1、第 1 页题目: 基于 PLC 控制的恒温系统电子信息科学与技术专业【摘要】本论文阐述了利用PLC模块通过数模转换模块和温度检测模块等，并运用梯形图编写程序，实现对液体加热及对温度的保持。本系统的适用性很强，稳定性、精确性良好，程序开发通俗易懂，可以适应工业生产中恒温系统的需求。本文主要介绍了恒温系统的硬件及软件设计方案。【关键词】PLC；数模转换；恒温第 2 页目 录前 言 .31.绪论 .41.1 课题背景 .41.2 市场需求 .41.3 系统开发需求 .41.4 系统运行需求 .41.5 设计功能要求 .41.6 设计应解决的问题 .41.7 设计课题的意义 .52.PLC 简介 .6
2、2.1 PLC 的发展概况 .62.2 PLC 的概念及其应用特点 .72.3 PLC 的应用领域 .82.4 PLC 的种类 .82.5 PLC 未来展望 .93.系统的方案设计 .103.1 任务要求 .103.2 设计方案的选择 .103.3 PLC 的选择 .113.4 程序流程图 .114.PLC 的硬件 .124.1PLC 包含的硬件 .124.2 Protel 99 SE 的简介 .164.3 设计硬件图 .164.4 硬件设计的误区 .175.设计总结 .185.1 设计遇到问题 .185.2 问题的解决 .185.3 取得成果 .185.4 设计收获 .185.5 需要改进的
3、方面 .19致谢 .20参考文献 .21第 3 页前 言恒温系统装置是一个模拟工业生产的锅炉恒温控制。他使用了 PLC，数模转换功能模块，温度传感器，电热棒等。实现系统的加热，以及恒温保持。若使用 PID 算法可以更加精确的控制系统温度。该模拟系统可用于对水的加热，以及保温。外面虽然可以买到类似的商品，但是却不如该系统灵活。随着经济的增长，人们对生活品质的要求越来越高，例如，人们对咖啡这种饮料就非常讲究。据研究表明刚煮好的一杯咖啡(9598 度)倒进咖啡杯后,温度会下降到 85 度左右,如果加糖及奶精后温度会迅速下降到 6070 度左右,此时用手接触杯子的感觉就是很热但已经没有像咖啡刚倒进杯子
4、时烫手的感觉了,此时喝口感最好。该系统主要划分为 PLC 主模块，数模转换功能模块，温度监控模块，加热模块。主要功能有：PLC模块将数据信号传送到功能模块使之转换成模拟信号使温度传感器工作，温度传感器检测当前系统温度，然后通过 FX2N-5A 模块将温度信号转化成数据信号， ，从而达到控制水杯温度的目的。本文分析的是基于 PLC 控制的恒温系统,对其硬件、软件系统、系统的结构、原理及功能都作了较为详细的说明。陈良跟2010 年 5月 第 4 页1. 绪论1.1 课题背景改革开放以来我国工业一直保持着高速增长，工业自动化成了当代工业生产必不可少的组成部分。为了使工业生产更加合理化、科学化，就需要
5、用现代化的技术手段来代替低效、繁琐的传统方式。因此对生产过程进行自动化操作已经势在必行。随着微型计算机和网络技术的广泛应用，工业生产自动化技术正在发生着重大的变化。可编程序控制器（Program rnable Logtc Corltroller）简称 PLC，是以微处理器为核心的工业自动控制通用装置。它具有可靠性高，抗干扰能力强、应用灵活，编程方便、易于安装，扩展、适用性强、体积小，能耗低等一系列优点，不仅可以取代继电器控制系统，还可以进行复杂的生产过程控制和应用于工厂自动化网络，被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。1.2 市场需求目前，工业高速增长，自动控制的需求不断扩大，由于 PLC
6、的可靠的性能、优秀的抗干扰能力以及人性化的适应能力，使的 PLC 的使用越来越广泛，由于 PLC 使用强电，因此基于 PLC 控制的恒温系统在工业上的应用价值远超单片机，比其更适应工业应用的需求，其中该系统使用到的 PT100 还具有抗振动耐高压等优点这是单片机控制所不能实现的。 1.3 系统开发需求1.3.1 硬件需求：1.所选元件：FX2N-48MR，FX2N-5A 数模转换模块，电热棒，继电器，电位器等2.万用表：检测制作的分压电路板有没有断路，电子元件运行情况，调节变位器调整分压电路零点，检测电路板通电后的部分的具体电压电流值等。3.PC 机：用来安装 gx-developer、pro
7、tel 99se 及 Proteus 软件1.3.2 软件需求：1.Protel 99 SE 软件：用来设计电路原理图和 PCB 图。2.Proteus 7 Professional：用来仿真电路原理图，验证硬件电路的可行性。3.GX-developer：用来设计梯形图。1.4 系统运行需求本系统中 FX2N-48MR 和电热棒采用家用 220v 电源供电，PT100 额定电流要求在 5ma 一下，用FX2N-5A 输出 5V 电压供电，继电器选用 24V 驱动电压，采用 FX2N-48MR 中的 Y0 端口输出信号驱动。 1.5 设计功能要求当工作开关打开的时候，系统开始加热,PT100 检
8、测系统温度并返回数据给 FX2N-48MR 当到达沸腾时沸腾标志灯亮，若保温开关打开，进入保温模式当温度低于 65C 时开始加热当温度高于 75C 时停止加热。 1.6 设计应解决的问题在设计的过程必须解决的几个问题：原理图的绘制，PCB 板电路板的印刷腐蚀，元器件的焊接，第 5 页PT100 调试，已经电路板零点电压的调试，FX2N-5A 电压输入输出及模块供电的接线等，最终实现恒温控制。1.7 设计课题的意义恒温系统装置是一个模拟工业生产的锅炉恒温控制。他使用了 PLC，数模转换功能模块，温度传感器，电热棒等。实现系统的加热，以及恒温保持。使用 PID 算法可以更加精确的控制系统温度。该模
