完整版基于PLC的远程温度控制系统的设计与调试毕业论文.docx
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完整版基于PLC的远程温度控制系统的设计与调试毕业论文
中国计量学院
本科毕业设计(论文)
基于PLC的远程温度控制系统
的设计与调试
TheDesignandDevelopmentofaPLC-basedRemoteTemperatureControllerSystem
学生姓名学号
学生专业测控技术与仪器班级
二级学院计量测试工程学院指导教师
中国计量学院
二〇〇八年六月
郑重声明
本人呈交的毕业设计论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
学生签名:
日期:
分类号:
TP273密级:
公开
UDC:
62学校代码:
10356
中国计量学院
本科毕业设计(论文)
基于PLC的远程温度控制系统
的设计与调试
TheDesignandDevelopmentofaPLC-basedRemoteTemperatureControllerSystem
作者学号
申请学位工学学士指导教师
学科专业测控技术与仪器培养单位中国计量学院
答辩委员会主席评阅人
二〇〇八年六月
致谢
在此我要衷心感谢我的指导老师XX在这次毕业设计期间对我在学习上和生活上的细心指导和帮助。
从她那儿我得到了许多对于有用的资料和信息,对我完成毕业设计任务有很大的帮助。
在此学习期间她不仅教导了我相关的专业知识,更教导了我在科研学习工作中的钻研精神和专业品质。
此外,我也十分感谢热工检测实验室,提供了实验设计所需的设备和场地,同时也要感谢实验室的各位老师和同学,他们在我的设计实验过程中给予了许多宝贵的指导和帮助。
基于PLC的远程温度控制系统的设计与调试
摘要:
在许多现代工业生产中,温度控制都是要解决的问题之一,对于很多危险或者无需人力控制的领域,我们可以用远程控制,在办公室里就可以对现场进行监控,即方便又安全。
随着电子技术的发展,可编程序控制器(PLC)已经由原来简单的逻辑量控制,逐步具有了计算机控制系统的功能。
本文提出了采用组态软件和可编程控制器组成一个比较简单、通用的远程温度控制系统。
可编程控制器的一个优势就是可以很方便的改写其中的程序以满足不同的工艺,尤其在工艺改进时优势更加明显。
组态软件则可以提供一个符号现场的直观人机友好界面。
文章着重介绍了组态软件和可编程控制器在温度控制设计中应用,描述了使用可编程控制和计算机一起组成控制功能完善的控制系统的一般设计方法和过程。
关键词:
远程控制;温度控制;组态软件;编程控制器.
中图分类号:
TP273.
TheDesignandDevelopmentofaPLC-basedRemoteTemperatureControllerSystem
Abstract:
Inmanymodernmanufacturingproductions,temperaturecontrolisoneofthemostproblemstobesolved.Inmanydangerousornorequiredcontrolareas,wecanuseremotecontrolintheoffice,whichwillbeabletomonitorthescene,whichisconvenientandsafe.Withthedevelopmentofelectronictechnology,programmablelogiccontroller(PLC)softwareandprogrammablelogiccontrollerstoformarelativelysimple,universalremotetemperaturecontrolsystem.ThePLCtakesanadvantagethatcanbeeasilyadaptedfromoneoftheprocedurestomeetthedifferenttechnology,particularlyintheprocessimprovement.Configurationsoftwarecanprovideasymbolicsceneofthefriendlyandintuitiveman-machineinterfaces.Thearticlefocusedontheconfigurationsoftwareandprogrammablecontrollersinthedesignoftemperaturecontrol,describestheuseofprogrammablecontrolandcomputercomponentstoimprovethecontrolofthegeneralcontrolsystemdesignmethodsandprocesses.
Keywords:
remotecontrol;temperaturecontrol;configurationsoftware;programmablelogiccontroller(PLC).
