PLC控温系统——毕业论文

1、学校名称毕 业 设 计 论 文PLC控温系统 指导老师姓名： 专 业 名 称： 班 级 学 号： 论文提交日期： 2009年1月5日论文答辩日期： 2009年1月7日2009年 1 月 2 日【摘要】在工业过程控制中，温度的控制要求越来越高。随着自动化水平的逐步提高，实现温度的自动控制已成必需。本文主要介绍了利用可编程控制（PLC）进行温度控制与检测的过程。详细介绍了利用PLC的基本单元而不是特殊功能模块构成的控温系统。PLC控温设计主要是通过LM35温度传感器，LM331电压/频率转换器，将温度信号转换成频率信号，送入PLC进行比较输出，从而实现对温度的自动控制。【关键词】PLC LM35

2、LM331 控温系统【Abstract】In the industrial process control, temperature control of an increasingly high demand. With the gradual improvement of the level of automation, automatic control of temperature have become necessary. This paper describes the use of programmable logical controller (PLC) for temper

3、ature control and detection. Details on using the basic unit of the PLC and not the special function modules constitute the temperature control system. PLC design temperature mainly through the LM35 temperature sensor, LM331 voltage / frequency converter, the temperature signals into frequency signa

4、l into the PLC to compare the output in order to achieve automatic control of the temperature.【Key words】PLC LM35 LM331 temperature control system目录1 绪论12 PLC控温总体设计方案22.1 控温系统设计要求22.2 PLC系统总体设计方案22.3 PLC控温设计所需器材33 PLC控温硬件设计部分43.1 测温电路43.2 电压/频率转换电路43.2.1 芯片简介43.2.2 电压/频率转换电路53.3 显示电路63.3.1 CD4511译码器

5、73.3.2 LED数码管73.4 电源电路83.4.1 电源电路83.4.2 桥式整流电路83.4.3 稳压电路103.5 PLC控制器113.6 继电器124 PLC控温软件设计部分154.1 PLC控温设计流程图154.2 PLC控温设计梯形图155 PLC控温电路调试175.1 电源电路调试175.2 LM331及外围电路的调试175.3 显示电路的调试185.4 上机调试185.5 注意事项186 总结197 致谢208 参考文献211 绪论 可编程序控制器（Programmable Logical Controller）简称PLC是以微处理器为核心，综合电子应用技术、微机技术自动控

6、制技术以及通信技术而发展起来的新一代工业自动化控制装置。随着相关技术，特别是超大规模集成电路技术的迅速发展及其在PLC中的广泛应用，PLC中采用更高性能的微处理器作为CPU，功能进一步增强，逐渐缩小与工业控制计算机之间的差距。现代PLC的发展有两个主要趋势其一向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、良好的兼容性和多功能方面发展，趋向于当前工业控制计算机的性能。随着社会经济的发展和科学技术的进步, 在工业过程控制中，温度的控制要求越来越高。随着自动化水平的逐步提高，实现温度的自动控制已成必需。在现代科技的诸多领域中都需要进行温度的检测与控制。可编程

7、控制器在工业生产过程中越来越得到日趋广泛的应用。2 PLC控温总体设计方案2.1 控温系统设计要求1、熟悉并掌握PLC控制系统的设计步骤及了解FX系列PLC的内部系统的配置。学会常用的功能指令的编程及使用注意事项。2、能够利用PLC系统完成控温系统设计。完成PLC的编程设计，掌握梯形图的设计方法。硬件设计要求布线美观，防止布线混乱导致短路。3、硬件设计好后，通过PLC进行程序调试。用拨码开关设定一个温度值，当测量的实际温度小于设定值时，加热装置便加热；当测量的实际温度大于设定温度时加热装置就停止加热。2.2 PLC系统总体设计方案PLC控温系统主要包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件部分由测温

8、电路、电压/频率转换电路、PLC控制电路、加热控制电路和显示电路等构成。如图2.1所示。0100压/频转换测温电路加热装置加热控制显示电路译码器温度设定PLC控制010KHZ01V图2.1控温设计示意图 软件部分应用三菱FX系列PLC可编程控制，型号为FX2n-32MR。PLC控温系统工作原理：在测温电路中LM35温度传感器测量加热装置的温度，把测得的实际温度转换成电压信号送到电压/频率转换电路,在电压/频率转换器（LM331）的输出端输出脉冲, PLC对脉冲计数。由PLC程序将脉冲个数转换为实际温度，与由拨码开关设定的温度进行比较，若设定温度大于实际温度，则继电器吸合,加热装置开始加热。等加

