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1、技师核心技术专题研修设 计 说 明 书课题名称 工业恒温水箱 专业班级 05技师 学生姓名 吕威 俞琪帅 学 号 052722 052807 指导教师 谢铿 宁波技师学院电气技术系2011年3月目 录1 引言12 总体设计22.1设计要求：22.2解决方案32.3恒温箱的组成结构33 硬件设计63.1 电源电路63.2 进水部分63.3 加热器部分63.4 搅拌部分73.5 供水排水部分73.6 输入输出模块83.7 模拟量输入块83.8 模拟量输出模块93.9 温度输入模块103.10 变频器的选择103.11加热器和调压模块选择103.12 传感器选择103.13 水箱与水管113.14
2、其他器件选择123.15系统流程框图134 软件设计144.1 程序流程图144.2 PID144.2.1 PID的优缺点154.2.2 PID控制用数据列表154.2.3 PID I/O数据列表164.2.4 PID控制用数据举例174.3 触摸屏181 引言随着工业生产水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用 ，恒温系统得到了发展的机遇。于是我们选择了一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的工业恒温水箱做为课题。本系统采用PLC进行逻辑控制，采用PID功能进行温度控制。系统存在工作可靠，安全，使用方便，控制精度高等优点。 2 总体设计2.1设计要求：1、温度设置范围为0-60度，精度1.5
3、。2、可设置水位（下限210mm，上限建议最高400mm）。3、加热时进行搅拌使加温均匀。4、水泵供水压力为1.5公斤。5、能远程控制供水。6、触摸屏显示温度值和温度的变化曲线。7、触摸屏显示水泵的供水压力值。8、触摸屏显示水位动态。9、触摸屏显示变频器频率。10、当触摸屏坏时，可使用外部手动按钮和仪表进行恒温。11、变频器坏时，可以直接全压启动水泵进行供水。设计主要为工业提供恒温，来保存一些化学用品进行一些工业生产必要的辅助作用（例如化工染料厂）。另外增加了一个排水口，当水箱内的水没用时不用松开出水口的水管可以通过排水口排除。2.2解决方案图2-1 设计主要采用PLC、变频器、温度传感器、压
4、力传感器、A/D模块、D/A模块、热电偶输入模块、加热器、水泵等来组合完成。通过PLC、加热器、温度传感器、热点偶输入模块来实现恒温控制。触摸屏与PLC用网线进行连接，设备内部有足够水量情况下由温度传感器不断将水箱温度信号变成电信号送向PLC，温度传感器把采集到的模拟信号送入热点偶输入模块从而转换成数字信号，再由PLC进行PID运算，获得最佳控制参数，运算后的值通过D/A模块转换为模拟量在通过到全隔离单向交流调压模块控制加热器。供水时把A/D模块测得的值给PLC经过PID程序得到的操作值通过D/A模块输给频率器来使水泵输出压力恒定在1.5公斤。2.3恒温箱的组成结构恒温箱主要由进水、加热、搅拌
5、与供水控制和显示部分组成，经过这些部分紧密的配合来使恒温箱达到正常工作的目的。设计将采用三菱Q系列PLC进行控制，并配备触摸屏来控制和显示动态。图2-2 总体框图 图2-3 水箱表面手动按钮图2-4 元器件布置图3 硬件设计3.1 电源电路课题采用三相四线制供电，380V的电源来接变频器和水泵，220V输入到开关电源，并接PLC电源模块和触摸屏，开关电源输出直流24V为各种模块使用。3.2 进水部分进水部分是恒温箱的基础部分，主要是通过电磁阀的通断来控制进水量，如下图所示压力传感器（YL1)测得的水压经过AD模块转换到PLC里和设定的水压比较，当水位到达设定值时把电磁阀关闭停止进水。下图为压力
6、传感器接线图：图中V+、V-为AD模块上端子，1、2为传感器上2个接点。图3-1 压力传感器接线3.3 加热器部分课题中的加热部分主要由1个加热器、全隔离单向交流调压模块、组成，把温度传感器测到的值经过AD模块转换到PLC，再通过模拟量输出模块把PID计算得到的操作值经过DA模块转换送到调压模块，由调压模块来控制加热器从而调整温度。图3-2 加热部分接线3.4 搅拌部分为了让加温均匀，由阀门和水泵组成搅拌部分，如下图所示需要搅拌时打开下图中的2个电磁阀让里面的水进行：水箱 电磁阀 水泵 电磁阀 水箱进行循环运动从而使加热均匀达到搅拌效果。图3-3 搅拌部分图3.5 供水排水部分供水部分由水泵、
7、电磁阀、压力传感器组成，可对高处需水处进行供水，当水温加热到设定值后，如得到远程或本地需要供水信号就打开下图中的2个电磁阀变频器得到信号对水泵进行控制即可进行供水，并把供水压力在触摸屏上显示。供水时由A/D模块测得的值给PLC经过PID程序得到的操作值通过D/A模块输给频率器来使水泵输出压力恒定在1.5公斤。排水部分是为使用方便设计的，当水箱中的水没有作用或弄脏时可以从排水口把水放完。图3-4 供水部分图3.6 输入输出模块它们是去Q系列PLC与外部设备的接触模块输入模块选择了QX41,输出模块为QY41P。3.7 模拟量输入块模拟量输入块接受电量或非电量变送器提供的标准电流信号或标准电流信号
