【正文】 系 名 信息工程系 專 業(yè) 自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 6011202381 指導(dǎo)教師 XXXX 職 稱 高級(jí)工程師 天津大學(xué)仁愛學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告 課題名稱 基于西門子 PLC系統(tǒng)超高精度溫度檢測(cè)方法及控制方法的 研究 系 名 信息工程系 專 業(yè) 自動(dòng)化 學(xué)生姓名 XXX 指導(dǎo)教師 XXX 一、高精度溫控 的 來源及意義 溫度的測(cè)量和控制可以優(yōu)化人們的日常生活。 溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比仍然有著較大的差距。 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 程序中設(shè)定了手動(dòng)操作和自動(dòng)控制選擇開關(guān)，在任意階段都能夠?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換，實(shí)現(xiàn)了溫度、壓力的手、自動(dòng)選擇控制。 模擬與調(diào)試。 該系統(tǒng)由槽體、均勻攪拌裝置、高準(zhǔn)確度溫度控制系統(tǒng)和自動(dòng)計(jì)量檢測(cè)軟件組成。temperature control。 在海洋儀器的檢定與校準(zhǔn)中，海水恒溫槽良好的溫場(chǎng)性能是保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性與可靠性的前提。 溫場(chǎng)穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)恒溫槽保持恒溫性能的指標(biāo)，其在很大程度上取決于控制系統(tǒng)。由中國(guó)科學(xué)計(jì)量研究院設(shè)計(jì)的―海水溫鹽檢定恒溫槽 ‖，使用了主輔槽結(jié)構(gòu)，輔槽與主槽同步升降溫，為主槽提供高精度冷源。這款校準(zhǔn)裝置中內(nèi)置了獨(dú)特的溫度計(jì)安裝器具，在更換指定溫度計(jì)的安裝位置時(shí)，不會(huì)對(duì)固定溫度計(jì)的安裝造成影響，使得溫度計(jì)快速的進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，從而提高了校準(zhǔn)工作的效率。獨(dú)特的信號(hào)調(diào)理電路有效地抑制了測(cè)量過程中的噪聲，使得微小的溫度變化量得以被檢測(cè)出來 [4]。 英國(guó)固藍(lán)特 GRANT 公司也是一家優(yōu)秀的恒溫裝置供應(yīng)商，現(xiàn)對(duì)其最新生產(chǎn)的 Grant Optinma TM 系列 T120 恒溫控制器做簡(jiǎn)單的介紹，以便了解其發(fā)展方向。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 表 12 系統(tǒng)恒溫槽的技術(shù)要求 溫場(chǎng)穩(wěn)定性 ≤ 177。對(duì)于海洋溫度傳感器儀器系數(shù)的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，常選擇的校準(zhǔn)點(diǎn)有 0℃ 、 5℃ 、 10℃ 、 15℃ 、 20℃ 、 25℃ 、 30℃ 、 35℃ 。恒溫槽內(nèi)部的金屬盤管浸沒在海水中，并通過低位進(jìn)液口和高位出液口與外部管路對(duì)接以形成循環(huán)管路。磁力裝置的應(yīng)用可有效傳送攪拌動(dòng)力，且平穩(wěn)快速，最大限度地降低電機(jī)的運(yùn)行熱量對(duì)槽內(nèi)溫度的影響。需要補(bǔ)充 的是，系統(tǒng)的操作需要通過人機(jī)界面來完成，而電路設(shè)計(jì)中加入的以太網(wǎng)接口為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了必備的資源。隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體制冷技術(shù)在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)使得多組半導(dǎo)體材料串聯(lián)在一起工作，巧妙的把冷端與熱端分別置于兩側(cè)。 （ 2） 焦耳效應(yīng) 焦耳效應(yīng)是指在單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體中穩(wěn)定電流所產(chǎn)生的熱量，熱量值等于導(dǎo)體的電阻值與電流平均值二次方的乘積 [20]，其計(jì)算公式如下所示： SlIRIQJ ?22 ?? (29) 式中， ——表示焦耳熱； ——表示單位時(shí)間內(nèi)流過導(dǎo)體的穩(wěn)定電流； ——表示導(dǎo)體的有效電阻； ? ——表示導(dǎo)體的電阻率； ——表示導(dǎo)體的長(zhǎng)度；——表示導(dǎo)體的有效橫截面積。 （ 1） 制冷效率 :使用半導(dǎo)體制冷片時(shí)，常會(huì)見到銘牌上所標(biāo)注的額定電壓 與額定電流，可知制冷片的功耗為 P=UI，而半導(dǎo)體制冷片的功率指的是其在單位時(shí)間內(nèi)能夠產(chǎn)生的制冷量。 總結(jié)以上幾點(diǎn)分析可以發(fā)現(xiàn)，熱端的發(fā)熱量及其散熱量直接影響了半導(dǎo)體制冷片的制冷效率 [24]，而熱端的發(fā)熱是必然的，如何做到限制熱端的發(fā)熱量并增大散熱量是很關(guān)鍵的，可見不宜將半導(dǎo)體制冷片長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用于大功率的場(chǎng)合，其更加適用于小功率的微調(diào)場(chǎng)合。 單相交流調(diào)壓電路 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 從控制方式的角度分類，單相交流調(diào)壓電路可以分為相位控制調(diào)壓、周波控制調(diào)壓和斬波控制調(diào)壓。 由上述分析可知，在有效移相范圍內(nèi)改變觸發(fā)角，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。 當(dāng) α＝ π 時(shí)， Uo＝ 0。當(dāng)使用外部控制信號(hào)時(shí)，端口 con 接正，端口 接負(fù)；如果端口的極性相反，輸出端會(huì)失控（全開或全閉）。 4 6 系統(tǒng)檢測(cè)元件選型 檢測(cè)元件是測(cè)量系統(tǒng)最重要最基本的環(huán)節(jié)，主要由敏感元件和轉(zhuǎn)化元件兩部分組成，其作用為感受被測(cè)量，并將其 轉(zhuǎn)換為其它形式或另一種信息的物理量， 以方便信號(hào)的傳輸、處理和顯示。銅電阻具有良好的溫度阻值線性關(guān)系，而且溫度系數(shù)大，價(jià)格便宜，因此在一些對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性要求不高的場(chǎng)合，常采用銅電阻 [40]。對(duì)于標(biāo)稱值為 10KΩ 的熱敏電阻，即使恒流源輸出電流只發(fā)生 的波動(dòng)，就會(huì)引起 的電壓變化。電流值太小又會(huì)使得信噪比下降 則 無法保證精度。 EM232 可擴(kuò)展2 路模擬量輸出通道。在自由口通信方式下， S7200 PLC 可以與任何協(xié)議公開的設(shè)備、控制器進(jìn)行通信，最高波特率可達(dá) 。當(dāng)判斷消息結(jié)束時(shí)接收狀態(tài)終止，否則通訊口會(huì)一直處在接收狀態(tài)。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 41 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 第五章 PLC 控制 PLC 的選型 根據(jù)溫度控制的工藝流程和實(shí)際需要， PLC 的選型需要滿足以下條件： 具有模擬量的采集、處理過程及開關(guān)量的輸 入 /輸出功能； 具有簡(jiǎn)單回路控制算法。 ，每種 CPU 又都有 3 種不同的類型可供選擇 。另外，天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 它還有良好的用戶使用功能，如脈寬調(diào)制（ PWM） ,位置控制（ PTO）、 PID 等功能。用戶調(diào)試程序時(shí)，可對(duì)輸入或輸出強(qiáng)制接通。參數(shù)在顯示器上顯示并可用輸入鍵進(jìn)行修改，例如可修改溫度設(shè)定或速度改變等到參數(shù)。用文本顯示器 TD200 能滿足具有溫度顯示和用外部按鍵隨時(shí)天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 改變內(nèi)部能數(shù)的要求。 （ 2）計(jì) 算當(dāng)前時(shí)刻的電磁閥開度。因而溫度控制具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。 T2 為電磁閥打開時(shí)間。程序中有人工階段選擇開關(guān)，可以在任意階段間跳轉(zhuǎn)，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實(shí)現(xiàn)后繼程序正常運(yùn)行的情況。用 STERT 編程式軟件就可以對(duì) TD200 編程，而不需要其他的參數(shù)賦值軟件。 （ 3）提供強(qiáng)制 I/O 點(diǎn)診斷功能。 （ 6）友好的調(diào)試和故障診斷功能，包括整個(gè)用戶程序可在用戶規(guī)定的同期數(shù)內(nèi)運(yùn)行和分析，同時(shí)可紀(jì)錄性存儲(chǔ)器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器狀態(tài)。 （ 2）豐富的指令功能。它還安裝有大容量電容，可以長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而不需要后備電池。 