多通道报告 PLC.docx
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多通道报告PLC
山东交通学院
基于PLC的多通道温湿度监控装置
开放性实验报告书
院(部)别信息科学与电气工程学院
班级
学号
姓名
指导教师
第1章PLC简介
1.1PLC的基本概念
PLC(可编程控制器)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。
1.
当PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
(一)输入采样阶段在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。
(二)用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话,输入过程影像寄存器的值不会被更新,程序直接从I/O模块取值,输出过程影像寄存器会被立即更新,这跟立即输入有些区别。
(3)输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。
这时,才是PLC的真正输出。
1.4PLC扫描周期
扫描周期T=(输入—点时间*输入端子数)+(指令执行速度*指令的条数)+(输出一点的时间*输出端子书)+故障诊断时间+通讯时间
从上式可看出,扫描周期已经决定了:
1.CPU执行执行的速度
2.执行每条指令所占用的时间
3.程序中指令条数的多少
指令执行所需的时间和用户程序的长短、指令的种类和CPU执行速度是有很大关系,一般来说,一个扫描的过程中,故障诊断时间,通信时间,输入采样和输出刷新所占的时间较少,执行的时间是占了绝大部分。
1.5PLC调试
S7-200编程软件:
调试步骤
1.检查路线、确认地址
这一步需要比较细心逐点进行,要保证路线、地址正确无误。
否则会影响后面的调试。
可不带电核对,那就是查线,较麻烦。
也可带电查,加上信号后,看电控系统的动作情况是否符合设计的目的。
2.检查与测试指示灯
控制面板上如有指示灯,应先对应指示灯的显示进行检查。
一方面,查看灯坏了没有,另一方面检查逻辑关系是否正确。
指示灯是反映系统工作的一面镜子,先调好它,将对进一步调试提供方便。
3.检查手动动作及手动控制逻辑关系
完成了以上调试,继而可进行手动动作及手动控制逻辑关系调试。
要查看各个手动控制的输出点,是否有相应的输出以及与输出对应的动作,然后再看,各个手动控制是否能够实现。
如有问题,立即解决。
4.半自动工作
如系统可自动工作,那先调半自动工作能否实现。
调试时可一步步推进。
直至完成整个控制周期。
哪个步骤或环节出现问题,就着手解决哪个步骤或环节的问题。
5.自动工作
在完成半自动调试后,可进一步调试自动工作。
要多观察几个工作循环,以确保系统能正确无误地连续工作。
6.模拟量调试、参数确定
以上调试的都是逻辑控制的项目。
这是系统调试时,首先要调通的。
这些调试基本完成后,可着手调试模拟量、脉冲量控制。
最主要的是选定合适控制参数。
一般讲,这个过程是比较长的。
要耐心调,参数也要作多种选择,再从中选出最优者。
有的PLC,它的PID参数可通过自整定获得。
但这个自整定过程,也是需要相当的时间才能完成的。
第2章温湿度转换
2.1温度转换
温度传感器temperaturetransducer,利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为可用输出信号。
温度传感器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。
现代的温度传感器外形非常得小,这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中,也为我们的生活提供了无数的便利和功能。
2.1.1热电偶温度传感器
本系统使用镍铬—镍硅热电偶,被测温度范围为0~655℃,冷端补偿采用补偿电桥法,采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。
不平衡电桥由电阻R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、Rcu(铜丝绕制)四桥臂和桥路稳压源组成,串联在热电偶回路中。
Rcu与热电偶冷端同处于±0℃,而R1=R2=R3=1Ω,桥路电源电压为4V,由稳压电源供电,Rs为限流电阻,其阻值因热电偶不同而不同,电桥通常取在20℃时平衡,这时电桥的四个桥臂电阻R1=R2=R3=Rcu,a、b端无输出。
当冷端温度偏离20℃时,例如升高时,Rcu增大,而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而减小。
Uab与热电势减小量相等,Uab与热电势迭加后输出电势则保持不变,从而达到了冷端补偿的自动完成。
2.1.2热电偶测温原理
3.热电偶的两条基本定律
(1)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要其两端的温度相等,该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势如果回路中三个接点的温度都相同,即T=T0,则回路总电动势必为零,即:
EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T0)=0
(2)中间温度定律定律内容:
热电偶在两接点温度t1、t3时的热电动势等于接点温度分别为t1、t2和t2、t3的两支同性质热电偶的热电动势的代数和,即EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)