9、拟系统可用于对水的加热，以及保温。外面虽然可以买到类似的商品，但是却不如该系统灵活。随着经济的增长，人们对生活品质的要求越来越高，例如，人们对咖啡这种饮料就非常讲究。据研究表明刚煮好的一杯咖啡(9598 度)倒进咖啡杯后,温度会下降到 85 度左右,如果加糖及奶精后温度会迅速下降到 6070 度左右,此时用手接触杯子的感觉就是很热但已经没有像咖啡刚倒进杯子时烫手的感觉了,此时喝口感最好.按照正常的做法是咖啡倒入杯子前要“温杯“, 就是咖啡煮好后要倒入杯子前先用 “开水“烫一下,后将开水倒掉再倒咖啡,这样煮出来的咖啡倒进杯子后温度就不会迅速下降了。但是这样做的一个弊端就是他不能将咖啡时刻保持在
10、60-70 这个温度。市场已有的保温杯保持的温度通常不能达到这个要求，即使温度达到要求也不能很精确的保持。而通过 PLC 可以灵活的控制想要达到的温度。第 6 页2. PLC 简介2.1 PLC 的发展概况PLC 产生于上世纪 60 年代，崛起于 70 年代，成熟于 80 年代，于 90 年代取得技术上的新突破，21 世纪 PLC 技术发展的几个特点为：适应市场需要，加强 PLC 通信联网的信息处理能力；PLC 向开放性发展；PLC 的体积小型化，运算速度高速化；软 PLC 出现；PLC 编程语言趋于标准化。其应用领域目前不断扩大，并延伸到过程控制、批处理、运动和传动控制、无线电遥控以至实现全
11、厂的综合自动化。2.1.1 发展回顾上世纪 60 年代末 PLC 产生于美国马萨诸塞州，MODICON084 是世界上第一种投入生产的PLC。PLC 崛起于 70 年代，首先在汽车流水线上大量应用。80 年代 PLC 走向成熟，全面采用微电子处理器技术，得到大量推广应用，年销售始终以高于 20%的增长率上升，奠定了其在工业控制中不可动摇的地位。90 年代，随着工控编程语言 IEC61131-3 的正式颁布，PLC 开始了它的第三个发展时期，在技术上取得新的突破。PLC 在系统结构上，从传统的单机向多 CPU 和分布式及远程控制系统发展；在编程语言上，图形化和文本化语言的多样性，创造了更具表达控
12、制要求、通信能力和文字处理的编程环境；从应用角度看，除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外，更发展了以 PLC 为基础的DCS 系统、监控和数据采集系统（SCADA） 、柔性制造系统（FMS ） 、安全连锁保护系统（ESD）等，全方位地提高了 PLC 的应用范围和水平。2.1.2 21 世纪 PLC 技术发展的几个特点1、适应市场需要，加强 PLC 通信联网的信息处理能力在信息时代的今天，几乎所有 PLC 制造商都注意到了加强 PLC 通信联网的信息处理能力这一点。小型 PLC 都有通信接口，中、大型 PLC 都有专门的通信模块。随着计算机网络技术的飞速发展，PLC的通信联网能使其与 PC
13、 和其它智能控制设备很方便地交换信息，实现分散控制和集中管理。也就是说，用户需要 PLC 与 PC 更好地融合，通过 PLC 在软技术上协助改善被控过程的生产性能，在 PLC这一级就可以加强信息处理能力。例如，CONTEC 与日本三菱电机公司（以下简称为三菱电机）合作，推出专门插在小 Q 系列 PLC 的机架上的 PC 机模块，该模块实际上就是一台可在工厂现场环境下正常运行，而且可通过 PLC 的内部总线与 PLC 的 CPU 模块交换数据的 PC 机。其处理芯片采用IntelCeleron400M 主频、系统内存 128MB、Cache128K、支持外挂显示器，该模块内装 WindowsNT
14、4.0或 Windows2000。支持的软件有：三菱综合 F4 软件，包括 PLC 编程软件 GT、FA 数据处理软件MX、人机界面画面设计软件 GT、运动控制设计编程软件 MT 等。最近，国外一些中、大型 PLC 制造商推出了一个机架上可以插多个 CPU 模块的结构，将 PC 机模块与 PLC 的 CPU 模块、过程控制 CPU 模块或运动控制模块同时插在一个机架上。实际上就是将原来PLC 要通过工厂自动化（FA）用 PC 机与管理计算机通信的三层结构改为 PLC 系统可直接与生产管理用的计算机的两层结构。这样生产管理更加快捷方便。小型 PLC 之间通信“ 傻瓜化”。为了尽量减少 PLC 用
15、户在通信编程方面的工作量， PLC 制造商做了大量工作，使设备之间的通信自动地周期性的进行，而不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时作一些硬件或软件上初始化设置。如欧姆龙公司的两台 CPM1A 之间一对一连接通信只需用三根导线将它们的 RS-232C 通信接口连在一起后将通信有关的参数写入 5 个指定的数据存储器中，第 7 页即可方便地实现两台 PLC 之间的通信。2、PLC 向开放性发展早期的 PLC 缺点之一是它的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，如专用总线、通信网络及协议、I/O 模块更互不通用，甚至连机架、电源模板亦各不相同，编程语言之一的梯形图名称虽一致，但组态、寻址、语
