PCL818L计算机温度控制系统硬件设计.docx
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PCL818L计算机温度控制系统硬件设计.docx
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PCL818L计算机温度控制系统硬件设计
南阳理工学院
本科生毕业设计(论文)
学院:
电子与电气工程学院
专业:
自动化
学生:
王峰
指导教师:
丁欢
完成日期2014年5月
南阳理工学院本科生毕业设计(论文)
PCL818L计算机温度控制系统硬件设计
HardtwareDesignofComputerTemperatureControl
SystemBasedonPCL818L
总计:
27页
表格:
1个
插图:
22幅
南阳理工学院本科毕业设计(论文)
PCL818L计算机温度控制系统硬件设计
HartwareDesignofComputerTemperatureControl
SystemBasedonPCL818L
学院:
电子与电气工程学院
专业:
自动化
学生姓名:
王峰
学号:
1209624079
指导教师:
(职称)丁欢(讲师)
评阅教师:
完成日期:
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
PCL818L计算机温度控制系统硬件设计
自动化专业王峰
[摘要]本设计以模拟电加热锅炉水温为被控对象,研华610H工控机为控制核心,ISA板卡为数据输入输出通道、PT100为温度传感器、SBWZ温度变送器为变送环节,搭建了单闭环温度控制的硬件系统,完成了硬件接线与测试。
最后通过在工控机上设计监控程序,并进行软、硬件联合调试,实现了对电加热炉温度的控制,并能够在上位机的监控系统中实现对温度的实时监控。
[关键词]工控机;IPC板卡;温度控制;硬件设计
HardwareDesignofComputerTemperatureControl
SystemBasedonPCL818L
AutomationSpecialtyWANGFeng
Abstract:
.Thedesignofanalogelectricalheatingboilerwatertemperatureiscontrolledobject.AdvantechIPC610Hasthecontrolcenter,ISAboardforthedatainputandoutputchannels,PT100temperaturesensor,SBWZtemperaturetransmittertotransmitterlinks,buildasinglelooptemperaturehardwaresystemcontrol,completedthehardwarewiringandtesting.Finally,thejointIPCmonitoringsoftwaredebugging,therealizationofelectricheatingtemperaturecontrol,andtheabilitytoachievereal-timemonitoringoftemperaturemonitoringsysteminthehostmachine.
Keywords:
Industrialcontrolcomputer;IPCboard;temperaturecontrol;hardwaredesign
1 引言
1.1 研究背景
在人类的日常生活环境中,温度扮演着极为重要的角色。
温度是工业生产中最常见的工艺参数之一,任何物理量的变化和化学反应过程都与温度密切相关,因此温度的控制是生产自动化的重要任务。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制,所采用的加热方式,燃料,控制方案也有所不同。
无论你生活在哪里,从事着什么工作,无时无刻的不在和温度打着交道。
自十八世纪工业革命至今,工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医疗等等行业,可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求极高。
目前,仍有相当部分工业企业在用窑、炉等烘干生产线,存在着控制精度不高、炉内温度均匀性差等问题,达不到工艺要求,造成装备运行成本费用高,产出品品质低下,严重影响企业经济效益,急需技术改造[1]。
近年来,国内外对温度控制系统的研究进行了广泛、深入的研究,特别是随着计算机技术的发展,温度控制系统的研究取得了巨大的发展,形成了一批商品化的温度调节方案,如:
智能化PID、模糊控制、自适应控制等,其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。
