,面向问题的“自然语言”编程方式,直观易懂,主要采用梯形图和语句表编写程序,使得广大电气技术人员更容易接纳和理解。同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。标准是编程语言的标准,除了梯形图!语句表之外,还存在顺序流程图!结构化文本和功能

34、块图三种编程语言的表达方式。一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述,支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。第四,功能强大,可扩展。的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。2. PLC的基本结构21PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，其主要模块包括： 1）中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

35、当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 2）存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 3）电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般

36、交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 3. PLC的工作原理21PLC一般采用循环扫描的工作方式。PLC上电后,执行系统程序规定的任务,周而复始地扫描并执行用户程序。完成一次扫描所用的时间称为扫描周期。一次循环过程可归纳为五个阶段,循环扫描过程为公共处理执行用户程序扫描周期计算输入输出刷新外设端口服务-公共处理。1）公共处理在公共处理阶段,要进行复位监视定时器、硬件检查、用户内存检查等操作。若有异常情况,故障显示灯亮,判断并显示故障的性质。若属于一般性故障,则只报警,但不需要停机,可等待处理。2）执行用户程序执行用户程序阶段,逐条解释和

37、执行用户程序,其所需的全部信息都是从映像寄存器中读取的。映像寄存器包括输入映像寄存器和元件映像寄存器。输入映像寄存器存储着输入继电器的通断状态,输入继电器接通为1,断开为0。元件映像寄存器存储着输出继电器、各种辅助继电器等的状态,同样用和表示它们的通断状态。PLC在执行用户程序时所需的外部输入信息,不是直接从输入端读取的,而是从输入映像寄存器中读取的。在每个扫描周期的I/O刷新阶段,CPU从PLC输入端读取一次信息并存入输入映像寄存器中。在此后的一个扫描周期中,尽管PLC输入端的状态可能发生过变化,但输入映像寄存器中的数据也保持不变。同样,所需的输出继电器或其他编程元件的状态信息,是从元件映像

38、寄存器中读取的。在执行用户程序过程中,根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算,运算结果再写入元件映像寄存器中。可见,在一个扫描周期中元件映像寄存器中的内容是可变的。3）扫描周期的计算在扫描周期的计算阶段,若预先设定了扫描周期的值,则进入等待,直至达到该设定值时扫描再往下进行若扫描周期设为不定时,则要进行扫描周期的计算。4）外设口服务在外设口服务阶段,完成与外设口连接的外围设备如编程器或通信适配器的通信处理。完成上述各阶段的处理后,又返回公共处理阶段,周而复始的进行扫描。4. PLC的编程19根据PLC的工作流程,设PLC的输入数据为X,输出数据为Y。在用户程序第n次扫描执行时,其输入数据是第n

39、-1扫描的I/O刷新阶段读取的Xn-1；执行用户程序过程中,元件映像寄存器中的数据既有第n-1次扫描存入的数据Y n-1,也有第n次执行程序的中间结果。第n次扫描I/O数据是Yn。以三菱 PLC为例，如图2-3所示给出PLC执行用户程序的过程示意图。执行第一个梯级时, PLC从输入映像寄存器中读取输入端00000的状态,设其为1则输入继电器00000的状态。再读出输入端00001的状态,设其为0,则输入继电器的00001的状态为0。再由常开触点和常闭触点00000和常闭触点00001的状态运算出继电器01000当当前的状态是1。若此前的状态是0，要改写与其对应的元件映像寄存器的状态向下继续执行

40、第二个梯级,从元件映像寄存器中读出继电器01000的状态1（前一步存入的）,所以常开触点为01000为1，继电器010001的状态是1。若此前01001的状态是0，则要改写与其对应的元件映像寄存器的状态。本次扫描刷新时元件映像寄存器中存的内容是继电器为,继电器为1。图3.1 PLC执行用户程序的过程示意图3.1.2 可编程控制器的选择现有市场中的PLC种类繁多而且功能齐全。三菱系列PLC是较早进入中国市场的产品，其FX2N系列产品具有功能强大，工作稳定，性价比较高等优点。所以本控制系统拟采用FX2N系列PLC。图3.2 三菱FX2N系列PLC首先根据控制要求计算出其需要的I/O点数为：表3.1

