基于PLC的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PLC的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：可編程邏輯限制器(PLC)被研制成大約在1968年。PLC是一種固態(tài)電子裝置，它利用已存入的程序來限制機(jī)器的運(yùn)行或工藝的工序。PLC通過輸入/輸出〔I/O〕裝置發(fā)出限制信號(hào)和承受輸入信號(hào)。由于PLC綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)，所以它開展日新月異，大大超過其出現(xiàn)時(shí)的技術(shù)水平。它不但可以很簡潔地完成邏輯、依次、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產(chǎn)機(jī)械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)限制。特殊是超大規(guī)模集成電路的快速開展以及信息、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，擴(kuò)展了PLC的功能，使它具有很強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)通訊實(shí)力，從而更廣泛地應(yīng)用于眾多行業(yè)。本文所涉及到的溫度監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)控現(xiàn)場的溫度，并且能夠現(xiàn)場限制和通過計(jì)算機(jī)限制。關(guān)鍵詞：PLC編程語言溫度DesignofthetemperaturesupervisorysystembasedonPLCAbstract:Theprogrammablelogiccontroller(PLC)wasdevelopedin1968.PLCisasolid-statedeviceusedtocontrolmachinemotionorprocessoperationbymeansofastaredprogram.ThePLCsendsoutputcontrolsignalsandreceivesinputsignalsthroughinput/out(I/O)devices.PLCdesignisforbadindustrialenvironmentaluse.Becauseofthecomprehensivecomputerandautomatictechnology，makeitsdevelopmentchangewitheachpassingday，exceedtheengineeringlevelwhileitappearsgreatly.Itcanfinishlogic，order，timing，count，digitaloperation，dataprocessing，etc.functionveryeasily，andcanestablishwithallkindsofconnectionwithanalogquantityofamountofmechanicalfigureproducedthroughtheinput-outputinterface，thusrealizetheautomaticcontroloftheproductionprocess.Especiallytherapiddevelopment，information，arrivalofcybertimesoftheverylargescaleintegration，expandedthefunctionofPLC，makesithaveverystrongnetworkingcommunicationability，thuswidelyapplytonumeroustradesevenmore.Thetemperaturesupervisorysystemthatthispaperisconcernedwithcanthetemperatureofmonitoringsend，andcanthecontrolon-the-spotwithcontrolthroughcomputer.Keywords：PLCProgramminglanguageTemperature1引言在生產(chǎn)過程，科學(xué)探討和其他產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中，電氣限制技術(shù)應(yīng)用特別廣泛。在機(jī)械設(shè)備的限制中，電氣限制也比其他的限制方法運(yùn)用的更為普遍。