PLC温度控制说明书Word格式.docx

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[三]、软件系统………………………………………………………………第22页

1、对A/D模块进行定义编程……………………………………………第22页

2、控制系统程序实现……………………………………………………第22页

[四]、系统调试………………………………………………………………第22页

1、硬件部分………………………………………………………………第22页

2、软件部分………………………………………………………………第22页

参考文献………………………………………………………………………第23页

心得体会：

……………………………………………………………………第24页

附图

一、绪论

一、本课题来源及研究的目的和意义

随着工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来越高。

每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。

然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有的时候这种滞后相差几十年。

这是目前控制界所面临的最大问题，究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用。

因而，在目前尚不具有在实验室中重现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的且具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转换为实际应用技术的捷径。

在工业生产自动控制中，为了生产安全或为了保证产品质量，对于温度、压力、流量、成分、速度等一些重要的被控参数，通常需要进行自动监测，并根据监测结果进行相应的控制。

在自动监测系统中，常常设有上下限检查、报警及自动处理系统，以提醒操作人员注意，必要时采取紧急措施。

作为电气专业的学生，对电气控制技术子、自动控制理论的熟练掌握是十分必要的。

温度是工业生产对象中主要的被控参数之一，本课题通过基于PLC的多路温度自动控制装置的设计及制作，使学生树立工程的观点，系统地掌握实用自动控制系统的一般设计步骤，并在分析、计算和解决实际问题的能力等方面得到训练，为以后从事相关设计、调试和安装工作奠定必要的理论和实践基础。

二、国内外PLC在温度控制中的发展状况及发展趋势

（1）PLC在国内外发展情况

限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。

20世纪70年代初出现了微处理器。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30～40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；

我国对PLC的研制和应用起步比较晚，但是发展速度很快，如宝钢一期工程整个生产线上就使用了数百台PLC，二期工程使用的PLC数量更多。

据有关资料介绍，东风汽车公司装备系统已顺利完成对老设备的更新改造，全面采用PLC，病取得了明显的经济效益。

广州第二电梯厂已把PLC成功的应用于技术要求复杂的高层电梯控制上。

我国对PLC技术的研究和应用与美、日、德、法等工业发达国家相比还有较大差距，但潜在市场广阔。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。

最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。

接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。

目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。

上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。

此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。

。

21世纪，PLC会有更大的发展。

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；

从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；

从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；

从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；

从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。

伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

（2）PLC在温度检测与控制中的应用的国内外发展情况

我国水箱温度控制是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的。

国外对水箱温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。

先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。

80年代末出现了分布式控制系统。

目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。

现在世界各国的水箱温度控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化。

在国内，随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制水箱温度。

控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。

先编制出最适环境条件程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，电子计算机根据程序表确认、修正参数，并给终端控制系统指令。

终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现水箱温度调节。

该系统可自动控制加热、降温、通风。

根据需要，通过编程器将温度信息输入控制中心，根据情况可随时调节自动化控制系统在大型水箱的利用。

二、课题研究内容

[一]、总体方案设计

1、基本要求

课题研究内容是实现对水箱温度的控制。

其基本要求是：

通过传感器检测水箱温度，将检测到的信号通过一定的转换电路和接口设备送给中央处理器进行集中处理，并按照控制要求驱动控制设备去对水箱温度条件进行反馈控制。

其实现流程为：

2、方案对比

要实现上述控制要求，一般实现的控制方法是：

利用PLC进行集中控制或利用单片机进行集中控制.

（

）PLC进行控制

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。

其优点是：

可靠性高，抗干扰能力强；

配套齐全，功能完善，适用性强；

易学易用，深受工程技术人员欢迎；

系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；

体积小，重量轻，能耗低。

特别是它易学易用，编程语言图文并茂，十分容易得到大众化的推广使用。

其不足就是价格相对单片机来说偏高，一般在一千元以上。

）单片机控制

高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位,一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。

单片机生产出来后，其功能一般是固定了的。

因为要对其芯片进行重新编程，其编程器——PC机，价格也不低，而切，其编程语言——汇编语言抽象程度高，不易为一般工作人员所能接受。

上述两种方案，各有其优点，哪一种都有其实际应用价值。

3、方案确定

通过方案对比，我选择了其一——用PLC进行控制。

基于测试系统的综合要求，在本次设计中选择热电阻作为传感器的温度检测元件（其选择理由将会在后面硬件设备的选择里做陈述）。

故本课题的测试系统是用热电阻阻值的变化反映检测现场温度的变化，通过电桥电路将温度相对于热点阻电阻值的变化转变为电压的变化，电桥输出的电压信号很小（为毫伏级），经过放大器放大后，送给A/D转换器（进行模数转换），再将数字信号送给PLC进行可编程控制，通过外围设备实施对检测温度的反馈控制。