9、热到设定温度时,继电器自动断开停止加热. PLC将此时的实际温度值送到译码器(CD4511),译码器将输入的BCD码转换成七段码,在LED数码管上显示出来。2.3 PLC控温设计所需器材包括FX2n-32MR型号可编程控制器、温度传感器（LM35）、精密压/频转换器(LM331)、三态稳压器(7805)、译码器(CD4511)、LED数码管、拨码开关、继电器、变压器（220V/9V）、可变电位器、三极管、加热器（灯泡）、二极管（若干）、电阻（若干）、电容（若干）、导线（若干）等。 3 PLC控温硬件设计部分3.1 测温电路 PLC控温系统中，测温电路主要应用元件为温度传感器（LM35）。LM3

10、5系列是精密集成电路温度传感器，其输出的电压线性地与摄氏温度成正比。因此，LM35比按绝对温标校准的线性温度传感器优越得多。LM35系列传感器生产制作时已经过校准，输出电压与摄氏温度一一对应，使用极为方便，重复性好，低输出阻抗，线性输出和内部精密校准使其与读出或控制电路接口简单和方便，可单电源和正负电源工作。LM35系列是电压输出式集成温度传感器，LM35的输出电压与摄氏温度的线性关系可用下面的公式表示: V=0.01T ，0摄氏度时输出为0V,每升高1摄氏度,输出电压增加10mv. 灵敏度为10.0mV/。LM35引脚图如图3.1 所示。引脚介绍: 1 正电源Vcc; 2输出Vout; 3

11、地GND。主要特点: 工作电压：直流430V； 工作电流：小于133A 使用温度范围：-55+150额定范围 精度：0.5精度（在+25时）； 漏泄电流：小于60A； 比例因数：线性+10.0mV/； 非线性值：1/4； 图3.1 LM35引脚图 校准方式：直接用摄氏温度校准； 封装：塑料TO-92晶体管封装； 基于LM35开发的温控系统，工作稳定可靠，具有体积小、灵敏度高、响应时间短、抗干扰能力强等特点。3.2 电压/频率转换电路3.2.1 芯片简介PLC控温系统中，电压/频率转换电路主要应用的元件为电压/频率转换器（LM331）。LM331是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器

12、、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。LM331为双列直插式8引脚芯片，其引脚框图如图3.2所示。 图3.2 LM331 引脚功能图LM331 各引脚功能说明如下:脚1 为脉冲电流输出端,内部相当于脉冲恒流源,脉冲宽度与内部单稳态相同;脚2 为输出端脉冲电流幅度调节,RS 越小,输出电流越大;脚3 为脉冲电压输出端; 脚4 为地;脚5 内接比较器，外接电阻器，改变该电阻值可调节输出的控制电压大小 ;脚6 输入负极性行频脉冲信号;脚7 为比较器基准电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低;脚8 为电源Vcc , 正常工作电压范围为440V。3.2.2 电压/频率转换电路PLC控温系

13、统中要求温度为0100对应于电压01V，规定输出频率为010KHZ。根据输入电压与输出频率之间的关系：f0=Vin*(R2+R3)/(2.09*R1*R5*C4)可知电阻R1，R2，R3，R5和电容C4直接影响电压和频率的转换结果。改变可变电位器R3的阻值大小可以改变输出频率的大小，两者为线性关系。电压/频率转换电路如图3.3所示。 图3.3 电压/频率转换电路3.3 显示电路 PLC控温系统中，显示电路主要应用元件为译码器CD4511（两个），LED 数码管（两个）。CD4511将由PLC输出的BCD码形式的实际温度值转换成七段码，送到LED七段数码管显示出来，一个译码器对应一个数码管。显示

14、两位数值，个位和十位。显示电路图如图3.4所示。 图3.4 显示电路图3.3.1 CD4511译码器CD4511为双列16脚封装，BCD 码七段锁存译码驱动器，引脚图如图3.5所示。电源电压+3V-+18V.它将输入BCD标准代码变换成驱动七段数码管所需的信号。又称四线七段译码器。在此设计中应用的译码器是一个用于驱动共阴极 LED 数码管显示器的 BCD 码七段码译具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能.能提供较大的上拉电流。其引脚功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。本设计采用高电平。LT

15、：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 的信号状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。本设计采用低电平。 LE：5脚是锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。本设计采用高电平。 A B C D为8421BCD码输入端。本设计中A B C D下接四个下拉电阻,保证低电平有效。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。图3.5 CD4511引脚图3.3.2 LED数码管半导体数码管（或称LED数码管）是常用的显示器件，其基本单元是发光PN结，

