机械毕业设计231PLC控制恒温水箱

1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，通过温度变送器把温度传送给3ON FX A ，A/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

2.2I/O电器接口图

转换电路

交流220

码译码

转换器

加热器

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。

温度2显示温度1显示温度2显示温度3显示

示

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20~80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5o C，。要采用PID调节加热。当水温高于设定值5~10O C时，要进冷水。当水温在设定值0~5o C范围内，仍然采用PID调节加热。当水温高于设定值10o C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

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：①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的

影响。

②测量范围广。常用的热电偶从-50~ 1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达 2800℃（如钨-铼）。

③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：

①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；

②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；

④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，.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1 V;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

FXON-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，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8～16 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CPU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与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。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与处理能力.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、与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、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

2.8 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）。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8×N（或16×N）

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

3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。

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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: