基于西门子plc系统超高精度温度检测方法及控制方法的研究生大学学位论文.docx
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基于西门子plc系统超高精度温度检测方法及控制方法的研究生大学学位论文
毕业设计（论文）说明书
系名信息工程系
专业自动化
年级2011级
姓名XXXX
指导教师XXXX
2015年5月8日
本科生毕业论文任务书
题目：
基于西门子PLC系统超高精度温度检测方法及控制方法的研究
学生姓名XXXX
系名信息工程系
专业自动化
学号6011202381
指导教师XXXX
职称高级工程师
天津大学仁爱学院本科生毕业设计（论文）开题报告
课题名称
基于西门子PLC系统超高精度温度检测方法及控制方法的研究
系名
信息工程系
专业
自动化
学生姓名
XXX
指导教师
XXX
一、高精度温控的来源及意义
温度的测量和控制可以优化人们的日常生活。
在工业生产中经常需要高稳定度的恒温环境，在生产实践和科学研究的诸多领域中，温度控制占有非常重要的地位。
尤其是在食品、工业、冶金、建材、温室、机械、石油等工农业生产中具有举足轻重的作用。
而温度控制是需要PLC来实现的。
可编程控制（ProgrammableLogicController，PLC）作为一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等优点，是目前广泛应用的控制装置之一。
PLC对温度的检测也具有十分良好的性能，利用其对数字的精确转换功能，即可得到较高精度的温度值。
随着电子及计算机技术的发展，PLC在温度控制系统中得到了大量广泛的运用。
二、温度控制的发展现状
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，日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都产生了一批商品化的、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。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十分广泛，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实际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，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。
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系统参数的自整定方面，还没开发性能可靠的自整定软件。
参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。
随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，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。
三、研究目标
1.恒温槽控制系统的整体设计，包括控制原理、加热\制冷执行机构的选型；
2.恒温槽控制器硬件电路和温度测量电路的原理设计与实现；
3.恒温槽控制算法的选择与改进；
4.控制系统相关的软件设计与编制，包括测温驱动程序、控制程序、通信程序、人机界面设计等。
四、研究内容
恒温槽系统的整体结构如图1所示，主要包括快速降温装置、快速加热器、微调加热器、半导体制冷片、温度测量装置以及搅拌装置。
图1系统结构示意图
程序中设定了手动操作和自动控制选择开关，在任意阶段都能够实现两者间的切换，实现了温度、压力的手、自动选择控制。
程序中有人工阶段选择开关，可以在任意阶段间跳转，从而避免了因操作人员操作偶尔失误而无法实现后继程序正常运行的情况。
图2温度控制过程程序流程图
五、研究方法与手段
1.充分得用互联网和图书馆的资料资源，对s7-200做一个充分的理论认识，并利用网络和相关书籍等，对其现在的发展情况、现有技术以及应用情况做详细的了解；
2.了解S7-200PLC的工作原理然后确定方案。
3.对方案的可行性进行分析，然后结合相关资料初步确定论文的实施方案。
4.根据已确定的方案，写出论文的初稿，并在指导老师的指导下，对初稿进行修改，最后做出论文。
六、进度安排
1、2014.12.07-2015.03.20查找资料，了解s7-200与高灵敏热电阻半导体制冷片等组件并完成开题报告。
2、2015.03.21-2015.04.09依照查找到的资料学习s7-200的工作原理。
3、2015.04.10-2015.04.25进行工作流程的设计、I/O地址分配、PLC编程。
4、2015.04.26-2015.05.09模拟与调试。
5、2015.05.10-2015.06.01撰写论文，准备答辩。
七、参考文献
[1]李国萍，基于PLC的温度控制系统设计.科技创新导报[J].2010（7）.
[2]孙静.基于西门子S7-200PLC的温度控制.通化师范学院学报.[J].2011（12）.
[3]饶仲球，刘旭辉，肖庆明.基于PLC的温度控制器的应用.科技资讯[J].2013（21）.
