机械毕业设计应用PLC的恒温箱控制系统设计.docx
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机械毕业设计应用PLC的恒温箱控制系统设计
毕业设计(论文)中文摘要
应用PLC的恒温箱控制系统设计
摘要:
PLC的恒温箱控制系统应用了温度传感器,流量传感器,液位传感器。
通过拨码开关输入设定温度。
设定温度与所测温度进行比较,通过PLC的控制使恒温箱温度恒定。
恒温控制系统要求控制恒温箱水温在20—80℃之间的某设定数值。
当水温低于设定值时,采用电加热升温。
当水温高于设定值时,放出部分热水,启动冷却风扇使水流经冷却器向恒温箱供水。
本系统以PLC控制器为核心,设计控制系统的硬件电路和软件程序,完成要求的控制任务。
本系统设计还对PLC特殊功能扩展模块和BCD译码器做了简单介绍。
关键词:
PLC;恒温箱;传感器
毕业设计(论文)外文摘要
UsingPLCthermostatcontrolsystemdesign
Abstract:
ThePLCthermostatcontrolsystemhasappliedthetemperaturesensor,theflowsensor,thefluidpositionsensor.Throughdialsthecodeswitchinginputhypothesistemperature.Thehypothesistemperaturewithmeasuredthatthetemperaturecarriesonthecomparison,causesthethermostattemperaturethroughthePLCcontroltobeconstant.Constanttemperaturecontrolsystemrequestcontrolthermostatwatertemperaturein20-80℃betweensomehypothesisvalue.Whenthewatertemperatureislowerthanthesettingvalue,usestheelectricheatingelevationoftemperature.Whenthewatertemperatureishigherthanthesettingvalue,emitsthepartialhotwater,thestartcoolingfancausesthecurrentofwaterafterthechillertothethermostatwatersupply.ThissystemtakethePLCcontrollerasthecore,designingcontrolsystem'shardwarecircuitandthesoftwareroutine,completestherequestthecontrolduty.ThissystemdesignalsohasmadethesimpleintroductiontothePLCspecialfunctionexpansionmoduleandtheBCDdecoder.
Keywords:
PLC;Thermostat;Sensor
1绪论………………………………………………………………………………1
2FX2N系列PLC…………………………………………………………………3
3FX2N-4AD模块介绍…………………………………………………………4
3.1通道选择…………………………………………………………………………4
3.2程序实例…………………………………………………………………………6
4传感器简介……………………………………………………………………7
4.1热电偶传感器应用………………………………………………………………9
4.2叶轮式流量传感器……………………………………………………………10
4.3光电开关………………………………………………………………………11
5BCD译码器……………………………………………………………………15
6搅拌部分………………………………………………………………………16
6.1搅拌过程分类…………………………………………………………………16
6.2搅拌桨叶分类…………………………………………………………………17
6.3流体搅拌基本原理及参数……………………………………………………18
7冷却器简介……………………………………………………………………18
8程序设计………………………………………………………………………19
8.1恒温箱的工艺过程及控制要求………………………………………………19
8.2控制方案分析……………………………………………………………………20
8.3系统的配置………………………………………………………………………20
8.4主要控制程序说明……………………………………………………………21
8.5恒温箱控制总梯形图…………………………………………………………25
8.6恒温箱控制语句表……………………………………………………………32
结论…………………………………………………………………………………38
致谢…………………………………………………………………………………39
参考文献……………………………………………………………………………40
1绪论
可编程控制器简称PC(英文全称:
ProgrammableController),它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC(英文全称:
ProgrammableLogicController)和可编程序控制器PC几个不同时期。
为与个人计算机(PC)相区别,现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。
1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
“PLC是一种专门为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该按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。
”
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。
开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
模拟量控制
在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。
运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
数据处理
现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
2FX2N系列PLC
FX2N系列是FX家族中功能最强、速度最高的微型PLC。
它的基本指令执行时间高达0.08s。
内置的用户存储器为8K步,最大可以扩展到256个I/O点,有多种特殊功能模块和功能扩展板,可以实现多轴定位控制。
机内有时钟,PID指令用于模拟量闭环控制。
有功能很强的数学指令集,例如浮点数运算、开平方和三角函数等。
每个FX2N基本单元可以扩展8个特殊单元。
FX2N系列PLC具有丰富的元件资源,有3072点辅助继电器。
提供了多种特殊功能模块,可实现过程控制位置控制。
有多种RS—232C/RS—422/RS—485串行通信模块或功能扩展板支持网络通信。
基本单元是构成PLC系统的核心部件,内有CPU、存储器、I/O模块、通信接口和扩展接口等。