2.1.3热电偶测量电路
2.2湿度转换
2.2.1基本概念
湿敏元件是最简单的湿度传感器。
湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。
当环境湿度发生改变时,湿敏电容的介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比。
2.2.2.湿度传感器的选择
如何使用好湿度传感器,如何判断湿度传感器的性能,这对一般用户来讲,仍是一件较为复杂的技术问题。
湿度传感器,分为电阻式和电容式两种,产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。
空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后,元件的阻抗、介质常数发生很大的变化,从而制成湿敏元件。
国内外各厂家同一型号的传感器不能互换,严重影响了使用效果,给维修、调试增加了困难,有些厂家在这方面作出了种种努力,(但互换性仍很差)取得了较好效果。
校正湿度要比校正温度困难得多。
温度标定往往用一根标准温度计作标准即可,而湿度的标定标准较难实现,干湿球温度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来作标定的,精度无法保证,因其要求环境条件非常严格,一般情况,(最好在湿度环境适合的条件下)在缺乏完善的检定设备时,通常用简单的饱和盐溶液检定法,并测量其温度。
在湿度传感器实际标定困难的情况下,可以通过一些简便的方法进行湿度传感器性能判断与检查。
一致性判定,同一类型,同一厂家的湿度传感器产品最好一次购买两支以上,越多越说明问题,放在一起通电比较检测输出值,在相对稳定的条件下,观察测试的一致性。
若进一步检测,可在24h内间隔一段时间记录,一天内一般都有高、中、低3种湿度和温度情况,可以较全面地观察产品的一致性和稳定性,包括温度补偿特性。
用嘴呵气或利用其它加湿手段对传感器加湿,观察其灵敏度、重复性、升湿脱湿性能,以及分辨率,产品的最高量程等。
对产品作开盒和关盒两种情况的测试。
比较是否一致,观察其热效应情况。
对产品在高温状态和低温状态(根据说明书标准)进行测试,并恢复到正常状态下检测和实验前的记录作比较,考查产品的温度适应性,并观察产品的一致性情况。
产品的性能最终要依据质检部门正规完备的检测手段。
利用饱和盐溶液作标定,也可使用名牌产品作比对检测,产品还应进行长期使用过程中的长期标定才能较全面地判断湿度传感器的质量。
基于以上各点,我选择了ZHG型湿敏电阻。
ZHG型湿敏电阻为陶瓷湿敏传感器,其阻值随被测环境湿度升高而降低。
ZHG湿敏电阻有两种型号:
ZHG—1型和ZHG—2型,前者的外形为长方形,外壳采用耐高温塑料,多用于家用电器;后者的外形为圆柱体,外壳用铜材料制作,多用于工厂车间、塑料大棚、仓库和电力开关等场合的湿度的控制。
ZHG型湿敏电阻的特点是:
体积小、重量轻、灵敏度高、测量范围宽(5%~99%RH)、
温度系数小、响应时间短、使用寿命长。
下图为应用ZHG湿敏电阻的湿度检测电路图。
此电路输出信号为电压,共由五部分组成:
湿敏元件(R3);振荡器(由IC1、R1、R2、C1和D1组成,R1、R2和C1的数值决定震荡频率,本电路频率为100Hz);对数变换器(由IC1—1、D2、D3和D4组成);滤波器(有R4、C4组成);放大器(由IC2—2,RP、R5、R6、R7、R8和T1组成)。
本传感器的测量电路由湿敏元件、电源(震荡器)和隔直电容C2组成,ZHG湿敏电阻一般情况下需要采用交流供电,否则湿度高时将有,电泳现象,使阻值产生漂移。
但特殊场合,如工作电流小于10uA,湿度小于60%RH时,测量回路可以使用直流电源。
ZHG湿敏电阻的湿度电阻特性为非线性关系,对数变换器用于修正其非线性,修正后仍有一定的非线性,但误差小于±5%RH。
输出电路由放大器构成,输出信号为电压。
图3ZHG湿敏电阻检测电路
第3章基于PLC的多通道温湿度监控装置
3.1课题背景及研究目的和意义
随着现代工业的逐步发展,在工业生产中,温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。
其中,温度是一个非常重要的过程变量。
例如:
在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域,都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制[1]。
这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。
随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的,通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点,而且可以大幅度提高被测温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。
因此,PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。
这也正是本课题所重点研究的内容。
3.2.设计要求
用稳压器给定3路输入信号为0-5V标准直流电压信号,表示为温度、湿度对应的电压信号。
分别经过2个EM235转换之后(表示8路以上),用2位LED交替显示相应电压值的个位和第一个小数位,要实现可自动每隔2秒交替,也可手动按键交替显示。
要保证显示精度。