16、言结构均不一致，因此，几乎各个公司的 PLC 均互不兼容。目前，PLC 在开放性方面已有实质性突破。十多年前 PLC 被攻破的一个重要方面就是它的专有性，现在情况有了极大改观，不少大型 PLC 厂商在 PLC 系统结构上采用了各种工业标准，如 IEC61131-3、IEEE802.3 以太网、TCP/IP、 UDP/IP 等。例如，AEGSchneider 集团已开发以 PLC 机为基础，在 Windows 平台下，符合IEC61131-3 国际标准的全新一代开放体系结构的 PLC 实现高度分散控制，开放度高。2.2 PLC 的概念及其应用特点2.2.1 PLC 的名称PLC 英文全称 Pro
17、grammable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是 :一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC 是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有 PLC。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
18、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。国际电工委员会(IEC)在其标准中将 PLC 定义为:可程式逻辑控制器是一种数位运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可程式逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。2.2.2PLC 的特点1.可靠性高，抗干扰
19、能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，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，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也
20、获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 3.易学易用，深受工程技术人员欢迎第 8 页PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易
21、于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造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。这很适合多品种、小批量的生产场合。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，
22、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。6.使用强电，可以实现工业应用的需求使用强电的 PLC，在工业上的应用价值远超单片机。2.3 PLC 的应用领域目前，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，使用情况主要分为如下几类： 1开关量逻辑控制 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。 2工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速
23、度等连续变化的量（即模拟量） ，PLC 采用相应的 A/D 和 D/A 转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。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。 3运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。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，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4数据处理 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。数据处理一般用于如造纸
24、、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 5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。随着工厂自动化网络的发展，现在的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 2.4 PLC 的种类2.4.1按结构形式分类根据 PLC 的结构形式，可将 PLC 分为整体式和模块式两类。第 9 页1.整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源、CPU、I/O 接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型 PLC 一般采用这种整体式结构。整体式 PLC 由不同 I/O 点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有 CPU、I/O 接口、与
