毕业设计（论文）应用PLC的恒温箱控制系统设计

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1、毕业设计（论文）中文摘要应用PLC的恒温箱控制系统设计摘 要：PLC的恒温箱控制系统应用了温度传感器，流量传感器，液位传感器。通过拨码开关输入设定温度。设定温度与所测温度进行比较，通过PLC的控制使恒温箱温度恒定。恒温控制系统要求控制恒温箱水温在2080之间的某设定数值。当水温低于设定值时，采用电加热升温。当水温高于设定值时，放出部分热水，启动冷却风扇使水流经冷却器向恒温箱供水。本系统以PLC控制器为核心，设计控制系统的硬件电路和软件程序，完成要求的控制任务。本系统设计还对PLC特殊功能扩展模块和BCD译码器做了简单介绍。关键词：PLC；恒温箱；传感器淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第

2、44 页 共 40页毕业设计（论文）外文摘要Using PLC thermostat control system designAbstract: The PLC thermostat control system has applied the temperature sensor, the flow sensor, the fluid position sensor. Through dials the code switching input hypothesis temperature. The hypothesis temperature with measured that the

3、 temperature carries on the comparison,causes the thermostat temperature through the PLC control to be constant. Constant temperature control system request control thermostat water temperature in 20-80 between some hypothesis value. When the water temperature is lower than the setting value, uses t

4、he electric heating elevation of temperature. When the water temperature is higher than the setting value, emits the partial hot water, the start cooling fan causes the current of water after the chiller to the thermostat water supply. This system take the PLC controller as the core, designing contr

5、ol systems hardware circuit and the software routine, completes the request the control duty. This system design also has made the simple introduction to the PLC special function expansion module and the BCD decoder.Keywords: PLC；Thermostat；Sensor 目 录1 绪论12 FX2N系列PLC33 FX2N-4AD模块介绍43.1 通道选择43.2 程序实例

6、64 传感器简介74.1 热电偶传感器应用94.2 叶轮式流量传感器104.3 光电开关115 BCD译码器156 搅拌部分166.1搅拌过程分类166.2搅拌桨叶分类176.3 流体搅拌基本原理及参数187 冷却器简介188 程序设计198.1恒温箱的工艺过程及控制要求198.2控制方案分析208.3系统的配置208.4主要控制程序说明218.5 恒温箱控制总梯形图258.6 恒温箱控制语句表32结论 38致谢 39参考文献401 绪论可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制

7、器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工

8、业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Dig

9、ital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型

10、PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设

11、备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2 FX2N系列PLCFX2N系列是FX家族中功能最强、速度最高的微型PLC 。它的基本指令执行时间高达0.08s。内置的用户存储器为8K步，最大可以扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块和功能扩展板，可以实现多轴定位控制。机内有时钟，PID指令用于模拟量闭环控制。有功能很强的数学指令集，例如浮点数运算、开平方和三角函数等。每个FX2N基本单元可以扩展8个特殊单元。FX2N系列PLC具有丰富的元件资源，有3072点辅助继电

12、器。提供了多种特殊功能模块，可实现过程控制位置控制。有多种RS232C/RS422/RS485串行通信模块或功能扩展板支持网络通信。基本单元是构成PLC系统的核心部件，内有CPU、存储器、I/O模块、通信接口和扩展接口等。 FX2N基本单位有16/32/48/64/80/128点，六个基本FX2N单元中的每一个单元都可以通过I/O扩展单元扩充为256 I/O点，其基本单元如表所示。表2-1 FX2N基本单元（继电器输出）继电器输出输入点数输出点 数扩展模块可用点数FX2n-16MR-001882432FX2n-32MR-00116162432FX2n-48MR-00124244864FX2n-

13、64MR-00132324864FX2n-80MR-00140404864FX2n-128MR-00164644864表2-2 FX2N基本单元（ 可控硅输出 ）可控硅输出输入点数输出点 数扩展模块可用点数FX2n-16MS882432FX2n-32MS16162432FX2n-48MS24244864FX2n-64MS32324864FX2n-80MS40404864表2-3 FX2N基本单元（晶体管输出）晶体管输出输入点数输出点 数扩展模块可用点数FX2n-16MT882432FX2n-32MT16162432FX2n-48MT24244864FX2n-64MT32324864FX2n-8