当某一路电压值大于2V时,LED闪烁显示,以示报警。
同时自动启动鼠笼式三相异步电动机开关温湿度控制阀门。
此外,电动机应能单独手动控制启停。
3.3.EM235的简介
3.3.1模拟量扩展模块接线图及模块设置
EM235是最常用的模拟量扩展模块,它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。
下面以EM235为例讲解模拟量扩展模块接线图,如图1。
图1
图1演示了模拟量扩展模块的接线方法,对于电压信号,按正、负极直接接入X+和X-;对于电流信号,将RX和X+短接后接入电流输入信号的“+”端;未连接传感器的通道要将X+和X-短接。
对于某一模块,只能将输入端同时设置为一种量程和格式,即相同的输入量程和分辨率。
(后面将详细介绍)
EM235的常用技术参数:
模拟量输入特性
模拟量输入点数
4
输入范围
电压(单极性)0~10V0~5V0~1V0~500mV0~100mV0~50mV
电压(双极性)±10V±5V±2.5V±1V±500mV±250mV±100mV±50mV±25mV
电流0~20mA
数据字格式
双极性全量程范围-32000~+32000
单极性全量程范围0~32000
分辨率
12位A/D转换器
模拟量输出特性
模拟量输出点数
1
信号范围
电压输出±10V
电流输出0~20mA
数据字格式
电压-32000~+32000
电流0~32000
分辨率电流
电压12位
电流11位
下表说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块,开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。
EM235开关
单/双极性选择
增益选择
衰减选择
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
ON
单极性
OFF
双极性
OFF
OFF
X1
OFF
ON
X10
ON
OFF
X100
ON
ON
无效
ON
OFF
OFF
0.8
OFF
ON
OFF
0.4
OFF
OFF
ON
0.2
由上表可知,DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性,当SW6为ON时,模拟量输入为单极性输入,SW6为OFF时,模拟量输入为双极性输入。
SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择,而SW1,SW2,SW3共同决定了模拟量的衰减选择。
根据上表6个DIP开关的功能进行排列组合,所有的输入设置如下表:
单极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
ON
OFF
OFF
ON
OFF
ON
0到50mV
12.5μV
OFF
ON
OFF
ON
OFF
ON
0到100mV
25μV
ON
OFF
OFF
OFF
ON
ON
0到500mV
125uA
OFF
ON
OFF
OFF
ON
ON
0到1V
250μV
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
0到5V
1.25mV
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
0到20mA
5μA
OFF
ON
OFF
OFF
OFF
ON
0到10V
2.5mV
双极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
ON
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
±25mV
12.5μV
OFF
ON
OFF
ON
OFF
OFF
±50mV
25μV
OFF
OFF
ON
ON
OFF
OFF
±100mV
50μV
ON
OFF
OFF
OFF
ON
OFF
±250mV
125μV
OFF
ON
OFF
OFF
ON
OFF
±500
250μV
OFF
OFF
ON
OFF
ON
OFF
±1V
500μV
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
±2.5V
1.25mV
OFF
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
±5V
2.5mV
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
OFF
±10V
5mV
6个DIP开关决定了所有的输入设置。
也就是说开关的设置应用于整个模块,开关设置也只有在重新上电后才能生效。
输入校准
模拟量输入模块使用前应进行输入校准。
其实出厂前已经进行了输入校准,如果OFFSET和GAIN电位器已被重新调整,需要重新进行输入校准。
其步骤如下:
A、切断模块电源,选择需要的输入范围。
B、接通CPU和模块电源,使模块稳定15分钟。
C、用一个变送器,一个电压源或一个电流源,将零值信号加到一个输入端。
D、读取适当的输入通道在CPU中的测量值。
E、调节OFFSET(偏置)电位计,直到读数为零,或所需要的数字数据值。
F、将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个,读出送到CPU的值。
G、调节GAIN(增益)电位计,直到读数为32000或所需要的数字数据值。
H、必要时,重复偏置和增益校准过程。
EM235输入数据字格式
下图给出了12位数据值在CPU的模拟量输入字中的位置
图2
