呂威俞琪帥設(shè)__計__說__明__書

1、 技師核心技術(shù)專題研修設(shè) 計 說 明 書課題名稱 工業(yè)恒溫水箱 專業(yè)班級 05技師 學(xué)生姓名 呂威 俞琪帥 學(xué) 號 052722 052807 指導(dǎo)教師 謝鏗 寧波技師學(xué)院電氣技術(shù)系2011年3月目 錄1 引言12 總體設(shè)計22.1設(shè)計要求：22.2解決方案32.3恒溫箱的組成結(jié)構(gòu)33 硬件設(shè)計63.1 電源電路63.2 進(jìn)水部分63.3 加熱器部分63.4 攪拌部分73.5 供水排水部分73.6 輸入輸出模塊83.7 模擬量輸入塊83.8 模擬量輸出模塊93.9 溫度輸入模塊103.10 變頻器的選擇103.11加熱器和調(diào)壓模塊選擇103.12 傳感器選擇103.13 水箱與水管113.14

2、 其他器件選擇123.15系統(tǒng)流程框圖134 軟件設(shè)計144.1 程序流程圖144.2 PID144.2.1 PID的優(yōu)缺點154.2.2 PID控制用數(shù)據(jù)列表154.2.3 PID I/O數(shù)據(jù)列表164.2.4 PID控制用數(shù)據(jù)舉例174.3 觸摸屏18電氣專業(yè)技師核心技術(shù)專題研修設(shè)計說明書 第18頁1 引言隨著工業(yè)生產(chǎn)水平的日趨提高，新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用 ，恒溫系統(tǒng)得到了發(fā)展的機(jī)遇。于是我們選擇了一種符合各方面規(guī)范、衛(wèi)生安全而又經(jīng)濟(jì)合理的工業(yè)恒溫水箱做為課題。本系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行邏輯控制，采用PID功能進(jìn)行溫度控制。系統(tǒng)存在工作可靠，安全，使用方便，控制精度高等優(yōu)點。 2 總體設(shè)計2.1

3、設(shè)計要求：1、溫度設(shè)置范圍為0-60度，精度±1.5。2、可設(shè)置水位（下限210mm，上限建議最高400mm）。3、加熱時進(jìn)行攪拌使加溫均勻。4、水泵供水壓力為1.5公斤。5、能遠(yuǎn)程控制供水。6、觸摸屏顯示溫度值和溫度的變化曲線。7、觸摸屏顯示水泵的供水壓力值。8、觸摸屏顯示水位動態(tài)。9、觸摸屏顯示變頻器頻率。10、當(dāng)觸摸屏壞時，可使用外部手動按鈕和儀表進(jìn)行恒溫。11、變頻器壞時，可以直接全壓啟動水泵進(jìn)行供水。設(shè)計主要為工業(yè)提供恒溫，來保存一些化學(xué)用品進(jìn)行一些工業(yè)生產(chǎn)必要的輔助作用（例如化工染料廠）。另外增加了一個排水口，當(dāng)水箱內(nèi)的水沒用時不用松開出水口的水管可以通過排水口排除。2.

4、2解決方案圖2-1 設(shè)計主要采用PLC、變頻器、溫度傳感器、壓力傳感器、A/D模塊、D/A模塊、熱電偶輸入模塊、加熱器、水泵等來組合完成。通過PLC、加熱器、溫度傳感器、熱點偶輸入模塊來實現(xiàn)恒溫控制。觸摸屏與PLC用網(wǎng)線進(jìn)行連接，設(shè)備內(nèi)部有足夠水量情況下由溫度傳感器不斷將水箱溫度信號變成電信號送向PLC，溫度傳感器把采集到的模擬信號送入熱點偶輸入模塊從而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由PLC進(jìn)行PID運(yùn)算，獲得最佳控制參數(shù)，運(yùn)算后的值通過D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬量在通過到全隔離單向交流調(diào)壓模塊控制加熱器。供水時把A/D模塊測得的值給PLC經(jīng)過PID程序得到的操作值通過D/A模塊輸給頻率器來使水泵輸出壓力恒定在

5、1.5公斤。2.3恒溫箱的組成結(jié)構(gòu)恒溫箱主要由進(jìn)水、加熱、攪拌與供水控制和顯示部分組成，經(jīng)過這些部分緊密的配合來使恒溫箱達(dá)到正常工作的目的。設(shè)計將采用三菱Q系列PLC進(jìn)行控制，并配備觸摸屏來控制和顯示動態(tài)。圖2-2 總體框圖 圖2-3 水箱表面手動按鈕圖2-4 元器件布置圖3 硬件設(shè)計3.1 電源電路課題采用三相四線制供電，380V的電源來接變頻器和水泵，220V輸入到開關(guān)電源，并接PLC電源模塊和觸摸屏，開關(guān)電源輸出直流24V為各種模塊使用。3.2 進(jìn)水部分進(jìn)水部分是恒溫箱的基礎(chǔ)部分，主要是通過電磁閥的通斷來控制進(jìn)水量，如下圖所示壓力傳感器（YL1)測得的水壓經(jīng)過AD模塊轉(zhuǎn)換到PLC里和設(shè)定