14、0MT40404864FX2n-128MT64644864本设计中用到的是FX2N-60MT PLC一台,配合FX2N-4AD一台及FX2N-2DA一台构成控制系统。FX2N-60MTPLC中数字及字母的含义如下：60：60个输入输出触点。M：单元类型为基本单元。T：（输出形式）晶体管输出（无触点直流负载用）。MT后面没有符号表示电源和输入输出类型等特性为AC100/200V电源，DC24V输入（内部供电）。3 FX2N-4AD模块介绍本系统使用了FX2N-4AD和FX2N-2DA特殊功能模块。这里只对FX2N-4AD模块做主要介绍。FX2N-4AD是一种具有4输入通道、接受模拟信号并将其转化

15、为数字量的（A/D）模块，它可以接受的模拟量范围为电压DC -10 - +10V（分辨率为5mV）、电流 +4 - +20mA、-20 - +20mA（分辨率为20A）。它占用FX2N扩展总线的8个点，这8个点可以分配成输入或输出。它与主单元FX2N之间是通过缓冲存储器交换数据的。FX2N-4AD共有32个缓冲存储器，每个16位。3.1 通道的选择FX2N-4AD要选择通道，对通道进行初始化。初始化由缓冲器BFM#0中4位十六进制数字H控制，从右到左第1位字符控制通道1（CH1），而第4位字符控制通道4等。字符的意义如下：=0，预设电压输入（-10 - +10V）；=1，预设电流输入（-20

16、- +20mA）；=2，预设电流输入（+4 - +20mA）；=3，通道关闭，OFF。例如H3310，其意义为选择第一通道（CH1）做电压输入（-10 - +10V），选择第2通道（CH2）为电流输入（+4 - +20mA），选择第3通道（CH3）及选择第4通道（CH4）关闭。FX2N-4AD的输入电流、电压与输出数字之间的关系如下图所示。图a对应于电压输入（-10 - +10V），其数字输出为（-2000 - +2000）；图b对应于电流输入（-20 - +20mA），其数字输出为（-1000 - +1000）；图c对应于电流输入（+4 - +20mA），其数字输出为（0 - +1000）。

17、a)预设0（-10 - + 10V） b）预设1（+4 - +20mA）c）预设2（-20 - +20mA）3.2 程序实例如将FX2N-4AD模块连接在特殊功能模块的0号（K0）位置，编程如下图3.2。图中第1行是读出FX2N-4AD的识别码，它的识别码为K2010，放在BFM#30中。执TO指令，将放在0号位置的特殊功能模块的BFM#30的内容写到D4中去。执行CMP指令；当K2010与FX2N-4AD的识别码相同时，M1置1.下一行，执行第一个TO指令，对通道进行初始化，将H3300写入到得BFM#0，建立模拟通道CH1及CH2。执行第二个TO指令，将K4写入BFM#1及#2，将CH1和

18、CH2的平均采样设为4。执行FROM指令，将FX2N-4AD的操作状态由BFM#29中读出。并输入到FX2N-4AD的K4M10。当BFM#29的b0为OFF,表示无错，当b10为OFF，表示数字输入值正常。如果FX2N-4AD没有错误，将BFM#5和#6采样内容的平均值读入到FX2N主单元的D0、D1中去。图3.2 FX2N-4AD使用实例 4 传感器简介在本设计中用到了温度传感器、液位传感器、流量传感器，所以在此对传感器做简要介绍。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装

19、置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的分类目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。传感器的静态特性传

20、感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。传感器的动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推

21、定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直 线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化y对输入量变化x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果

22、传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。传感器的分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨

23、力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。电阻应变式传感器传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通

24、常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。压阻式传感器压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。热电阻传感器热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较

25、为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200+500范围内的温度。传感器的迟滞特性迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值MAX与满量程输出FS的百分比表示。迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。4.1 热电偶传感器应用4.1.1 温度传感器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A和B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

26、现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。 4.1.2 温度传感器热电偶的种类及结构形成 常用温度传感器热电偶可分为标准温度传感器热电偶和非标准温度传感器热电偶两大类。所调用标准温度传感器热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的温度传感器热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化温度传感器热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化温度传感器热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化温度传感器热电偶我国从1988年1月1日起，温度传感器热电偶和温度传感器热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、