41、 控制系统需要的I/O点数而FX2N系列可提供的I/O点数为：表3.2 FX2N系列扩展单元表3.3 FX2N系列模拟量单元由此，本控制系统应选择FX2N-48ER PLC作为主控模块，同时要加入模拟量输入、输出模块FX2N-4AD及FX2N-4DA和通讯模块FX2N-485PC-IF组成控制系统。3.2 变频器介绍及选择3.2.1 变频器的介绍传统调速系统中，直流调速以其控制容易，调速精度高等特点长期占据了主导地位，但是由于结构复杂，过流能力不强，环境适应差，难以实现高速度化等原因，一直限制了其应用范围的进一步扩大。相比较而言，交流异步电机具有环境适应能力强、过流能力大、牢固耐用、结构简单、

42、容易维护及价格低廉等优点，但异步电机的调速性能难以满足生产要求。随着电力电子器件的产生和控制理论的飞速发展，现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中，使得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，交流调速系统的应用领域不断扩大。近年来，电力电子技术的发展和DSP微处理器的推出，更为高性能交流调速系统的实现奠定了基础，目前己经进入了实用化阶段，作为众多调速方案之一的变频调速，其发展不超过40年，却取得了长足的进步，变频调速以其节能和可平滑调速，调速范围宽等优点得到了广泛的应用25。目前变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，变频器不仅调速平滑，范围大，效率

43、高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。1. 变频器的结构变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电。然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置。使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数。使转数在一定的范围内可调。变频器一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。其结构如图3.3：图3.3 变频器结构图1）整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一

44、般都是单独的一块整流模块。 2）平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压(电流)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。3）控制电路现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变

45、器和电动机的“保护电路变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式 。4）逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120电角度的三相交流电压 。5）CF1和CF2CF1和CF2是滤波电容。三相电源经过VD1VD6后产生脉动的直流，通过CF1和CF2可以把脉动的直流转变成平缓的直流电源。因为上下直流母线的电压比较高，所以串联了两个CF，提高了电容的耐压，因为电容值不同可能会导致电压不均，所以使用了均压电阻，因为R1=R2,所以CF1和CF2两端的电

46、压值是相同的。 2. 变频器工作原理异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统。由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速为： 式中定子绕组电源频率；P电机磁极对数。由此可知，改变频率便可以调整电动机的速度。3.2.2 变频器的选择同PLC一样，变频器在选择上也拟采用三菱FR-F740系列。它在市场上具有很高的占有率，而且轻载节能，性

47、价比极高。图3.4 三菱FR-F740型变频器其特性主要有:1) 功率范围：37220KW ；2) 简易磁通矢量控制方式，实现3Hz时输出转矩达120% ；3) 采用最佳励磁控制方式，实现更高节能运行； 4) 内置PID，变频器/工频切换和可以实现多泵循环运行功能 ；5) 内置独立的RS485通讯口； 6) 使用长寿命元器件； 7) 内置噪声滤波器（75K以上）； 8）带有节能监控功能，节能效果一目了然 。3.3 触摸屏介绍及选择3.3.1 触摸屏的介绍人机界面的主要功能是取代传统的控制面板和显示仪表，同时可控制PLC、单片机、变频器、智能仪表。能有效地节省PLC编辑空间和程序量、随时显示重要

48、信息，有利于机械设备的正常运行，便于维修。可以存储丰富多彩的画面信息，使机器具有人性化。多语言文字切换功能，多台人机MULTIDROP-LINK功能及组网通信功能，能够有效提高该设备的智能化、信息化和自动化控制程度26。1. 人机界面的特点和功能工业人机界面Human Machine Interface，简称HMI，又称触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。工业人机界面由特殊设计的计算机系统32位RISC CPR芯片为核心，在STN、TFT液晶显示屏或EL电发光显示器上罩盖有透明的电阻网络式触摸屏。触动屏幕时，电阻网络上的电阻和电压发生变化并由软件计算出触摸位置。HMI的主要功能有：数据