6、的水壓比較，當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定值時把電磁閥關(guān)閉停止進(jìn)水。下圖為壓力傳感器接線圖：圖中V+、V-為AD模塊上端子，1、2為傳感器上2個接點。圖3-1 壓力傳感器接線3.3 加熱器部分課題中的加熱部分主要由1個加熱器、全隔離單向交流調(diào)壓模塊、組成，把溫度傳感器測到的值經(jīng)過AD模塊轉(zhuǎn)換到PLC，再通過模擬量輸出模塊把PID計算得到的操作值經(jīng)過DA模塊轉(zhuǎn)換送到調(diào)壓模塊，由調(diào)壓模塊來控制加熱器從而調(diào)整溫度。圖3-2 加熱部分接線3.4 攪拌部分為了讓加溫均勻，由閥門和水泵組成攪拌部分，如下圖所示需要攪拌時打開下圖中的2個電磁閥讓里面的水進(jìn)行：水箱 電磁閥 水泵 電磁閥 水箱進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動從而使加熱均勻達(dá)到攪拌

7、效果。圖3-3 攪拌部分圖3.5 供水排水部分供水部分由水泵、電磁閥、壓力傳感器組成，可對高處需水處進(jìn)行供水，當(dāng)水溫加熱到設(shè)定值后，如得到遠(yuǎn)程或本地需要供水信號就打開下圖中的2個電磁閥變頻器得到信號對水泵進(jìn)行控制即可進(jìn)行供水，并把供水壓力在觸摸屏上顯示。供水時由A/D模塊測得的值給PLC經(jīng)過PID程序得到的操作值通過D/A模塊輸給頻率器來使水泵輸出壓力恒定在1.5公斤。排水部分是為使用方便設(shè)計的，當(dāng)水箱中的水沒有作用或弄臟時可以從排水口把水放完。圖3-4 供水部分圖3.6 輸入輸出模塊它們是去Q系列PLC與外部設(shè)備的接觸模塊輸入模塊選擇了QX41,輸出模塊為QY41P。3.7 模擬量輸入塊模擬

8、量輸入塊接受電量或非電量變送器提供的標(biāo)準(zhǔn)電流信號或標(biāo)準(zhǔn)電流信號，因此模擬量輸入塊的選型與變送器有很大的關(guān)系。三菱Q系列模塊能高速、高精度地將外部的電壓或電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并放入CPU的模塊。選型時應(yīng)考慮以下問題：1：分辨率PLC的模擬量輸入模塊的分辨率用于轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來表示（這里為16位），Q系列AD模塊的分辨率都一樣都可以設(shè)置最高分辨率和正常分辨率模式，本課題所用的為正常分辨率模式。2：模擬量模塊的轉(zhuǎn)換速度三菱Q系列的模擬量模塊轉(zhuǎn)換速度比較快，一般情況下為80us/通道。（當(dāng)有溫度漂移時速度會有所改變）3：模擬量通道數(shù)本課題所用到的模擬通道數(shù)為2個通道，由于Q系列最小為4通道，

9、所以選擇4通道。4：模擬量模塊是否有光隔離由于系統(tǒng)的安全性和抗干擾等方面的原因，PLC與I/O端口之間有光隔離，模塊各通道之間沒有隔離。由于以上的因素能符合我們的設(shè)計要求，又不造成資源浪費(fèi)選擇了Q64AD。3.8 模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊主要是把從PLC得到的數(shù)字信號變換成被控對象能接收的模擬信號，DA模塊能將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換位模擬量電壓或電流輸出。Q系列模擬量輸出模塊高速、高精度地將CPU模塊所賦予的數(shù)字量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量信號，并輸出到外部設(shè)備上。主要型號分為Q62DA(2通道）、Q64DA(4通道）、Q68DAV（8通道）和Q68DAI（8通道）。 Q系列模塊的轉(zhuǎn)換速度和精度都是一樣的，能