27、T七种标准化温度传感器热电偶为我国统一设计型温度传感器热电偶。 温度传感器热电偶的结构形式 为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： 组成温度传感器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； 补偿导线与温度传感器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。 4.1.3 温度传感器热电偶冷端的温度补偿 由于温度传感器热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵 金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热 电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的冷 端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连

28、接到 仪表端子上。必须指出，温度传感器热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使温度传感器热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。 在使用温度传感器热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100。 4.2 叶轮式流量传感器 叶轮式流量计是应用流体动量矩原理测量流量的装置。叶轮的旋转角速度与流量成线形关系，测得旋转角速度就可测得流量值。常用水表、煤气表均是按照这种原理工作的流量计。我国目前市场上供应的水表，流量测定范围3-1400m

29、3/h，最大累计流量指示值达108m3。常用的叶轮式流量计有切线叶轮式流量计，轴流叶轮式流量计，子母式流量计等类型。在恒温箱控制系统中用到的流量传感器为叶轮式流量传感器。 4.2 叶轮式微流量传感器图该叶轮式流量传感器是利用电容的变化来进行流量检测的非热式微流量传感器，其工艺结构如上图所示。利用MEM技术将硅片制成可围绕转子进行转动的叶轮，作为电容的上下电极，在玻璃板上蒸发的金属作为电容的下电极，形状与叶轮相对应。其工作原理是利用流体造成叶轮转动，流量的大小直接影响到叶轮的转动速度，当转速和流量大小之间的对应关系确定后，如果能检测出转速就能反映流量的大小。而转速的测量则是运用了传感器结构中电容

30、的变化。作为上电极的叶轮转动时，下电极时钟不动，因此相对面积发生改变，在间距、介质材料都不变的情况下，电容跟着变，转的越快，检测电容变化越快。因此转速与电容的变化率之间有了一定得对应关系。检测电路设计中主要考虑电容的变化引起电路相应频率的变化，只要把频率的变化检测出来，就可以反应电容变化快慢，而电容的变化，反应了叶轮转速的变化，从而反应了流量的大小。4.3 光电开关光电液位传感器是利用光在两种不同介质界面发生反射折射原理测控液位的装置。本设计中主要应用为光电开关。光电开关的定义：此种产品以光源为介质、应用光电效应，当光源受物体遮蔽或发生反射、辐射和遮光导致受光量变化来检测对象的有无、大小和明暗

31、，而向产生接点和无接点输出信号的开关元件。光电开关包括几种类型，自身不具备光源，利用被测物体发射的光的变化量进行检测的；利用自然光对光电开关的照射，物体遮蔽自然光产生的关变化量；光电开关自身具备光源，发射的光源对被检测物体反射、吸收、和透射光的变化量进行检测。常用的光源为紫外光、可见光、红外光等波段的光源，光源的类型有灯泡、LED、激光管等；输出信号有开关量或模拟量和通讯数据信息等。光电开关的叫法，主要是输出为开关量的开关元件。光电传感器的叫法，涵盖了输出开关量、模拟量、通讯数据等。4.3.1 光电开关原理与分类（1）按检测形式的分类对射式对射式是由一个发射器与一个接收器相对配置的，发射器发射

32、出的光指向接收器，发射器与接收器之间组成一个闭合光路，通过对光路的光被遮断或光衰减来进行检测的一种检测形式。这种检测形式作用距离比较长，但需要一个发射器并需要配电；在某些应用场合比如空间狭小，不合适配电的运用上比较麻烦。如图4.3图4.3对射式光电开关原理图发射器与接收器一体化，光传输为直流方式的非调制信号，主要小型缝隙光电开关，如U型、C型的槽型光电开关。直接反射式：这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器发射的光直接照射到被检测物上，根据反射光的变化情况来进行检测的。可以说是近似人的眼睛的一种检测器。与对射式相比作用距离比较短，只需要单线配电即可，属于通用检测器。图4.4直接反射式光电开