其实现流程为：

整个设计过程中主要是对热电阻进行选择、设计将热点阻阻值变化转为电压信号的电桥电路、放大器放大倍数的选择并设计其放大电路、对PLC进行可编程控制。

[二]、硬件设备的选择

1、传感器的选择

本研究课题涉及对温度信号的采集，需要我们选择一个合适的温度传感器。

温度传感器我们可以用热电阻或热电偶构建电路，检测信号方便，经济。

）、热电阻的应用及原理

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

其中铂电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

1、热电阻测温原理及材料

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。

2、热电阻的结构

（1）、精通型热电阻

从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。

为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制

（2）、铠装热电阻

铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。

与普通型热电阻相比，它有下列优点：

①体积小，内部无空气隙，热惯性小，测量滞后小；

②机械性能好、耐振，抗冲击；

③能弯曲，便于安装④使用寿命长。

（3）、端面热电阻

端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。

它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

（4）、隔爆型热电阻

隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。

隔爆型热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

3、热电阻测温系统的组成

热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。

必须注意以下两点：

（1）、热电阻和显示仪表的分度号必须一致

（2）、为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法

）、热电偶测温的应用原理

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。

（1）、测量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

（2）、测量范围广。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热

电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

（3）、构造简单，使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且

受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

1、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的两个连接点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定大小的电流,这种现象称为热电效应。

热电偶就是利用这一效应来工作的。

2、热电偶的种类及结构形成

（1）、热电偶的种类

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

所调用标准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热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。

非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

标准化热电偶

我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

（2）、热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

①组成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。

3、热电偶冷端的温度补偿

由于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，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使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，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

）、各种温度传感器的测量范围和优缺点

1、热电阻

（1）、PT100型热电阻：

铂电阻

温度范围-200～850℃

金属铂材料的优点是化学稳定性好、能耐高温，容易制得纯铂，又因其电阻率p（Ω·

mm2／m）大，可用较少材料制成电阻，此外其测温范围大。

它的缺点是：

在还原介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所沾污，使铂丝变脆，并改变电阻与温度之间的关系。

