【正文】 采用上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)與 PLC 連接使其呈現(xiàn)出強(qiáng)大的功能，高速的計(jì)算，通訊能力使其能完成比較復(fù)雜的算法。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。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 T tT 1 T 2 圖 53 電磁閥 PWM 輸出波形圖 圖中 Tt 為電磁閥動(dòng)作周期。由于電磁閥是二位式的，所以其閥的開關(guān)動(dòng)作作為占空比連續(xù)變化的 PWM 輸出。 （ 2）計(jì) 算當(dāng)前時(shí)刻的電磁閥開度。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。溫度范圍，一般可以選擇的量程為 5℃ ～ 45℃ 或者 10℃ ～ 90℃ 的溫度變送器。本機(jī)及擴(kuò)展模塊 I/O地址分配見表。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。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。例如，這些功能鍵在測試系統(tǒng)時(shí)，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和修改，還可以不用其他操作設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制等。 （ 6）輸入和輸出設(shè)定。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)。 （ 3）提供強(qiáng)制 I/O 點(diǎn)診斷功能。 文本顯示器 TD200 具有以下用途 （ 1）顯示信息，可以顯示最多 80 條信息，每條信息最多可包含 4 個(gè)變量。通信是 S7200PLC 的一個(gè)重要功能，它為用戶提供了強(qiáng)大，靈活的通信功能。用戶調(diào)試程序時(shí)，可對(duì)輸入或輸出強(qiáng)制接通。 （ 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)。 （ 5）嚴(yán)格的口令保護(hù)。 （ 4）輸入和輸出的直接查詢和賦值。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。 （ 2）豐富的指令功能。 S7200 主要功能及特點(diǎn) （ 1）執(zhí)行指令速度高。 CPU212 有一個(gè) 2KHZ 的加 /減計(jì)數(shù)器，而CPU214CPU216 有兩個(gè)獨(dú)立的 7KHZ 的高速計(jì)數(shù)器，他們可用軟件或硬件 復(fù)位。 ，每種 CPU 又都有 3 種不同的類型可供選擇 。它還安裝有大容量電容，可以長時(shí)間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而不需要后備電池。 (2) S7 的電氣結(jié)構(gòu)特性 。它具有體積小，運(yùn)行速度高，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。 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； 具有簡單回路控制算法。 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)。 XMT 發(fā)送指令完成后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷事件（ Port0 為中斷事件 9， Port1為中斷事件 26）也可以監(jiān)視發(fā)送完成狀態(tài)位 和 的變化來產(chǎn)生 XMT中斷。對(duì)幾個(gè)重要的特殊存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置舉例如下： MOVB 16EC, SMB87（允許接受，檢測起始字符和結(jié)束字符，超時(shí)檢測） MOVB 104, SMB88（發(fā)送報(bào)文起始字符為 h） MOVB 72, SMB99（結(jié)束字符為 H） MOVB +1000, SMB92（接受超時(shí)時(shí)間為 1s） MOVB 35, SMB94（接受最大字符數(shù)為 35） 發(fā)送指令（ XMT） XMT 發(fā)送指令利用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指定要發(fā)送的字符，用于向指定通信口以字節(jié)為單位發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)字符 ，發(fā)送命令格式為 XMT TABLE， PORT， 其中 TABLE 為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)地址， PORT 指定的 PLC 要發(fā)送數(shù)據(jù)的端口。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)。啟動(dòng)接收指令后， CPU 的通訊控制器就處于接收狀態(tài)。接收的數(shù)據(jù)字節(jié)保存在接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。在 PLC 編程方面，自由口模式下的通訊協(xié)議主要就是自由口通信工作模式控制字的定義以及發(fā)送和接受數(shù)據(jù)指令的格式約定及其參數(shù)設(shè)置等。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) 。 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。本文采用了第三種通信方式，在開發(fā)通信軟件時(shí)考慮了 S7200 PLC 所特有的一種通信方式 —自由口通信模式。按照輸入 \輸出端口點(diǎn)數(shù)我們應(yīng)當(dāng)用 EM235 對(duì) CPU 進(jìn)行擴(kuò)展。 EM232 可擴(kuò)展2 路模擬量輸出通道。 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。對(duì)比標(biāo)稱值 10KΩ 的半導(dǎo)體熱敏電阻與 PT1000 的阻值分度表，可知單位溫度的變化引起的阻值變化之比約為 (50~500):1，因此在溫度變化量相同的情況下，如果要產(chǎn)生同樣的電壓變化量， PT1000 需要更大的通過電流，而大的負(fù)載電流對(duì)于串接的恒壓電源（ MAX6166A）輸出電壓的穩(wěn)定性是不利的。而標(biāo)稱值為 10KΩ 的半導(dǎo)體熱敏電阻串接 10KΩ 的精密電阻可以很好的解決問題。電流值太小又會(huì)使得信噪比下降 則 無法保證精度。 （ 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(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]。實(shí)際測試表明，當(dāng)芯片輸出電流小于 120μA時(shí)，其輸出電壓波動(dòng)值是小于的。