IPC简称“工控机”,由于它的性能可靠、软件丰富、价格低廉,而在工业温度控制系统方案中异军突起,后来居上,应用日趋广泛。
现在国内品牌主要有研华、研祥EVOC等。
工业控制计算机是一种采用总线结构,对生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的设备总称,包括计算机和过程输入、输出通道两部分随着科学技术的不断发展,人们对温度控制系统的要求愈来愈高,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。
温控系统中,性能可靠、实时性好、扩充性和兼容性强大的IPC也将被更广泛的应用[2]。
1.2 国内外发展状况
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,以日本、美国、德国、瑞典等国的技术领先,都生产出了一批商品化的、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。
目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能话、人性化、小型化等方面快速发展。
近年来,在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展,温度已成为工业对象控制中一个重要参数,特别是在冶金、化工和机械等各类工业中,广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。
传统的生产方案已经不满足高精度、高速度的要求。
近年来快速发展出现了许多先进的温度控制方式,如:
PID控制、模糊控制、神经网络及遗传算法控制等等。
这大大提高了控制精度,不仅控制简便,而且产品质量好,同时了产品的成本,提高了生产效率。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,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世纪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统控制,难于实现对滞后、复杂、时变温度系统的有效精确控制。
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参数的自整定方面,国外已有了较多的成熟产品,但是由于国外技术保密及我国开发工作的滞后,还没开发出性能可靠的自整定软件。
控制参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。
这些差距,是我们必须努力克服的。
1.3 课题研究的意义
温度是工业生产中主要的被控参数之一,与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。
温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
随着计算机在工业控制中的不断的运用,计算机工业控制表现出来了一系列优点,所以将来计算机控制在工业控制中起到越来越重要的作用。
同时,随着科学技术的不断发展,人们对温度控制系统的要求愈来愈高,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。
所以,对计算机温度控制系统进行研究设计是很有实用价值和现实意义的。
计算机控制系统就是利用计算机(包括其他多种控制器)来实现生产过程或运动对象自动控制的系统,它可以进行实时的数据采集,控制决策,控制输出。
在控制系统中,输入输出板卡的应用是关键的部分,对待模拟量的处理,数字量的处理,为了满足工业环境的应用,板卡就成了工业控制中常见的信号处理中介了。
通过这个课题的学习和设计,能够以点带面的为计算机控制系统的学习打下好的开端,对工业环境的控制对象有一个很好的印象,对控制操作起到一定帮助。
2 系统整体设计方案
2.1 系统整体设计原理
要实现计算机控制,外部的设备(检测机构和执行机构)都是采用的模拟量信号,但是计算机不能识别模拟量信号,只能识别是数字量信号,所以要实现计算机控制必须实现模拟量信号到数字量转换和数字信号到模拟量信号的转换[3]。
因此,根据设计要求,本设计以IPC板卡为核心,外加研华610H工业控制计算机、Pt100温度传感器、SBWZ温度变送器等其它外围设备搭建硬件线路构成一个单闭环温度控制系统;用工业控制计算机作控制器,通过IPC板卡的温度采集、模数转换和功放输出,搭建用数据采集板卡进行现场温度数据采集和用功放输出板卡进行输出控制的硬件线路,用工控机的组态软件编写板卡温度量采集与监控程序并设计PID控制算法,并用组态软件编制组态界面实现温度的显示控制,可以实时监测当前温度,并进行温度的实时控制,实现在0-100℃温度范围内控制精度为±0.5℃的温度控制。