Classification:
TP273
目次
基于PLC的远程温度控制系统的设计与调试I
目次III
1绪论1
1.1问题的提出1
1.2国内外研究状况1
1.3研究方法3
1.4研究意义4
2PLC控制系统的硬件组成5
2.1欧姆龙CPM2AH功能简介5
2.1.1性能和功能5
2.1.2基本系统配置10
2.1.3结构与操作12
2.2MAD01模拟量IO单元18
2.2.1使用模拟量IO单元18
2.3串口通信19
3组态王软件简介22
3.1组态王程序组成员22
3.2制作一个工程的一般过程23
4系统的设计与调试26
4.1设计思路26
4.2下位机的设计与调试26
4.2.1PLC的程序设计26
4.2.2问题及解决方法28
4.3上位机的设计与调试29
4.3.1组态王工程的建立和调试29
4.3.2问题及解决方法31
4.4上位机与下位机的通信连接31
4.4.1通信的实现31
4.4.2问题及解决方法32
5结论33
参考文献34
作者简介35
学位论文数据集36
1绪论
1.1问题的提出
许多领域都需要对温度的监控,如工厂的生产设备、化工领域、航空航天、农作物的种植和储存、实验室等等。
有很多领域的温度可能较高或较低,人无法靠近或现场无需人力来监控,我们可以用远程监控,坐在办公室里就可以对现场进行监控,又方便又节省人力[1][2]。
随着电子技术的发展,可编程序控制器(PLC)已经由原来简单的逻辑量控制,逐步具有了计算机控制系统的功能[3]。
在现代工业控制中,PLC占有了很重要的地位,它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。
在许多行业的工业控制系统中,温度控制都是要解决的问题之一。
如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制,存在控制精度低、超调量大等缺点,很难生产出高质量的塑料制品[4]。
在一些热处理行业都存在类似的问题。
为此,设计较为通用的温度控制系统具有重要意义,具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。
1.2国内外研究状况
通常由位式或时间比例式温度调节仪控制的工业加热炉温度控制系统,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[5]。
随着电力电子技术及元器件的发展,出现了以下几种解决的方案:
1、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,常在±2℃以内,优势是采用模糊控制与PID控制相结合,对控制范围宽、响应快且连续可调系统有巨大的优越性[6]。
2、采用单片机温度控制系统。
用单线数字温度传感器采集温度数据,打破了传统的热电阻、热电偶再通过AD转换采集温度的思路。
用单片机对数字进行处理和控制,通过RS-232串口传到PC机对温度进行监视与报警,设置温度的上限和下限。
其优势是结构简单,编程不需要用专用的编程器,只需点击电脑鼠标就可以把编好的程序写到单片机中,很方便且调试、修改和升级很容易[7]。
3、ARM(AdvancedRISCMachine)嵌入式系统模糊温度控制。
利用ARM处理器的强大功能,通过读取温度传感器数据,并与设定值进行比较,然后对温度进行控制。
通过内嵌的操作系统μCLinux获得极好的实时性,并且通过TCPIP协议能与PC机很快的通讯[8]。
其优势不只是温度控制精度高,而且能够通过现场跟远程两种方式来设定控制温度。
这三种温度控制系统分别有各自的不足,第一种灵活性不足,当生产工艺改进或调整的时候对整个线路系统的更改比较麻烦,甚至需要重新排线建立一个系统,工程浩大。
单片机温度控制系统在多点测量的时候扩展性不强,可靠性低,易受外界干扰,同时对超过100米距离的传输不足[9],开发成本高,控制响应频繁对系统其他部件如加热器等不利。
ARM嵌入式温度控制系统对软件要求比较高,与网络技术结合紧密,适合远程控制,但是开发复杂,并且对工程人员要求很高。
如加热炉这样的大惯性系统,在采用PID调节模式时,其参数随物料的物理特性及质量而变,参数整定需要比较高的专业知识和经验,如果参数配置不好也难获得好的效果,所以使用比较复杂[10]。
在一些比较大的系统,或还有其它控制目标的场合也常采用工业控制机和PLC(可编程逻辑控制器),加上相应的温度转换摸块构成温度控制系统,大多也采用PID或模糊逻辑控制模型。