8、，因此模拟量输入块的选型与变送器有很大的关系。三菱Q系列模块能高速、高精度地将外部的电压或电流信号转换为数字量，并放入CPU的模块。选型时应考虑以下问题：1：分辨率PLC的模拟量输入模块的分辨率用于转换后的二进制数的位数来表示（这里为16位），Q系列AD模块的分辨率都一样都可以设置最高分辨率和正常分辨率模式，本课题所用的为正常分辨率模式。2：模拟量模块的转换速度三菱Q系列的模拟量模块转换速度比较快，一般情况下为80us/通道。（当有温度漂移时速度会有所改变）3：模拟量通道数本课题所用到的模拟通道数为2个通道，由于Q系列最小为4通道，所以选择4通道。4：模拟量模块是否有光隔离由于系统的安全性和抗
9、干扰等方面的原因，PLC与I/O端口之间有光隔离，模块各通道之间没有隔离。由于以上的因素能符合我们的设计要求，又不造成资源浪费选择了Q64AD。3.8 模拟量输出模块模拟量输出模块主要是把从PLC得到的数字信号变换成被控对象能接收的模拟信号，DA模块能将数字信号转换位模拟量电压或电流输出。Q系列模拟量输出模块高速、高精度地将CPU模块所赋予的数字量数据转换为模拟量信号，并输出到外部设备上。主要型号分为Q62DA(2通道）、Q64DA(4通道）、Q68DAV（8通道）和Q68DAI（8通道）。 Q系列模块的转换速度和精度都是一样的，能在80us/通道的速度下进行转换处理。转换精度较高为0.1%（
10、当环境温度为255时）。所有型号的DA模块分辨率模式可以按照应用来切换，并且可以选择数字值分辨率设置1/4000、1/12000或1/6000。由于系统的安全性和抗干扰等方面的原因，PLC与I/O端口之间有光隔离，模块各通道之间没有隔离。从通道数量考虑本次设计只需要用到2个模拟量输出通道，应选用Q62DA,但由于学校有Q64DA为了不浪费资源所以选择了Q64DA模块。 3.9 温度输入模块课题中采用了Q64RD来作为温度输入模块，它将PT100所测得数值转换成数字量并输送给PLC。我们使用的是模块的2号通道所以将H1011输入到G0里。3.10 变频器的选择变频器是微计算机及现代电力技术高度发
11、展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成变频器的主电路。作为教学模拟器材水箱比较小，现有的水泵功率为750W，为了节省成本选择了750W的水泵，因为变频器:选择变频器容量设备容量的（11.25）倍。750*1.25=937.5W，为了节省成本，选用了现有的1500W三菱E700变频器。3.11加热器和调压模块选择加热器选择公式为w=cm(t2-t1)(c为水的比热容，m为质量，t2加热后温度，t1加热前温度）W=4.2*10焦/千克摄氏度*0.059立方米*1000kg/m*60摄氏度=14868000J，t选择45分钟，p=w/t= 14868000/2700=5506W 所以选择
12、功率为5KW的加热器。调压模块要选择了90A的，我们选择了LSA-2P90YB。3.12 传感器选择此次设计是用来实现对水位、温度的控制，对传感器的选择是很关键的，标准的模拟量传感器用于将传感提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如DC010V和420mA。传感器分为电流输出型和电压输出型，电压输出型变送器具有恒压源的性质。电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。电流传送的传送距离比电压传送的传送距离远得多。1 压力传感器选择课题中需要2个压力传感器一个测水位的压力传感器采用了三线制嵌入式的压力传感器，选用的传感器是由广州森纳士生产的，型号为（ DG1300-BZ-A-2
13、-0.01 ） ，该传感器的量程为1m，我们的水桶最高为0.75m所以选择这个压力传感器。另一个水泵出水口的压力传感器因课题中水泵供水压力为1.5公斤，所以选择现有的6公斤压力传感器。2 温度传感器选择温度传感器将测得的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如DC010V和420mA。PT100的传感器价格便宜使用方便，性价比比较高，又能达到课题所需要的0-60度温度，所以本课题就用了2线制的PT100变送器（PT100的变送器价格便宜又符合课题要求、经济实惠）。接线时还要注意导线电阻要满足1+2小于等于2千欧。1和2之间的导线电阻值的差应该最大10欧。 PT100温度感测器的电阻
14、值会随温度变化而改变，具有正温度系数，我们就是利用此特性来测量温度。 3.13 水箱与水管因为水泵输出为4分管，为了让出水压力变大我们把水箱底部到水泵改成了6分管口径。水箱是恒温箱的重要部件之一，恒温水箱此设计的水箱采用1.52mm的不锈钢材料制作（需要考虑加热器、水管等元件的固定，所以水箱不能选择太薄。由于做为教学模拟设备水箱的大小选择了高700mm宽400mm的桶（由一个高500mm的圆柱和一个高175mm的圆台组成）如图所示：图3-5 水箱水箱不能满水量使用所以把可用部分定在450mm箱体积=RRh+RRh/3=3.14*0.2*0.2*0.40+3.14*0.2*0.2*0.2/3=0