（2）、CU50型热电阻：

铜电阻

温度范围-50～150℃

铜热电阻的价格便宜，线件度好，工业上在-50--+150℃范围内使用较多。

铜热电阻怕潮湿，易被腐蚀，熔点亦低

2、热电偶

（1）、S型热电偶：

铂铑10-铂热电偶温度范围0～1600℃旧分度号LB-3

优点

1.耐热性、安定性、再现性良好及较优越的精确度。

3.耐氧化、耐腐浊性良好

3.可以做为标准使用。

缺点

1.热电动势值小。

2.在还元性气体环境较脆弱。

（特别是氢、金属蒸气）

3.补偿导线误差大。

4.价格高昂。

（2、）R型热电偶：

铂铑13-铂热电偶温度范围0～1600℃

2.耐氧化、耐腐浊性良好

（3）、B型热电偶：

铂铑30-铂铑6热电偶温度范围600～1800℃旧分度号LL-2

自由端在0～50℃内可以不用补偿导线

1.适用1000℃以上至1800℃。

2.在常温环境下热电动势非常小，不需补偿导线

3.耐氧化、耐腐浊性良好。

4.耐热性与机械强度较R型优良。

1.在中低温域之热电动势极小，600℃以下测定温度不准确。

2.热电动势值小。

3.热电动势之直线性不佳。

（4）、K型热电偶：

镍铬-镍硅热电偶镍铬-镍铝热电偶

温度范围-200～1300℃

1.热电动势之直线性良好

2.1000℃以下耐氧化性良好。

3.在金属热电偶中安定性属良好。

1.不适用于还元性气体环境，特别是一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体。

2.热电动势与贵金属热电偶相比较经时变化较大。

3.受短范围排序之影响会产生误差。

（5）、N型热电偶：

镍铬硅--镍硅热电偶温度范围-270～1300℃

1.热电动势之直线性良好。

2.1200℃以下耐氧化性良好。

3.为K型之改良型，受GreenRot之影响较小，耐热温度较K型高。

1.不适用于还元性气体环境

（6）、E型热电偶：

镍铬硅--康铜热电偶温度范围-270～1000℃

1.现有热电偶中感度最佳者

2.与J热电偶相比耐热性良好。

3.两脚不具磁性。

4.适于氧化性气体环境。

5.价格低廉

2.稍具履历现象。

（7）、J型热电偶：

铁--康铜热电偶温度范围-210～1200℃

1.可使用于还元性气体环境

2.热电动势较K热电偶大20%。

3.价格较便宜，适用于中温区域。

1.（＋）脚易生锈。

2.再现性不佳

（8）、T型热电偶：

铜--康铜热电偶温度范围-270～400℃

2.低温之特性良好

3.再现性良好、高精度。

4.可使用于还元性气体环境。

1.使用温度限度低。

2.（＋）脚之铜易氧化。

3.热传导误差大。

热电偶自由端温度为0℃由热电偶测温原理知道，只今当热电偶冷端温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单位函数。

在实际应用时，由于热电偶的冷端离热端很近，冷瑞又暴露在空间，容易受到周围环境温度变化的影响，因而冷端温度难以保持恒定。

为此必须进行冷端温度补偿处理。

）、温度传感器型号确定

综合上述所列工作条件、热电阻与热电偶的优缺点对比，并考虑到本课题所研究的控制对象——水箱的温度（空气湿度较高）及我院现有的实验条件，我选择了PT100型热电阻。

热电阻和热电偶相比，热电偶需要补偿导线但热电阻却不需要，热电偶冷端容易受到周围环境温度变化的影响的因素对热电阻来说不存在，而且热电阻比热电偶便宜。

再说金属铂材料化学稳定性好、能耐高温，容易制得纯铂，其电阻率p（Ω·

mm2／m）大，可用较少材料制成电阻，而且R0在100Ω和50Ω条件下，是我国制成相应分度表的标准。

）、温度传感器的输出电压信号

1、热电阻电桥电路信号输出图：

2、电桥电路输出电压计算：

铂电阻：

0～630.74℃时Rt=R0（1+At+Bt²

）

-190～0℃时Rt=R0[1+At+Bt²

+C（t-100）t³

]

R0=100Ω（铂电阻Pt100=0℃时的电阻为100Ω）

A=3.968*

/℃

B=-5.847*

/℃

C=-4.22*

℃

Uab=

´

）（

=7.5V）

此设计主要是针对水箱内的温度控制，其控制范围在0～630.74℃内，所以我们选择公式：

Rt=R0（1+At+Bt²

将A、B值代入上式有：

Rt=100Ω*（1+3.968*

/℃*t—5.847*

/℃*t²

将Rt代入Uab=

），可得温度每升高1℃，输出电压为：

ΔUab=2.45mV/℃

2、放大器的选择

）、放大器简述

传感器+放大器+ADC+处理器是放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型的问题是传感器提供的电压或电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？

在此，必需要有一个放大器，对信号放大后才能送给ADC。

本课题涉及到对传感器微弱电压信号的放大，我们可以用三极管BJT作为放大元件，设计放大电路。

BJT的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。

为了保证这一过程，一方面要满足内部条件，即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小；

另一方面要满足外部条件，即发射结要正向偏置、集电结要反向偏置。

BJT内各个电流之间有确定的分配关系，所以只要输入电流给定了，输出电流和输出电压便基本确定了。

输入信号Δvi是首先通过发射结的电压变化改变输入电流IE的，再利用IE的变化去控制Ic,而表征BJT电流控制作用的参数就是电流放大系数α。

）、放大器参数选定

本设计我们选择BJT---3DG6为放大器件，查得参数3DG6在Q点的β=40，设计成射极偏置电路，使在温度变化时，使Ic近似维持恒定。

即：

（1）、针对ICBD影响，要设法使基极电流随温度的升高而自动减小；

（2）、针对VBE影响，要设法使发射结的外加电压随温度的升高而自动减小；

图示射极偏置电路可实现上面两点要求。

射极偏置电路图

当Vi=0时，此时iB=IB,ic=Ic,iE=IE,i1=I1，电路稳定工作点的物理过程为：

利用Rb1和Rb2组成的分压器以固定基极电位，如果I1>

>

IB,（I1是流经Rb1和Rb2的电流），就可近似的认为基极电位VB=Rb2*Vcc/（Rb1+Bb2）,在此条件下，当温度上升时，Ic（IE）将增加，由于IE的增加，在Re上产生的压降IE*RE也要增加，IE*RE的增加部分回送到基极-发射极回路去控制VBE,使外加于管子的VBE减小，由于VB