山東交通學(xué)院基于PLC多通道溫濕度監(jiān)控裝置

1、山東交通學(xué)院基于PLC多通道溫濕度監(jiān)控裝置的開放性實驗 院(部)別 信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院 班 級 電升131 學(xué) 號 111111111 姓 名 張廣驍 指導(dǎo)教師 韓耀振 目錄摘要3一 PLC簡介41.1 PLC的發(fā)展歷41.2 PLC的基本概念與應(yīng)用領(lǐng)域41.3 PLC的基本概念與工作原理5二 硬件設(shè)計71.1設(shè)計框圖71.2 溫濕度傳感器71.3 EM235介紹8三 開放性實驗141.1設(shè)計要求141.2 I/O分配141.3 實驗程序151.4 實驗照片18總結(jié)19致謝20參考文獻(xiàn)21摘要個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為

2、Programmable Logic Controller（PLC）。PLC是一種用于自動化控制的專用計算機，實質(zhì)上屬于計算機控制方PLC控制一般具有可靠性高、易操作、維修、編程簡單、靈活性強等特點。PLC采用了可編程程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)、和算術(shù)運算等操作的指令。并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程；而有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。PLC存在許許多多的的優(yōu)點，因此，PLC已經(jīng)在工業(yè)市場占有一大片領(lǐng)域。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)

3、速技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入一個嶄新的時代，其應(yīng)用越來越廣目前，PLC在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵，石油化工，建材，機械制造，交通運輸?shù)雀鱾€行業(yè)。 上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。一 PLC簡介1.1 PLC的發(fā)展歷PLC產(chǎn)生到現(xiàn)在，

4、已發(fā)展到第四代產(chǎn)品，其過程基本如下：第一代PLC（1969-1972）:大多用一位機開發(fā)用磁芯存儲器存儲，只具有單一的邏輯控制功能，機種單一，沒有形成系統(tǒng)化。第二代PLC（1973-1975）：采用8位微處理及半導(dǎo)體存儲器 ，增加了數(shù)字運算、傳送、比較等功能，能實現(xiàn)模擬量的控制，開始具備自診斷功能，初步形成系列化。第三代PLC(1976-1983):隨著高性能微處理器及位片式CPU在PLC中大量使用, PLC的處理速度大大提高，從而促使它向多功能及聯(lián)網(wǎng)通訊方向發(fā)展，增加了多種特殊功能，如浮點數(shù)運算、三角函數(shù)運算、表處理、脈寬調(diào)制輸出等，自診斷功能及容錯技術(shù)發(fā)展迅速。第四代PLC(1983年至今

5、)：不僅全面使用16位、32位高性能微處理器，高性能位片式微處理器，RISC(Reduced Instruction Set Computer)精簡指令系統(tǒng)CPU等高級CPU等高級CPU，而且在一臺PLC中配置多個微處理器，進(jìn)行多通道處理，同時生產(chǎn)了大量內(nèi)含微處理器的智能模塊，使第四代PLC產(chǎn)品成為具有邏輯控制功能、過程控制功能、運算控制功能、數(shù)據(jù)處理功能、聯(lián)網(wǎng)通訊功能的真1.2 PLC的基本概念與應(yīng)用領(lǐng)域1、PLC的概念廣義上的可編程序控制器簡稱PLC，狹義上的PLC是一種數(shù)字運算操作系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時計數(shù)等的指令

6、，并通過輸入和輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程2、PLC由硬件部分和軟件兩部分組成，硬件部分由輸入模塊，CPU 模塊，輸出模塊、編程器這四部分組成。3、PLC的優(yōu)點：1、可靠性高，抗干擾能力強2、配套齊全，功能完善，實用性強3、易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎4、系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維修方便，容易改造5、體積小，重量輕，能耗低PLC的應(yīng)用領(lǐng)域：1、開關(guān)量的邏輯控制2、模擬量的控制3、運動控制4、過程控制5、數(shù)據(jù)處理6、通訊及聯(lián)網(wǎng)1.3 PLC的基本概念與工作原理1、PLC的硬件結(jié)構(gòu)（1）CPU模塊由CPU和存儲器組成存儲器又包括：（1）隨機存儲器（讀/寫存儲器）RAM。其作用是存放用戶程序