當(dāng) S7200 PLC 接收到指令后進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)校驗(yàn) , 這里采用 BBC 校驗(yàn)方式，即將每一幀的第一個(gè)字節(jié)（不包括起始字符）到該幀中正文校驗(yàn)碼之前的所有字節(jié)作異或運(yùn)算（本例中是從 VB101 到 VB130），并將校驗(yàn)碼作為報(bào)文一部分發(fā)送到計(jì)算機(jī)。啟動(dòng)接收指令后， CPU 的通訊控制器就處于接收狀態(tài)。 自由口通訊工作模式的定義 在中小規(guī)模系統(tǒng)，通信速率要求不是特別高的情況下， S7200 PLC 自帶的編程口可以作為通信口使用。 EM231 可擴(kuò)展 4 路模擬量輸入通道， A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 25μ s， 12 位； EM231還有專門的熱電偶、熱電阻模塊是為 CPU222， CPU224， CPU226 設(shè)計(jì)的， S7200與多種熱電偶、熱電阻的連接備有隔離接口。 （ 2）熱電阻的選型 影響熱電阻測(cè)溫效果的因素主要有引線電阻、自熱效應(yīng)、元器件溫漂和熱電天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 阻的溫度阻值特性 [43]。 NTC 型熱敏電阻常用于測(cè)量溫度； PTC 型和CTR 型在一定溫度范圍內(nèi)阻值隨溫度而劇烈變化，可用于檢測(cè)特定溫度。按照 IEC751 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在常用的是以溫度系數(shù) TCR = 為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的鉑電阻 [39]。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 第三章 溫度 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 恒溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)電路整體包括了 電源電路、 S7200PLC、文本顯示器 TD200、繼電器、微處理器外圍電路、信號(hào)處理模塊以及通信模塊。 18 0176。圖 210 和圖 211 所示分別為單相全波調(diào)壓模塊自動(dòng)控制電路圖與全隔離單相交流調(diào)壓模塊實(shí)物圖。圖 29 所示為在相控方式下電阻性負(fù)載上的電壓波形。在交流電源 U 的負(fù)半周期內(nèi)，正向電壓作用于晶閘管，當(dāng) ωt＝ π＋ α?xí)r，導(dǎo)通，則輸出為缺少 α角的正弦負(fù)半 波電壓 [26]。相對(duì)于耦變壓器調(diào)壓方法，交流調(diào)壓方法具有控制簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換快速，裝置輕巧，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在電加熱控制、交流電機(jī)調(diào)速、光照調(diào)節(jié)以及交流穩(wěn)壓器等場(chǎng)合。 （ 4） 使用壽命：在保證正確安裝以及良好散熱的前提下，使用在額定電壓 下的半導(dǎo)體制冷片的壽命可達(dá)到 3 萬小時(shí)，而這一數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體制冷片的理論壽命（約 30 萬小時(shí)）。綜上所述，流向冷端的總熱量是影響半導(dǎo)體制冷效果的最主要原因。 湯姆遜系數(shù)描述的是一種導(dǎo)體材料的性質(zhì)，當(dāng)導(dǎo)體中電流流向與溫度梯度方向相同時(shí)， ＞ 0，導(dǎo)體出現(xiàn)吸熱現(xiàn)象；反之則＜ 0，導(dǎo)體出現(xiàn)放熱現(xiàn)象 [18]。在回路中電流從 N 型材料流向 P型半導(dǎo)體材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)處溫度會(huì)下降并出現(xiàn)吸熱現(xiàn)象，這種類型的結(jié)點(diǎn)被稱之為冷端；同理，電流從 P 型材料流向 N 型半導(dǎo)體材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)處溫度會(huì)升高并出現(xiàn)放熱現(xiàn)象，這種類型的結(jié)點(diǎn)被稱之為熱端 [13]。 半導(dǎo)體制冷原理 半導(dǎo)體制冷的理論基礎(chǔ)起源于 19 世紀(jì)，然而直到上世紀(jì) 70 年代才有真正的天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 半導(dǎo)體制冷器問世 [10]。 