基于PLC的太阳能水温控制装置软件设计 精品.docx

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基于PLC的太阳能水温控制装置软件设计精品

华南农业大学珠江学院

毕业论文（设计）

基于PLC的太阳能水温控制装置

（软件设计）

指导教师：

系：

信息工程系年级专业：

提交日期：

答辩日期：

答辩委员会主席（签名）：

评阅人（签名）：

年月日

摘要

太阳能是一种清洁能源，太阳能热水器在生活中越来越受欢迎，也是我国太阳能利用装置中应用最广泛、产业发展最迅速的太阳能产品。

可编程控制器（PLC），具有自动化程度高、实时性好、I/O口模块丰富、运行稳定、精度高、容易控制等特点，在工业自动化中经常用到。

本设计是基于日本三菱公司PLC（FX2N-32MR）的太阳能水温控制，设计中给出了设计方案和相对应的模块处理，有温度控制，液位控制等模块的硬件设计分析方案、软件设计方案、组态联合设计方案等。

采用GXDeveloper进行软件设计，如温度液位PID算法的分析，运用组态王KingView6.55与PLC等硬件进行联合，通过组态的界面进行仿真和监控。

关键词：

PLC；温度控制；液位控制；PID；组态

Abstract

Solarenergyisacleanenergy,thewaterheaterbythesolarisbecomemoreandmorepopularinourlife,itisalsomostwidelyusedinourcountrythatsolarenergyutilization,andtheindustryofdevelopthesolarenergyproductsisbecomemorerapid.Programmablelogiccontronller（PLC）,hasthecharacteristicsofhighdegreeofautomation,goodreal-timeperformance,I/Oportmoduleisrich,stableoperation,highprecision,easytocontrol,oftenusedinindustrialautomation.

ThisdesignistheMitsubishiCoofJapanbasedeonPLC（FX2N-32MR）solarwatertemperaturecontrol.thedesignschemeisgivenandthecorrespondingprocessingmodule,temperaturecontrol,analysisscheme,sofewaredesign,configurationanddesignschemeofhardwaredesignlevelcontrolmodule.UsingGXDevelopertodesignsofeware,suchastemperaturelevelanalysisofPIDalgorithm.usingtheKingView6.55configurationsofewareandharewaresuchasPLCjoint,simulationandmonitoringthroughtheconfigurationinterface.

Keywords:

PLC;temperaturecontrol;levelcontrol;PID;configuration

设计说明

本毕业设计是基于PLC的太阳能水温控制装置系统的设计。

根据设计任务书的要求，设计对一台经济简便的小型的太阳能水温控制装置，编制可以用于本科生《自动控制原理》、《检测技术》和《过程控制》等课程的检测、建模或简单控制系统实验的PLC梯形图测控、通信软件以及上位机的组态王显示软件。

本设计主要有两大部分，分别为硬件部分和软件部分。

本人负责PLC梯形图测控和上位机的组态王软件显示。

本设计的主要内容：

基于PLC的液位控制系统，能够控制水位容器的液位高度在某个允许的温度误差里波动并维持一开始设定的液位高度。

具体内容：

（1）熟悉GXDeveloper的操作与运用，进行梯形图的设计；

（2）熟悉组态王6.53的基本要求，进行界面模型的建立；

（3）组态王与PLC之间的通信连接；

（4）进行实验系统软件部分的调试；

（5）配合硬件的整体联合调试。

关键词：

PLC梯形图测控；组态王软件显示；GXDeveloper；梯形图的设计

1前言

随着中国经济的快速发展，人们的生活质量在不断提升，对能源的需求越来越大。

然而当前的常规能源日趋紧缺，并且价格不断攀升。

太阳能作为无污染可再生能源，它的利用越来越受到重视，太阳集热工程以其独特的节能及环保优势越来越广泛地被人们所认可。

太阳能热水器是我国太阳能利用装置中应用最广泛、产业发展最迅速的太阳能产品。

可编逻辑程序控制器（ProgrammableLogicController）,简称PLC。

在科技高度发展的工业控制上，是一种在集电路和计算机技术基础上的一种新型的控制设备。

因具有可靠性高、实时性好、配置灵活、I/O模块丰富、安装便利的特点，目前在我国已广泛地应用于自动化控制的各个领域[1]。

可编程控制器的产生和继电器—接触器控制系统有很大的关系。

继电器—接触器控制已经有上百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的优点。

对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常实用，至今仍有广泛的用途。

但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。

1969年，第一台可编程控制器PDP—14由美国数字设备公司（DEC）制作成功，并在GM公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域内产生了历史性革命。

PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。

PLC进入九十年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领。

国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAC/CAM）种跃居首位。

我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、美国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等[2]。

国内太阳能热水器配套的控制器一直处于研究和开发阶段，市场出现的一些太阳能热水器配套的控制的性能还不是很稳定，容易产生误操作，在温度、水位检测、控制误差大、显示器有时会出现乱码、电辅助加热装置还不能够很好的配合及太阳能利用率低等[3]。

国外相对于国内太阳能热水器方面的研究和推广应用一直比较活跃，对热管材料、应用软件等做了比较多的技术研究，比较相对成熟的加热温度控制装备。

在工业生产中经常需要高稳定度的恒温环境,传统的模拟式仪表温度控制,以简单的PID来实现,此类仪表对环境条件和控制参数较敏感,较难达到理想的波动度,即使能达到要求的波动度时,也需要较长的过渡时间。

常规的PID调节具有结构简单,稳定性好,可靠性高,易于工程实现等优点,其主要问题是参数整定问题,一旦整定计算好后,在整个控制过程中都是固定不变的,而在实际系统中,由于系统状态和参数等发生变化,控制过程具有大滞后、非线性、时变性,采用常规PID控制较难获得最佳的控制效果。

PLC为核心的温度控制系统,采用了专家智能PID控制方法,利用专家系统知识库输出修正PID参数以及改变PID控制方式。

实践表明用PLC实现的智能PID控制,方法简单易行、适应性好、鲁棒性强。

本设计中采用三菱FX2N控制，组态王界面为控制界面；程序编写中主要的有针对PLC的A/D模块所采集的经过水箱温度进行判断，通过PID算法进行控制，采取太阳能加热；液位控制通过硬件不同水位的不同模拟信号进行，进行水位控制，再通过执行机器如水阀、电热棒辅助加热。

组态王与PLC链接，采用组态王的界面，形象的反应实际场景，通过数字字典定义，通过界面的动态数据形象的表示出来。

2太阳能热水器介绍

太阳能热水器的工作原理:

首先,太阳照射在真空集热管上,给集热器里边的水进行加热;接着集热器中的温度传感器T3与用户中的设定温度TN作比较,若存在偏差,就在热水箱控制,继续用电热棒加热,在通过热水箱的温度传感器T1来控制,最终达到用户的设定温度[4]。

如图2.1系统控制原理所示。

图2.1系统控制原理

注释:

①T1:

热水箱的温度传感器②T2:

循环水管中的温度传感器F1:

冷水阀④F3:

热水阀

3PLC与组态

3.1可编程控制器（PLC）简介

可编程控制器（ProgrammableLogicController,简称PLC,是一种在工业环境中经常用到的数字运算操作的电子系统，是在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。

它具有可以编程的存储器，能在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、运动控制、计数、定时、步进控制、模/数和数/模转换和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，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。

3.1.1PLC的特点

PLC的抗扰能力强、可靠性能高。

PLC主要模块都使用大规模或超大规模集成电路，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很强的抗干扰能力和很高的可靠性。

PLC的控制能力强。

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

PLC的配置灵活。

PLC在需要扩展中心单元的I/O口，可以随意的连接中心基本单元与扩展单元对系统进行扩展。

模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，如三菱公司的FX2N系列推出了不同点数的扩展单元和扩展模块、不同功能的特殊模块及各种软元件[5]。

体积小，重量轻，能耗低，以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

3.1.2PLC的结构

PLC由中央处理器（CPU）、存储器（memory）、输入输出（I/O）接口以及电源等组成的。

这里以三菱公司EX2N系列的PLC为例，如图3.1所示。

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

存储器（memory）有RAM（RandomAssessMemory）、EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）、EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）等类型。

具有存储读写的作用，存储器中的一位有两种状态：

0和1，通常0代表继电器失电，1代表继电器得电。

输入输出（I/O）接口是与外部控制电路联络的主要通道，采用了光电隔离、滤波等抗干扰措施，根据各种型号的输入输出接口模块，分为直流信号输入输出、交流信号输入输出；或者是数字量输入输出、模拟量输入输出[6]。

运行开关

锂电池

编程电缆

电源指示灯/运行指示灯/电池指示灯/出错指示灯