【正文】 系 名 信息工程系 專 業(yè) 自動化 學 號 6011202381 指導教師 XXXX 職 稱 高級工程師 天津大學仁愛學院本科生畢業(yè)設計（論文） 開題報告 課題名稱 基于西門子 PLC系統(tǒng)超高精度溫度檢測方法及控制方法的 研究 系 名 信息工程系 專 業(yè) 自動化 學生姓名 XXX 指導教師 XXX 一、高精度溫控 的 來源及意義 溫度的測量和控制可以優(yōu)化人們的日常生活。 溫度控制系統(tǒng)在國內各行各業(yè)的應用雖然十分廣泛，但從國內生產的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比仍然有著較大的差距。 圖 1 系統(tǒng)結構示意圖 程序中設定了手動操作和自動控制選擇開關，在任意階段都能夠實現(xiàn)兩者間的切換，實現(xiàn)了溫度、壓力的手、自動選擇控制。 模擬與調試。 該系統(tǒng)由槽體、均勻攪拌裝置、高準確度溫度控制系統(tǒng)和自動計量檢測軟件組成。temperature control。 在海洋儀器的檢定與校準中，海水恒溫槽良好的溫場性能是保障實驗結果準確性與可靠性的前提。 溫場穩(wěn)定性是評價恒溫槽保持恒溫性能的指標，其在很大程度上取決于控制系統(tǒng)。由中國科學計量研究院設計的―海水溫鹽檢定恒溫槽 ‖，使用了主輔槽結構，輔槽與主槽同步升降溫，為主槽提供高精度冷源。這款校準裝置中內置了獨特的溫度計安裝器具，在更換指定溫度計的安裝位置時，不會對固定溫度計的安裝造成影響，使得溫度計快速的進入穩(wěn)定狀態(tài)，從而提高了校準工作的效率。獨特的信號調理電路有效地抑制了測量過程中的噪聲，使得微小的溫度變化量得以被檢測出來 [4]。 英國固藍特 GRANT 公司也是一家優(yōu)秀的恒溫裝置供應商，現(xiàn)對其最新生產的 Grant Optinma TM 系列 T120 恒溫控制器做簡單的介紹，以便了解其發(fā)展方向。 天津大學仁愛學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 4 表 12 系統(tǒng)恒溫槽的技術要求 溫場穩(wěn)定性 ≤ 177。對于海洋溫度傳感器儀器系數(shù)的校準實驗，常選擇的校準點有 0℃ 、 5℃ 、 10℃ 、 15℃ 、 20℃ 、 25℃ 、 30℃ 、 35℃ 。恒溫槽內部的金屬盤管浸沒在海水中，并通過低位進液口和高位出液口與外部管路對接以形成循環(huán)管路。磁力裝置的應用可有效傳送攪拌動力，且平穩(wěn)快速，最大限度地降低電機的運行熱量對槽內溫度的影響。需要補充 的是，系統(tǒng)的操作需要通過人機界面來完成，而電路設計中加入的以太網接口為實現(xiàn)遠程監(jiān)控提供了必備的資源。隨著相關科學技術的發(fā)展，半導體制冷技術在實際中得到了廣泛的應用。這種結構使得多組半導體材料串聯(lián)在一起工作，巧妙的把冷端與熱端分別置于兩側。 （ 2） 焦耳效應 焦耳效應是指在單位時間內導體中穩(wěn)定電流所產生的熱量，熱量值等于導體的電阻值與電流平均值二次方的乘積 [20]，其計算公式如下所示： SlIRIQJ ?22 ?? (29) 式中， ——表示焦耳熱； ——表示單位時間內流過導體的穩(wěn)定電流； ——表示導體的有效電阻； ? ——表示導體的電阻率； ——表示導體的長度；——表示導體的有效橫截面積。 （ 1） 制冷效率 :使用半導體制冷片時，常會見到銘牌上所標注的額定電壓 與額定電流，可知制冷片的功耗為 P=UI，而半導體制冷片的功率指的是其在單位時間內能夠產生的制冷量。 總結以上幾點分析可以發(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鍵的，可見不宜將半導體制冷片長時間應用于大功率的場合，其更加適用于小功率的微調場合。 單相交流調壓電路 天津大學仁愛學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 13 從控制方式的角度分類，單相交流調壓電路可以分為相位控制調壓、周波控制調壓和斬波控制調壓。 由上述分析可知，在有效移相范圍內改變觸發(fā)角，即可實現(xiàn)對輸出電壓的調節(jié)。 當 α＝ π 時， Uo＝ 0。當使用外部控制信號時，端口 con 接正，端口 接負；如果端口的極性相反，輸出端會失控（全開或全閉）。 4 6 系統(tǒng)檢測元件選型 檢測元件是測量系統(tǒng)最重要最基本的環(huán)節(jié)，主要由敏感元件和轉化元件兩部分組成，其作用為感受被測量，并將其 轉換為其它形式或另一種信息的物理量， 以方便信號的傳輸、處理和顯示。