基于PLC的溫度控制系統(tǒng)

摘要：隨著“信息時代”的到來，作為獲取信息的手段——傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。

本設(shè)計應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計系統(tǒng)可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。課題主要任務(wù)是完成環(huán)境溫度檢測，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)并通過計算機(jī)實(shí)施溫度監(jiān)控。設(shè)計后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：溫度控制；傳感器；可編程邏輯控制器

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 14-0050-02

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計

計算機(jī)工作的外圍電路設(shè)備

（一）溫度傳感器

溫度傳感器采用補(bǔ)償型NTC熱敏電阻其主要性能如下：補(bǔ)償型NTC熱敏電阻 B值誤差范圍小，對于阻值誤差范圍在5％的產(chǎn)品，其一致性、互換性良好。適合于一般精度的溫度測量和計量設(shè)備。

（二）RS-232-C接口電路

計算機(jī)與計算機(jī)或計算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。 在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同 的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通訊。 RS-232-C接口（又稱 EIA RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、 調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo) 準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間 串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個25個腳的 DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定，還對各種信 號的電平加以規(guī)定。

（三）繼電器

繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)，廣泛用于遙控，遙測，通信，自動控制，機(jī)電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一。

繼電器是在自動控制電路中起控制與隔離作用的執(zhí)行部件，它實(shí)際上是一種可以用低電壓、小電流來控制大電流、高電壓的自動開關(guān)。在本系統(tǒng)中，繼電器控制的自動溫度調(diào)節(jié)電路和PCI16F877A單片機(jī)中程序構(gòu)成溫度自動監(jiān)測電路，實(shí)現(xiàn)對生物培養(yǎng)液溫度的監(jiān)測和自動控制

二、PLC的基本結(jié)構(gòu)

而后可編程邏輯控制器經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，從最初的第一代產(chǎn)品發(fā)展到現(xiàn)在的第四代產(chǎn)品，在工業(yè)領(lǐng)域已做到全面的普及，在百分之八十的行業(yè)中百分之八十的設(shè)備均采用可編程邏輯控制器進(jìn)行控制。

使用可編程邏輯控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)就是按照一定的算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實(shí)現(xiàn)。其中物理實(shí)現(xiàn)是PLC與通過的微型計算機(jī)相區(qū)別之處，它需要考慮實(shí)際控制的需要，在工業(yè)現(xiàn)場會有很多干擾信號，這些干擾信號都需要排除，同時輸出信號還要放大到工業(yè)控制中的要求，可以在實(shí)際的控制系統(tǒng)中方便使用。從結(jié)構(gòu)上劃分，可編程邏輯控制器可以分為固定式和模塊式兩種。它們的組成分別如下圖2.1所示。

2.1 可編程邏輯控制器基本結(jié)構(gòu)

三、FX1S-30MR型PLC

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，PLC的種類繁多，有西門子、三菱等一系列產(chǎn)品。本文采用的是FX1S-30MR型PLC。

（一）使用環(huán)境規(guī)格

任何一種設(shè)備都是只有在一定的環(huán)境條件下才能夠正常工作情況。FX1S-30MR型PLC正常工作時的環(huán)境要求不高，因此應(yīng)用范圍非常廣泛，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

對于溫度的要求，溫度適應(yīng)范圍很廣，在0-55攝氏度的溫度下都可以使用，保存時溫度范圍更廣，-20-70攝氏度的范圍內(nèi)都可以。對于相對濕度的要求，百分之36-85的范圍，只要不結(jié)露即可使用。在耐震性上，符合JISC0040標(biāo)準(zhǔn)。耐沖擊性符合JISC0041標(biāo)準(zhǔn)，147m/s2作用時間11ms的正弦半波脈沖在X、Y、Z三方向各三次。對于耐噪聲性，噪聲電壓可達(dá)1000VP。同時可耐受1500V電壓一分鐘，絕緣電阻在5M以上，符合JEM-1021標(biāo)準(zhǔn)。

從上面的環(huán)境規(guī)格中我們可以看出，F(xiàn)X1S-30MR型PLC非常適合應(yīng)用在自動沖水系統(tǒng)的環(huán)境中。

（二）性能規(guī)格

FX1S-30MR型PLC采用存儲程序反復(fù)運(yùn)算方式的運(yùn)算控制方式，中間加有中斷指令。對輸入輸出采用批處理方式，具有脈沖捕捉功能。編程語言使用的是繼電器符號方式與步進(jìn)梯形圖相結(jié)合的方式。可內(nèi)置2K的EEPROM，就不需要后背的存儲器了。它具有27個順序指令，2個步進(jìn)梯形圖指令，85種共167個應(yīng)用指令。基本指令的運(yùn)算處理速度可達(dá)，應(yīng)用指令在左右。

它一共有16個輸入點(diǎn)，分別為，采用8進(jìn)制進(jìn)行編號；有14個輸出點(diǎn)，也是采用8進(jìn)制進(jìn)行編號，分別為。定時器延遲時設(shè)置在打開狀態(tài)，有ms、ms、ms三種狀態(tài)。計數(shù)器有16位增模式、16位保持模式、32位高速雙向模式三種。數(shù)據(jù)寄存器有128點(diǎn)的16位通用、128點(diǎn)的16位保持、1500點(diǎn)的文件寄存器、256點(diǎn)的16位特殊寄存器及16點(diǎn)的16位變址寄存器。在使用時是使用其中的一對，組成32位寄存器。

四、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

控制器的硬件設(shè)計是軟件編寫的基礎(chǔ)，主要包括了電源、信號采集按鈕、水位檢測開關(guān)、進(jìn)水和出水電磁閥、狀態(tài)指示燈等。