49、的输入与显示；系统或设备的操作状态方面的实时信息显示；在HMI上设置触摸控件可把HMI作为操作面板进行控制操作；报警处理及打印；此外，新一代工业人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录及配方等智能化控制功能。 2. 人机界面的工作原理使用最广泛的技术是阻性触摸，绝大多数人可能以前都在银行的ATM机上、许多商场里的信用卡检查机、甚至是在餐馆里输入一个订餐单时用过这类阻性触摸技术。而投影型容性触摸屏，使用的范围还没有这么广，但具有快速发展动力。许多采用投影型容性界面的手机和便携式音乐播放器都在投放市场。无论是阻性或容性技术都有一个坚固的电组件，都利用ITO（氧化铟锡，透明导体），这

50、两种技术都会长期使用。阻性触摸屏包括有一个柔性顶层，然后是一层ITO，一个空气隙，然后是另一层ITO。面板有4根线附到ITO层上：“X”层的左右侧各一根，“Y”层的顶端和底端各一根。当柔性顶层受压接触到下面一层时检测到触摸。触摸的位置按如下两步来测量：首先，“X右”被驱动到一个已知电压上，而把“X左”驱动到地，读取来自Y传感器的电压。这样就提供了X坐标。对于另一个坐标轴重复这一过程，即可确定精确的手指位置。阻性触摸屏还有5线和8线型。5线型用更耐用的低阻“导体层”来代替最上面的ITO层。而8线面板则通过对面板特性的更好校准来实现更高的分辨率。对于阻性技术来说有几个缺点。柔性顶层只有75%-80

51、%的透光度，而且阻性触摸屏测量过程中也有较多的误差源。如果ITO层不一致，电阻在传感范围将不会线性变化。需要10-12位的测量电压精度，这在很多环境中都是困难的。为了将触摸点与下层的LCD图像对准，许多现有的阻性触摸屏都需要周期性的校准。反之，投影型容性触摸屏没有活动部件。在LCD和用户之间只有ITO和透光度几乎为100%的玻璃板。投影型容性传感硬件包括一个玻璃顶层，下面是一个X传感器阵，一层绝缘玻璃，再下面是位于玻璃基片上的Y传感器阵。面板连接到每一个X和Y传感器，故5 x 6的面板共有11根连线，而10 x 14面板则有24条传感器连线。图3.5用于“阻性屏”（左）和“容性屏”（右）的堆叠

52、层 当手指或其他传到物体接近屏幕时，在传感器和手指之间产生一个电容。虽然该电容相对于系统中的其他电容比较小（大约是20pF中的0.5pF），但还是可以利用集中技术测量出来的。其中一种技术就是利用赛普拉斯半导体公司被称作为CSD的PSoC器件。它包括快速对电容器充电，然后测量对一个放电电阻的放电时间。3.3.2 触摸屏的选择触摸屏是一种定位设备，用户可以直接用手向计算机输入坐标信息，它和鼠标、键盘一样，是一种输入设备。本系统拟采用三菱GOT900系列，它具有独立的通讯接口，可以和PLC、变频器完成通讯。而且具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，只要用手指轻轻地指碰

53、计算机显示屏上的图符或文字就能对主机进行操作。图3.6 三菱GOT型900型触摸屏在工业控制上触摸屏作为PLC的前端设备在用户和机器（例如变频器）之间架设了一条桥梁，可以用一种简单明了而又灵活的方式来取代传统设备大量的触控按钮、指示灯、选择开关等。它可以工作在各种工业环境中，它的控制面板可以很经济的取代大量的触控设备并保证了工作的高可靠性。而且触摸屏还具有完善易用的通信功能。利用其软件可编辑制作生产现场所需的基本画面、自动画面、模拟画面、设定画面、手动画面、报警画面等各种画面。3.4 传感器介绍及选择3.4.1 传感器的介绍本系统中应用的传感器组要有三种:温度传感器、PH值和盐度检测传感器、溶