33、关原理图镜面反射式 这种方式是把发射器与接收器构为一体，光电开关对置反角矩阵射镜，发射器的光被反射镜后反馈回接收器，光电开关与角矩阵反射镜（多棱镜）形成闭合光路，通过对光路的光被遮断或光衰减来进行检测的一种检测形式，这种检测形式作用距离比对射式短，比直接反射式较长。只需要单线配电即可，由于采用反射镜光轴的调整比对射式容易；反射镜由多棱镜角矩阵板或微晶玻璃颗粒反射膜等。具有M.S.R功能的反射器式光电开关，如果被检测物是平面而且有光泽，则会产生误动作，欲解决此问题，可采用M.S.R功能，它的主要工作原理是基于角矩阵反射器能使偏振光方向改变90，采用互相垂直的偏振光膜片放在双镜头前，所以使用角矩阵

34、反射器，光路闭合。如果是平面镜或反光率比较的物体（如：玻璃瓶等）不能改变偏振方向，由它阻挡而产生的反射光不能进入受光器，因此它可以很容易被检测到，从而解决了由它表面反射而它引起的误动作问题。辐射光检测形式通过对被检测物体辐射出的光进行检测的形式。如用于钢铁行业的对加热的铁辐射出的红外线进行检测的光电开关。限定反射式这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器与接收器形成一个角度，发射光轴与接收光轴交叉区域灵敏度最佳。夹角式这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器与接收器形成一个角度，发射光聚焦点与接收光聚焦交叉区域检测物体，用于精细检测，如标记检测等。同轴检测式（单镜头）这种方式是把发射器与接

35、收器构为一体，发射光通过镀膜的半透明镜片45折射后通过镜头聚焦发射出去，接收光线通过聚焦镜头入射到接收器，主要用于标志检测。目前主流的颜色传感器、标志传感器大多采用这样方式。（2）按检测方法的分类光量法:目前大多数光电开关用来检测物体有无的均为光量方式，既光源受物体遮蔽或发生反射、辐射和遮光导致受光量变化来检测对象的有无。三角测距法:光量方式容易受到物体表面的光洁度、粗糙度、颜色所影响，因此在一些要求比较高的场合就需要采用距离法检测。激光测量法:由激光器对被测目标发射一个光信号， 然后接受目标反射回来的光信号，通过测量光信号往返经过的时间， 计算出目标的距离。 （3）按光源种类的分类 光源目前

36、采用的大多是发光二极管（LED），根据不同使用目的的区别使用。 白炽灯式（可见光）:用于需要白光的标志检测器，由于寿命与抗震性能，现在使用比较少。 发光二极管（LED）式（可见光、近红外光）:具有调制容易、寿命长、小型、功耗小、抗震等优点是光电开关理想的光源，可用于各种用途。荧光式（可见光）:主要用于需要长度的光电系统（图像传感器等）。紫外光式（不可见光）:通过照射紫外线用于检测发生可见光的物体（荧光整理疵点、食品中的异物等）。气体激光式（可见光）:光束比较强，用于探伤系统、条形码系统、及强光衰减大的场合，如蒸汽、烟雾、火焰等场合。半导体激光式（红光、近红外光）:具有较强的透射率和容易调制的特

37、性，用于如蒸汽、烟雾、火焰等场合钢铁行业与安防。（4）按光源调制种类的分类 直流光式：使发射器的光线为不变的直流光，包括白炽灯和用直流驱动的发光二极管。这种方式有线路简单、响应速度快的特点，但是抗光干扰比较弱，目前仅在较短的距离检测中使用。调制式脉冲调制式：使发射器发的出光线为具有一定频率的脉冲波，一般称为调制光，采用这种方式除了可以获得峰值很高的光脉冲功率外，还可以对接收器输出采用具有频率选择的交流放大器进行放大，从而减少周围光线和电气噪声的影响，这是目前国内外使用最广的一种方式。机械旋转调制式：对光源用棱镜或转盘孔旋转后，提取脉冲信号，如用于区域检测和热金属辐射的扫描检测等。扫描式：将多个

38、发射器与接收器组合，通过同步信号逐一扫描，防止相互干扰。如用于光幕传感器。（5）按供电种类的分类直流式：采用直流电压供电的形式，一般大多采用12-24V（10-30V）的直流电压的供电。交流式：采用交流电压供电，电压范围为90-240V交流电，满足110VAC与220VAC场合的供电。直流交流混合式：直流电压与交流电压都可以直接接入同一个供电回路的形式，直流电压范围12-240V，交流电压范围24-240V，此形式适应性比较灵活，不需要考虑配电的问题。 （6）按结构种类的分类内藏放大器式：即把发光、感光元件和放大电路、信号处理电路、开关驱动电路装配在一个壳体里，接通直流电源就可以获取ON-OF