可见,模拟量到数字量转换器(ADC)的12位读数是左对齐的。
最高有效位是符号位,0表示正值。
在单极性格式中,3个连续的0使得模拟量到数字量转换器(ADC)每变化1个单位,数据字则以8个单位变化。
在双极性格式中,4个连续的0使得模拟量到数字量转换器每变化1个单位,数据字则以16为单位变化。
EM235输出数据字格式
图3给出了12位数据值在CPU的模拟量输出字中的位置:
图3
数字量到模拟量转换器(DAC)的12位读数在其输出格式中是左端对齐的,最高有效位是符号位,0表示正值。
3.3.2模拟量扩展模块的寻址
每个模拟量扩展模块,按扩展模块的先后顺序进行排序,其中,模拟量根据输入、输出不同分别排序。
模拟量的数据格式为一个字长,所以地址必须从偶数字节开始。
例如:
AIW0,AIW2,AIW4……、AQW0,AQW2……。
每个模拟量扩展模块至少占两个通道,即使第一个模块只有一个输出AQW0,第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址,以此类推。
图4演示了CPU224后面依次排列一个4输入/4输出数字量模块,一个8输入数字量模块,一个4模拟输入/1模拟输出模块,一个8输出数字量模块,一个4模拟输入/1模拟输出模块的寻址情况,其中,灰色通道不能使用。
图4
3.3.3模拟量值和A/D转换值的转换
假设模拟量的标准电信号是A0—Am(如:
4—20mA),A/D转换后数值为D0—Dm(如:
6400—32000),设模拟量的标准电信号是A,A/D转换后的相应数值为D,由于是线性关系,函数关系A=f(D)可以表示为数学方程:
A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0。
根据该方程式,可以方便地根据D值计算出A值。
将该方程式逆变换,得出函数关系D=f(A)可以表示为数学方程:
D=(A-A0)×(Dm-D0)/(Am-A0)+D0。
具体举一个实例,以S7-200和4—20mA为例,经A/D转换后,我们得到的数值是6400—32000,即A0=4,Am=20,D0=6400,Dm=32000,代入公式,得出:
A=(D-6400)×(20-4)/(32000-6400)+4
假设该模拟量与AIW0对应,则当AIW0的值为12800时,相应的模拟电信号是6400×16/25600+4=8mA。
又如,某温度传感器,-10—60℃与4—20mA相对应,以T表示温度值,AIW0为PLC模拟量采样值,则根据上式直接代入得出:
T=70×(AIW0-6400)/25600-10
可以用T直接显示温度值。
模拟量值和A/D转换值的转换理解起来比较困难,该段多读几遍,结合所举例子,就会理解。
为了让您方便地理解,我们再举一个例子:
某压力变送器,当压力达到满量程5MPa时,压力变送器的输出电流是20mA,AIW0的数值是32000。
可见,每毫安对应的A/D值为32000/20,测得当压力为0.1MPa时,压力变送器的电流应为4mA,A/D值为(32000/20)×4=6400。
由此得出,AIW0的数值转换为实际压力值(单位为KPa)的计算公式为:
VW0的值=(AIW0的值-6400)(5000-100)/(32000-6400)+100(单位:
KPa)
温度显示值=(AIW0-6400)/256
3.3.4CPU224与EM235的连接图
3.3.5编译并运编程实例
您可以组建一个小的实例系统演示模拟量编程。
本实例的的CPU是CPU222,仅带一个模拟量扩展模块EM235,该模块的第一个通道连接一块带4—20mA变送输出的温度显示仪表,该仪表的量程设置为0—100度,即0度时输出4mA,100度时输出20mA。
温度显示仪表的铂电阻输入端接入一个220欧姆可调电位器,简单编程如下:
温度显示值=(AIW0-6400)/256
编译并运行程序,观察程序状态,VW30即为显示的温度值,对照仪表显示值是否一致。
模拟量2.1V对应AIWO通路的值为13440,将13440除6400放入VD0中,则VB3中存的是电压值2.1的整数位2,送到QB0数码管显示;然后将存在VW0中的余数除640放入VD4中,则VB7中存的是电压值2.1的小数位1,送到QB2数码管显示。
3.5I/O口分配
输入定义
输入点
输出定义
输出点
手动启动
I0.0
显示电压值的个位
QB0
单独启动电机
I0.1
显示电压值的第一个小数位
QB2
停止电机
I0.2
电机
Q1.0
总停止
I0.3
灯闪烁(报警)
Q1.1
总启动
I0.4
自动启动
I1.0
选通AIW0路(手动)
I1.1
选通AIW8路(手动)
I1.2
选通AIW2路(手动)
I1.3
3.6.梯形图
3.7.调试实图
当某一路电压值大于等于2V时灯闪烁以示报警,并启动电机
3.8.注意事项
1.自动与手动显示时要互相独立,互锁。
2.自动启动按钮I1.0必须是点动按钮,而且需定时切断M0.0,这样才能实现自动每隔2秒交替显示相应电压值。
3.手动调试时用计数器计数实现,点动一次选通AIW0通路,点动两次选通AIW8通路,点动三次选通AIW2通路。
4.因为数码管是共阴极,所以总停止时需给QB0、QB2低电平才能使数码管灭。
总结
在这次课程设计中遇到了很多问题,也获得了许多课堂上没有学到的知识。
在每次突破一个问题之后都有一种满足感,每发现一个问题都会兴奋。
通过这次设计实践,我学会了PLC的基本编程方法,对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
比如,在调试时往往会遇到想不
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- 多通道报告 PLC 通道 报告