恒壓源串聯(lián)熱電阻的測溫方法的應(yīng)用同樣受限于電壓源自身輸出的穩(wěn)定性及其帶負(fù)載能力，只要滿足以上兩點(diǎn)要求，即可收到良好的測試效果。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。 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(nèi)阻值隨溫度而劇烈變化，可用于檢測特定溫度。 CTR0 40 80 120 160 20010101010101010234567NTCPTC溫度/℃p/Ω （ 2）熱敏電阻 熱敏電阻是由金屬氧化物或半導(dǎo)體材料制成的熱敏元件。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)測量準(zhǔn)確性要求不高的場合，常采用銅電阻 [40]。按照 IEC751 國際標(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]。在金屬熱電阻中，銅電阻和鉑電阻常被用作檢測元件。 熱電阻可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類 [38]。 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(zhuǎn)化元件兩部分組成，其作用為感受被測量，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。 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。 本章小結(jié) 本章內(nèi)容概述了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與控制方式，并推倒了恒溫槽溫度數(shù)學(xué)模型在系統(tǒng)制冷量微調(diào)方面，介紹了半導(dǎo)體制冷的原理與其制冷量，分析了半導(dǎo)體制冷片使用中的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)，另外對(duì)本系統(tǒng)選用的半導(dǎo)體制冷片的技術(shù)參數(shù)也做了說明。 圖 212 控制電壓與可控硅輸出導(dǎo)通角的關(guān)系曲線 (阻性負(fù)載 ) 由圖可知控制電壓與導(dǎo)通角的關(guān)系式為 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 ）（ ???? CU? （ 215） 保溫 加熱器的電源為工頻 50Hz 的單相交流電，電源電壓與時(shí)間的關(guān)系式為 )100s in (2220 tU t π? （ 216） 則在半波周期內(nèi)，可控硅的導(dǎo)通時(shí)間為 sUm C ??? （ 217） 已知保溫加熱器的額定功率為 W1000 ，正常工作的電阻平均值為?R ， 假設(shè)滯后角 α的作用時(shí)間為，半波周期為 T/2，則導(dǎo)通角的作用時(shí)間為 T/2。 4 6 18 0176。－ α。其中當(dāng) con 端的輸入在 0～ 左右時(shí)為全關(guān)閉區(qū)間，此時(shí)模塊的輸出是完全關(guān)斷的；當(dāng) con 端的輸入在 ～ 左右時(shí)為可調(diào)區(qū)間，此時(shí)交流負(fù)載兩端的電壓隨控制電壓的增大而增 大；當(dāng) con 端的輸入在 ～ 5V左右時(shí)為全開通區(qū)間，此時(shí)交流負(fù)載上的電壓達(dá)到最大值 [30]。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）。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。模塊可使可控硅導(dǎo)通角在 0～ 180176。 UwtU 0awt 圖 29 電阻性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路工作波形 交流調(diào)壓 模塊的控制 全隔離單相交流調(diào)壓模塊內(nèi)部集成了同步信號(hào)變壓器、隔離控制電源、相位檢測電路 、移相電路、光電隔離觸發(fā)及輸出 可控硅 等部分，有效地實(shí)現(xiàn)了控制電路與高壓電路的隔離 [28]。 當(dāng) α＝ π 時(shí)， Uo＝ 0。圖 29 所示為在相控方式下電阻性負(fù)載上的電壓波形。對(duì)于這種情況可以將濾波網(wǎng)路應(yīng)用在電源端和負(fù)載端，以降低負(fù)載諧波對(duì)電源造成的影響。相控交流調(diào)壓電路的輸出電壓中含有較多的諧波分量。 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)。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]。圖 28 所示為相控方式的單相交流調(diào)壓電路。 相位控制調(diào)壓是采用調(diào)節(jié)觸發(fā)角 α大小的方法來控制輸出電壓。 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。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)壓器等場合。 圖 27 半導(dǎo)體制冷片實(shí)物圖 表 21 TEC112705 性能參數(shù)表 額定電壓 DV 12V(Vmax： ) 工作電流 Imax = 5A(額定電壓啟動(dòng)時(shí) ) 內(nèi)部阻值 （環(huán)境溫度 23177。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 在本系統(tǒng)中選用了 16 支半導(dǎo)體制冷片，分布在槽體外側(cè)四周，其選型為TEC112705，額定電壓為 DC 12V，制冷功率為 30W， TEC112705 實(shí)物如圖 27所示，其具體性能參數(shù)如表 21 所示。 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)體制冷片長時(shí)間應(yīng)用于大功率的場合，其更加適用于小功率的微調(diào)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(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)）。 （ 3） 散熱問題：如果熱端持續(xù)發(fā)熱，會(huì)使通過導(dǎo)體的電流減小，這樣就直 接降低了制冷片的功率。因此，半導(dǎo)體制片的制冷效率是較低的。 （ 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。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。同時(shí)制冷片生成的焦耳熱也將流向冷端，從而增大了流向冷端的總熱量。其計(jì)算公式如下所示： TKTTtkSQ chK ???? )( (210) 式中， ——表示通過給定截面的熱量； ——表示截面的面積； ——表示高溫溫度； ——表示低溫溫度； ——表示時(shí)間范圍； ——表示比例系數(shù)。 （ 2） 焦耳效應(yīng) 焦耳效應(yīng)是指在單位時(shí)