39、F开关输出，不需要专用放大器，抗噪音能力强，寿命长，电缆线可延长等优点，是主流的一种光电开关。放大器分离式：这是种早期采用比较多的方式，发光、感光元件装在探头内，用屏蔽线与专用放大器（光电开关主体）连接。主要是探头可以安装在比较狭小的空间对比较小的物体进行检测，但是有抗噪声能力的问题。随着技术的发展，内藏放大器式的光电开关的体积越来越小；这种形式采用相对较少，尤其是光纤传感器的发展。光纤式：这种光电开关是放大器分离式与内藏放大器式结合的产品，通过光纤才传输光信号，光电开关主体上套上光纤线，另一头光纤探头可以对被检测物体进行检测，其优点光纤探头比较小，可以检测比较微小的物体，光纤线传输的只是光信

40、号，所以不用考虑放大器分离式那样需要考虑抗噪声能力的问题。自控式：这种光电开关是具有一定功能性的。把发光、感光元件和放大电路、信号处理电路、开关驱动电路、电源、继电器等都装配在一起，接上交流或直流电源就可以工作。同时还具有其他一些功能如动作信号的延时、光电开关的信号灵敏度调节等。5 BCD译码器简介译码和编码的过程相反。编码是将某种信号或十进制的十个数码（输入）编成二进制代码（输出）。译码是将二进制代码（输入）按其编码时的原意译成对应的信号或十进制数码（输出）。BCD七段译码器的输入是一位BCD码(以D、C、B、A表示)，输出是数码管各段的驱动信号(以FaFg表示)，也称47译码器。如果用BC

41、D译码器来驱动共阴LED数码管，则输出应为高有效，即输出为高(1)时，相应显示段发光。例如，当输入8421码DCBA=0100时，应显示4， 即要求同时点亮b、c、f、g段， 熄灭a、d、e段，故译码器的输出应为FaFg=0110011，这也是一组代码，常称为段码。同理，根据组成09这10个字形的要求可以列出8421BCD七段译码器的真值表，如下图5.15.1 BCD七段译码器真值表BCD七段数码管显示译码器电路,发光二极管(LED)由特殊的半导体材料砷化镓、 磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件(半导体显示器)。 分段式显示器(LED数码管)由7条线段围成8

42、型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光，有红、黄、绿等色。只要按规律控制各发光段的亮、灭，就可以显示各种字形或符号。 图5.2 (a)是共阴式LED数码管的原理图，图5.2 (b)是其表示符号。使用时，公共阴极接地，7个阳极a g由相应的BCD七段译码器来驱动(控制)，如图5.2(c)所示。 图5.2图5.2(c)是BCD七段译码器驱动LED数码管(共阴)的接法。图中，电阻是上拉电阻，也称限流电阻，当译码器内部带有上拉电阻时，则可省去。数字显示译码器的种类很多，现已有将计数器、锁存器、译码驱动电路集于一体的集成器件，还有连同数码显示器也集成在一起的电路可供选用。6

43、 搅拌部分6.1 搅拌过程分类从搅拌技术观点看，流体搅拌可分为五种基本搅拌应用，而每一种搅拌应用又可根据物理过程和化学过程分为两种类型。因此，总共有十种基本的搅拌应用。每一种基本搅拌应用都有各自的搅拌特点，过程要求和放大设计准则。实际应用时，每种搅拌应用往往会有几种基本搅拌应用组成，如絮凝搅拌过程由液液混合和固体悬浮两个基本搅拌应用组成。6.2 搅拌桨叶分类搅拌机主要有电机、减速装置、搅拌轴和桨叶等组成。搅拌桨叶的形式多种多样，但无论何种桨叶形式，搅拌机在操作时，其轴功率消耗都产生两部分作用，一部分是桨叶产生的排液量，另一部分是桨叶产生的压头。桨叶产生的压头又可分成两部分，即静压头和剪切力；搅