[4]廖常初.S7-200PLC编程及应用.机械工业出版社[M].2011
（2）.
[5]宋秀英，王伟．采用可编程控制器（PLC）的温度、湿度检测实验装置［J］．实验技术与管理，2005，10（22）:
72－75．
[6]王顺晃,舒迪前.智能控制系统及其应用[M].北京:
机械工业出版社,1995.
[7]CameronA.Intelligentknowledge-basedsystemforadaptivePID.
北京航空航天大学学报2001年controllertuning[J].,1986,27:
133～138.
[8]罗 安,路甬祥.专家PID控制器及应用[J].信息与控制,1992,21（3）:
151～155.
[10]张志强,王顺晃,舒迪前.一类新型的智能控制器及其在电加热炉中的应用[J].自动化学报,1994,20（5）:
622～627.
选题是否合适：
是□否□
课题能否实现：
能□不能□
指导教师（签字）
年月日
选题是否合适：
是□否□
课题能否实现：
能□不能□
审题小组组长（签字）
年月日
摘要
近几年，随着我国加入世贸组织，国内产品质量大大提高，这有赖于计量检测技术不断提高，计量检定校准仪器的口新月异。
但一些高精尖的计量检测仪器还依赖于进口。
标准恒温槽主要用于我国法定计量检测机构检定校准各类温度计，为其提供一个均匀稳定的温场。
在国内生产的标准恒温槽大多是使用温度仪表进行控温，需要技术人员进行每一步的操作，且控温精度较低、温场不够稳定。
而国外生产的标准恒温槽也大多使用温度仪表或智能温度表进行控温，没有使用精密温度控制与自动计量检测相结合的技术。
该项目的开发研究，将取代传统的单个仪表控制方式，使用编程自动计量检测技术，实现控温和检定过程全自动化，提高检测效率，减少测量结果不确定度。
该系统由槽体、均匀搅拌装置、高准确度温度控制系统和自动计量检测软件组成。
其中，精密温度控制系统和自动计量检测软件是本研发项目的核心，解决标准恒温槽的精密温度控制方案、编写PLC控制程序，实现温度采集与显示，实现了温度在线监测和控制。
本次课题设计为基于西门子PLC系统超高精度温度检测方法及控制方法的研究，课题研究对于精密温度控制系统、自动计量检测和标准恒温槽综合运用技术的发展有实际应用，对推动计量技术学科发展具有重要学术价值和实际意义。
关键词:
标准恒温槽;温度控制;自动计量;检测装置
ABSTRACT
Inrecentyears,alongwithChina'saccessiontotheWTO,thedomesticproductquality,thisdependsongreatlyimprovethemeasurementtechnique,measurementinstrumentcalibrationoftheday.Butsomeadvancedmeasuringinstrumentalsorelyonimports.
Mainlyusedforstandardthermostaticbathinlegalmeasuringinstitutionscalibrationofthethermometer,toprovideasmoothandsteadytemperaturefield.Indomesticproductionstandardtemperaturebathismostlyusedtocontroltemperature,temperatureinstrumentstotechnicalpersonneleverystepoftheoperation,andthetemperaturecontrolprecisionislower,temperaturefieldisinstable.Butforeignproductionstandardsaremostlyusetemperatureconstantbathonintelligenttemperaturecontrolinstrumentortemperature,withouttheuseofprecisiontemperaturecontrolandautomaticdetectioncombinationoftechnicalprogram.Theresearchanddevelopment,willreplacetraditionalsingleinstrumentationcontrolmode,useautomaticdetectiontechnology,realizingtheprogrammingprocessautomationcontroltemperature,improveefficiency.
Thissystemconsistsoftub,uniformstirringdevice,touchscreen,highprecision
temperaturecontrolsystemandtheautomaticdetectionsoftwareprogram.Amongthem,precisiontemperaturecontrolsystemandtheautomaticdetectionsoftwareprogramisthecoreoftheproject,theresearchonthestandardtemperaturetank,automatictemperaturecontrolprecisiontestingprocedures,touchscreenoperationinterfacesoftwaresolutionsandtouchscreencontrolsystemwiththedigitalcommunication.