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的開展，特殊是大規(guī)模集成電路問世和微處理技術(shù)的應(yīng)用，在1969年美國DEC公司研制出第一臺(tái)可編程限制器，用在GM公司生產(chǎn)線上的獲得勝利。其后日本、德國等相續(xù)引入，可編程限制器快速開展起來?？删幊滔拗破鳌睵LC〕，使電氣限制技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。因此可編程限制器廣泛應(yīng)用工業(yè)限制中，PLC系統(tǒng)能夠監(jiān)控反響的溫度，就是PLC的一個(gè)典型應(yīng)用?？删幊滔拗破魇且环N數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，它是專為在惡劣工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采納可編程序的存儲(chǔ)器，用來在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、依次限制，定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)等操作的指令，并采納數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，限制各種的機(jī)械或生產(chǎn)過程。長期以來，PLC始終處于工業(yè)自動(dòng)化限制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動(dòng)化限制設(shè)備供應(yīng)了特別牢靠的限制應(yīng)用。它能夠?yàn)樽詣?dòng)化限制應(yīng)用供應(yīng)平安牢靠和比擬完善的解決方案，適合于當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化的須要。進(jìn)入20世紀(jì)80年頭，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速開展，極大的推動(dòng)了PLC的開展，使的PLC的功能日益增加。如PLC可進(jìn)展模擬量限制、位置限制和PID限制等，易于實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通信功能的實(shí)現(xiàn)更使PLC如虎添翼。目前，在先進(jìn)國家中，PLC已成為工業(yè)限制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，應(yīng)用面幾乎覆蓋了全部工業(yè)企業(yè)。PLC之所以應(yīng)用廣泛，是因?yàn)镻LC有很多優(yōu)點(diǎn)，本文涉及的溫度監(jiān)控系統(tǒng)是以PLC為核心的監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)的限制是采納PLC的編程語言——梯形語言，梯形語言是在可編程限制器中的應(yīng)用最廣的語言，因?yàn)樗诶^電器的根底上加進(jìn)了很多功能、運(yùn)用敏捷的指令，使邏輯關(guān)系清楚直觀，編程簡潔，可讀性強(qiáng)，所實(shí)現(xiàn)的功能也大大超過傳統(tǒng)的繼電器限制電路。溫度監(jiān)控系統(tǒng)作為一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，要不斷地完善，適應(yīng)時(shí)代和市場的須要才能有所開展。2.設(shè)計(jì)要求①PLC系統(tǒng)能夠監(jiān)控反響器的溫度。②開場工作時(shí)全速加熱，到設(shè)定值時(shí)保溫40分鐘停頓加熱。③通過串行方式在LED上顯示3位溫度值。④保溫過程中溫度過高/低時(shí)能發(fā)出聲光報(bào)警，聲報(bào)警能用按鈕手動(dòng)解除，光報(bào)警在正常時(shí)自動(dòng)解除。⑤通過通信方式傳送給監(jiān)控電腦，監(jiān)控電腦能檢測對(duì)象的參數(shù)、狀態(tài)?；谝陨系囊?，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必需有以下構(gòu)造模塊：溫度傳感器單元、參數(shù)的LED串行顯示單元、PLC模擬量轉(zhuǎn)換單元、電腦監(jiān)測單元。3.系的構(gòu)造溫度監(jiān)控系統(tǒng)是將溫度通過溫度傳感器傳送到A/D模塊，A/D模塊將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再傳送到PLC。