基于PLC控制的恒温水箱系统设计

基于PLC控制的恒温水箱系统设计

一、选题简介、意义

本人选择该课题作为本人毕业设计的研究对象，是基于本人对恒温箱这样的一个现今已普遍和人们生活相关联的产品的浓厚兴趣，同时，因为，恒温箱和电热水器有着很大的关联，所以，我认为，学好恒温箱系统，能够对我研究与其很类似的电热水器系统有着很大的帮助。首先，恒温箱无疑大大的提升了人们的生活舒适度，其次，恒温箱的使用让人们在身体的清洁，健康等层面上有了长足的进步。现在，它作为一个与人们生活息息相关的产品，其重要性是毋庸置疑的，而本人研究的课题，从某种程度上来说，是对恒温箱工作原理的加深理解和研究，从而可以更好地感知恒温箱这件产品的优缺点，并且，某种意义上，如果有机会的话，也许还有可能通过这次研究，对该系统从非经济的层面上做出些许改变，从而能够达到更好的效果。

二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）

主要研究内容：

本研究报告主要是基于S7-200的PLC系统对水箱的温度控制，该系统需要使用温度传感器，PLC，发热器，红外传感器等其他所要用到的器件。首先，对水箱进行注水，通过红外传感器，确定水的水位，当水位高过水位线时，停止注水，与此同时，通过温度传感器实时地监控水箱中水的温度，然后，通过发热器等加热器件对水进行加温，当水的温度高于期望水温10℃时停止加温，当水温低于期望水温10℃时自动对水箱中水进行加温。

要解决的问题：

1. 恒温水箱系统的电气原理图

2. 通过PLC实现水箱的注水，确认水位，加温，放水，确认水位，再注水，再加温，如此循环往复，实现智能化，自动化控制

3. 水箱的整体构造，部件安装的简易说明图

预期目标：

1. 完成整个水箱的物理构造

2. 完成恒温水箱系统的PLC的接线图，电气控制原理图

3. 完成恒温水箱系统的PLC程序编制，程序在S7-200PLC上的调制

研究步骤：

1.查找资料，提交开题报告，完成外文文献

2.完成恒温水箱系统的整体设计

3.完成恒温水箱系统的电气控制原理图、PLC接线图

4.完成恒温水箱系统的PLC程序编制，程序上机调试

5.编写说明书

方法及措施：

1. 参考各式设计手册

2. 查阅书籍并上网查找相关资料

3. 向指导教师，工程师等征询相关建议

第一章绪论 7

1.1课题的背景及意义 7

1.2国内研究现状 7

1.3课题研究的内容 8

第二章恒温水箱的总体设计 9

2.1设计恒温箱的目的 9

2.2恒温水箱的运行步骤 10

第三章恒温箱的硬件部分设计 10

3.1双向晶闸管 10

3.2温度传感器 11

3.3 PLC的选定 12

3.3.1 PLC的概念与选定 12

3.3.2 PLC的结构 13

3.3.3 PLC的工作原理 15

3.3.4 PLC的发展趋势 15

3.3.5 PLC的设计及步骤 16

3.4 I/O点数的分配 18

3.5 PLC硬件的接线图 19

3.6 PID的介绍 20

3.6.1 PID的参数整定 20

3.6.2 PID的模块介绍 21

第四章恒温箱的软件部分设计 25

4.1 顺序控制的原理 26

4.2 PLC的梯形图 26

第五章恒温箱的控制系统的仿真与调试 30

第六章总结与展望 31

6.1总结 32

6.2展望 32

小结与致谢 32

参考文献 33

第一章绪论

1.1课题的背景及意义

电热恒温箱的应用十分广泛，它在许多地方被投入使用，比如在人们的日常生活中，以生产为目的的工业当中，以及实验室中的部分科学实验当中。在人类的日常生活或者工作中，我们经常可以用到恒温箱，比如，食物的贮藏，生产原料的放置，以及其他在一些实验室，尤其是类似于培育生物的实验室中的使用。基于此判断，恒温箱的使用和我们息息相关。