16、目前较多采用磷砷化镓做成的PN结，封装成为发光二极管。发光二极管具有单向导电性, 当外加正向电压时，就能发出清晰的光线。正向导通压降一般在2V左右(最大不能超过3.6V)，点亮电流为2毫安左右但通过的电流最大不能超过50毫安,故实际电路应串接适当的限流电阻。本设计中数码管上端接的8个300欧姆的电阻即为限流电阻,调节发光二极管的电流.（电源电压为5V）。半导体数码管引脚图如图3.6所示。 图3.6 半导体数码管引脚图其是由多个PN结可以分段封装成半导体数码管，每段为一发光二极管，其字形结构如图3.7所示。选择不同字段发光，可显示出不同的字形。例如，当a、b、c、d、e、f、g字段亮时，显示出8

17、；a、f、g、c、d段亮时，显示出5半导体数码管中七个发光二极管有共阴极和共阳极两种接法。前者，某一字段接高电平时发光；后者，接低电平时发光。图3.7 数码管的两种接法本设计中选用共阴极数码管。3.4 电源电路3.4.1 电源电路因为在PLC控温设计电路中LM35工作电压范围为430V,LM331工作电压的范围是440V，CD4511输出电压是+3V+18V，所以此次电路选用的电压为+5V直流电。220V变压为9V的交流电经过整流、滤波,再经三态稳压管7805稳压后输出+5V的电压。电源流程图如图3.8所示。220V变压为9V交流整流滤波稳压 图3.8 电源流程图3.4.2 桥式整流电路为了克

18、服全波整流电路的缺点，电路中采用桥式整流电路。电路中采用四个二极管，接成桥式，故称桥式整流电路。桥式整流电路如图3.9所示。工作原理为整流过程中，四个二极管两两轮流导通，因此正、负半周内都有电流流过RL,从而使输出电压的直流成分提高。在U2的正半周，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止；在U2的负半周VD2、VD4导通，VD1、VD3截止。但是无论在正半周或负半周，都有电流通过RL。 图3.9 桥式整流电路桥式整流电路波形如图3.10所示。 图3.10 桥式整流电路波形图桥式整流电容滤波的原理与半波时相同,其原理图如图3.11所示极性电容C5并联在电路两端对交流电进行滤波。图3.11 桥式整

19、流电容滤波3.4.3 稳压电路集成三端稳压电路运用其器件内部电路来实现过压保护、过流保护、过热保护，能够实现1A以上的输出电流，器件具有良好的温度系数 。稳压电路中用到的主要元件是三端稳压器7805，分别是输入端、接地端和输出端。它是TO- 220 的标准封装，如图3.12所示 。 图中的引脚号：脚为输入信号，脚接地，脚为输出信号。在控温设计电路采用三端稳压器7805的稳压电路。整体电源电路如图3-13所示。 图图3.12 7805引脚图 图3-13电源电路3.5 PLC控制器PLC是一种通用的智能化工业控制设备，其档次和功能面向各种各样的应用，众多的生产厂家提供各种系列且功能各异的产品。目前

20、常见的国内外的PLC产品的型号有几百种。 PLC作为新一代的工业控制器具有通用型好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学等优点。其基本组成中央处理单元、存储器、输入输出模块、编程器。此次PLC设计采用FX2N-32MR，FX是三菱公司的产品，2N是系列序号，32是输入输出点，输入16点，输出16点，M是基本单元类型，R是继电器输出，可以输出交、直流。PLC的供电电源为50HZ、220V的交流电，FX系列PLC有直流24V输出接线端，该接线端可为输入传感器提供直流24V电源。PLC开关量输出接口按PLC机内使用的器件可以分为继电器型（R）、晶体管型(T)和晶闸管型(S)。输出接口本身都不带电源，

21、在考虑外驱动电源时，需要考虑输出器件的类型，继电器型的输出接口可用于交流和直流两种电源，晶体管型的输出接口只适用于直流驱动的场合，而晶闸管型的输出接口只适用于交流驱动的场合。本设计PLC接线端子如图3.14所示,其各端子的具体连接如表3.1所示，具体连接参考图3.16。 图3.14 PLC接线端子图表3.1 PLC的硬件连接PLC 端子外围电路X17X10接拨码开关的输出端Y0Y7接CD4511的输入端COM接地COM1,COM2接VCC（+5V）COM4与PLC的+24V相连X0接开关管的集电极X2接个拨码开关Y17接继电器的线圈L,N为PLC的电源,接220V交流电压3.6 继电器在控制电