控制器主要分為6個功能模塊：

電源：其主要功能是為系統(tǒng)提供電能。FX1S-30MR型號的三菱PLC的電源部分分為交流供電和直流供電兩種，在該設(shè)計中才用的是交流供電的PLC。

信號采集按鈕：該部分的主要作用是輸入指令的采集。其中包括手動模式、自動模式、啟動、停止、進(jìn)水閥點(diǎn)動開啟和出水閥點(diǎn)動開啟指令。

水位檢測開關(guān)：其主用作用檢測水位的變化。水位低檢測開關(guān)和水箱滿檢測開關(guān)，都是常開形式的。在水位高于下限時，水位低檢測開關(guān)是接通；在水位低于下限時，水位低檢測開關(guān)斷開。水箱滿檢測開關(guān)的動作形式同水位低檢測開關(guān)的工作形式相同。

進(jìn)水電磁閥：其功能是控制進(jìn)水閥的開啟與關(guān)斷。在其輸出有效時，進(jìn)水閥接通，水箱開始進(jìn)水。

出水電磁閥：其功能與進(jìn)水閥相似，用來控制出水閥的開啟和關(guān)斷。在其輸出有效時，出水閥接通，開始沖水。

信號指示燈：該部分用來指示系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)。主要包括手動模式和自動模式指示、水位低指示、水箱滿指示、水箱滿指示、正在沖水指示以及上電指示。通過觀察信號指示燈就可以知道，自動沖水系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)。

五、硬件電路設(shè)計

FX1S-30MR型號的三菱PLC輸入端采用的是低電平導(dǎo)通形式，如圖4.2所示。通過圖4.2我可以看出，指令采集按鈕部分與COM端相連，即可構(gòu)成輸入回路。輸入端子和COM端子之間無電壓或者NPN開集電極晶體管連接時，則輸入為NO，輸入端LED指示燈亮。可編程控制器內(nèi)部，置有數(shù)字濾波器，濾波時間可以根據(jù)特殊寄存器進(jìn)行設(shè)置，X000-X007為D8020，X010-X017為D8121，濾波時間可以在0~15ms的范圍內(nèi)變更。

外部電源可以是交流和直流兩種，電壓等級交流AC250V以下，直流DC30V以下。最大電阻負(fù)載2A/點(diǎn)，感性負(fù)載80VA，燈負(fù)載100W。繼電器型輸出回路的每個COM單元可以驅(qū)動不同電源電壓系統(tǒng)（例如：AC220V，AC127V，DC24）的負(fù)載。輸出繼電器的線圈通電或切斷，到輸出接點(diǎn)為ON或OFF的響應(yīng)時間都是約10ms。

六、自動沖水系統(tǒng)工作流程

自動沖水系統(tǒng)操作流程如下所述：

1.系統(tǒng)上電后，觀察上電指示燈狀態(tài)。上電指示燈亮，表明系統(tǒng)供電正常，否則應(yīng)該檢查系統(tǒng)供電回路。

2.觀察準(zhǔn)備好指示燈狀態(tài)。只有在準(zhǔn)備好指示燈點(diǎn)亮的情況下，才可以進(jìn)入自動模式，否則應(yīng)該在手動模式下，通過手動控制進(jìn)水閥接通，向水箱注水，在水箱水位脫離“水位低”狀態(tài)時，準(zhǔn)好指示燈亮，此時可以進(jìn)入自動狀態(tài)工作。

3.手動模式指示燈亮?xí)r，表明系統(tǒng)工作在手動模式下。手動模式主要用來系統(tǒng)的調(diào)試，進(jìn)水閥和出水閥分別由按鈕控制，即按下進(jìn)水或出水按鈕時，進(jìn)水閥或出水閥能獨(dú)立“點(diǎn)動”工作。手動模式的退出，可以通過停止按鈕實(shí)現(xiàn)。

4.自動模式指示燈亮?xí)r，表明系統(tǒng)工作在自動模式下。進(jìn)入自動模式后，首先檢測水箱水位，在“水位低”時，進(jìn)水電磁閥接通，該狀態(tài)一直持續(xù)到“水箱滿”，一旦檢測到“水箱滿”狀態(tài)時，進(jìn)水電磁閥關(guān)斷；系統(tǒng)進(jìn)入自動模式時，定時30min自動開啟，到達(dá)動作時間時，出水電磁閥接通，開始沖水，并在延時10s后，自動斷開，開始下一次計時。自動模式的退出，可以通過停止按鈕實(shí)現(xiàn)。

5.水位低和水箱滿指示燈用來指示水箱水位所處的狀態(tài)。

七、總結(jié)

本文設(shè)計的自動沖水系統(tǒng)因?yàn)闀r間有限，設(shè)計中也存在著一些不足之處，有待進(jìn)一步改進(jìn)提高。

1.水箱每次沖水量的大小沒有進(jìn)行科學(xué)的計算，水作為珍貴的地球資源，如何最高效的利用水資源是一個值得研究的課題。可以通過數(shù)學(xué)建立模型，分析水箱體積多大時可用最少的水達(dá)到最好的沖洗效果。

2.自動沖水系統(tǒng)水箱中的水都是干凈的水，能否設(shè)計一款水循環(huán)系統(tǒng)連接在自動沖水系統(tǒng)上，在一座建筑物或一個區(qū)域內(nèi)將使用過的水處理后循環(huán)作為自動沖洗系統(tǒng)的水來源。

這些在自動沖水系統(tǒng)中改進(jìn)之后，必將大大提高自動沖水系統(tǒng)的工作性能，同時達(dá)到降低成本、節(jié)約資源的目的。

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