水箱加热系统的PLC位式温度控制课程设计.doc

水箱加热系统的PLC位式温度控制课程设计

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目 录

一、前 言 1
1。 可编程序控制器的概述 1
2．FX2N系列PLC简介 2
3．特殊功能模块 2
4. 调功器 3
5。 温度变送器 3
二、系统设计 4
1．系统设计要求 4
2．系统硬件设计 4
2.1． 水箱温度自动调节系统: 4
2.2． 输入输出点数的分配表 5
2。3． 相关元器件的选型 5
2。4． PLC的外部接线原理图 6
3．系统软件设计 7
3.1． 模拟量与数字量的对应关系 7
3。2． 系统流程图的设计 7
3。3． 系统梯形图 8
3。4． 系统指令表 9
3.5． 系统实时监控图 10
三、总 结 12
四、参考文献 13
五、附 录 13
5.1.课题介绍 13
5.2.控制要求 13
第一章 前 言

1。1 可编程序控制器的概述
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展,计算机控制已经广泛应用在所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场这一需求迅速做出反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品.可编程控制器就是顺应这一需要出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置.编程控制器不仅可以按事先编好的程序进行各种逻辑控制，还具有随意编程、自动诊断、通用性好、体积小、可靠性高的特点。因此，可编程控制器正逐步取代着继电器－接触器控制系统.
国际电工委员会(IEC）于 1982年11月和 1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器(PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计.它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”.可编程序控制器（PLC）主要由CPU模块、输出模块和编程器组成.PLC的特殊功能模块能完成某些特殊的任务。从使用方式PLC分为： 1）整体式PLC(又称单元式或箱体式）整体式PLC是将电源、CPU、I／0部件都集中装在一个机箱内。一般小型PLC采用这种结构；2）模块式PLC，将PLC各部分分成若干个单独的模块,模块式PLC由框架和各种模块组成。模块插在插座上.一般大、中型PLC采用模块式结构3）PLC将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。
2.2 FX2N系列PLC简介
本次设计中，我们将采用FX2n系列PLC,FX系列PLC为单元型，内含CPU、电源和固定搭配的输入/输出。 Q4AR系列为双机热备系列，最大输入输出点数为8192点。 A系列PLC的最大输入输出点数为2048点. F系列程控器的最大输入输出点数为256点。三菱小型 FX 2（N）系列程控器的输入输出点最大不超过256点。每台主机可连模入、模出、高速记数、定位等特殊功能模块，不超过8个。 FX系列在日本三菱的姬路制作所生产。三菱姬路制作所累计已生产超过三百万台 FX系列 PLC。目前FX系列PLC为中国内地销量最多的小型PLC.FX2n系列PLC是该系列中功能最强、速度最快的微型PLC。有RAM， EPROM和EEPROM FX2N系列 PLC 的特点超高速的运算速度 0.08微秒。 比FX2的0。48微秒快六倍。容量极大8K步(最大16K步)。比FX2大四倍.机体小型化 比FX2小50% .兼容FX2的编程设计。备有多种不同的FX2N扩展单元及特殊模块。
2。3 特殊功能模块
在工业控制中，某些输入量（例如压力、温度、流量、转速等）是连续变化的模拟量，某些执行机构要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换成标准的电流和电压。其中，D/A转换器将PLC的数字输出量转换成模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I/O模块的主要任务就是完成A/D转换和D/A转换.根据设计要求，本次设计选用模拟量输入模块FX2N—4AD，该模块用4个12位模拟量输入通道，输入量程为DC—10V+10V和4—20MA，转换速度为15MS/通道或6MS/通道（高速).

2.4 调功器
调功器是应用晶闸管（又称可控硅)及其触发控制电路用于调整负载功率的盘装功率调整单元.
在电子设备中起重要作用的晶闸管（也称可控硅,英文缩写SCR）被广泛用于各类生产部门,正在成为自动化、高效化不可缺少的装置。在最新的温度控制中晶闸管的利用明显的普及起来。但在国内对其有不同的叫法,如晶闸管调整器、可控硅调整器、晶闸管控制器、可控硅控制器、晶闸管调压器、可控硅调压器、晶闸管调功器、可控硅调功器、调压器、调功器、晶闸管交流电力控制器、可控硅交流电力控制器 、电力调整器、电力控制器、电压调整器、电压控制器等.
2。5 温度变送器
温度变送器,专应于热电阻或热点偶，讲温度转换成4-20MA的电流信号。
至于要不要加模块，要看接受的控制器对于输入信号是0—10V还是4-20MA。一般现在的控制器，都直接配有相应的温度变送器模拟量输入模块，如温控器，PLC的热电阻模拟量模块等
温度变送器的作用是与热电偶或热电阻配合，将温度或温差信号转换成4—20毫安的统一的直流电信号，并将这些信号输送给调节器或显示仪表。PT100的热电阻输出的是电阻信号，变送器输出的是毫安信号，
温度变送器0-100度与0—150度最大值时输出电流均为20MA,所以当温度同为100度时,0—100度的变送器输出电流为20MA，而0-150度的变送器输出电流为14—15MA左右.所以在不改变接收装置参数的情况下它们不可以互换.