模糊控制过程包括以下部分[11]:
(1)模糊化 将输入变量(温差和温差变化率)的精确值变换成其对应论域上的模糊集;
(2)模糊逻辑推理 模仿人的思维特征,根据专家知识或控制经验取得的模糊控制规则进行模糊推理,决策出模糊输出控制量;
(3)反模糊化 对经模糊逻辑推理所得的模糊控制量进行模糊表决,把输出的模糊量转化为精确量,作用于被控对象。
通用的AD转换模块如图1.1:
图1.1通用AD转换模块温控系统
上述原理图有以下几个名词术语:
计算机——指的工业控制用计算机,也就是通常所称的上位机。
PLC——可编程控制器(ProgrammableLogicController),具备一定逻辑运算能力跟通信能力的工业现场机,也就是通常所称的下位机,与上位机保持通信并且按设定好的程序进行逻辑控制。
AD转换模块——进行模拟量数字量转换的组件,把连续的模拟量转换成计算机能够处理的离散的数字量。
变送器——把热电阻热电偶的阻值转换成标准的4~20mA的电流量或者0~10V的电压量。
热电阻热电偶——利用温度阻值线性好的铂等金属制成的温度传感器。
电压调整器——根据输入信号的改变而改变输出电压的高低。
加热器——根据输入电压的高低而改变加热的强度。
1.3研究方法
图1.2系统框图
1、温度数据采集原理。
用PLC的AD扩展模块MAD01来进行,温度模块中,测量输出一个0~10V的温度线性电压,通过设置PLC的扩展AD模块,把这个电压成数字量,程序周期地读取这些数字量,并将所读的这些数,与设定值进行比较。
2、数据处理部分用欧姆龙公司生产的CPM2AH型的可编程控制器。
主要负责数据处理和储存的工作。
通过编制软件,对采集到的温度信号与设定值进行比较处理,对有关操作信号进行联机操作。
在用PLC和被控对象构成一个控制系统时,通常以下面几个步骤进行:
①根据生产的工艺过程分析控制要求。
如需要完成的动作(动作顺序、动作条件、必须的保护和连锁等),操作方式(手动、自动、连续、单周期、单步等)。
②根据控制要求确定所需要的用户输入输出设备。
选定PLC;确定PLC的点数;分配PLC的IO点,设计IO连接图。
此外,系统用到的计数器、定时器等也要进行分配。
③进行PLC的程序设计。
对于复杂的控制系统,需要绘制系统控制流程图,用以清楚地表明动作的顺序和条件,对于简单的控制系统,也可省略。
要设计好梯形图,这是关键的一步。
④根据梯形图编制程序清单,用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中,并检查键入的程序正确与否。
⑤检查程序是否能正确完成逻辑要求,是否能完成得很好。
如果不合要求,对程序进行调试和修改,直到满足要求为止。
⑥保存程序。
1.4研究意义
在现代工业生产中,许多领域都需要对温度进行监控,有很多领域的温度可能较高或较低,人无法靠近或现场无需人力来监控,我们可以用远程监控,坐在办公室里就可以对现场进行监控。
随着电子技术的发展,可编程序控制器(PLC)已经由原来简单的逻辑量控制,逐步具有了计算机控制系统的功能,在现代工业控制中,PLC可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统[12][13]。
并且,由PLC组成的控制系统可以方便的改写程序,以适应不同的生产需要,为此,在现阶段设计较为通用的温度控制系统具有重要意义,具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。
2PLC控制系统的硬件组成
2.1欧姆龙CPM2AH功能简介
CPM2AH系列是欧姆龙公司的小型应用PLC,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。
2.1.1性能和功能
CPM2A的性能
CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能,包括同步脉冲控制,中断输入,脉冲输出,模拟量设定,和时钟功能等。
CPM2ACPU单元又是一个独立单元,能处理广泛的机械控制应用,所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品,完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRONPC和OMRON可编程终端的通信。