15、.05652+0.00837=0.059m（下面小圆锥部分忽略不计）3.14 其他器件选择1交流继电器的选择1) 接触器主出头额定电压应大于或等于控制线路的额定电压，这里选择380V2) 主触头电流: = 电动机额定电压（单位V)，电动机额定功率（单位KW) K=11.4,=1.4A3) 接触器吸引线圈电压，当控制线路简单，使用电器较少时，为节省变压器可直接选用380V或220V，当线路复杂，使用电器超过5个时，从人身和设备安全角度考虑，吸引线圈电压要选低一点，可选用36V或110V电压的线圈。这里符合前一种。从以上几点考虑下选择CJ20J-10。2空气开关的选择它具有过载保护、短路保护选择：
16、1）热脱口电流=负载总电流2）电磁脱口电流负载峰值电流（电动机电流）=2（电动机额定功率）=KK=1.52主空气开关（QF1)选择：课题中水泵额定功率为750W，额定电流为1.5A左右，加上1个6000W、220V的加热器总电流为27.2A，所以总电流为28.7A，28.7*2=57.4A所以选择DZ47-60C60的空气开关。空气开关（QF2)选择：水泵额定功率为750W，额定电流为1.5A，1.5*2=3A。DZ47-60C3空气开关（QF4)选择：加热器额定功率为6KW，额定电压220V,额定电流为27.2A，27.2*2=54.4A选择DZ47-60C603按钮的选择1）根据使用场合和
17、具体用途选择按钮的种类。例如：嵌装在操作面板上的按钮可选用开启式；需要显示工作状态的选用光标式；在非常重要处，为防止无关人员误操作宜用钥匙操作式；在有腐蚀性气体处要用防腐式。2）根据工作状态指示和工作情况要求，选择按钮或指示灯的颜色 例如：启动按钮可选白、灰或黑色，优先选用白色，也允许选用绿色。急停按钮应选用红色。停止按钮可选用黑、灰或白色，优先选用黑色，也允许选用红色。3）根据控制回路的需要选择按钮的数量 如单联按钮、双联按钮和三联按钮等。在课题中用到了2个停止按钮和2个启动按钮。3.15系统流程框图图3-64 软件设计4.1 程序流程图图4-1 进水加热流程图4.2 PID在工程实际中，应
18、用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。4.2.1 P
19、ID的优缺点（1）不需要被控对象的数据模型：自然控制理论中的分析和设计方法基本上是建立在被控对象的线性定常数学模型的基础上的。该模型忽略了实际系统中的非线性和时变得因素，与实际系统有较大的差距。对于许多工业控制对象，根本就无法建立较为准确的数学模型，因此自动控制理论中的设计方法对大多数实际系统是无能为力的。对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。（2）PID控制器的结构典型，程序设计简单，计算机工作量较小，各参数相互独立，有明确的物理意义，参数调整方便，容易实现多回路控制，串级控制等复杂的控制。（3）有较强的灵活性和舒适性：根据被控对象的具体情况，可以采用PID控制器的多种变种和
20、改进的控制方式，例如PI，PD，带死区的PID，积分分离式PID和变速积分PID等，但比例控制一般必不可少的。随着智能控制技术的发展，PID控制与神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有筋经久不衰的生命力。（4）使用方便：由于用途广泛，使用灵活，已有多种控制产品具有PID控制功能，适用中只需设定一些比较容易整定的参数即可，有的产品还具有参数自整定功能。4.2.2 PID控制用数据列表数据编号数据项目设定范围S环路数量1到8S+1一次扫描中的环路数量1到8S+2选择运算表达式0：正向动作1：逆向动作S+3采样周期（Ts)0.01到60S数据编号数据项
21、目设定范围S+4比例常数（Kp)0.01到100.00S+5积分常数（Ti)0.1到3000.0SS+6微分常数（Td)0.00到300.00SS+7过滤系数（）0到100%S+8MV下限（MVLL)-50到2050S+9MV上限（MVHL)-50到2050S+10MV变化率（MV）0到2000S+11PV变化率（PV)0到2000S+12选择运算表达式0：正向动作1：逆向动作注：图中S代表任意软元件号4.2.3 PID I/O数据列表编号数据名称设置范围S1+0初始化处理标志S1+1到S1+9用于PID控制的工作区S1+10设置值SV-32768到32767S1+11测定值PV-32768到
22、32767S1+12操作值MV-32768到32767S1+13过滤后的测定值-32768到32767S1+14手动操作值-32768到32767编号数据名称设置范围S1+15手/自动选择0:手动操作值1：自动操作值S1+16报警/S1+17到S1+32环路1工作区（不可设置数据）/注：S1为任意地址4.2.4 PID控制用数据举例图4-2 PID控制用数据图4-3 PID I/O数据4.3 触摸屏为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。课题中触摸屏主要用来温度、水位的设定、以及温度水位的实际状态、温度曲线的实时显示、出水压力的显示等。