7、，其特點具有易失性（2）只讀存儲器ROM。其作用是存放系統(tǒng)程序，其特點具有非易失性（3）可以電擦出可編程只讀存儲器EEPROM。其作用是存放用戶程序，其特點是具有非易失性（2）輸入模塊I 包括直流輸入型和交流輸入型（3）輸出模塊O包括繼電器輸出型模塊、雙向晶閘管輸出型模塊、晶體管輸出型模塊（4）編程器指電腦2、CPU的軟件結(jié)構(gòu)是指PLC的編程語言其編程語言包括梯形圖、指令表（S7-200中的編程語言）、順序功能圖（S7-300和S7-400中的編程語言）等3、PLC的工作原理一、PLC的工作模式包括:（1）RUN（運行）模式，（2）STOP（停止）模式（1）PLC的RUN工作模式：讀寫輸入執(zhí)行

8、用戶程序處理通信請求CPU自診斷檢查改寫輸出表3-3PLC RUN工作模式（2）PLC的STOP工作模式： 讀取輸出處理通信請求CPU自診斷檢查改寫輸出表3-3 PLC STOP工作模式二 硬件設(shè)計1.1設(shè)計框圖圖1-1工作原理編程控制實驗箱（天煌）1臺西門子S7-200系列PLC-CPU 2261臺通訊電纜1根計算機1臺編程軟件 V4.0 STEP 7 MicroWIN SP61套連接導(dǎo)線若干EM2351臺穩(wěn)壓器1臺溫濕度傳感器1臺1.2 溫濕度傳感器SHR01-233K特點：濕敏電阻（濕敏傳感器）是在導(dǎo)電半導(dǎo)體陶瓷基片上涂履一層高分子感濕膜， 與空氣中相對濕度變化導(dǎo)致電阻值系數(shù)變化原理。應(yīng)

9、用于數(shù)字式溫濕度表、電子溫濕度計、加濕機、抽濕機、空調(diào)、氣象測量場合。 優(yōu)點：具有良好的靈敏感應(yīng)特性、防水性、穩(wěn)定性、高精度、低飄移。參數(shù)：表1-5供應(yīng)電壓1VAC(50HZ-2KHZ)濕度測試范圍10%-95%RH濕度精度±5%RH（20%-90%）濕度一致性±3%RH（20%-90%）使用溫度范圍0-80（耐溫120）儲存環(huán)境10-40、20%-60%RH阻抗值23K(60%RH ,25)阻抗值范圍1528 K響應(yīng)時間12S濕度飄移（年）±2%RH濕滯±1.5%RH1.3 EM235介紹EM235是最常用的模擬量擴展模塊，它實現(xiàn)了4路模擬量輸入和1路

10、模擬量輸出功能。下面以EM235為例講解模擬量擴展模塊接線圖，如圖1-4：圖1-4 擴展模塊接線圖1-4演示了模擬量擴展模塊的接線方法，對于電壓信號，按正、負(fù)極直接接入X和X；對于電流信號，將RX和X短接后接入電流輸入信號的“”端；未連接傳感器的通道要將X和X短接。對于某一模塊，只能將輸入端同時設(shè)置為一種量程和格式，即相同的輸入量程和分辨率。（后面將詳細(xì)介紹）EM235的常用技術(shù)參數(shù)：表1-2 EM235的常用技術(shù)參數(shù)模擬量輸入特性模擬量輸入點數(shù)4輸入范圍電壓（單極性）010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV 電壓（雙極性）±10V ±5V 

11、7;2.5V ±1V ±500mV ±250mV ±100mV ±50mV ±25mV電流020mA數(shù)據(jù)字格式雙極性 全量程范圍-32000+32000單極性 全量程范圍032000分辨率12位A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸出特性模擬量輸出點數(shù)1信號范圍電壓輸出 ±10V電流輸出020mA數(shù)據(jù)字格式電壓-32000+32000電流032000分辨率電流電壓12位電流11位下表說明如何用DIP開關(guān)設(shè)置EM235擴展模塊，開關(guān)1到6可選擇輸入模擬量的單/雙極性、增益和衰減。表 1-3EM235開關(guān) 單/雙極性選擇增益選擇衰減選擇SW1SW