54、解氧浓度检测传感器。1. 温度传感器22温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。它是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。其工作原理如图3.7所示：图3.7 热电偶工作原理测温电路为恒流电路，流经RT的电流是恒定的。当温度变化时，温度传感器的电阻值相应变化，由于流经温度传感器的电流不变，其上电压随着阻值的变化而变化，它反应的就是温度变化状况。2. PH值及盐度检测传感器22传统的pH值和溶解氧测量一般通过化学试剂滴定或试纸测试的方法来实现。如今，实验室或现场的pH和溶解氧测

55、量都用玻璃电极来测量。其工作原理如图3.8所示：图3.8 PH值及盐度传感器原理图检测系统将检测到的PH值和溶解氧浓度经过变送器将其转化为相应的电信号，从而传输到PLC的模拟量控制模块中来完成对系统的控制。3. 溶解氧浓度检测传感器22溶解氧传感器主要就是将检测到的氧气浓度经变送器转化为相应的电信号传输到PLC中。其原理如图3.9所示：图3.9 溶解氧检测传感器原理图渗透穿过膜片的氧分子在金阴极被还原为氢氧根（OH-）。在阳极银被氧化为银离子（Ag+）（形成一层溴化银AgBr），在阴极上失电子在阳极上得电子，因此便形成了电流流动。在动态平衡状态下，电流值与介质中氧气的含量呈正比关系。3.4.2

56、 传感器的选择传感器在控制系统中主要用来信号的检测，将检测到的不同的信号转化为PLC可以识别的电信号。市面上据有同种功能的传感器种类很多，在选择上没有过多的要求，只要可以完成控制要求即可。本系统中温度传感器采用J型热电偶，PH值传感器采用CPA111检测仪，溶解氧浓度传感器采用COS41型溶解氧传感器。3.5 本章小结本章主要阐述了组成控制系统中各种原器件的功能，通过比较论述对元器件完成了选型。为整个控制系统的设计作了铺垫。第四章 控制系统总体设计基于PLC的海洋仿真控制系统主要由3部分组成：温度控制模块、PH值控制模块、溶解氧控制模块。在进行系统设计时，每一部分都要经过周密的设计，要确保系统

57、能够长期安全、可靠、稳定地运行，能够按照控制要求完成仿真。4.1 控制系统的主电路本系统主要采用380V 50Hz的工频电源。冷却风机与氧气泵均采用变频器进行控制，使用变频调速可使静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变，电机的运行效率高。主电路中还要接入调压器来控制固体加热器加热，而其控制线路需要接入24V直流电源，所以主电路中要接入变压器将交流电源变换为24V直流电供给PLC、触摸屏及传感器等。其电气原理图如图4.1所示：图4.1 系统电气原理图4.2 温度控制模块温度控制系统由PLC主模块，PLC数模转换模块，温度监测模块和加热及冷却模块组成，PL

58、C主模块负责处理输入信号及控制系统何时加热何时不加热，PLC数模转换模块负责将温度信号由模拟信号转化成数据信号交由PLC主模块处理，温度监测模块实现对系统温度的实时监测，加热和冷却模块则实现对液体的加热和冷却。4.2.1 温度控制系统要求系统的温度控制要根据控制要求进行调节，当温度低于或高于控制要求时时，应能自动调节，当调整1 分钟后仍不能脱离不正常状态，应使温度报警指示灯闪烁。系统设置一个启动按钮来启动控制程序，设置绿、黄、蓝，三个指示灯来指示温度状态。根据控系统的要求，选用PLC 基本单元，并配置模拟量输入/输出单元。在被控系统中温度测量点，温度信号经变送器变成0-10V 的电压信号，经A