10、在80us/通道的速度下進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。轉(zhuǎn)換精度較高為±0.1%（當(dāng)環(huán)境溫度為25±5時）。所有型號的DA模塊分辨率模式可以按照應(yīng)用來切換，并且可以選擇數(shù)字值分辨率設(shè)置1/4000、1/12000或1/6000。由于系統(tǒng)的安全性和抗干擾等方面的原因，PLC與I/O端口之間有光隔離，模塊各通道之間沒有隔離。從通道數(shù)量考慮本次設(shè)計只需要用到2個模擬量輸出通道，應(yīng)選用Q62DA,但由于學(xué)校有Q64DA為了不浪費(fèi)資源所以選擇了Q64DA模塊。 3.9 溫度輸入模塊課題中采用了Q64RD來作為溫度輸入模塊，它將PT100所測得數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并輸送給PLC。我們使用的是模塊的2號通道所

11、以將H1011輸入到G0里。3.10 變頻器的選擇變頻器是微計算機(jī)及現(xiàn)代電力技術(shù)高度發(fā)展的結(jié)果。微計算機(jī)是變頻器的核心，電力電子器件構(gòu)成變頻器的主電路。作為教學(xué)模擬器材水箱比較小，現(xiàn)有的水泵功率為750W，為了節(jié)省成本選擇了750W的水泵，因為變頻器:選擇變頻器容量設(shè)備容量的（11.25）倍。750*1.25=937.5W，為了節(jié)省成本，選用了現(xiàn)有的1500W三菱E700變頻器。3.11加熱器和調(diào)壓模塊選擇加熱器選擇公式為w=cm(t2-t1)(c為水的比熱容，m為質(zhì)量，t2加熱后溫度，t1加熱前溫度）W=4.2*10³焦/千克·攝氏度*0.059立方米*1000kg/m&

12、#179;*60攝氏度=14868000J，t選擇45分鐘，p=w/t= 14868000/2700=5506W 所以選擇功率為5KW的加熱器。調(diào)壓模塊要選擇了90A的，我們選擇了LSA-2P90YB。3.12 傳感器選擇此次設(shè)計是用來實現(xiàn)對水位、溫度的控制，對傳感器的選擇是很關(guān)鍵的，標(biāo)準(zhǔn)的模擬量傳感器用于將傳感提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流或直流電壓信號，例如DC010V和420mA。傳感器分為電流輸出型和電壓輸出型，電壓輸出型變送器具有恒壓源的性質(zhì)。電流輸出具有恒流源的性質(zhì)，恒流源的內(nèi)阻很大。電流傳送的傳送距離比電壓傳送的傳送距離遠(yuǎn)得多。1 壓力傳感器選擇課題中需要2個壓力傳感器一

13、個測水位的壓力傳感器采用了三線制嵌入式的壓力傳感器，選用的傳感器是由廣州森納士生產(chǎn)的，型號為（ DG1300-BZ-A-2-0.01 ） ，該傳感器的量程為1m，我們的水桶最高為0.75m所以選擇這個壓力傳感器。另一個水泵出水口的壓力傳感器因課題中水泵供水壓力為1.5公斤，所以選擇現(xiàn)有的6公斤壓力傳感器。2 溫度傳感器選擇溫度傳感器將測得的電量或非電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流或直流電壓信號，例如DC010V和420mA。PT100的傳感器價格便宜使用方便，性價比比較高，又能達(dá)到課題所需要的0-60度溫度，所以本課題就用了2線制的PT100變送器（PT100的變送器價格便宜又符合課題要求、經(jīng)濟(jì)實惠）

14、。接線時還要注意導(dǎo)線電阻要滿足1+2小于等于2千歐。1和2之間的導(dǎo)線電阻值的差應(yīng)該最大10歐。 PT100溫度感測器的電阻值會隨溫度變化而改變，具有正溫度系數(shù)，我們就是利用此特性來測量溫度。 3.13 水箱與水管因為水泵輸出為4分管，為了讓出水壓力變大我們把水箱底部到水泵改成了6分管口徑。水箱是恒溫箱的重要部件之一，恒溫水箱此設(shè)計的水箱采用1.52mm的不銹鋼材料制作（需要考慮加熱器、水管等元件的固定，所以水箱不能選擇太薄。由于做為教學(xué)模擬設(shè)備水箱的大小選擇了高700mm寬400mm的桶（由一個高500mm的圓柱和一個高175mm的圓臺組成）如圖所示：圖3-5 水箱水箱不能滿水量使用所以把可用