Thisprojectis"ResearchonultrahighprecisiontemperaturedetectionandcontrolmethodbasedonSIEMENSPLCsystem,"researchonprecisiontemperaturecontrolsystem,automaticdetectionandstandardtemperaturetankprogramsyntheticallytechnologydevelopment,hasthepracticalapplicationofmeasuringtechnologydevelopmenthasimportantacademicvalueandpracticalsignificance.
Keywords:
standardthermostaticbath;temperaturecontrol;automaticmeasurement;detectingdevice
目录
第一章绪论1
1.1课题的研究背景和意义1
1.2国内外研究现状1
1.2.1国内研究现状2
1.2.2国外研究现状2
1.3课题研究的主要内容3
第二章系统总体方案设计5
2.1恒温槽系统整体概述5
2.1.1系统结构介绍5
2.1.2系统控制概述7
2.1.3恒温槽温度控制模型8
2.2半导体制冷技术8
2.2.2半导体制冷量10
2.2.3半导体制冷片的使用11
2.3单相交流调压模块12
2.3.2交流调压模块的控制14
2.4本章小结16
第三章温度控制系统的硬件设计17
3.1恒温控制系统的硬件设计17
3.2系统检测元件选型17
3.2.1高精度热电阻的温度阻值特性17
3.2.2系统测温元件的确定18
3.3模拟量模块19
第四章S7-200PLC与上位机的通信20
4.1S7-200PLC与上位机的通信方式20
4.2 自由口通讯工作模式的定义20
4.2.1 接收指令（RCV）20
4.2.2发送指令（XMT）21
4.3S7-200PLC通信程序设计21
第五章PLC控制23
5.1PLC的选型23
5.2S7-200主要功能及特点23
5.3文本显示器TD200具有以下用途24
5.4PLC的I/O资源配置25
5.5PLC其他资源配置25
5.6自控系统PLC程序设计25
5.7PLC功能模块程序设计26
第六章总结28
参考文献29
外文资料
中文翻译
致谢
第一章绪论
1.1课题的研究背景和意义
海洋资源对沿海国家的经济发展以及国家建设有着重要意义。
我国有着广阔的海域，属于海洋大国，海洋资源丰富，如今对海洋的可持续开发和利用已经提升到国家战略高度。
海洋仪器是人们感知海洋环境特征物理量的重要工具，在开发海洋的实践活动中发挥着不可替代的重要作用。
通过海洋仪器探测得到的海洋特征物理量是海洋科学研究的基本依据，其中的关键技术之一为海水温盐深测量技术，即对海水的电导率（Conductivity）、温度（Temperature）、深度（Depth）进行测量的技术，简称为CTD测量技术。
恒温槽是一种为各类温度计、标准电池以及标准电阻的检定与校准提供恒温实验环境的设备[1]。
在CTD测量仪器的温度检测和校准过程中，海水恒温槽是主要的配套设备，其作用是盛放天然海水并使其温度在0到35℃之间复现，为校准CTD测量仪器的温度传感器提供实验环境。
在海洋仪器的检定与校准中，海水恒温槽良好的温场性能是保障实验结果准确性与可靠性的前提。
根据JJF1030-2010《恒温槽技术性能测试规范》可知，对恒温槽技术性能的主要评价指标有两个，即温场的均匀性与温场的波动性。
因此设计研究温场均匀性和波动性达标的海水恒温槽是非常有必要的。
1.2国内外研究现状
在恒温槽的设计中必须考虑到温场的稳定性与均匀性[2]。