1.2国内研究现状

在当下，从许许多多不同的方面，我们不难看出一些事实，譬如，在我国，现今，还存有非常多的应用问题，这些问题几乎遍及各个领域，普遍地存在于需要使用到恒温箱的相关产品当中。在这些问题之中有的影响十分的深远，举一个最普遍的例子，产品的稳定性，因为针对这个问题到现在为止一直都没有一个很理想的对策，使得我国许多行业的进一步提升普遍地受到了阻碍。因为我国在大型的精密的仪器方面的发明创造及所获得的的成果不是十分的令人满意，就目前来说，与国外相比仍然有着不小的差距，而我国又正好处在飞跃式地发展状态当中，所以我国对恒温箱的需求并不小，而这不小的需求，就目前来说，几乎全部都是由进口这么一种方式来满足的。基于这种情况下，我们不妨做一个假设，要是我们国家对恒温箱这个设备的要求，始终不能自己满足自己国内的需求的话，在这种情况下，我国的许多行业，都有可能受到强烈的冲击，小到类似于生产仪器或者仪表这样的企业，大到我国所有但凡是把恒温箱作为核心部件的全部相关企业。这样的情况，是我们所不能接受的，因为这会十分强烈地阻碍到我国各行各业的繁荣与进步。还有一个问题，那就是我之前提到的创新问题，目前，在我国，与恒温箱有关的相应的发明创造虽然不算少，但是能起着至关重要作用的发明创造还是太少，究其原因还是因为在这方面的技术相对落后，与其他发达国家在工业生产的许多方面上的应用相比还是存在一定的落后的。基于此，我国现在对恒温箱方面的研究进度缓慢，这直接导致了许多不良后果的产生，比如，我国现在许多生产恒温箱产品的厂家，还得使用几年，甚至几十年前的恒温箱器件，而当今国际的现实是什么，实际上，从整个国际的角度上来说，有关恒温箱这方面的发展绝对不慢，国际上恒温箱产品的更新换代的周期与国内相比有着很大的差别，即在国际上是每3年作为一个周期这样的一种情况。我国在恒温箱的发明创造方面之所以没有优势，其原因主要可以分为两个方面，其中一个是人们思想观念的影响，还有一个便是资金的缺乏。这两者之间也是有着一定的联系的，其核心便在于人们的思想观念从某种意义上能够引导社会资金的走向。

1.3课题研究的内容

恒温箱的主要用途还是在于它的加热功能，通过使用恒温箱，我们可以获得我们想要的温度，在大多数情况下，我们通常把加热的时间设定成不超过3天的一个值。我们在使用恒温箱时，会将需要加热的东西放在恒温箱的一个特殊的槽口之中。首先，我们需要将需要加热的东西置于一个小小的金属的桶中，在这之后，再将其整个的放入恒温箱的槽口之中。除此之外，恒温箱还拥有着许多其他的元件，其中有用来测量温度的热敏电阻，还有用来对整个系统进行加热的电加热器，以及当温度达到之后，负责对整个系统进行保温处理的保温材料等。如果恒温箱正处于运行的状态下，其中的加热元件电加热器，将会对恒温箱内部所固有的一种物质（硅油）进行加热处理，硅油在这里起的是导热这样的一个作用，因为硅油会在恒温箱中不停地进行着往复运动这么一个过程，这会使得温度能够相对匀称地分布到槽的各个角落。基于这种运行模式，对恒温箱中的物品进行合理地加工处理，并且，可以让温度的误差处于一个极小的范围之内，通常为0.1℃左右。硅油被保存在恒温箱的一个特殊的腔口之中，因其本身所具有的特殊性，结合以上的叙述，通常可以把它的功效分为以下三种：

第一种：硅油在整个系统中起着热量传递员这样的一个角色，对温度的加温，保温等方面有着很大的作用。

第二种：因为硅油处于不断地往复运动过程当中，对系统中的物件的均匀受热有着至关重要的作用，基于此，也就相对的保证了系统一部分的稳定性。

第三种：由于硅油本身的特性，它可以将一部分的热量储存在自己的体内，可以使得槽口附近的温度不会因为对被加热物体的一些操作，如放入和拿出这样的基本步骤，而发生大幅度的降低和改变，也就不会产生许多的相关误差了。

在该系统中，恒温箱的对整个系统温度方面的控制，是基于一系列的步骤，其中主要的步骤如下：起初，通过恒温箱中固有的传感器，接收到的相应的温度信号，基于此，传感器会把它们转换成电信号发送到PLC中，在这种情况下，PLC的控制系统中的一个特殊模块，A/D模块，就会开始运作，为了之后的处理，它会把收到的相应的电信号，转换成为所对应的数字量，在这之后， PLC会对设定值和实时接收到的值进行对比，将结果发送给一个特殊的模块（移相触发模块），在这之后，再发送一个特殊的脉冲，该脉冲为（触发）脉冲，它是被发送到SCR中的，而在这之中，SCR又被称之为三相整流电路，基于此，由于SCR能够产生相应的输出，我们可以使得位于恒温箱中的电阻丝，它的两端的端电压的值能够得到相应的控制，基于此，我们也就能够实时地对恒温箱的状态进行处理。最后，值得一提的是，该系统实质上，对整个恒温箱的控制过程来说，是有着很大的功效的。

参考文献

[1]王芹.可编程控制器技术及应用.天津大学出版社，2008.3.

[2]田淑珍.可编程控制器原理及应用.机械工业出版社，2005.

[3]朱一轮.智能仪器基础.电子工业出版社，2006.7.

[4]孙传友.测控电路及装置.北京航空航天大学出版社，2002.5.

[5] 陈治明.电力电子器件基础.机械工业出版社，1992