基于西门子PLC的温度控制系统的设计文档格式.docx
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PLC,relaycontactor,PLC,automation
安徽建筑大学毕业设计(论文)
1绪论茕1桢广鳓鯡选块网羈泪。
2系统的介绍鹅3娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
2.1系统的描述3籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
2.2系统的功能3預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
2.3系统的流程图4渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
3硬件设计铙5誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
3.1温度变送器5擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
3.3PLC的简介1贓0熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
3.3.1PLC主机的选型10坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
3.3.2PLC的输入和输出模块的选型1.1蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
3.4PID1買2鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
3.4.1PID在PLC中的回路指令14綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
3.4.2回路输入输出变量的数值转换方法15驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
3.4.3实数归一化处理15猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
3.4.4PID参数整定15锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
3.5可控硅16構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
4软件设计1輒7峄陽檉簖疖網儂號泶。
4.1软件的设计17尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
4.2程序的编写18识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
致谢2凍3鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
参考文献2恥4諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
附录12鯊5腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
附录22硕8癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
1外文文献2阌8擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
1绪论温度及湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。
在许多场合,及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的,近年来,温湿度测控领域发展迅速,并且随着数字技术的发展,温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台,能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
自70年代以来,由于工业过程控制的需要,特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下,国内外温度控制系统发展迅速,并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果,在这方面,一日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,都产生了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行各业广泛应用。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
其中PLC的快速发展使得各种控制系统更加的简洁,效率更高,而且系统稳定可靠。
S7-200是西门子公司开发的一种可编程控制器。
PLC(ProgrammableLogicController)可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心部分。
怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如:
冲压机床,磨床,印刷机械,橡胶化工机械,中央空调,电梯控制,运动系统。
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十分广泛,但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。
目前,我国在这方面总体水平处于20实际80年代中后期水平,成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主,它只能适应一般温度系安徽建筑大学毕业设计(论文)统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。
而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表,国内技术还不十分成熟。
形成商品化并在仪表控制系统参数的自整定方面,还没开发性能可靠的自整定软件。
参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。
嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
随着科学技术的不断发展,人们对温度控制系统的要求越来越高,因此,高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