22、路中，其输出端Y17控制继电器，当加热的温度小于设定温度时，继电器吸合，大于设定温度，继电器断开。继电器是一种根据电气量（电压、电流等）或非电气量（温度、压力、转速、时间等）的变化接通或断开控制电路的自动切换电器。继电器的种类繁多、应用广泛，常用的继电器有电磁式继电器、时间继电器、热继电器等。电磁式继电器感受机构是电磁系统，执行机构是触点系统，主要用于控制电路中，触点容量小（一般小于10A以下），触点数量多且无主、辅之分，无灭弧装置，体积小，动作迅速，准确，控制灵敏，可靠性高。本控温设计采用的是电磁式继电器，其结构简单、价格低廉、使用维护方便，广泛地应用于控制系统中。常用的电磁式继电器有电压继

23、电器、电流继电器、中间继电器等。电磁式继电器的电气符号如图3.15所示。PLC控温系统的加热控制电路中，采用继电器作为控制加热的开关装置.当实际温度小于设定温度时，继电器吸合，加热装置开始加热；当实际温度大于设定温度时，继电器断开，停止加热。 图3.15 继电器电气符号 3.7 总体设计原理图 图 3.16 总体设计原理图4 PLC控温软件设计部分4.1 PLC控温设计流程图 图4.1 控温设计流程图4.2 PLC控温设计梯形图 本控温设计梯形图，如图4.2所示。图4.2 控温设计梯形图具体指令说明如下所示： M8000 特殊辅助继电器 运行监视。当PLC执行用户程序时为ON，停止执行时为OF

24、F。 BIN K2X010 D10 二进制输入指令（设置温度指令）。在PLC的输入口（X10-X17）,将BCD码转换成二进制数送到D10（设定温度值）。 SPD X0 K1000 D0 速度检测指令。X0是输入点，计脉冲个数，间隔时间为1000MS。把1000MS内计到的脉冲个数放到D0。 DIV D0 K100 D40 除法指令。D0中的脉冲个数除以100，得到实际温度送入D40。 CMP D10 D40 M0 比较指令。把拔码开关设定的温度与实际温度比较。若D10D40则辅助继电器M0=1，若D10=D40则M1=1，若D10D40，则M2=1。 Y17 加热控制信号输出。当M0=1，X

25、2闭合时，加热装置工作。 M8013 特殊辅助继电器，产生1秒的时钟脉冲。 BCD D40 K2Y000 BCD码变换指令。当秒脉冲到时，将D40中的二进制数转换成BCD码送到输出口Y7-Y0中。END 结束。5 PLC控温电路调试主要调试工具：数字式万用表、双路直流稳压电源、频率计数器。5.1 电源电路调试1.具体接线如图3.16, 当断开负载接入220V电源电压时.测量变压器的输出电压.测得交流电压为9V,证明变压器是好的。2.再测经桥式电路整流后的电压即测极性电容C5一端电压,测得为10.8V,说明整流电桥正常工作。3.最后测经过7805稳压器稳压后的输出电压即C7一端电压,测得数值为5

26、.02V,证明7805是好的。综上所述,硬件的电源部分工作正常。5.2 LM331及外围电路的调试1.不接LM35和LM331的芯片,接220V电源,测LM331各脚电压,测得数据如表5.1所示。2.装上LM331的芯片，但不接入输入信号的电压，接通电源，测LM331各脚电压,测得数据如表5.1所示。3.在LM331的7脚R4的一端接入一个1V的稳压源，接通电源，测LM331各脚电压,测得数据如表5.1所示。表5.1 LM331各引脚电压引脚号未接芯片时的电压接芯片，无输入信号时的电压接芯片，有输入信号1V时的电压1脚0V3.5V1.17V2脚0V1.7V1.94V3脚4.51V0.2V4.2

27、9V4脚0V0V0V5脚4.78V4.9V0.25V6脚0V3.5V1.08V7脚0V0V1.09V8脚5.06V5.1V5.10V根据输入电压与输出频率之间的关系f0=Vin*(R2+ R3)/(2.09*R1*R5*C4)可知电阻R1、R2、R3、R5和C4直接影响转换结果，在温度0100的对应电压为0V1V的情况下规定输出频率在010KHz。4.在上一步的基础上，在稳压电源两端用数字万用表并接，调整使7脚输入电压为1V。在LM331的3脚R7的另一端测量输出频率。用频率计测量频率。此时观察频率，调节可变电阻R3使频率达到10KHZ。5.当输入信号电压为1V时，输出频率为10KHZ时，把输