这些通信能力使用户能设计一个经济的分布生产系统。
下图2.1是CPM2A的结构示意图。
图2.1CPM2A结构示意图
(1)基本功能
CPU单元类型:
CPM2A是一台设有20,30,40,或60内装IO端子的PC,有三种输出可用(继电器输出,漏型晶体管输出和源型晶体管输出)和2种电源可用(100240VAC或24VDC)。
扩展IO单元:
为使PC的IO容量提高到最大的120点IO,与CPU单元连接的扩展单元可多达3个。
有三种扩展单元可用:
20点IO单元,8点输入单元,和8点输出单元。
将3个20点IO单元与60内装IO端子的CPU单元连接就得到120点IO的最大IO容量。
模拟量IO单元:
为提供模拟量输入和输出可连接多达3个模拟量IO单元。
每个单元提供2点模拟量输入和1点模拟量输出,所以连接3个模拟量IO单元就能得到最大的6点模拟量输入和3点模拟量输出。
(将模拟量IO点与PID(—)和PWM(—)指令结合就能完成时间-比例控制)。
模拟量输入范围可以设置为0~10VDC,1~5VDC,或4~20mA;分辨率为1256。
(1~5VDC和4~20mA设定可以使用开路检测功能)。
模拟量输出范围可以设置为0~10VDC,-10~10VDC,或4~20mA;分辨率为1256。
CompoBusSIO链接单元:
连接CompoBusSIO链接单元能使CPM2A成为CompoBusS网络中的从站设备。
IO链接单元设有8个输入位(内部)和8个输出位(内部)。
CompoBusS网络设有基于“PC+小型PC”配置的分布CPU控制。
它是基于“PC+远程IO”配置的早期分布IO控制的改进型。
分布CPU控制使装置模块化,所以设计可以标准化,可以提出特殊要求,在故障事件中可以容易地更换模块。
图2.2CompoBusSIO链接示意图
共同编程设:
同样编程设备,如编程器和支持软件可以用于C200H,C200HS,C200HXHGHE,CQM1,CPM1,CPM1A,CPM2C和SRM1(-V2)PC,所以可以有效地使用现有的梯形图程序资源。
(2)内置电动机控制能力
同步脉冲控制:
同步脉冲控制为使外围装置的操作与主装置的同步提供了一个简单方法,输出脉冲频率可以被控制成输入脉冲频率的倍数,这就使外围装置(如供料传送机)的速度能与主装置的速度同步。
下图2.3即为同步脉冲控制的示意图。
图2.3同步脉冲控制示意图
高速计数器和中断:
CPM2A计有五个高速计数器输入。
一个响应频率20kHz5kHz的高速计数器输入,与四个响应频率为2kHz的高速计数器输入(在计数器方式下)。
高速计数器可以用在四种输入方式中的任一种:
微分相位方式(5kHz),脉冲+方向输入方式(20kHz),增减脉冲方式(20kHz),或递增方式(20kHz)。
当计数与一设置值匹配或下降在一规定范围内时,能触发中断。
中断输入(计数器方式)可用递增计数器或递减计数器(2kHz)并在计数与目标值匹配时触发中断(执行中断程序)。
脉冲输出的容易位置控制:
晶体管输出CPM2APC具有两个能产生10Hz~10kHz脉冲(单相脉冲)的输出:
在用作单相脉冲输出时,可以产生频率范围为10Hz~10kHz的固定占空率的或频率范围为0.1~999.9Hz的可变占空率(0~100%占空率)的两种输出。
在用作脉冲+方向或增减脉冲输出时,只能产生频率范围为10Hz~10kHz的一种输出。
(3)机械控制用的高速输入能力
高速中断输入功能:
有四个输入用于中断输入(与快速响应输入和计数方式的中断输入共用),最小输入信号宽度与50μs,响应时间为0.3ms。
当一中断输入变为ON时,主程序停止而中断程序执行。
快速响应输入功能:
有四个输入用于快速响应输入(与中断输入和计数方式的中断输入共用),能可靠地读出信号宽度短到5μs的输入信号。
稳定输入滤波器功能:
所有输入的输入时间常数都可以设置为1ms,2ms,3ms,5ms,10ms,20ms,40ms或80ms。
信号抖动和外部噪声可以通过提高输入时间常数来降低。
(4)其它功能
间隔计时器中断:
间隔计时器可以设置在0.5和ms之间,并能设置为只产生一次中断(单次方式)或定时中断(预定中断方式)。
模拟量设定:
CPU单元有两个控制器能用于改变IR250和IR251中的模拟量设定(0~200BCD),这些控制器可用来方便地改变或微调机械设定,如传输带的暂停时间或传送率。