其傳送主要是通過PLC的指令，指令限制局部是接收外部各種限制信號(hào)，并完成對(duì)各種信息的處理以及完成對(duì)外部設(shè)備的限制。PLC與外部設(shè)備的連接主要是通過I/O口，其功能是接收輸入信號(hào)，傳出輸出信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)包括：PLC、A/D模塊、顯示電路。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。溫度傳感器溫度傳感器加熱單元顯示電路FP0A21電腦圖13.1PLC類型的選擇目前，各個(gè)廠家生產(chǎn)的PLC其品種、規(guī)格及功能都各不一樣。由于本設(shè)計(jì)的須要我選擇了日本松下電工公司的FP系列PLC，既FP0。FP0是超小型PLC，之所以選擇松下公司生產(chǎn)的PLC，是因?yàn)槠洚a(chǎn)品特點(diǎn)有以下三個(gè)特點(diǎn)：〔1〕豐富的指令系統(tǒng)，有將近200條指令〔2〕有強(qiáng)大通信功能。〔3〕CPU處理速度快3.2溫度傳感器3.2.1溫度傳感器的類型溫度傳感器有熱電偶和熱電阻兩種類型。3.2.2類型的選擇在選擇溫度傳感器時(shí)依據(jù)不同的場合選擇類型，本設(shè)計(jì)由于須要選用PT100溫度傳感器，鉑熱電阻PT100是國際溫標(biāo)ITS-90標(biāo)準(zhǔn)中的工業(yè)溫度測量元件之一，所以利用PT100溫度傳感器具有肯定的典型性，有利于工作系統(tǒng)的穩(wěn)定。鉑熱電阻溫度傳感器是一種精度高，穩(wěn)定性好，抗環(huán)境干擾實(shí)力強(qiáng)等。工作原理鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變更時(shí)自身電阻值也隨之變更的特性測量溫度，顯示儀表將會(huì)指示出鉑電阻的電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。當(dāng)被測介質(zhì)存在溫度梯度時(shí)，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。.4主要技術(shù)指標(biāo)〔1〕絕緣電阻：常溫絕緣電阻的試驗(yàn)電壓可取直流10～100V，隨意值。〔2〕熱響應(yīng)時(shí)間：在溫度出現(xiàn)階躍變更時(shí)，熱電阻的電阻變更到相當(dāng)于該階躍變更的50%所需的時(shí)間，稱為熱響應(yīng)時(shí)間，用τ0.5表示。〔3〕公稱壓力：一般是指在工作溫度下，愛護(hù)管所能承受的靜外壓力而不裂開。3.3A/D模塊及其溫度限制編程與FP0配接的A/D混合模塊的型號(hào)為A21，在實(shí)際應(yīng)用中往往須要通過模擬量所采集的值，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)展限制。3.3.1A/D模塊的介紹A21模塊有2個(gè)模擬量輸入通道：CH0、CH1。占用I/O通道分別為：CH0-----WX2〔模擬量輸入通道〕；CH1-----WX3〔模擬量輸入通道〕依據(jù)本系統(tǒng)的要求應(yīng)選擇CH0通道。由于A21的輸出數(shù)據(jù)是十進(jìn)制的，也就是說DT0中的數(shù)據(jù)是十進(jìn)制的，那么必需將溫度25度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的十進(jìn)制才可以比擬，即數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的問題?？赏ㄟ^以下計(jì)算思路，得出溫度與相對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值的關(guān)系。溫度傳感器的輸出信號(hào)為0～20mA的電流值，對(duì)應(yīng)于0度～100度的溫度，溫度與電流是線性的，那么有：Y1=5x1+2其中y1代表溫度值，x1代表電流值，依據(jù)以上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換圖表，當(dāng)輸入4—20mA時(shí)，溫度值與十進(jìn)制存在以下關(guān)系：k2=200x2—1000，且x2=20MA，k2=4000那么有溫度值和十進(jìn)制的關(guān)系如下：(Y1-2)/5=k2/200其中y1和k2分別代表溫度值和十進(jìn)制值。