恒温槽的温场性能技术指标应该高于被校准传感器10倍以上。
例如，在满量程范围内，只有当恒温槽的稳定性和均匀性达到±0.001℃以上时，才能被用来校准技术指标为±0.01℃的传感器。
温场稳定性是评价恒温槽保持恒温性能的指标，其在很大程度上取决于控制系统。
在仪器的校准期间，恒温槽内温度的波动量应该保持在规定的范围内，否则会得到不可靠的校准结果。
恒温槽内的设定温度的连续保持时间至少应为15min。
黏度高的液体有相对小的热容量，其会对温场稳定性造成大的影响，因此恒温槽内液体介质的选取也是温场稳定性的影响因素之一。
影响温场均匀性的主要因素为槽内搅拌系统，其次为槽内的加热和制冷装置的安装位置[3]。
在整个测试区域内，恒温槽的温场必须具有良好的均匀性，具体表现为在测试区域内的不同位置处进行比较测试时，温度差应在允许的范围内。
因此，对国内外恒温槽研究现状的分析对比，应该从恒温槽的温场稳定性与均匀性上出发和落脚。
1.2.1国内研究现状
国内对恒温槽的研究以中国计量科学研究院最具代表性，其在恒温槽的设计制造方面拥有多项自主知识产权，成功案例众多。
由中国科学计量研究院设计的“海水温盐检定恒温槽”，使用了主辅槽结构，辅槽与主槽同步升降温，为主槽提供高精度冷源。
在温度的测量与控制方面，使用了热敏电阻测温技术与自主研发的通用控制器，取得了良好的效果。
同时为保证温场的均匀性，采用了磁力耦合搅拌技术。
该恒温槽的技术指标为温度控制范围：
-2到40℃，温度波动度：
≤±0.0005℃，温度均匀度：
0.0002℃＜t＜0.001℃。
其他的恒温槽设备供应商的产品指标大致相同，以南京润鸿实验设备有限公司研制的高精度计量检定恒温槽为代表的主要性能指标如表1-1所示。
表1-1其他恒温槽主要性能指标
波动度
≤±0.03℃
感温元件
PT100铂电阻
控温范围
0到100℃
加热功率
1200W
设置分辨力
0.01℃
制冷输出功率
500W
显示分辨力
0.01℃
控制方法
PID自动恒温
控温仪表
LED显示温度
通讯接口
RS232
福建省计量院成功地研制出了恒温槽自动校准装置，该项目研究成果达到了国内领先水平。
这款校准装置中内置了独特的温度计安装器具，在更换指定温度计的安装位置时，不会对固定温度计的安装造成影响，使得温度计快速的进入稳定状态，从而提高了校准工作的效率。
同时，综合利用了软件技术和硬件技术的优势，在计算机上连接了高精度双通道的数字温度计，在高精度的温度测量的基础上，实现了数据的自动采集、记录、处理，以及图形表格显示，复现初始记录过程等功能。
此装置的实际使用，可以降低计量检定人员的工作强度，提高计量机构的工作效率，更好的为与恒温槽相关的企业事业单位服务，具有很好的经济与社会双重效益。
1.2.2国外研究现状
美国fluke（福禄克）公司是著名的恒温槽生产制造厂商，其产品的技术指标代表着国际先进水平之一，现以中低温恒温槽7000系列为例来就其实现方法和性能。
福禄克的控制器具有多位数设置功能，可以使得温度值的设置精度可达到小数点的后5位；能够快速实现对常用温度点的设置，其内部存储的温度点的个数最多可达8个。
控制器使用PI控制方式来调节加热器的功率，其参数已在出厂前设定完毕并经过严格的调试，消除了大的超调量所带来的影响，使得温度在设定点能够快速实现最大化的稳定性。
在温度的测量方面，福禄克的产品中使用了性能良好的铂电阻PRT用于实现对恒温槽的温度控制；另外还使用了其它温度传感器用于实现自保护功能。
专用的、温度变化系数小的高精度热电阻保证了温度设定点的稳定性。
独特的信号调理电路有效地抑制了测量过程中的噪声，使得微小的温度变化量得以被检测出来[4]。
此外，专用电桥的使用明显地降低了热电势，而滤波技术的使用有效地滤除了来自电源噪声、电磁波以及无线电的干扰。
美国fluke的7000系列中低温恒温槽具有良好性能的一个重要原因在于其热端口技术。