日历时钟:
内装时钟(精确度在1分钟月之内)能从程序读出并示出当前的年,月,日,周日和时间。
时钟可以从编程设备(如编程器)来设置或通过向上或向下滚动到最近的分钟来调整时间。
长期计时器:
TIML(—)是一个长期计时器,寄存设置值高达99,990秒(27小时,46分,30秒)。
当与秒-小时转换指令(HMS(—))相结合时,长期计时器为控制装置的工艺过程提供了一个简易方法。
模拟量PID控制:
模拟量IO单元可以使用PID(—)指令来控制模拟量IO。
(5)完善的通信能力
上位链接:
通过PC的RS-232C端口或外围端口可进行上位链接连接。
在上位链接方式下连接的个人计算机或可编程终端可用于,如读写PC的IO存储器的数据或读改变PC的操作方式的操作。
下图2.4即为上位链接的示意图。
图2.4上位链接示意图
无协议通信:
TXD(48)和RXD(47)指令可用无协议方式与标准串行设备交换数据。
例如,从条形码阅读器接收数据或发送数据到串行打印机。
串行设备可连接到RS-232C端口或外围端口。
下图2.5即为两种无协议通信的示意。
图2.5无协议通信示意图
高速1:
1NT链接通信:
在1:
1NT链接中,OMRON可编程终端(PT)可以直接与CPM2A连接。
PT必须连接至RS-232C端口,它不可连接到外围端口。
下图2.6即为高速1:
1NT链接通信的示意。
图2.6高速1:
1NT链接通信示意图
1:
1PC链接:
一台CPM2A可以直接与别的CPM2A,CQM1,CPM1,CPM1A,CPM2C,SRM1(-V2),或C200HS或C200HXHGHEPC链接。
1:
1PC链接可以进行自动数据链接连接。
PC必须通过RS-232C端口连接,它不可通过外围端口连接。
下图2.7即为1:
1PC链接的示意图。
图2.71:
1PC链接示意图
2.1.2基本系统配置
(1)独立CPU单元
下图2.8为几种不同IO点数的独立CPU单元PLC示意图。
图2.8独立CPU单元PLC示意图
在这些PLC中不同型号的PLC的输出结构也有所不同,主要有继电器、漏型晶体管、源型晶体管三种方式。
(2)CPU单元和扩展单元
最多有3个扩展单元可通过扩展IO连接电缆与扩展连接器相连(如果NT-AL001适配器与RS-232C端口相连,则由于CPU单元电压限定在直流5VDC,所以只能连接一个扩展单元)。
有三种型号的扩展单元可用:
扩展IO单元、模拟量IO单元、CompoBusSIO链接单元。
下图2.9为CPU单元和扩展单元相连的示意图。
图2.9PLC扩展链接示意图
一个60点IO的CPU单元连接3个扩展IO单元可以组成一个有120个IO点(最大值)的PC。
拥有6个模拟量输入和3个模拟量输出(最大值)的PC可连接3个模拟量IO单元组成。
(如果NT-AL001)适配器与CPU单元的RS-232C端口相连时,只能连接1个模拟量IO单元。
CompoBusSIO链接单元(从站单元)可与CPU单元相连。
IO数据(8点输入与8点输出)是在CPU单元与分配给CompoBusS从站的区域之间传送。
(与从站交换的IO数据是内部数据;无外部输入或输出端)。
另外,有两点需要注意:
一是可以同时连接不同类型的扩展单元。
例如,扩展IO单元,模拟量IO单元,CompoBusSIO链接单元可同时连接到CPU单元;二是当一个NT-AL001适配器与RS-232C相连时,由于电源电压的限制只能有1个扩展单元与CPU单元连接。
图2.10和图2.11分别表示了三种扩展IO单元以及其他一些扩展单元。
图2.10三种扩展IO单元示意图
图2.11其他扩展单元示意图
2.1.3结构与操作
(1)CPU单元结构
CPU单元中主要包括以下几个结构组成:
ØIO存储器
程序在执行时读写这存储器区域中的数据。
部分IO存储器含有反映PC输入输出状态的位。
部分IO存储器在电源上电时被清除,而其他部分被保留。
Ø程序
程序由用户编写,CPM2A循环执行该程序。
程序可粗分为两部分:
循环执行的“主程序”和只有当对应中断生成时才执行的“中断程序”。
ØPC设置
PC设置包括各种启动和操作参数。
设置参数只能通过编程设备改变,不能通过程序来改变。
有些参数只有当PC电源上电时才被访问,而其他参数则在上电后定期地被访问。
对于那些只有当PC电源上电时才被访问的参
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