當(dāng)溫度值為40℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制是1520，依據(jù)以上分析，我們可計(jì)算出隨意模擬量輸出的物理量與計(jì)算機(jī)所能處理的十進(jìn)制之間甚至二進(jìn)制的關(guān)系，從而為計(jì)算機(jī)與物理量數(shù)據(jù)的交互供應(yīng)了一個(gè)通道。在本文的應(yīng)用中，通過PLC模擬單元對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳遞，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)模擬值與需求值不斷比擬，直到到達(dá)需求值時(shí)所應(yīng)執(zhí)行的動(dòng)作。因此在程序中用K1520與DM0中的數(shù)據(jù)比擬；用CMP指令實(shí)現(xiàn)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)記。但在本文應(yīng)用中須要留意兩點(diǎn)：一是由于PLC采納的掃描工作方式，存在著掃描時(shí)間，因此所采集的值到執(zhí)行件執(zhí)行時(shí)模擬值已發(fā)生變更，同時(shí)，假設(shè)我們用CMP指令時(shí)，取值一般是小于等于或大于等于這個(gè)結(jié)果，因?yàn)镻LC運(yùn)行時(shí)，CPU只能分時(shí)的一個(gè)一個(gè)操作地執(zhí)行，那么模擬值等于需求值同時(shí)又在執(zhí)行CMP的指令的概率就很小，極其簡潔導(dǎo)致死循環(huán)。因此我們用以上介紹的方法時(shí)，應(yīng)用在執(zhí)行元件取值的范圍允許大于PLC一個(gè)掃描周期內(nèi)模擬值變更的狀態(tài)。3軟件編程的思路在程序開場時(shí)，首先要將設(shè)定值寫入輸出通道，以便進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換，用第一次循環(huán)標(biāo)記R9012執(zhí)行。PLC上電后，須要約100ms開場進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換，為了使數(shù)據(jù)完全轉(zhuǎn)換，在程序開場時(shí)，延時(shí)200到300ms后再從通道中用MOVE指令讀出數(shù)據(jù)。該指令用于從模擬I/O單元讀取數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送至目的存放器中。經(jīng)過A-21將溫度的值輸入PLC內(nèi)部后，可以通過DT0值執(zhí)行動(dòng)作。這里介紹一下在溫度為25度時(shí)停頓加熱。為實(shí)現(xiàn)這樣的功能我們的思路是：溫度為25度作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，拿這個(gè)值與DT0中的值不斷的比擬，直到DT0中的值等于25度，DT0中的值為25度產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)記，在R900B為ON后，表示溫度已到達(dá)設(shè)定值，可執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作處理。3.4顯示電路在工業(yè)限制、儀器儀表、圖形顯示和郵電及其它行業(yè)的窗口廣告顯示系統(tǒng)中，須要有一種LED顯示驅(qū)動(dòng)電路。從目前的LED顯示驅(qū)動(dòng)電路來看，普遍采納一種定時(shí)或中斷限制方式要占據(jù)一局部時(shí)間。然而對(duì)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的工控系統(tǒng)來說該方法就顯得不太相宜。當(dāng)限制的回路數(shù)很多時(shí)，沖突尤為突出。本系統(tǒng)的顯示局部采納PS7219顯示驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)镻S7219有很多優(yōu)點(diǎn)。3.4.1PS7219簡介PS7219是Maxim公司生產(chǎn)的高性能，低價(jià)格的8位LED〔或64只獨(dú)立的LED〕顯示驅(qū)動(dòng)器，它采納同步串行外設(shè)接口〔PS1〕。僅需PLC的三個(gè)限制信號(hào)即可與任何一種單片機(jī)便利接口。事實(shí)上只要符合其接口邏輯。PA7219同樣可應(yīng)用PLC，不管顯示多少位數(shù)據(jù)。