25、I/O 扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或 EPROM 写入器相连的接口等。扩展单元内只有 I/O 和电源等，没有 CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。2.模块式 PLC 模块式 PLC 是将 PLC 各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如 CPU 模块、I/O 模块、电源模块（有的含在 CPU 模块中）以及各种功能模块。模块式 PLC 由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式 PLC 的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修
26、。大、中型 PLC 一般采用模块式结构。还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。叠装式 PLC 其 CPU、电源、I/O 接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。2.4.2 按功能分类根据 PLC 所具有的功能不同，可将 PLC 分为低档、中档、高档三类。1.低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。2.中档 PLC 除具有
27、低档 PLC 的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID 控制等功能，适用于复杂控制系统。3.高档 PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档 PLC 机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化2.4.3 按 I/O 点数分类根据 PLC 的 I/O 点数的多少，可将 PLC 分为小型、中型和大型三类。1.小型 PLCI/O 点数 2048 点；多 CPU，1
28、6 位、32 位处理器，用户存储器容量 816K2.5 PLC 的未来展望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，各国各自生产多第 10 页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
29、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（Distributed Control System）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。3. 系统的方案设计3.1 任务要求系统由 PLC 主模块，PLC 数模转换模块，温度监测模块和加热模块组成，PLC 主模块负责处理输入信号及控制系统何时加热何时不加热，PLC 数模转换模块负责将温度信号由模拟信号转化成数据信号交由 PLC 主模块处理，温度监测模块实现对系统温度的实时监测，加热模
30、块则实现对液体的加热。3.2 设计方案的选择3.2.1 数模转换模块的选择该系统最重要的部分就是数模转换，只有将温度传感器的温度信号从模拟量转换为数字量才能交由 FX2N-48MR 处理，因此缺少了这个部分这个系统就没办法正常工作。方案一：采用 FX2N-4AD-PT 数模转换模块，拥有 4 通道温度输入，它可以直接连接 PT100 温度传感器，经过该模块的处理将 PT100 的信号直接转换成温度数据传送给 FX2N-48MR 模块。但是由于经费的原因故放弃该方案。方案二：采用 FX2N-5A 数模转换模块，拥有 4 个 A/D 通道，1 个 D/A 通道，我们可以构造一个分压电路连接 PT1
31、00，使用 D/A 通道送出一个恒定的电压供分压电路工作，使用 A/D 通道读取并计算出当前系统温度。方案三：采用 FX3UC。模块本身自带 PID 算法可以更加精确的控制温度。同样由于现实因素不能选用该方案。综合方案一、方案二与方案三的比较，方案一更能快速方便的得到温度信号，但是由于经费问题，只能退而求其次选用实验室有的 FX2N-5A 数模转换功能模块。3.2.2 温度传感器的选择方案一：使用 Pt100 热敏电阻传感器。用高纯度铂做电阻导体，具有非常好的线性、高温稳定性和复现性。在现代工业生产过程中具有十分广泛的应用。测量范围：-200C+850C 允许偏差 0.15C方案二：使用数字温
32、度传感器 DS18B20。经常使用于民用设备，具有体积小使用方便在使用中不需要任何外围元件等优点。测量范围：55125，固有测温分辨率 0.5。综合方案一与方案二的比较，方案一在试用范围和精度上，以及工业适用性上都优于方案二，故选择 PT100 热敏电阻传感器。3.2.3 加热装置的选择方案一：使用平常使用的随手泡改造。方案二：使用烧得快加上水桶。综合方案一与方案二的比较，方案二性价比比较高而且，使用水桶能够空出足够的空间供 PT100放置。电热棒的功率考虑到继电器的成本随负载功率的增大而增大应尽量选择小功率的电热棒。3.2.4 继电器的选择由于 FX2N-5A 唯一的一路输出通道已被 PT100 的分压电路占用，而 FX2N-48MR 本身只能提供