59、D/DA 模块之后,PLC 读入温度值后，再取其平均值作为被控系统的实际温度值。若被控温度在要求范围内，绿灯亮，表示系统运行正常；当被控温度超过上限或者温度超高调整不能回到正常范围，黄灯亮，变频器正传运行冷却风机开启进行降温；如果被测温度低于预设值，蓝灯亮，调压器运行，系统立即启动加热器直至达到设定温度范围内。4.2.2 控制流程图及I/O地址分配1. 控制流程图根据控制要求建立流程图后，能够更好的对系统进行设计。图4.2 温度控制流程图图2. I/O地址分配温度控制模块所需要的输入点为9个，输出点9个。其I/O地址分配如下表：表4.1 温度控制模块输入单元 表4.2 温度控制模块输出单元4.

60、2.3 温度控制系统的设计1. PLC与变频器的设计1) PLC与变频器的连接23控制系统中需用PLC控制变频器从而控制冷却风机进行冷却。所以首先应将变频器进行接线。图4.3 PLC与变频器的接线由Y0控制变频电源，使变频器能够得电运行；由Y4控制冷却风机正传运行。其控制梯形图如图4.4所示。变频电源变频停止变频运行故障指示图4.4 PLC控制变频器的梯形图 2）通讯的设置23要实现PLC对变频器的控制，还必须完成通讯的设置。首先，两者之间通过网线连接（网线的RJ45插头和变频器的PU插座接），使用两对导线连接，即将变频器的SDA与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的RDA接，变频器的SD

61、B与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的RDB接，变频器的RDA与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的SDA接，变频器的RDB与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的SDB接，变频器的SG与PLC通讯板的SG接 。 图4.5变频器PU端口 其次，还要对变频器的初始化参数进行设置。PLC和变频器之间进行通讯，通讯规格必须在变频器的初始化中设定，如果没有进行初始设定或有一个错误的设定，数据将不能进行传输。且每次参数初始化设定完以后，需要复位变频器。如果改变与通讯相关的参数后，变频器没有复位，通讯也不能进行。其参数初始化设置如表4.3所示。表4.3 变频器初始化设置最后，还要对PLC及程序

62、进行设置。三菱FX系列PLC在进行计算机链接（专用协议）和无协议通讯（RS指令）时均需对通讯格式（D8120）进行设定。其中包含有波特率、数据长度、奇偶校验、停止位和协议格式等。在修改了D8120的设置后，确保关掉PLC的电源，然后再打开。在这里对D8120设置如下：表4.4 PLC设置 即数据长度为7位，偶校验，2位停止位，波特率为9600bps，无标题符和终结符，没有添加和校验码，采用无协议通讯（RS485）。利用三菱变频器协议与变频器进行通讯的PLC程序如图4.6所示。（END）表4.6 变频器进行通讯的PLC梯形图2. 触摸屏的设计1）触摸屏工作过程25用触摸屏和PLC (可编程逻辑控

63、制器)实现控制是现代工业控制中的一种新方法。它可以实现对控制系统的实时监控，设定控制参数，使系统运行更加可靠,操作更加直观。本系统中采用三菱F940GOT2LWD2C作为PLC的输入和输出设备，通过相关软件设计，实现对控对象的操作和显示。三菱F940GOT2LWD2C型图形操作终端,它是基于PLC的软硬一体人机界面,能以图形界面方式实现各种工作状态的显示,并具有使用方便、人机对话界面友好、组态技术易掌握、与PLC可进行良好通信的功能。用户用手指或其他物体触摸触摸屏时,所触摸的位置(以坐标形式)被触摸屏控制器检测,并通过串行通信接口送到计算机或PLC的CPU, CPU将此坐标和触摸屏上的各个图形对象(代表特定的信息)的坐标相对比,从而确定输入的信息。触摸屏系统一般包括触摸屏控制器(卡)和触摸检测装置两个部分。触摸屏控制器(卡)的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息,并将它转换成触点坐标,再送给计算机或PLC的CPU,它同时能接收CPU发来的命令并加