銅電阻具有良好的溫度阻值線性關系，而且溫度系數(shù)大，價格便宜，因此在一些對測量準確性要求不高的場合，常采用銅電阻 [40]。對于標稱值為 10KΩ 的熱敏電阻，即使恒流源輸出電流只發(fā)生 的波動，就會引起 的電壓變化。電流值太小又會使得信噪比下降 則 無法保證精度。 EM232 可擴展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)議公開的設備、控制器進行通信，最高波特率可達 。當判斷消息結束時接收狀態(tài)終止，否則通訊口會一直處在接收狀態(tài)。 天津大學仁愛學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 22 圖 41 通信系統(tǒng)結構 天津大學仁愛學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（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、處理過程及開關量的輸 入 /輸出功能； 具有簡單回路控制算法。 ，每種 CPU 又都有 3 種不同的類型可供選擇 。另外，天津大學仁愛學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 24 它還有良好的用戶使用功能，如脈寬調制（ PWM） ,位置控制（ PTO）、 PID 等功能。用戶調試程序時，可對輸入或輸出強制接通。參數(shù)在顯示器上顯示并可用輸入鍵進行修改，例如可修改溫度設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天津大學仁愛學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 25 改變內部能數(shù)的要求。 （ 2）計 算當前時刻的電磁閥開度。因而溫度控制具有廣泛的實際應用價值和應用前景。 T2 為電磁閥打開時間。程序中有人工階段選擇開關，可以在任意階段間跳轉，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實現(xiàn)后繼程序正常運行的情況。用 STERT 編程式軟件就可以對 TD200 編程，而不需要其他的參數(shù)賦值軟件。 （ 3）提供強制 I/O 點診斷功能。 （ 6）友好的調試和故障診斷功能，包括整個用戶程序可在用戶規(guī)定的同期數(shù)內運行和分析，同時可紀錄性存儲器、定時器、計數(shù)器狀態(tài)。 （ 2）豐富的指令功能。它還安裝有大容量電容，可以長時間存儲數(shù)據(jù)而不需要后備電池。 當 S7200 PLC 接收到指令后進行相關的數(shù)據(jù)校驗 , 這里采用 BBC 校驗方式，即將每一幀的第一個字節(jié)（不包括起始字符）到該幀中正文校驗碼之前的所有字節(jié)作異或運算（本例中是從 VB101 到 VB130），并將校驗碼作為報文一部分發(fā)送到計算機。啟動接收指令后， 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 可擴展 4 路模擬量輸入通道， A/D 轉換時間為 25μ s， 12 位； EM231還有專門的熱電偶、熱電阻模塊是為 CPU222， CPU224， CPU226 設計的， 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 影響熱電阻測溫效果的因素主要有引線電阻、自熱效應、元器件溫漂和熱電天津大學仁愛學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 19 阻的溫度阻值特性 [43]。 NTC 型熱敏電阻常用于測量溫度； PTC 型和CTR 型在一定溫度范圍內阻值隨溫度而劇烈變化，可用于檢測特定溫度。按照 IEC751 國際標準，現(xiàn)在常用的是以溫度系數(shù) TCR = 為標準統(tǒng)一設計的鉑電阻 [39]。 天津大學仁愛學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 17 第三章 溫度 控制系統(tǒng)的硬件設計 恒溫控制系統(tǒng)的硬件設計 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壓模塊自動控制電路圖與全隔離單相交流調壓模塊實物圖。圖 29 所示為在相控方式下電阻性負載上的電壓波形。在交流電源 U 的負半周期內，正向電壓作用于晶閘管，當 ωt＝ π＋ α時，導通，則輸出為缺少 α角的正弦負半 波電壓 [26]。