热端口技术的实现方法是在恒温槽的钢桶外侧逐次叠加地安装冷量盘管和加热器，恒温槽内绝大部分的热量通过钢筒底部的端口与外界进行交换，而钢筒周围的绝缘设计可以有效地减少热量对外泄露[5]。
在温场均匀性的考虑上，福禄克恒温槽设计了平衡搅拌装置，其搅拌扇叶的结构尺寸和数量都是经过科学计算的，能够使槽内的液体介质变得更加均匀，从而消除了水平方向和垂直方向的温度梯度[6]。
福禄克优秀的产品性能有赖于其最新的搅拌方案以及科学的槽筒设计。
德国劳达公司在世界各地内供应准确的液体恒温系统，劳达产品控温精确，温度波动＜0.005℃，温度范围为-150℃~+400℃。
先进的热量控制技术，可有效加快了生产工艺的速度，劳达的环保设备成功地替代了使用自来水的非经济型冷却工艺，采用各种措施有效地利用原始能量。
英国固蓝特GRANT公司也是一家优秀的恒温装置供应商，现对其最新生产的GrantOptinmaTM系列T120恒温控制器做简单的介绍，以便了解其发展方向。
OptinmaTM数字式恒温控制器，使用自适应智能PID温度控制方法，加热和制冷的温度范围是-20℃到100℃，温度稳定性是±0.05℃。
控制器的编程方法简单，可以预设值4个温度以便调取，内置有循环泵、过温保护装置，具备定时功能和声音警报功能。
可以为恒温控制器选配不同容积不同材质的槽体（不锈钢材质5L，12L，18L，26L，38L；塑料材质5L，12L，18L）。
1.3课题研究的主要内容
本课题是温盐检定装置恒温槽控制系统的设计项目。
主要的研究内容包括以下几个方面：
（1）恒温槽控制系统的整体设计，包括控制原理、加热\制冷执行机构的选型；
（2）恒温槽控制器硬件电路和温度测量电路的原理设计与实现；
（3）恒温槽控制算法的选择与改进；
（4）控制系统相关的软件设计与编制，包括测温驱动程序、控制程序、通信程序、人机界面设计等。
系统恒温槽的技术要求如表1-2所示。
表1-2系统恒温槽的技术要求
温场稳定性
≤±0.001℃
温场均匀性
≤±0.001℃
稳定时间
＞15min
控温范围
0℃~35℃
控温精度
≤0.01℃
过渡时间
＜30min
在恒温槽控制系统的设计中有以下几点创新性：
（1）恒温槽的温度调节分别使用了可精确控制的加热与制冷单元，与固定冷环境而单一调节加热量的设计方法相比，调节更加快速灵活且准确；与通过切换电压方向转换半导体加热/制冷状态的设计方法相比，受热惯性的影响小，同时延长了半导体制冷片的使用寿命。
（2）在温度的测量中，将实验室精密测温线路（四线制接法）与数字采样器结合使用，并利用微处理器计算、查找热敏电阻阻值的方法，减小非线性因素带来的影响，最终实现了对温度值的精确测量。
（3）在温度的控制调节方面，应用了基于饱和继电反馈的PID自整定方法和变速积分PID控制方式，使得自整定过程对临界信息有更高的辨识精度，也减小了温度调节过程的超调量。
（4）在功能实现方面，恒温槽控制系统支持对八个常用设置点的定时控制；使用触摸屏作为人机界面装置，增强了可视性和可操作性；硬件设计上预留了以太网接口，可用于实验室外的远程监控。
第二章系统总体方案设计
2.1恒温槽系统整体概述
本文所设计的恒温槽属海洋仪器温盐检定设备的一部分，用于对海洋仪器中的温度传感器进行检定与校准。
海洋海水的温度范围一般在-2~40℃之间，因此恒温槽的工作温度应该包含此区间。
对于海洋温度传感器仪器系数的校准实验，常选择的校准点有0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃。
在校准实验过程中，对恒温槽的波动性要求很高，即在某一控温点附近温度波动量＜
±
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