本次设计即是利用温度控制硬件设备、计算机与PLC相结合,实现对水箱温度自行控制的测量。
本装置主要由电源、S7-200PLC,模拟量输入模块,模拟量输出模块,计算机,温度传感器及变送器,电力调整器、水箱构成。
本次设计设计以上各个部分。
本论文主要完成温度的采集,温度的调节以及水加热系统的设计。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
2系统的介绍
2.1系统的描述
本系统为基于PLC的水箱温度控制系统。
开始的时候打开入口电磁阀箱水箱中加水,在水箱中放置一个浮球用来测试水面的高度。
系统开始工作时,将水箱中得水温通过传感器传送给PLC主机,主机再通过控制加热器来加热水箱中的水,当水箱中的水温达到设定值时,就自动减少功率加热。
当热水层中的水量少于一半时,停止加热,加热层在自动补水,补满后继续加热,以此往复的工作。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
2.2系统的功能
本系统中所使用的有温度传感器用来实现对温度的数据的采集,所采集的数据通过温度变数器传送给PLC,中间有个数据的转换,我们所使用的温度传感器是Pt100,它主要是受温度的变化是的电阻也发生变化,根据这个原理来采集温度数据,因为直接采集的不是温度的具体值,所以要通过温度变送器来转化数据,然后通过PLC的程序来调节。
这个被采集的数据不能直接送到PLC中,需要一个输入模块,通过输入模块把数据送到PLC中,因为对数直接加热而不经过调节会使得误差较大,所以在这个系统中用了PID控制,它可以使得误差更小,对水温的调节更加的精确。
经过CPU处理后,输出的数据通过PLC的输出模块,来控制可控硅的偏转角,从而控制加热器。
当达到所要求的水温时,因为水箱会散热,所以加热器不能停止加热,而是小功率的在加热。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
2.3系统的框图
3硬件设计
3.1温度变送器
工作原理:
温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件,从测温元件输出信号送到变送器模块,经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后,转换成与温度成线性关系的4~20mA电流信号
输出。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
作用:
将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。
温度变送器是将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表,主要用于工业过程温度参数的测量和控制。
电流变送器是将被测主回路交流电流转换成恒流环标准信号,连续输送到接收装置。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
温度电流变送器是把温度传感器的信号转变为电流信号,连接到二次仪表上,从而显示出对应的温度。
比如,温度传感器的型号为PT100,那么温度电流变送器的作用就是把电阻信号转变为电流信号,输入仪表,显示温度。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
性能指标:
*执行标准:
IEC688:
1992,QB/LF系列2007——1
输入范围:
-60℃~175℃
精度等级:
≤0.5%.F.S
整机功耗:
≤0.5VA
绝缘电阻:
≥20MΩ(DC500V)
响应时间:
≤350mS
工作环境:
-10℃~50℃,20%~90%
无凝露
贮存环境:
-40℃~100℃,20%~95%
*将被测环境温度隔离转换成按线性比例输出的单路标准直流电压或直流电流;
*低功耗、可靠性高;
*优良的抗干扰能力;
*拔插端子接口、标准导轨(35mm)安装;
*体积小、外型尺寸(mm):
95(L)×
37(W)×
32(H);
技术参数:
1、热电偶温度变送器技术指标
※输入
输入类型:
K、E、S、B、T、J等型热电偶
温度量程范围:
(如下图)
输入阻抗:
≥20KΩ
冷端温度补偿:
0~100℃
※输出
输出电流:
4~20mA
输出回路供电:
12~30VDC
最小工作电压:
12VDC
负载电阻与供电电源的关系:
※综合参数
标准精度:
±
0.2%
温度漂移:
基本误差/10℃
热电阻引线补偿:
0.1%(0~10Ω)
负载变化影响:
0.1%(允许负载范围内)
电源变化影响:
0.1%(12~30V)
开机响应时间:
<
1S(0~90%)
工作环境温度:
0~+100℃
防护等级:
IP00/IP54(传感器防护等级决定)
电磁兼容:
符合IEC61000,EN61000
2、热电阻温度变送器技术指标
Pt100:
-200~850℃Cu50:
-50~150℃
最小温度量程:
100℃
引线电阻:
≤10Ω
12~30VDC
12VDC
负载电阻(包括引线电阻)=供电电源(V)-12(V)/0.02A※综合参数
0.2%(参见选型表)注:
需要高精度可订制
0.1%(0~10Ω)
±
0.1%(12~30V)
<
0~+100℃
3.2PT100温度传感器
温度传感器种类繁多,但最符合要求的PT100温度传感器.PT100是铂热电阻,它的阻值会随着温度的变化而改变。
PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆,在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
经过仔细的网上搜寻,我觉得合肥中亚传感器有限公司的产品性能较好.以下是对它的一些简单的介绍:
它的工作原理:
当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。
但他们之间的关系并不是简单的正比的关系,而更应该趋近于一条抛物线。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式:
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
-200<
t<
0℃Rt=R0[1+At+Bt*t+C(t-100)t*t*t]
(1)
0≤t<
850℃Rt=R0(1+At+Bt2)
(2)
Rt为t℃时的电阻值,R0为0℃时的阻值。
公式中的A,B,系数为实验测定。
这里给出标准的
DINIEC751系数:
A=3.9083E-3、B=-5.775E-7、C=-4.183E-12仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
根据韦达公式求得阻值大于等于100欧姆的Rt-〉t的换算公式:
0≤t<