相對于耦變壓器調壓方法，交流調壓方法具有控制簡單，轉換快速，裝置輕巧，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，被廣泛應用在電加熱控制、交流電機調速、光照調節(jié)以及交流穩(wěn)壓器等場合。 （ 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 下的半導體制冷片的壽命可達到 3 萬小時，而這一數(shù)字遠遠小于半導體制冷片的理論壽命（約 30 萬小時）。綜上所述，流向冷端的總熱量是影響半導體制冷效果的最主要原因。 湯姆遜系數(shù)描述的是一種導體材料的性質，當導體中電流流向與溫度梯度方向相同時， ＞ 0，導體出現(xiàn)吸熱現(xiàn)象；反之則＜ 0，導體出現(xiàn)放熱現(xiàn)象 [18]。在回路中電流從 N 型材料流向 P型半導體材料時，結點處溫度會下降并出現(xiàn)吸熱現(xiàn)象，這種類型的結點被稱之為冷端；同理，電流從 P 型材料流向 N 型半導體材料時，結點處溫度會升高并出現(xiàn)放熱現(xiàn)象，這種類型的結點被稱之為熱端 [13]。 半導體制冷原理 半導體制冷的理論基礎起源于 19 世紀，然而直到上世紀 70 年代才有真正的天津大學仁愛學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 9 半導體制冷器問世 [10]。 微調控制快速控制制冷加熱恒溫槽溫度變送控溫點T 0 T 圖 24 系統(tǒng)控制框圖 圖 25 為系統(tǒng)的控制結構圖，圖中顯示了控制器與測量單元、各執(zhí)行機構以及通信部分的關系。恒溫槽內部部分構造如圖 23所示。圖 22 所示為管路循環(huán)結構中的部分裝置的實物圖。 天津大學仁愛學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 5 第二章 系統(tǒng)總體方案設計 恒溫槽 系統(tǒng)整體概述 本文所設計的恒溫槽屬海洋儀器溫鹽檢定設備的一部分，用于對海洋儀器中的溫度傳感器進行檢定與校準。主要的研究內容包括以下幾個方面： （ 1） 恒溫槽控制系統(tǒng)的整體設計，包括控制原理、加熱 \制冷執(zhí) 行機構的選型； （ 2） 恒溫槽控制器硬件電路和溫度測量電路的原理設計與實現(xiàn)； （ 3） 恒溫槽控制算法的選擇與改進； （ 4） 控制系統(tǒng)相關的軟件設計與編制，包括測溫驅動程序、控制程序、通信程序、人機界面設計等。 德國勞達公司在世界各地內供應準確的液體恒溫系統(tǒng)，勞達產品控溫精確，溫度波動＜ ℃ ，溫度范圍為 150℃ ~+400℃ 。 天津大學仁愛學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 3 在溫度的測量方面，福祿克的產品中使用了性能良好的鉑電阻 PRT 用于實現(xiàn)對恒溫槽的溫度控制；另外還使用了其它溫度傳感器用于實現(xiàn)自保護功能。 表 11 其他恒溫槽主要性能指標 波動度 ≤ 177。 因此，對國內外恒溫槽研究現(xiàn)狀的分析對比，應該從恒溫槽的溫場穩(wěn)定性與均勻性上出發(fā)和落腳。 ℃ 以上時，才能被用來校準技術指標為177。 恒溫槽是一種為各類溫度計、標準電池以及標準電阻的檢定與校準提供恒溫實驗環(huán)境的設備 [1]。 檢測裝置 ABSTRACT In recent years, along with China39。而國外生產的標準恒溫槽也大多使用溫度儀表或智能溫度表進行控溫，沒有使用精密溫度控制與自動計量檢測相結合的技術。 依照查找到的資料學習 s7200 的工作原理。 三、研究目標 ，包括控制原理、加熱 \制冷執(zhí)行機構的選型； ； ； 制系統(tǒng)相關的軟件設計與編制，包括測溫驅動程序、控制程序、通信程序、人機界面設計等。隨著電子及計算機技術的發(fā)展， PLC 在溫度控制系統(tǒng)中得到了大量廣泛的運用。在工業(yè)生產中經常需要高穩(wěn)定度的恒溫環(huán)境，在生產實踐和科學研究的諸多領域中，溫度控制占有非常重要的地位。目前，我國在這方面總體水平處于 20 實際 80 年代中后期水平，成熟產品主要以“點位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。程序中有人工階段選擇開關，可以在任意階段間跳轉，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實現(xiàn)后繼程序正常運行的情況。 撰寫論文，準備