44、拌机桨叶在操作时，必须克服静压头，而剪切力使得物料分散、混合。因此，根据桨叶产生排液量，克服静压头和产生剪切力能力的大小，可将所有桨叶分成三种基本类型，即流动型、压头型和剪切型。每一种桨叶在提供某种基本作用的同时（如流动型桨叶的基本作用是产生排液量），也提供另外两种作用（产生剪切和克服静压头）。根据不同的搅拌工程对搅拌要求的不同，选择一种合理的桨叶形式，使得搅拌桨叶提供的排液量，静压头和剪切之匹配能最大限度地满足搅拌过程的搅拌要求。如固体悬浮及互容液体的混合，要求桨叶能提供大排液量、低剪切。而气一液分散，要求桨叶能同时提供剪切、排液量和静压。搅拌桨叶的分类，也可以按照桨叶对流体作用所产生的流动

45、型态来分，可将桨叶分成两种类型-轴流式桨叶及径流式桨叶。所谓轴流式桨叶，是指桨叶的主要排液方向与搅拌轴平行，螺旋推进式桨叶即是一种典型的轴流式桨叶；所谓径流式桨叶，是指桨叶的主要排液方向与搅拌轴垂直。带有“Sabre形状叶片的搅拌桨，搅拌能耗量小，产生的流动为主导轴向型，确保非常有效的水泵效应，这种搅拌桨叶对大多数应用均非常理想，特别是那些需要高速低能耗的场合。带有450倾斜平板叶片的轴向搅拌桨，对中小体积的搅拌最为经济。这种搅拌桨叶产生的流动为主导轴向型带径向流，产生剪切扰动。在不粘的介质中被用于进行悬浮或热交换。倾斜的桨叶低速运转，产生较高的扰动。这种基本搅拌桨叶通常对一些简单搅拌应用有效

46、。在无粘性的介质中，适合于气-液交换及热交换产生径向流，具高抗动性和高能耗，专用于特殊应用。6.3 流体搅拌基本原理及参数搅拌机是由多个参数决定的，用任何一个单一参数来描述一台搅拌机是不可能的。轴功率（P）、桨叶排液量（Q）、压头（H）、桨叶直径（D）及搅拌转速（N）是描述一台搅拌机的五个基本参数。桨叶的排液量与桨叶本身的流量准数，桨叶转速的一次方及桨叶直径的三次方成正比。而搅拌消耗的轴功率则与流体比重，桨叶本身的功率准数，转速的三次方及桨叶直径的五次方成正比。在一定功率及桨叶形式情况下，桨叶排液量（Q）以及压头（H）可以通过改变桨叶的直径（D）和转速（N）的匹配来调节，即大直径桨叶配以低转速

47、（保证轴功率不变）的搅拌机产生较高的流动作用和较低的压头，而小直径桨叶配以高转速则产生较高的压头和较低的流动作用。 在搅拌槽中，要使微团相互碰撞，唯一的办法是提供足够的剪切速率。从搅拌机理看，正是由于流体速度差的存在，才使流体各层之间相互混合，因此，凡搅拌过程总是涉及到流体剪切速率。剪切应力是一种力，是搅拌应用中气泡分散和液滴破碎等的真正原因。必须指出的是，整个搅拌槽中流体各点剪切速率的大小并不是一致的。通过对剪切速率分布的研究表明，在一个搅拌槽中至少存在四种剪切速率数值，它们是：桨叶区最大剪切速率、桨叶区平均剪切速率、全槽区最大剪切速率、全槽区平均剪切速率。实验研究表明，就桨叶区而言，无论何

48、种浆型，当桨叶直径一定时，最大剪切速率和平均剪切速率都随转速的提高而增加。但当转速一定时，最大剪切速率和平均剪切速率与桨叶直径的关系与浆型有关。当转速一定时，径向型桨叶最大剪切速率随桨叶直径的增加而增加，而平均剪切速率与桨叶直径大小无关。这些有关桨叶区剪切速率的概念，在搅拌机缩小及放大设计中需要特别当心。因小槽与大槽相比，小槽搅拌机往往具有高转速（N）、小桨叶直径（D）及低叶尖速度（ND）等特性，而大槽搅拌机往往具有低转速（N）大桨叶直径（D）及高叶尖速度（ND）等特性。7 冷却器简介冷却器换热设备的一类，用以冷却流体。通常用水或空气为冷却剂以除去热量。冷却器 以间壁式、混合式、蓄热式交换器为

49、主要对象，冷却器的工作原理、传热计算、结构计算、流动阻力计算和设计程序，在热交换器一书中均有较多插图和详尽的例题。冷却器分列管式：（固定折板式，浮头式，双重管式，U形管式，立式、卧式等），风冷式：（间接式、固定式及浮动式或支撑式和悬挂式等），水冷式等。其中风冷式安装方便，运行费用低，适合水资源不足的地方；而水冷式具有体积小，冷却效率高，能用于高温、高湿、多尘的环境中。水冷式冷却器特点:冷却水从管内流过，油从列管间流过，中间折板使油折流，并采用双程或四程流动方式，强化冷却效果。但是风冷式冷却器在夏季高温下难以冷却，过高的进风温度是一座难以克服的大山，所以在随着科学技术的发展，在原风冷的基础上，吸

50、收水冷却的优点，出现了闭式循环水风冷却器，又名闭式冷却塔，它是水冷和风冷相结合的产儿，刷新了常温冷却器的新纪元，对传统的水冷、风冷进行了有效改造。由风冷式冷却器特点:用风冷却油，结构简单、体积小、重量轻、热阻小、换热面积大、使用、安装方便。本设计中采用风冷式冷却器，即风扇降温。7.1风冷式冷却器8 程序设计8.1 恒温箱的工艺过程及控制要求恒温控制装置的构成示意图请见附图1。它由恒温水箱、加热装置、搅拌电动机、冷却器、冷却风扇电动机、储水箱、温度检测装置、温度显示、功率显示、流量显示、阀门及有关的状态指示器等部件构成。恒温控制系统要求控制恒温箱水温在2080之间的某设定数值。设定值可通过拨码开

51、关设定。当水温低于设定值时，向外放出部分热水并从储备水箱中泵如冷水，当储水箱中水温高于设定值时，启动冷却风扇并使水流经冷却器。恒温水箱中间的搅拌器是为了水温均匀使用的，两个液位检测开关分别用来检测水的溢出及不足两种特殊状态，为开关量传感器。系统中设有三处温度传感器，分别用于测量恒温水箱入水口处的水温、水箱中的水温及储备水箱中水的温度。温度传感器为模拟量传感器，测量范围为0-100，输出0-10v DC电压量。系统中水的流动可采用电磁阀或手动阀开关控制。水泵为水流提供动力，水的流速由流量计计量。系统要求为恒温箱中的水温、入水口处的水温，储水箱中的水温、水的流速及加热功率设置LED显示。两个电磁阀

52、的通、断，搅拌电机和冷却风扇电机的工作设置指示灯显示。本系统的控制过程是这样的，当设定水温后启动水泵向恒温水箱中注水，当上升到液位检测点2时启动搅拌电动机，测量水温并与设定值比较，若温度差小于设定值则开始加热。当水温高于设定值时，进冷水，当储备水箱中水温高于设定值时，采用进水与风机冷却同时进行的方法实现降温控制。系统还要求具报警功能，如当启动泵时无流量，或加热时无温度变化则发出报警信号。8.2 控制方案分析由系统的工艺过程及控制要求知，本系统的工作实质是根据恒温水箱及储备水箱中水的温度，决定系统的工作状态：加热搅拌，或经两个路径（冷却及不冷却）为恒温箱供入冷水。由于温度传感器为模拟量传感器，系

53、统中三处温度对应的模拟量均需要变换为数字量供PLC运算处理。为了提高加热的快速性及系统的稳定性，加热系统采用可以调压的可控电源。可调压电源为电压量控制方式。这样系统输入及输出均需模拟量的控制系统。需为PLC配置A/D、D/A转换单元。本系统中还有流量显示要求，拟选用叶轮式流量计，采用PLC的高速计数器对流量计输出脉冲计数的方式测定流量。从总体控制功能来说，系统为温度值控制下的加热或冷却系统，输入量为温度值、液位值、流量值，输出为搅拌电动机，冷却风扇电动机及电磁阀的动作及自动调节的加热功率。为了方便温度、流量、功率的显示并减少投资，拟采用同一组数码管分时完成。数码管的驱动及译码片选信号选用可编程