12、2SW3SW4SW5SW6     ON單極性       OFF 雙極性     OFF OFF   X1    OFF ON  X10     ONOFF   X100    ONON  無效 ONOFF OFF &

13、#160;    0.8OFF ONOFF      0.4OFF OFF ON     0.2由上表可知，DIP開關(guān)SW6決定模擬量輸入的單雙極性，當(dāng)SW6為ON時，模擬量輸入為單極性輸入，SW6為OFF時，模擬量輸入為雙極性輸入。SW4和SW5決定輸入模擬量的增益選擇，而SW1，SW2，SW3共同決定了模擬量的衰減選擇。根據(jù)上表6個DIP開關(guān)的功能進(jìn)行排列組合，所有的輸入設(shè)置如下表： 表1-4單極性滿量程輸入分辨率SW1 SW2SW3 SW4 SW5

14、SW6 ONOFFOFFONOFFON0到50mV 12.5V OFFONOFFONOFFON0到100mV 25V ONOFFOFFOFFONON0到500mV125uA OFFONOFFOFFONON0到1V 250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mV ONOFFOFFOFFOFFON0到20mA 5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V 2.5mV 雙極性滿量程輸入分辨率SW1 SW2SW3SW4SW5SW6ONOFF OFF ONOFF OFF ±25mV 12.5V OFF ONOFF ONOFF OFF ±50mV 25VOFF OFF

15、ONONOFF OFF ±100mV 50V ONOFF OFF OFF ONOFF ±250mV 125VOFF ONOFF OFF ONOFF ±500 250VOFF OFF ONOFF ONOFF ±1V 500V ONOFF OFF OFF OFF OFF ±2.5V 1.25mV OFF ONOFF OFF OFF OFF ±5V 2.5mV OFF OFF ONOFF OFF OFF ±10V 5mV 6個DIP開關(guān)決定了所有的輸入設(shè)置。也就是說開關(guān)的設(shè)置應(yīng)用于整個模塊，開關(guān)設(shè)置也只有在重新上電后才能生效。輸入

16、校準(zhǔn)模擬量輸入模塊使用前應(yīng)進(jìn)行輸入校準(zhǔn)。其實出廠前已經(jīng)進(jìn)行了輸入校準(zhǔn)，如果OFFSET和GAIN電位器已被重新調(diào)整，需要重新進(jìn)行輸入校準(zhǔn)。其步驟如下：A、 切斷模塊電源，選擇需要的輸入范圍。B、 接通CPU和模塊電源，使模塊穩(wěn)定15分鐘。C、 用一個變送器，一個電壓源或一個電流源，將零值信號加到一個輸入端。D、 讀取適當(dāng)?shù)妮斎胪ǖ涝贑PU中的測量值。E、 調(diào)節(jié)OFFSET（偏置）電位計，直到讀數(shù)為零，或所需要的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值。F、 將一個滿刻度值信號接到輸入端子中的一個，讀出送到CPU的值。G、 調(diào)節(jié)GAIN（增益）電位計，直到讀數(shù)為32000或所需要的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值。H、 必要時，重復(fù)偏置和增益校準(zhǔn)

17、過程。EM235輸入數(shù)據(jù)字格式下圖給出了12位數(shù)據(jù)值在CPU的模擬量輸入字中的位置圖1-5 數(shù)據(jù)值在CPU的模擬量輸入字中的位置可見，模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器（ADC）的12位讀數(shù)是左對齊的。最高有效位是符號位，0表示正值。在單極性格式中，3個連續(xù)的0使得模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器（ADC）每變化1個單位，數(shù)據(jù)字則以8個單位變化。在雙極性格式中，4個連續(xù)的0使得模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器每變化1個單位，數(shù)據(jù)字則以16為單位變化。EM235輸出數(shù)據(jù)字格式圖1-6給出了12位數(shù)據(jù)值在CPU的模擬量輸出字中的位置：圖1-6 數(shù)據(jù)值在CPU的模擬量輸出字中的位置數(shù)字量到模擬量轉(zhuǎn)換器（DAC）的12位讀數(shù)在其輸出格式中