第二章 系统设计

2。1 系统设计要求
本系统的被控对象是1KW电加热管，被控制量是水箱的水温T,PLC的模拟量输出控制调功器的输出，由调功器控制电加热管的通断，被控对象为水箱中的单相电热管,被控制量为水箱水温。它由铂电阻PT100测定，输入到温度变送器上，量程为0～100℃。温度变送器变换为4～20mA传送给PLC的模拟量输入通道.根据给定值加上dF与测量的温度值相比较的结果，PLC模拟量输出通道向晶闸管调功器发出控制信号，从而达到控制水箱温度的目的
2.2 系统硬件设计
根据对系统设计内容的分析，确定控制系统所需要的输入输出点数为1/3点。选用FX系列PLC， 输入输出点数的分配如表2—1所示，由于系统必须对温度信号进行采集和控制，还必须使用到模拟量输入/输出模块FX-4AD模块、晶闸管跳功模块、温度变送器。
2.2.1水箱温度自动调节系统：
C（t）
温度设定值
PID调节器
D/A
调功器
单相电热管

__
温度变送器
A/D

该闭环系统的组成中，刮号中的部分即用FX系列的PLC和模拟量FX-4AD模块实现；用热电偶检测水箱温度,温度变送器将温度转换为标准量程的电流送给模拟量输入模块，经过PLC的内部处理将模拟量转化成可识别的数字量与设定值比较处理，在将控制信号作用于控制调功器上,以此来控制水箱中电热管的开关情况，实现对水箱温度的闭环控制.

2.2。2 输入输出点数的分配表
表2-1 输入和输出点分配表
功能键设定
辅助继电器
输出继电器
开始加热控制
M0
Y0
持续加热控制
M1
Y1
停止加热控制
M2
Y2
总停控制
SB1（外部元件）
X0（内部地址)

2.2.3 相关元器件的选型

表2—2 元器件明细表
序号
元器件
技术要求
选 型
数量
1
可编程控制器
输入点数＞24
输出点数＞8
三菱FX2N—48MR
1台
2
模拟量输入模块
标准电流4~20mA
三菱FX2N—4AD
1套
3
单相加热管
输出功率1KW
符合技术要求即可
1支
4
温度变送器
量程0~100,
标准电流4~20mA
符合技术要求即可
1套
5
编程软件包
具有编辑、诊断、通讯功能
FXGP_WIN—C
1套
6
连接导线
红、黑两种颜色

若干

2.2.4 PLC的外部接线原理图

图2—4 PLC的外部接线原理图

第三章 系统软件设计

3.1 模拟量与数字量的对应关系
转化时应综合考虑变送器的输出、出入量程和模拟量输入模块的量程,找出被测物理量与A/D转换后的数据之间的关系。
根据系统要求，所要测量的温度量程为0-100C，所对应的数据量为0—2000,由此可根据公式:
测量温度=（100*D0/2000)C=0.05D0C
其中,D0为PLC转换出来的数字量
3.2 系统流程图的设计

3。3 系统梯形图

3.4 系统指令表

3。5 系统实时监控图

监控图1

监控图2

监控图3

第三章 总 结

两周的PLC课程设计对我收益匪浅，让我系统性地认识和全面地掌握了PLC编程和调试技术，让我将平常学的PLC编程及应用方法学以致用，使我的PLC编程能力有了很大提高和进步，让我对PLC应用有了深入细致的了解。
第一周,我们寻找有关的资料和课题小组成员间一起交流看法和讨论设计方案进行设计的总体规划，理清课程设计思路。但是将这些具体的方案落实到每一个设计环节和步骤中，难免会出现意想不到错误，这就需要我们在进行设计的过程中利用所掌握的知识认真排查错误原因，多方面的思考问题的关键不断地改正自己的设计不足之处和错误.
第二周，对硬件电路的工作原理和可编程知识的掌握是进行下一步的软件设计的关键。进入了软件设计方案和具体的编程和调试运行阶段.在这个阶段中，对系统的需求分析和如何采用模块化设计思想是设计方案主要解决的问题。在这一周遇到最大的问题就是如何实现闭环方法来实现温度控制,在没有任何有价值的参考资料的情况下，通过不断地设计尝试和反复地设计调试初步解决了问题.但是也存在了设计上的不足之处。需要用到模拟量的输入/输出模块，而且所编程序也和课堂上老师所讲完全不一样,给我们的课题制作带来了很大的困难.但是我们还是通过查阅资料,询问老师按时完成了我们的课题。
两周的PLC编程及应用的课程设计，发现自己在这方面的学习还需要不断的加深.通过这段时间的学习认识，对温控闭环的系统有了一个整体的认识,熟悉各种器件和软件应用。在这里，本次设计中感谢两位指导老师对我的帮助。
4、参考文献

【1】可编程序控制器的编程方法与工程应用 廖常初 重庆大学出版社
【2】可编程序控制器及其应用 万太福 重庆大学出版社
【3】毕业设计指导 刘祖润 机械工业出版社
【4】新旧图形符号对照读本 兵器工业出版社
【5】电力拖动与控制 谢桂林 中国矿业大学出版社
【6】工厂常用电气设备手册（上、中、下） 水利电力出版社
【7】电气控制技术实验指导书 刘星平 湖南工程学院

5、附 录
5。1.课题介绍
本系统的被控对象是1KW电加热管，被控制量是水箱的水温T，PLC的模拟量输出控制调功器的输出,由调功器控制电加热管的通断,被控对象为水箱中的单相电热管，被控制量为水箱水温。它由铂电阻PT100测定,输入到温度变送器上，量程为0～100℃。温度变送器变换为4～20mA传送给PLC的模拟量输入通道。根据给定值加上dF与测量的温度值相比较的结果,PLC模拟量输出通道向晶闸管调功器发出控制信号，从而达到控制水箱温度的目的。
5.2。控制要求
设计PLC模拟量输入输出的闭环控制系统，实现水箱的自动
调节和控制。根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求,确定控制方案。绘制水箱加热系统的PLC位式温度控制系统的电气原理图、控制系统的PLC I/O接线图和梯形图,写出指令程序清单。选择电器元件，列出电器元件明细表。编写设计说明书。

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