54、控制器的输出口，因而PLC应选用晶体管输出的品种。8.3 系统的配置统计本系统的输入信号有启动开关、停止开关、液位开关、流量检测开关、温度传感器等。对于传感器本设计在前面作了简要介绍和所用到的传感器也做了一些说明。输出信号的控制对象有水泵、水阀、冷却风机、搅拌电动机、加热装置、状态及温度显示装置等，系统中所用到的元器件型号及功能请见附图2。结合输入输出信号及控制功能，本系统选用FX2N-60MTPLC一台，配合FX2N-4AD一台及FX2N-2DA一台构成控制系统。控制系统的接线图请参见附图2。8.4 主要控制程序系统控制流程图在附图3上。程序中使用了较多的可编程控制器的内部数据寄存器：D54

55、为用户设定的温度设定值；D4为被加热水的水温即恒温箱中水的温度；D14为水泵供水时的流水温度；D24为储水箱中水的温度；D34为水流的速度；D44为加热功率等。此外还使用了许多辅助继电器完成信号的综合工作，例如M300为储水箱水温低于恒温水箱的水温设定值且水泵工作的情况而M301表示储水箱中水的温度高于恒温水箱设定值且水泵工作的情况。程序说明启动控制X004为系统启动开关，当X004接通系统开始启动 判断PLC与FX2N-4AD是否联机，开始通道初始化判断PLC与FX2N-4AD是否联机及初始化的程序是按照模块使用手册的推荐模式编写的。程序读取BMP中的模块标识码与K2010比较，判断模块是否

56、为FX2N-4AD，若是则进行下面的程序。通道初始化包括：通道输入量类型的选择、取样次数设定及工作状态检测等内容，如模块正常工作，则完成三个通道的工作。FX2N-4AD通道的具体说明请参照FX2N-4AD模块的介绍。温度设定值读入温度设定值在X006被按下时由接在输入口上的拨码开关输入，由于拨码开关为BCD码，需转换为二进制输输入。为了防止设定值为零程序中设有为零时则输入25摄氏度的程序段。泵控制水泵的控制是由水泵中间继电器的闭合来控制的。在A/D转换模块正常工作后，只要恒温箱上液位开关闭合水泵便开始工作。 搅拌机控制辅助继电器M200接通，当水位达到下液位开关时搅拌电动机开始运转。程序如下：

57、恒温水箱水温时间继电器T30闭合开始读入恒温水箱水温。恒温水箱水温为电压量经过先乘后除，余数比较是否四舍五入。最后把恒温箱水温保存在D6中，流水水温和储水箱水温同样计算分别保存在D14、D16中。水流流量测量流量测量为采用PLC的高速计数器对流量计输出脉冲计数的方式测定流量。当水泵中间继电器断开时流量显示为0。加热及功率控制温度设定值与恒温箱水温进行比较，当温度设定值高于恒温箱水温时，启动加热装置中间继电器，做加热准备工作。当温度设定值低于恒温水箱水温时中间继电器M304接通。电磁阀及风机控制本程序段包括冷却风机运转，最大加热功率控制功率输出程序段是查功率输出表控制的。D/A模块功率输出控制、

58、分时显示控制、温度流量功率显示是依照模块使用手册推荐的方式编写的。由于程序过长不做说明。具体控制参见恒温箱控制总梯形图。8.5 恒温箱控制总梯形图8.6 恒温水箱控制语句表LDX004ORM400ANIX005OUT M400LD M400FROM K0 K30D60K1CMP K2010D60M0LDM1TOP K0K0H3000K1TOPK0K1K50K3FROMK0K29K4 M500K1ANIM500ANIM510FROMK0K5D0K3OUTM200LDM200CMPD54K0M210ANDK211MOVK25D64LDM200CMPD54K0M210ANDM211MOVK25D24

59、LDM200ANDX006BINK2 X010D54LDIX001ORM300ORM305ORM301ANDM200ANDM302OUTY000LDIX001ORM300ORM301ORM303ORM305ANDM200OUTY004LDM200ANIX001OUTM302LDM200ANIT30OUTT30K30LDT30MULD0K100D4DIVD4K2047D6CMPD7K5M318LDM318ORM319ANBINCD6LDT30MULD1K100D14DIVD14K2047D16CMPD17K5M312LDM312ORM313ANBINCD16LDT30MULD2K100D24DIVD24K2047D26CMPD27K5M315LDM315ORM316ANBINCD26LDM200MPSLDIT1OUTT0K10MRDLDT0OUT