FX2N基本单位有16/32/48/64/80/128点,六个基本FX2N单元中的每一个单元都可以通过I/O扩展单元扩充为256I/O点,其基本单元如表所示。
表2-1FX2N基本单元(继电器输出)
继电器输出
输入
点数
输出点数
扩展模块可用点数
FX2n-16MR-001
8
8
24~32
FX2n-32MR-001
16
16
24~32
FX2n-48MR-001
24
24
48~64
FX2n-64MR-001
32
32
48~64
FX2n-80MR-001
40
40
48~64
FX2n-128MR-001
64
64
48~64
表2-2FX2N基本单元(可控硅输出)
可控硅输出
输入
点数
输出点数
扩展模块可用点数
FX2n-16MS
8
8
24~32
FX2n-32MS
16
16
24~32
FX2n-48MS
24
24
48~64
FX2n-64MS
32
32
48~64
FX2n-80MS
40
40
48~64
表2-3FX2N基本单元(晶体管输出)
晶体管输出
输入点数
输出点数
扩展模块可用点数
FX2n-16MT
8
8
24~32
FX2n-32MT
16
16
24~32
FX2n-48MT
24
24
48~64
FX2n-64MT
32
32
48~64
FX2n-80MT
40
40
48~64
FX2n-128MT
64
64
48~64
本设计中用到的是FX2N-60MTPLC一台,配合FX2N-4AD一台及FX2N-2DA一台构成控制系统。
FX2N-60MTPLC中数字及字母的含义如下:
60:
60个输入输出触点。
M:
单元类型为基本单元。
T:
(输出形式)晶体管输出(无触点直流负载用)。
MT后面没有符号表示电源和输入输出类型等特性为AC100/200V电源,DC24V输入(内部供电)。
3FX2N-4AD模块介绍
本系统使用了FX2N-4AD和FX2N-2DA特殊功能模块。
这里只对FX2N-4AD模块做主要介绍。
FX2N-4AD是一种具有4输入通道、接受模拟信号并将其转化为数字量的(A/D)模块,它可以接受的模拟量范围为电压DC-10-+10V(分辨率为5mV)、电流+4-+20mA、-20-+20mA(分辨率为20μA)。
它占用FX2N扩展总线的8个点,这8个点可以分配成输入或输出。
它与主单元FX2N之间是通过缓冲存储器交换数据的。
FX2N-4AD共有32个缓冲存储器,每个16位。
3.1通道的选择
FX2N-4AD要选择通道,对通道进行初始化。
初始化由缓冲器BFM#0中4位十六进制数字H□□□□控制,从右到左第1位字符控制通道1(CH1),而第4位字符控制通道4等。
字符的意义如下:
□=0,预设电压输入(-10-+10V);
□=1,预设电流输入(-20-+20mA);
□=2,预设电流输入(+4-+20mA);
□=3,通道关闭,OFF。
例如H3310,其意义为选择第一通道(CH1)做电压输入(-10-+10V),选择第2通道(CH2)为电流输入(+4-+20mA),选择第3通道(CH3)及选择第4通道(CH4)关闭。
FX2N-4AD的输入电流、电压与输出数字之间的关系如下图所示。
图a对应于电压输入(-10-+10V),其数字输出为(-2000-+2000);图b对应于电流输入(-20-+20mA),其数字输出为(-1000-+1000);图c对应于电流输入(+4-+20mA),其数字输出为(0-+1000)。
a)预设0(-10-+10V)b)预设1(+4-+20mA)
c)预设2(-20-+20mA)
3.2程序实例
如将FX2N-4AD模块连接在特殊功能模块的0号(K0)位置,编程如下图3.2。
图中第1行是读出FX2N-4AD的识别码,它的识别码为K2010,放在BFM#30中。
执TO指令,将放在0号位置的特殊功能模块的BFM#30的内容写到D4中去。
执行CMP指令;当K2010与FX2N-4AD的识别码相同时,M1置1.下一行,执行第一个TO指令,对通道进行初始化,将H3300写入到得BFM#0,建立模拟通道CH1及CH2。
执行第二个TO指令,将K4写入BFM#1及#2,将CH1和CH2的平均采样设为4。
执行FROM指令,将FX2N-4AD的操作状态由BFM#29中读出。
并输入到FX2N-4AD的K4M10。
当BFM#29的b0为OFF,表示无错,当b10为OFF,表示数字输入值正常。
如果FX2N-4AD没有错误,将BFM#5和#6采样内容的平均值读入到FX2N主单元的D0、D1中去。
图3.2FX2N-4AD使用实例
4传感器简介
在本设计中用到了温度传感器、液位传感器、流量传感器,所以在此对传感器做简要介绍。
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,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。
传感器的分类
目前对传感器尚无一个统一的分类方法,但比较常用的有如下三种:
1、按传感器的物理量分类,可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器
2、按传感器工作原理分类,可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。
3、按传感器输出信号的性质分类,可分为:
输出为开关量(“1”和"0”或“开”和“关”)的开关型传感器;输出为模拟型传感器;输出为脉冲或代码的数字型传感器。
传感器的静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号,传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关,所以它们之间的关系,即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程,或以输入量作横坐标,把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有:
线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
传感器的动态特性
所谓动态特性,是指传感器在输入变化时,它的输出的特性。
在实际工作中,传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得,并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系,往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种,所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
传感器的线性度
通常情况下,传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中,为使仪表具有均匀刻度的读数,常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。
如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线,此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
传感器的灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
它是输出一输入特性曲线的斜率。
如果传感器的输出和输入之间显线性关系,则灵敏度S是一个常数。
否则,它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。