850℃t=(sqrt((A*R0)^2-4*B*R0*(R0-Rt))-A*R0)/2/B/R0绽萬璉轆娛閬
蛏鬮绾瀧。
PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下:
R=Ro(1+αT)其中α=0.00392,Ro为
100Ω(在0℃的电阻值),T为摄氏温度<
br>
因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
1:
Vo=2.55mA×
100(1+0.00392T)=0.255+T/1000。
2:
量测Vo时,不可分出任何电流,否则测量值会不准。
电路分析由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,由于7.2V齐纳二极体的作用,使得1K电阻和5K可变电阻之电压和为6.5V,靠5可变电阻的调整可决定电晶体的射(集极)极电流,而我们须将集极电流调为2.55mA,使得量测电压V如箭头所示为0.255+T/1000。
其后的非反向放大器,输入电阻几乎无限大,同时又放大10倍,使得运算放大器输出为2.55+T/100。
6V齐纳二极体的作用如7.2V齐纳二极体的作用,我们利用它调出2.55V,因此电压追随器的输出电压V1亦为2.55V。
其后差动放大器之输出为Vo=10(V2-V1)=10(2.55+T/100-2.55)=T/10,如果现在室温为25℃,则输出电压为2.5V。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
PT100铂电阻RT曲线图表
温度(度)
阻值(欧姆)
100
10
103.9
20
107.79
30
111.67
40
115.54
50
119.4
60
123.24
70
127.07
80
130.89
90
134.7
138.5
Pt100分度表
3.3PLC的简介
PLC是一种专门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按照易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
PLC=ProgrammableLogicController,可编程逻辑控制器,一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心部分。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
3.3.1PLC主机的选型
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如:
冲压机床,磨床,印刷机械,橡胶化工机械,中央空调,电梯控制,运动系统。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
CPU单元设计:
集成的24V负载电源:
可直接连接到传感器和变送器(执行器),CPU224,输出280,可用作负载电源。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
CPU224具有14个输入点和10个输出点。
本次选用的PLC的CPU是CPU224
S7-200Cpu224
3.3.2PLC的输入和输出模块的选型
PLC有多种输出和输入模块,本系统中的输入信号是温度信号,所以选择EM231作为它的输入模块,总共有四个模拟量输入。
EM232作为它的输出模块,有两个模拟量输出。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
热电偶选型:
热电阻选用Pt100,其温度测量范围为0℃~100℃,测量精度为0.1摄氏度。
水箱中的温度一般在:
20℃~100℃,不超过100℃,控制恒温水供很多恒温装置实用。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
EM231的模块设定如下:
SW1/SW2/SW3/=010(热电偶选型为T型热电偶)。
SW4=0(OFF)状态。
SW5=0正向断线检查。
SW6=0断线检查使能,模块向输入端加入20uA的检测电流,判断模块是否断线。
SW7=0温度单位选为(℃)。
SW8=0冷端补偿使能。
型号
名称
主要参数
DC5V消耗
功耗
11
EM231
模拟量输入
4点,DC0~10V/0~20mA输入,12位
20mA
2W
2点,热电阻输入,16位
87mA
1.8W
4点,热电偶输入,16位
EM232
模拟量输出
2点,-10V~+10V/0~20mA,12位
3.4PID
模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制,PID在工业领域的应用已经有60多年,现在依然广泛地被应用。
人们在应用的过程中积累了许多的经验,PID的研究已经到达一个比较高的程度。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
比例控制(P)是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
其特点是具有快速反应,控制及时,但不能消除余差。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
在积分控制(I)中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
积分控制可以消除余差,但具有滞后特点,不能快速对误差进行有效的控制。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
在微分控制(D)中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
微分控制具有超前作用,它能猜测误差变化的趋势。
避免较大的误差出现,微分控制不能消除余差。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
PID控制,P、I、D各有自己的长处和缺点,它们一起使用的时候又和互相
制约,但只有合理地选取PID值,就可以获得较高的控制质量。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
图3.1闭环控制系统
12
Kp比例系数P
Ti积分系数I
Td微分系数D
PID调节的传输函数为
后,计算机输出值。
其离散化的规律。
表3.1模拟与离散形式
模拟形式
离散化形式
e(t)r(t)c(t)
e(n)r(n)c(n)
de(t)dT
e(n)e(n1)
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- 基于 西门子 PLC 温度 控制系统 设计
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