系统具体组建方案:
电加热锅炉中水的当前温度经过Pt100热电阻测量后得到对应电阻值变化,传送到SBWZ温度变送器,得到4-20mA的电流信号,经串联一个250Ω的电阻,得到1-5V模拟电压信号,通过研华的PCL-818L板卡的A/D转换,将采集外部温度传感器和变送装置测量现场得到的电压信号转换为计算机可识别的数字量信号,送入计算机,本设计用VB来读取这个数字量信号。
为达到预期目标温度,选择控制算法,用组态软件自带的控制模块编写一个数字PID程序,对系统进行PID参数的调节,寻找最好的适合系统的最佳的PID参数的值。
实现对输入的信号的分析处理,然后通过组态王控制算法PID算法程序进行运算调整,得出PID控制器的输出值,经康拓IPC5373板卡的D/A转换,将数字量信号转换成低压继电器可识别的开关量信号,输出控制中间继电器。
中间继电器为接触器给定控制信号,接触器的通断则执行了对加热过程的控制,实现控制继电器的接通与断开时间,进而控制电加热锅炉的接通与断开来达到控制水温的目的,从而实现对锅炉温度的实时控制。
如图1所示为计算机温度监控系统的原理框图。
图1计算机温度监控系统原理框图
根据控制要求,温度单回路控制系统的控制参数是电加热锅炉中水的温度,课题设计要求实现的目标是电加热锅炉中水的温度达到设定值。
在这里以研华610H工业控制计算机作为控制器,Pt100热电阻作为温度传感器,SBWZ温度变送器,PCL-818L板卡和IPC5373板卡分别作为信号输入和控制输出单元,完成系统的A/D和D/A转换,电磁低压继电器、交流接触器作为执行器,电加热丝为被控对象[4]。
2.2 系统设计过程流程图
在系统设计过程中,首先应考虑控制任务中需要解决或重点探究的地方,根据任务需求,选择系统设计中需要的硬件和软件。
在外围硬件电路搭建完成之后,根据硬件编写合适的控制程序。
然后就可以进入到调试环节,调试,修改,调试,修改。
从而达到所需要的控制效果。
在本次系统设计中,评估控制任务的目的是为了考虑现场实际应用和控制要求、任务,从而确定系统设计的最后可行性方案。
在方案设计完成以后,就需要选用一定的硬件和软件了,硬件是系统的肉体,软件是系统的灵魂,两者结合才会是一个完美的系统设计。
在硬件中,对各部分的选型,对硬件的学习、了解等都是前期必须要掌握的内容,掌握好每个部分,才能够将部分联系成整体。
将整体系统连接起来以后,开始联机调试,发现未处理、未考虑到的问题及时的处理,那么这套系统就可以完成了。
系统设计图如图2所示。
3 系统硬件各部分选型
3.1 板卡选型设计
板卡在系统设计中的作用就是信号处理,即模拟量到数字量的转换,数字量到模拟量的转换。
为了能够满足设计要求,顺利地完成本次设计,查阅了相关的资料,结合对市场上的主流板卡品牌的了解,再综合考虑到学校实验室的具体情况,在此设计中,模拟量到数字量的转换即为A/D转换,本次设计所选用的数据采集输入板卡为研华PCL-818LA/D板卡,数字量到模拟量的转换即为D/A转换,本次设计所选用的数据输出板卡为康拓IPC5373板卡。
3.1.1模拟量输入通道的板卡设计
模拟量输入通道主要的设备就是数据采集输入板卡为研华PCL-818LA/D板卡,它的主要功能是实现模拟量到数字量的一个A/D转换,其实物如图3所示。
研华PCL—818LA/D板卡主要技术规格[5]如下:
①12位A/D分辨率。
②最高可达100kS/s的采样率。
③16通道单端或8通道差分输入。
④单极性或双极性模拟量输入范围。
⑤双极模拟输入范围。
⑥可编程的增益设置:
×0.5,×1,×2,×4,×8。
⑦输入范围:
±10V、±5V、±2.5V、±1.25V、±0.625V、0-10V、0-5V、0-2.5V。
⑧自动模拟输入扫描;模拟输入支持DMA传输方式。
否
是
图2系统设计流程图
⑨2通道12位多路切换模拟输出,1通道16位通用定时/计数器。
⑩16通道TTL数字输入和16通道TTL数字输出。
图3研华PCL—818LA/D板卡实物图
PCL-818L是PCL-818系列中的入门级板卡。
该板卡可以供要求低价位的用户使用。
除了采样速率为40KHz,以及只能接受双极性输入外,其他功能和PCL-818HD和PCL-818HG完全相同。
这样无需更改硬件或软件,就可以将应用升级到高性能的数据采集卡。
PCL-818L具备所有数据采集卡的功能,例如,A/D、D/A转换、DIO和定时/计数器,本卡的高规格使其在需要高速采集的情况下得到广泛应用。
PCL-818L为低电平输入(例如,热耦合信号测量)提供专门的高增益可编程仪表放大器。
PCL-818L板卡在全部增益下最高可达到100kS/s高速采样率。
PCL-818L具有16路单端输入和双极性输出,PCL-818L具有2路12位双缓冲模拟输出,16路数字输入和16路数字输出,1个通用定时/计数器。