28、入电压从1V降低到0.9V、0.8V、0.7V一直到0.1V，并分别测量对应的频率值，再从0.1V反调到1.0V，同样测量频率。数据如表5.2所示，表中可以看出LM331的线性很好。表5.2 LM331电压所对应的频率电压频率电压频率1.002V10.023Hz0.106V0.933Hz0.902V9.024Hz0.201V1.737Hz0.808V8.071Hz0.301V3.029Hz0.701V7.020Hz0.408VV4.062Hz0.607V6.070Hz0.501V5.017Hz0.502V5.027Hz0.608V6.063Hz0.404V4.036Hz0.701V7.008H

29、z0.306V3.070Hz0.802V7.983Hz0.200V2.020Hz0.901V8.975Hz0.106V1.088Hz1.001V9.988Hz5.3 显示电路的调试显示电路的测试我们采用高低电平调试方法。把Y3、Y7接5V高电平，其他脚接低电平()，两个七段数码管上显示“88”字样，再把所有的引脚都接低电平()，两个七段数码管上应显示“00”字样，但个位和十位数码管f段和g段有问题，该f段亮而g段不亮，但显示出来是f段不亮而g段亮;再把Y1、Y5接5V高电平，其他脚接低电平()， 两个七段数码管上应显示“22”字样，但f段和g段显示还是相反。我们首先判断那两路连线可能出现问题。

30、断电检查，查出数码管上的f段和g段接线接反了，重新换过来后显示电路工作正常。5.4 上机调试把可编程控制器（PLC）连接到电脑上，打开FX2n软件写入程序，进行编译调试。然后开始监控后，先观察PLC上输入信号灯是否都亮，对应的输出信号灯是否正确。利用拨码开关设定一个温度(30摄氏度).当LM35感应到的实际温度值(15摄氏度左右)小于设定温度值时，加热装置工作，开始加热；当到达设定温度值时，加热装置停止工作，停止加热。随着周围气温降低,实际温度又会小于设定温度, 加热装置又工作,继续加热。5.5 注意事项1. 测量电压时要分清交流直流电,数字万用表的档位要与其一致,测量范围要在所选量程之内。2

31、. 元件极性要搞清楚(特别是极性电容),否则测量时容易引发爆炸。3. 测量中若出现问题一定要先断开电源再检查，注意安全。6 总结时间过的真快，一个多月的毕业设计马上就要结束了，这是我们大学之中最后一个也是最重要的一个设计、一个阶段。毕业设计是考验我们大学这三年来的所学，它要求我们将大学这三年来所学到的知识能够融会贯通、熟练应用，并要求我能够理论联系实际，培养我的综合运用能力以及解决实际问题的能力。在这期间我不断学习、不断积累并且不断的提高。在恽老师的悉心指导下，我们从最初的开题报告购买元器件，接硬件，如何编程序，怎样调试软硬件等几个阶段。这次的毕业设计，是对我这三年来所学的专业知识是否踏实的检

32、验，让我对这三年中所学知识进行了综合，也让我回顾复习了一些已经快要淡忘的专业知识，并且还学到了一些实际操作经验。与此同时，我也充分认识到自身的许多不足：基础知识学得不够扎实，缺乏综合运用及理论联系实际的能力等。 此时此刻，我想说一句话感谢恽老师！仅短短的一段时间，让我学到了我从课本上所不能学到的东西，让我对我的大学生活感到无比的幸福和留念。通过这次毕业设计我真正明白一句话，一个人要不断否定自己，不断战胜自己、不断超越自己、不断完善自己，这样才能不断进步。总之，通过此次毕业设计，我学到了很多东西，收获很大。不仅进一步学习了PLC的一些重要知识，增强了自己动手设计的能力，而且，还让自己学到了平时所

33、学不到的东西，那就是只要自己有信心，肯努力就一定能够克服困难，做好任何事情都有可能。因此我觉得毕业设计开展的很有必要，也非常重要，对我来说更是必不可少，我从中受益非浅，我很高兴能够拥有这次PLC的毕业设计的机会！这次的PLC设计,加深了我们对PLC软硬件系统的理解与掌握,也使我深深体会到学习PLC的重要性和艰难性.同时还加强了我的动手能力.能把我们所学到的书本知识应用到实践中去,现在看到硬件不再是无头绪了,对程序的编写也有了了解,同时学习PLC对我真的很有用,现在PLC与我们的生活紧密相关. 不过在经过了前面的一些努力之后，我有信心也有能力去把它完成的更加完美。我们希望老师对我门的课程设计能够满意！这次通过老师对我设计项目的剖析,