多通道温湿度 开放性实验.docx
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多通道温湿度开放性实验
山东交通学院
基于PLC多通道温湿度监控装置
的开放性实验
院（部）别信息科学与电气工程学院
班级电升122
学号120817216
姓名狄东照
指导教师韩耀振
多通道温湿度控制系统
一、设计要求
通过传感器采集温湿度数值，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，具体要求如下：
1）、要保证显示精度。
2）、当某一路电压值大于2V时，LED闪烁显示，以示报警。
3）、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。
4）、电动机应能单独手动控制启停。
二、硬件设计
图1-1工作原理
1、PLC200
1）、S7-200的工作过程
图1-2S7-200的工作过程
S7-200在扫描循环中完成一系列任务。
任务循环执行一次称为一个扫描周期。
S7-200的工作过程如图4所示。
在一个扫描周期中，S7-200主要执行下列五个部分的操
（1）读输入：
S7-200从输入单元读取输入状态，并存入输入映像寄存器中。
（2）执行程序：
CPU根据这些输入信号控制相应逻辑，当程序执行时刷新相关数据。
程序执行后，S7-200将程序逻辑结果写到输出映像寄存器中。
（3）处理通讯请求：
S7-200执行通讯处理。
（4）执行CPU自诊断：
S7-200检查固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常
（5）写输出：
在程序结束时，S7-200将数据从输出映像寄存器中写入把输出锁存器，最后复制到物理输出点，驱动外部负载。
2）、S7-200CPU的工作模式
S7-200有两种操作模式：
停止模式和运行模式。
CPU面板上的LED状态灯可以显示当前的操作模式。
在停止模式下，S7--200不执行程序，您可以下载程序和CPU组态。
在运行模式下，S7-200将运行程序。
S7-200提供一个方式开关来改变操作模式。
您可以用方式开关（位于S7-200前盖下面）手动选择操作模式：
当方式开关拨在停止模式，停止程序执行；当方式开关拨在运行模式，启动程序的执行；也可以将方式开关拨在TERM（终端）模式，允许通过编程软件来切换CPU的工作模式，即停止模式或运行模式。
如果方式开关打在STOP或者TERM模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会自动进入STOP模式。
如果方式开关打在RUN模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会进入RUN模式。
3）、S7-200CPU22X的输入/输出接口
S7-200主机配置的输入接口是数字信号输入接口。
为了提高抗干扰能力，输入接口均有光电隔离电路，即由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器。
S7-200主机配置的输出接口通常是继电器和晶体管输出型。
继电器输出型为有触点输出，外加负载电源既可以是交流，也可以是直流。
CPU226AC/DC/继电器输出的外围接线图如下图：
图1-3CPU外围接线
4）、S7-200CPU的扩展模块
当主机的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，通常要进行I/O的扩展。
I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。
不同的CPU有不同的扩展规范，它主要受CPU的寻址能力限制。
在使用时可参考西门子S7-200的系统手册。
（1）数字量I/O扩展模块
常用的数字量输入／输出扩展模块有三类，即输入扩展模块、输出扩展模块、输入/输出扩展模块。
S7-200系列PLC数字量I/O扩展模块如表1-1所列。
表1-1S7-200系列PLC数字量I/O扩展模块
类型
型号
输入点数／类型
输出点数／类型
输入扩展模块
EM221
8输入/24VDC光电隔离
EM221
8输入/120/230VAC
输出扩展模块
EM222
8输出/24VDC晶体管型
EM222
8输出/继电器型
EM222
8输出/120/230VAC晶闸管型
输入／输出
扩展模块
EM223
4输入/24VDC光电隔离
4输出/24VDC晶体管型
EM223
4输入/24VDC光电隔离
4输出/继电器型、
EM223
8输入/24VDC光电隔离
8输出/24VDC晶体管型
EM223
8输入/24VDC光电隔离
8输出/继电器型
EM223
16输入/24VDC光电隔离
16输出/24VDC晶体管型
EM223
16输/2入4VDC光电隔离
16输出/继电器型
2、EM235
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1-4：
图1-4扩展模块接线
图1-4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：
表1-2EM235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。
表1-3
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：
表1-4
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1-5数据值在CPU的模拟量输入字中的位置
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1-6给出了12位数据值在CPU的模拟量输出字中的位置：
图1-6数据值在CPU的模拟量输出字中的位置
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。
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1-7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1-7
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）
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
3、温湿度传感器
SHR01-233K特点：