板卡完整详细原理及规格请参见《研华PCL-818系列板卡中文手册》。
3.1.2数字量输出通道的板卡设计
数字量输出通道主要的设备就是康拓IPC537332路光隔开关量功放输出板卡,它的主要功能是实现数字量到模拟量的一个D/A转换,其实物如图4所示。
图4康拓IPC537332路光隔开关量功放输出板实物图
IPC5373板是一种带光电耦合器件的开关量输出板,它可以实现PC总线与被测工业设备或数字仪器之间完全的电隔离,以消除公共地线和电源的干扰。
从而使工业设备和微机系统可靠工作。
此外,它还具有较强的输出驱动能力和电平转换能力。
可直接驱动继电器、电磁阀等。
其主要技术规格[6]如下:
①PC总线与用户接口设备之间实现完全的电隔离,隔离电压2500Vrms。
②32个开关量输出,占用4个连续口地址:
154H-157H。
③各输出信号具有锁存功能,上电复位清零。
④采用达林顿管功放集电极开路输出,负载电源5~40V,驱动电流单路最大200mA,每片达林顿管负载电流最大500mA,可直接驱动继电器、电磁阀等。
⑤用户接口为40芯扁平电缆插座(IPC5373)或37芯D型连接器(IPC5373D),IPC5373D板上带DC/DC,不用外接电源。
详细功能以及电路原理请参见《IPC5373使用说明书》。
3.2 工控机的选型设计
工控机就是工业控制用电脑,其主要是指用在是专供工业界使用的个人电脑,可作为工业控制器使用。
工业电脑基本性能与相容性与同样规格的商用个人电脑相差无几,但是工业电脑更多的防护措施,注重的部份在不同环境下的稳定,如防尘、防水、防静电等。
工业用电脑并不要求当前最高效能,只求达到符合系统的要求,需符合工业环境中的可靠性要求与稳定,否则用于生产线万一遇到电脑当机,则可能造成严重损失,因此工业用电脑所要求的标准值都有要求符合严格的规范与扩充性。
结合本次设计和学校实验室的具体情况,本次设计所选用的安装配合所选用的板卡的计算机为研华610H工控机及其配套设备,工控机实物如图5所示。
图5研华610H工控机实物图
其主要技术规格如下:
①4U高度,支持14槽背板。
②配置300WATXPFCPS/2电源。
③前端可安装3个半高磁盘驱动器,一个3.5FDD和一个3.5磁盘驱动器。
④前置USB/PS2接口。
⑤前置系统状态监测模块。
⑥能抗冲击,振荡,并且能在高温下稳定工作。
⑦支持ATX母板和400WPFC电源。
⑧IPC的其他配件基本上都与PC机兼容,主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。
在此设计中,值得注意的是实验室工控机的开关按钮也许是组装过或者维修过,不是只按下拨动开关就行了,而是按下“1”之后,还需要拨动它弹起来回到“0”处,才能正常的开机。
3.3 传感器Pt100的选型设计
传感器(英文名称:
transducer/sensor)是一种检测装置设备,它能感受到被测量的信息信号,并能将检测感受到的信息信号,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。
在此次系统设计中,我们的被测量是温度信号,即锅炉内的水温,为此考虑设计条件,我们选择较为成熟的Pt100。
Pt100为铂热电阻。
它的阻值会随着温度变化而变化,且成正比关系。
Pt100的阻值与温度的变化关系为:
当Pt100温度为0度时,它的阻值为100欧姆,在100度时它的阻值为138.5欧姆。
它的工作原理是:
当Pt100在0度的时候,它的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而匀速增长。
金属热电阻的电阻值和温度一般可以用下面这个近似的关系式来表示:
Rt=Rt0[1+a(t-t0)]。
式子中,Rt为温度t时的阻值,Rt0为温度t0时对应的电阻值,a为温度系数。
半导体热敏电阻的阻值和温度关系为:
Rt=Aet/t。
式子中Rt为温度为t时的阻值;A、B取决于半导体材料的结构的常数。
其实物图如图6所示。
图6热电阻实物图
相比较而言,热敏电阻的温度系数更大,常温下的电阻值更高(通常在数千欧以上),但互换性较差,非线性严重,测温范围只有-50~300℃左右,大量用于家电和汽车用温度检测和控制。
金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量,其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠,在程控制中的应用极其广泛。
热电阻实物如图6所示。
工业上常用金属热电阻从电阻随温度的变化来看,大部分金属导体都有这个性质,但并不是都能用作测温热电阻,作为热电阻的金属材料一般要求:
尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大(在同样灵敏度下减小传感器的尺寸)、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系(最好呈线性关系)。
3.4温度变送器选型设计
变送器(transmitter)是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号(或将传感器输入的非电量转换成工业用标准的电信号,同时放大以便供远方测量和控制的信号源)的转换器。
传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。
不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。
SBWZ系列温度变送器是一种小型、高精度的测温仪表。
与现场传感器连在一起构成测温回路。
它采用二线制传送方式(两根导线作为电源输入,同时作为信号输出的公用传输线),将热电阻的信号变换成线性的4-20mA输出的电流信号。
温度变送器作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油、化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。
其应用特点如下:
①采用密封结构,因此耐震,耐湿,适合恶劣现场环境中安装使用。
②输出4-20mA,补偿导线费用低,信号长距离传送过程中的抗干扰能力强。
③变送器具有输入端开路指示功能。
④精度高、功耗低,使用环境温度范围宽,工作稳定可靠。
温度变送器SBWZ的外部接线图接线图如图7所示。
图7变送器接线图
温度变送器技术参数如下表1所示。
表1温度变送器参数
规格
参数
工作制式
4-20ma输出(两线制或三线制)
精度等级
0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS。
工作电压
DC24V±1V
量程范围
-50℃-50℃;0℃-50℃;0℃-100℃;
0℃-150℃;0℃-200℃;0℃-300℃;0℃-600℃
工作环境
温度:
-0℃~85℃,湿度:
0~95%RH
负载能力
≤500Ω.
外形尺寸
45mm×41mm
(1)调试步骤:
在左边输入端接入标准电阻箱(如ZX38/11型和ZX-25a型),其中上两路为电阻箱的公共端,在输出端串接上标准电流表和24VDC稳压电源。
改变信号源发生器(电阻箱),使之等于量程的下限对应阻值,调整调零电位器,使电流表的读数为4mA,改变信号源,使之等于量程的上限对应阻值,调整调满电位器,使电流表的读数为20mA即可。
例:
输入型号为Pt100,量程为0~100℃的温度变送器标定,正确接线后,电阻箱输出阻值100Ω,调整调零电位器,使电流表读数为4mA;电阻箱输出阻值为138.5Ω(即铂热电阻在100℃时对应的电阻值),调整调满电位器,使电流表的读数为20mA。
(2)应用说明:
PT100为热电阻传感器,采集到的电流信号给SBWZ温度变送器,进而转换为标准的4-20ma电流信号,然而PCL818L的模拟量输入通道接收的是电压信号,所以需要在其输出端并联上一个250Ω的电阻,转换为1-5V电压信号。
3.4 其它硬件设备选型
3.4.1外部接线端子
为配合各部件的整体互联,本次设计所选用的连接现场仪表变送器与数据采集输入板卡的接线端子为研华PCLD8115接线端子,其主要作用就是为了方便与数据采集输入板卡之间的接线,在温度变送器与输入板卡之间架起一道桥梁。
外部接线端子PCLD8115实物如图8所示。
图8研华PCLD8115接线端子实物图
其主要技术规格如下:
①工业接线端子板;
②用于818L/818HG/1800等;
③支持PCL-818系列多功能数据采集控制卡;
④易于安装的DIN导轨安装外壳;
⑤低成本螺丝端子板;
⑥能在恶劣环境中可靠连接的工业端子板。
为了完善系统功能,完成外围控制硬件电路的完整搭建,还选用了以下元器件:
低压中间继电器(24V)、交流接触器(220V)、小型加热锅炉、按钮开关、信号指示灯(220V)、空气开关、导线若干、接线端子排和电源排插。
3.4.2继电器
根据设计的要求,在选用继电器时主要考虑工作条件以及安装使用方便还有工作稳定性,加热丝功率是1500W,最大工作电流I=6.8A,因此选用HH52P型小型继电器,HH52P系列小型继电器,配套底座PYF08A,适用于交流50Hz或60Hz,可承受电流AC:
7A,DC:
5A,符合锅炉加热丝的负载要求,线圈的承受电压AC:
6~380V,DC:
5~220V,供电子设备、通讯设备、电子计算机控制设备、自动化控制装置等动作切换电路及扩大控制范围使用。
HH52P继电器和配套的底座
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