18、是左端對齊的，最高有效位是符號位，0表示正值。模擬量擴展模塊的尋址每個模擬量擴展模塊，按擴展模塊的先后順序進(jìn)行排序，其中，模擬量根據(jù)輸入、輸出不同分別排序。模擬量的數(shù)據(jù)格式為一個字長，所以地址必須從偶數(shù)字節(jié)開始。例如：AIW0，AIW2，AIW4、AQW0，AQW2。每個模擬量擴展模塊至少占兩個通道，即使第一個模塊只有一個輸出AQW0,第二個模塊模擬量輸出地址也應(yīng)從AQW4開始尋址，以此類推。圖1-7演示了CPU224后面依次排列一個4輸入/4輸出數(shù)字量模塊，一個8輸入數(shù)字量模塊，一個4模擬輸入/1模擬輸出模塊，一個8輸出數(shù)字量模塊，一個4模擬輸入/1模擬輸出模塊的尋址情況，其中，灰色通道不能

19、使用。圖1-7模擬量值和A/D轉(zhuǎn)換值的轉(zhuǎn)換假設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號是A0Am（如：420mA），A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)值為D0Dm（如：640032000），設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號是A，A/D轉(zhuǎn)換后的相應(yīng)數(shù)值為D，由于是線性關(guān)系，函數(shù)關(guān)系A(chǔ)f（D）可以表示為數(shù)學(xué)方程：A（DD0）×（AmA0）（DmD0）A0。根據(jù)該方程式，可以方便地根據(jù)D值計算出A值。將該方程式逆變換，得出函數(shù)關(guān)系Df（A）可以表示為數(shù)學(xué)方程：D（AA0）×（DmD0）（AmA0）D0。具體舉一個實例，以S7-200和420mA為例，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，我們得到的數(shù)值是640032000，即A04，Am20，D06400

20、，Dm32000，代入公式，得出：A（D6400）×（204）（320006400）4假設(shè)該模擬量與AIW0對應(yīng)，則當(dāng)AIW0的值為12800時，相應(yīng)的模擬電信號是6400×162560048mA。又如，某溫度傳感器，1060與420mA相對應(yīng)，以T表示溫度值，AIW0為PLC模擬量采樣值，則根據(jù)上式直接代入得出：T=70×（AIW06400）2560010可以用T 直接顯示溫度值。模擬量值和A/D轉(zhuǎn)換值的轉(zhuǎn)換理解起來比較困難，該段多讀幾遍，結(jié)合所舉例子，就會理解。為了讓您方便地理解，我們再舉一個例子：某壓力變送器，當(dāng)壓力達(dá)到滿量程5MPa時，壓力變送器的輸出電流

21、是20mA，AIW0的數(shù)值是32000?？梢?，每毫安對應(yīng)的A/D值為32000/20，測得當(dāng)壓力為0.1MPa時，壓力變送器的電流應(yīng)為4mA，A/D值為（32000/20）×46400。由此得出，AIW0的數(shù)值轉(zhuǎn)換為實際壓力值（單位為KPa）的計算公式為：VW0的值(AIW0的值6400)(5000100)/(320006400)100（單位：KPa）編程實例您可以組建一個小的實例系統(tǒng)演示模擬量編程。本實例的的CPU是CPU222，僅帶一個模擬量擴展模塊EM235，該模塊的第一個通道連接一塊帶420mA變送輸出的溫度顯示儀表，該儀表的量程設(shè)置為0100度，即0度時輸出4mA，100度時輸出20mA。溫度顯示儀表的鉑電阻輸入端接入一個220歐姆可調(diào)電位器，簡單編程如下：溫度顯示值（AIW0-6400）/256三 開放性實驗基于PLC 的多通道溫濕度監(jiān)控裝置1.1設(shè)計要求 通過傳感器采集溫濕度數(shù)值，分別經(jīng)過2個EM235轉(zhuǎn)換之后（表示8路以上），用2位LED交替顯示相應(yīng)電壓值的個位和第一個小數(shù)位，要實現(xiàn)可自動每隔2秒交替，也可手動按鍵交替顯示，具體要求如下： 1）、要保證顯示精度。2）、當(dāng)某一路電壓值大于2V時，LED閃爍顯示，以示報警。3）、同時自動啟動鼠籠式三相異步電動機開關(guān)溫濕度控制閥門。4）、電動機應(yīng)能單獨手動控制啟停。 1.2 I/O分配輸入定