15、部分定在450mm箱體積=RRh+RRh/3=3.14*0.2*0.2*0.40+3.14*0.2*0.2*0.2/3=0.05652+0.00837=0.059m³（下面小圓錐部分忽略不計）3.14 其他器件選擇1交流繼電器的選擇1) 接觸器主出頭額定電壓應(yīng)大于或等于控制線路的額定電壓，這里選擇380V2) 主觸頭電流: = 電動機(jī)額定電壓（單位V)，電動機(jī)額定功率（單位KW) K=11.4,=1.4A3) 接觸器吸引線圈電壓，當(dāng)控制線路簡單，使用電器較少時，為節(jié)省變壓器可直接選用380V或220V，當(dāng)線路復(fù)雜，使用電器超過5個時，從人身和設(shè)備安全角度考慮，吸引線圈電壓要選低一點，

16、可選用36V或110V電壓的線圈。這里符合前一種。從以上幾點考慮下選擇CJ20J-10。2空氣開關(guān)的選擇它具有過載保護(hù)、短路保護(hù)選擇：>1）熱脫口電流=負(fù)載總電流2）電磁脫口電流>負(fù)載峰值電流（電動機(jī)電流）=2（電動機(jī)額定功率）=KK=1.52主空氣開關(guān)（QF1)選擇：課題中水泵額定功率為750W，額定電流為1.5A左右，加上1個6000W、220V的加熱器總電流為27.2A，所以總電流為28.7A，28.7*2=57.4A所以選擇DZ47-60C60的空氣開關(guān)?？諝忾_關(guān)（QF2)選擇：水泵額定功率為750W，額定電流為1.5A，1.5*2=3A。DZ47-60C3空氣開關(guān)（QF4

17、)選擇：加熱器額定功率為6KW，額定電壓220V,額定電流為27.2A，27.2*2=54.4A選擇DZ47-60C603按鈕的選擇1）根據(jù)使用場合和具體用途選擇按鈕的種類。例如：嵌裝在操作面板上的按鈕可選用開啟式；需要顯示工作狀態(tài)的選用光標(biāo)式；在非常重要處，為防止無關(guān)人員誤操作宜用鑰匙操作式；在有腐蝕性氣體處要用防腐式。2）根據(jù)工作狀態(tài)指示和工作情況要求，選擇按鈕或指示燈的顏色 例如：啟動按鈕可選白、灰或黑色，優(yōu)先選用白色，也允許選用綠色。急停按鈕應(yīng)選用紅色。停止按鈕可選用黑、灰或白色，優(yōu)先選用黑色，也允許選用紅色。3）根據(jù)控制回路的需要選擇按鈕的數(shù)量 如單聯(lián)按鈕、雙聯(lián)按鈕和三聯(lián)按鈕等。在課

18、題中用到了2個停止按鈕和2個啟動按鈕。3.15系統(tǒng)流程框圖圖3-64 軟件設(shè)計4.1 程序流程圖圖4-1 進(jìn)水加熱流程圖4.2 PID在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最

19、適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。4.2.1 PID的優(yōu)缺點（1）不需要被控對象的數(shù)據(jù)模型：自然控制理論中的分析和設(shè)計方法基本上是建立在被控對象的線性定常數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的。該模型忽略了實際系統(tǒng)中的非線性和時變得因素，與實際系統(tǒng)有較大的差距。對于許多工業(yè)控制對象，根本就無法建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此自動控制理論中的設(shè)計方法對大多數(shù)實際系統(tǒng)是無能為力的。對于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。（2）PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序設(shè)計簡單，計算機(jī)工作量較小，各參數(shù)相互獨(dú)立，有明確的物

20、理意義，參數(shù)調(diào)整方便，容易實現(xiàn)多回路控制，串級控制等復(fù)雜的控制。（3）有較強(qiáng)的靈活性和舒適性：根據(jù)被控對象的具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進(jìn)的控制方式，例如PI，PD，帶死區(qū)的PID，積分分離式PID和變速積分PID等，但比例控制一般必不可少的。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法相結(jié)合，可以實現(xiàn)PID控制器的參數(shù)自整定，使PID控制器具有筋經(jīng)久不衰的生命力。（4）使用方便：由于用途廣泛，使用靈活，已有多種控制產(chǎn)品具有PID控制功能，適用中只需設(shè)定一些比較容易整定的參數(shù)即可，有的產(chǎn)品還具有參數(shù)自整定功能。4.2.2 PID控制用數(shù)據(jù)列表數(shù)據(jù)編號數(shù)據(jù)項目設(shè)定范圍S環(huán)路數(shù)量1到8S+1一次掃描中的環(huán)路數(shù)量1到8S+2選擇運(yùn)算表達(dá)式0：正向動作1：逆向動作S+3采樣周期（Ts)0.01到60S數(shù)據(jù)編號數(shù)據(jù)項目設(shè)定范圍S+4比例常數(shù)（Kp)0.01到100.00S+5積分常數(shù)（Ti)0.1到3000.0SS+6微分常數(shù)（Td)0.00到300.00SS+7過濾系數(shù)