例如,某位移传感器,在位移变化1mm时,输出电压变化为200mV,则其灵敏度应表示为200mV/mm。
当传感器的输出、输入量的量纲相同时,灵敏度可理解为放大倍数。
提高灵敏度,可得到较高的测量精度。
但灵敏度愈高,测量范围愈窄,稳定性也往往愈差。
传感器的分辨力
分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。
也就是说,如果输入量从某一非零值缓慢地变化。
当输入变化值未超过某一数值时,传感器的输出不会发生变化,即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。
只有当输入量的变化超过分辨力时,其输出才会发生变化。
通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同,因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。
上述指标若用满量程的百分比表示,则称为分辨率。
电阻式传感器
电阻式传感器是将被测量,如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。
主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。
电阻应变式传感器
传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应,即在外力作用下产生机械形变,从而使电阻值随之发生相应的变化。
电阻应变片主要有金属和半导体两类,金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。
半导体应变片具有灵敏度高(通常是丝式、箔式的几十倍)、横向效应小等优点。
压阻式传感器
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。
其基片可直接作为测量传感元件,扩散电阻在基片内接成电桥形式。
当基片受到外力作用而产生形变时,各电阻值将发生变化,电桥就会产生相应的不平衡输出。
用作压阻式传感器的基片(或称膜片)材料主要为硅片和锗片,硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视,尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
热电阻传感器
热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。
在温度检测精度要求比较高的场合,这种传感器比较适用。
目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等,它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。
用于测量-200℃~+500℃范围内的温度。
传感器的迟滞特性
迟滞特性表征传感器在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度,通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。
迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。
4.1热电偶传感器应用
4.1.1温度传感器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A和B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。
温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。
4.1.2温度传感器热电偶的种类及结构形成
常用温度传感器热电偶可分为标准温度传感器热电偶和非标准温度传感器热电偶两大类。
所调用标准温度传感器热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的温度传感器热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化温度传感器热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化温度传感器热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。
标准化温度传感器热电偶我国从1988年1月1日起,温度传感器热电偶和温度传感器热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化温度传感器热电偶为我国统一设计型温度传感器热电偶。
温度传感器热电偶的结构形式为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求如下:
①组成温度传感器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补偿导线与温度传感器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。
4.1.3温度传感器热电偶冷端的温度补偿
由于温度传感器热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时),而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的冷端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到仪表端子上。
必须指出,温度传感器热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使温度传感器热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。
因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
在使用温度传感器热电偶补偿导线时必须注意型号相配,极性不能接错,补偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100℃。
4.2叶轮式流量传感器
叶轮式流量计是应用流体动量矩原理测量流量的装置。
叶轮的旋转角速度与流量成线形关系,测得旋转角速度就可测得流量值。
常用水表、煤气表均是按照这种原理工作的流量计。
我国目前市场上供应的水表,流量测定范围3-1400m3/h,最大累计流量指示值达108m3。
常用的叶轮式流量计有切线叶轮式流量计,轴流叶轮式流量计,子母式流量计等类型。
在恒温箱控制系统中用到的流量传感器为叶轮式流量传感器。
4.2叶轮式微流量传感器图
该叶轮式流量传感器是利用电容的变化来进行流量检测的非热式微流量传感器,其工艺结构如上图所示。
利用MEM技术将硅片制成可围绕转子进行转动的叶轮,作为电容的上下电极,在玻璃板上蒸发的金属作为电容的下电极,形状与叶轮相对应。
其工作原理是利用流体造成叶轮转动,流量的大小直接影响到叶轮的转动速度,当转速和流量大小之间的对应关系确定后,如果能检测出转速就能反映流量的大小。
而转速的测量则是运用了传感器结构中电容的变化。
作为上电极的叶轮转动时,下电极时钟不动,因此相对面积发生改变,在间距、介质材料都不变的情况下,电容跟着变,转的越快,检测电容变化越快。
因此转速与电容的变化率之间有了一定得对应关系。
检测电路设计中主要考虑电容的变化引起电路相应
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