湿敏电阻（湿敏传感器）是在导电半导体陶瓷基片上涂履一层高分子感湿膜，与空气中相对湿度变化导致电阻值系数变化原理。
应用于数字式温湿度表、电子温湿度计、加湿机、抽湿机、空调、气象测量场合。
优点：
具有良好的灵敏感应特性、防水性、稳定性、高精度、低飘移。
参数：
表1-5
供应电压
1VAC（50HZ-2KHZ）
湿度测试范围
10%--95%RH
湿度精度
±5%RH（20%--90%）
湿度一致性
±3%RH（20%--90%）
使用温度范围
0--80℃（耐温120℃）
储存环境
10--40℃、20%--60%RH
阻抗值
23KΩ（60%RH,25℃）
阻抗值范围
15—28KΩ
响应时间
≤12S
湿度飘移（年）
±2%RH
湿滞
±1.5%RH
4、硬件抗干扰
（1）来自空间的辐射干干扰
空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。
若PLC系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：
一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；而是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。
辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。
（2）来自系统外引线的干扰
主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。
这种干扰在我国工业现场较严重。
a）来自电源的干扰
PLC系统的正常供电电源均由电网供电。
由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。
尤其是电网内部的变化，入开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。
PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。
实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。
b）来自信号线引入的干扰
与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。
此干扰主要有两种途径：
一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。
由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。
对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。
PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。
c）来自接地系统混乱时的干扰
接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。
正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。
PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。
接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。
例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。
此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。
若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。
PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。
模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。
（3）来自PLC系统内部的干扰
主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。
这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。
硬件滤波及软件抗干扰措施
由于电磁干扰的复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。
常用的一些措施：
数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。
信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。
对干较低信噪比的模拟量信号．常因现场瞬时干扰而产生较大波动，若仅用瞬时采样植进行控制计算会产生较大误差，为此可采用数字滤波方法。
现场模拟量信号经A／D转换后变成离散的数字信号，然后将形成的数据按时间序列存入PLC内存。
再利用数字滤波程序对其进行处理，滤去噪声部分获得单纯信号，可对输入信号用m次采样值的平均值来代替当前值，但井不是通常的每采样。
次求一次平均值，而是每采样一次就与最近的m－l次历史采样值相加，此方法反应速度快，具有很好的实时性，输入信号经过处理后用干信号显示或回路调节，有效地抑制了噪声干扰。
由干工业环境恶劣，干扰信号较多，I／O信号传送距离较长，常常会使传送的信号有误。
为提高系统运行的可靠性，使PLC在信号出错倩况下能及时发现错误，并能排除错误的影响继续工作，在程序编制中可采用软件抗干扰技术。
3、软件设计
1、各端口分布
启动
停止
电机手动控制
第一路手动控制
第二路手动控制
第三路手动控制
小数点控制
LED闪烁
电机
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
Q1.0
Q3.1
Q3.0
2、设计梯形图
实验现象
在设计中遇到的问题：
1、在调试过程中看到PLC有相应的反应，但是在输出中得不到相应的现象
2、当再次运行时保留上次运行的结果
3、在第一次运行时可以正常运行，当停止再次启动时数码管不能点亮
解决方法：
1、调换其它的输出接口
2、在梯形图的开始处加入清零指令
3、在网络4加入了I0.0再次点亮数码管
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