微調(diào)控制快速控制制冷加熱恒溫槽溫度變送控溫點(diǎn)T 0 T 圖 24 系統(tǒng)控制框圖 圖 25 為系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖，圖中顯示了控制器與測(cè)量單元、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及通信部分的關(guān)系。恒溫槽內(nèi)部部分構(gòu)造如圖 23所示。圖 22 所示為管路循環(huán)結(jié)構(gòu)中的部分裝置的實(shí)物圖。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 恒溫槽 系統(tǒng)整體概述 本文所設(shè)計(jì)的恒溫槽屬海洋儀器溫鹽檢定設(shè)備的一部分，用于對(duì)海洋儀器中的溫度傳感器進(jìn)行檢定與校準(zhǔn)。主要的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面： （ 1） 恒溫槽控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，包括控制原理、加熱 \制冷執(zhí) 行機(jī)構(gòu)的選型； （ 2） 恒溫槽控制器硬件電路和溫度測(cè)量電路的原理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)； （ 3） 恒溫槽控制算法的選擇與改進(jìn)； （ 4） 控制系統(tǒng)相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)與編制，包括測(cè)溫驅(qū)動(dòng)程序、控制程序、通信程序、人機(jī)界面設(shè)計(jì)等。 德國(guó)勞達(dá)公司在世界各地內(nèi)供應(yīng)準(zhǔn)確的液體恒溫系統(tǒng)，勞達(dá)產(chǎn)品控溫精確，溫度波動(dòng)＜ ℃ ，溫度范圍為 150℃ ~+400℃ 。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 在溫度的測(cè)量方面，福祿克的產(chǎn)品中使用了性能良好的鉑電阻 PRT 用于實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫槽的溫度控制；另外還使用了其它溫度傳感器用于實(shí)現(xiàn)自保護(hù)功能。 表 11 其他恒溫槽主要性能指標(biāo) 波動(dòng)度 ≤ 177。 因此，對(duì)國(guó)內(nèi)外恒溫槽研究現(xiàn)狀的分析對(duì)比，應(yīng)該從恒溫槽的溫場(chǎng)穩(wěn)定性與均勻性上出發(fā)和落腳。 ℃ 以上時(shí)，才能被用來校準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)為177。 恒溫槽是一種為各類溫度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電池以及標(biāo)準(zhǔn)電阻的檢定與校準(zhǔn)提供恒溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)備 [1]。 檢測(cè)裝置 ABSTRACT In recent years, along with China39。而國(guó)外生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽也大多使用溫度儀表或智能溫度表進(jìn)行控溫，沒有使用精密溫度控制與自動(dòng)計(jì)量檢測(cè)相結(jié)合的技術(shù)。 依照查找到的資料學(xué)習(xí) s7200 的工作原理。 三、研究目標(biāo) ，包括控制原理、加熱 \制冷執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型； ； ； 制系統(tǒng)相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)與編制，包括測(cè)溫驅(qū)動(dòng)程序、控制程序、通信程序、人機(jī)界面設(shè)計(jì)等。隨著電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， PLC 在溫度控制系統(tǒng)中得到了大量廣泛的運(yùn)用。在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要高穩(wěn)定度的恒溫環(huán)境，在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究的諸多領(lǐng)域中，溫度控制占有非常重要的地位。目前，我國(guó)在這方面總體水平處于 20 實(shí)際 80 年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。程序中有人工階段選擇開關(guān)，可以在任意階段間跳轉(zhuǎn)，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實(shí)現(xiàn)后繼程序正常運(yùn)行的情況。 撰寫論文，準(zhǔn)備