均只占用PLC三個(gè)接口，大大便利了顯示電路，從而大大節(jié)約了PLC的端口資源并可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使ＬＥＤ顯示電路簡潔化。3.4.2PS7219的主要特點(diǎn)：串行接口信號(hào)頻率可達(dá)１０ＭＨｚ?？瑟?dú)立限制ＬＥＤ各段?？蛇x擇編碼或非編碼方式。在關(guān)斷方式下，顯示數(shù)據(jù)不變更，維持電流僅１５０μＡ?？捎脭?shù)字和模擬兩種方式限制顯示亮度。內(nèi)含８×８雙端口靜態(tài)ＲＡＭ?？筛纱囹?qū)動(dòng)共陰極ＬＥＤ顯示器。串行數(shù)據(jù)傳送格式表1中，串行數(shù)據(jù)共有16位。其中Ｄ7～Ｄ0為數(shù)據(jù)位，Ｄ11～Ｄ8為要寫入該數(shù)據(jù)的存放器地址，Ｄ15～Ｄ12是無關(guān)位(可為隨意數(shù))。表1D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0無關(guān)位地址數(shù)據(jù)通訊時(shí)序圖數(shù)據(jù)發(fā)送按由高到低的原那么，首先發(fā)送Ｄ15，最終發(fā)送Ｄ0。發(fā)送到ＤＩＮ端的串行數(shù)據(jù)在每個(gè)ＣＬＫ的下降沿被移入到內(nèi)部16位存放器中。在ＬＯＡＤ的上升沿，最終接收到的8位數(shù)據(jù)被鎖存到對(duì)應(yīng)地址的數(shù)字或限制存放器中。ＬＯＡＤ必需在鎖存Ｄ0的時(shí)鐘下降沿同時(shí)或之后，但在下一個(gè)時(shí)鐘下降沿之前變高，否那么數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。PS7219數(shù)字與限制存放器PS7219內(nèi)部共有統(tǒng)一編址的8位存放器15個(gè)，分8個(gè)數(shù)字存放器和7個(gè)限制存放器，它們均可單獨(dú)干脆尋址，這樣就可對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)或限制字進(jìn)展更新。數(shù)字存放器地址01Ｈ～08Ｈ，對(duì)應(yīng)ＬＥＤ1～ＬＥＤ8。不譯碼時(shí)，Ｄ6～Ｄ0分別對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)7段顯示器的Ａ～Ｇ，正邏輯顯示。譯碼時(shí)，Ｄ3～Ｄ0為顯示數(shù)據(jù)的ＢＣＤ碼。無論譯碼與否，Ｄ7為1，那么該位小數(shù)點(diǎn)顯示。譯碼方式存放器地址09Ｈ，Ｄ0～Ｄ7對(duì)應(yīng)ＬＥＤ1～ＬＥＤ8，正邏輯譯碼。例如Ｄ0為1，那么ＬＥＤ1工作在譯碼方式。亮度限制存放器地址0ＡＨ，Ｄ3～Ｄ0分32檔限制亮度，0000Ｂ全熄，1111Ｂ最亮。Ｄ7～Ｄ4未用。3.4.5.4掃描界限存放器地址0ＢＨ，由Ｄ2～Ｄ0內(nèi)容設(shè)置所顯示數(shù)據(jù)的多少，可從1到8。例如111Ｂ限制8個(gè)ＬＥＤ全部顯示。掉電模式存放器地址0ＡＨ，Ｄ0=0，ＰＳ7219工作于掉電模式，此時(shí)掃描振蕩器停頓工作，ＣＯＮ引腳將置高，顯示器不顯示，功耗降到最低。在數(shù)據(jù)和限制存放器中的數(shù)據(jù)保持不變。掉電模式可被任何限制功能取消。3.4.5.6閃耀限制存放器地址0ＤＨ，Ｄ0～Ｄ7對(duì)應(yīng)ＬＥＤ1～ＬＥＤ8，正邏輯閃耀(即為1時(shí)，對(duì)應(yīng)位閃耀)。非工作存放器地址00Ｈ，用于ＰＳ7219級(jí)聯(lián)。此時(shí)把全部器件的ＬＯＡＤ輸入連接在一起，而把ＤＯＵＴ連接到相鄰ＰＳ7219的ＤＩＮ上。例如，假如要對(duì)第3片芯片寫入時(shí)，先發(fā)送所需的16位字，然后跟二個(gè)16位非工作代碼×0××Ｈ。當(dāng)ＬＯＡＤ變高時(shí)數(shù)據(jù)被鎖存在全部器件中，前二個(gè)芯片接收的是非工作指令，而第3個(gè)芯片那么接收到預(yù)期的數(shù)據(jù)。在起始上電時(shí)，全部限制存放器被復(fù)位為00Ｈ，此時(shí)顯示器不顯示。因此用戶在初始化階段至少應(yīng)進(jìn)展譯碼、亮度及掃描線限制存放器的編程，保證ＰＳ7219能正確顯示。4.軟件編程本系統(tǒng)采納調(diào)用子程序方式對(duì)ps7219進(jìn)展限制，傳送１６位數(shù)據(jù)的地址位和數(shù)據(jù)位。在主程序中對(duì)ps7219的初始化。包括：譯碼方式存放器、顯示亮度存放器、掃描個(gè)數(shù)存放器等。顯示程序事實(shí)上就是在CLK和LOAD時(shí)序的協(xié)作下不斷通過DIN向ps7219的相應(yīng)限制存放器和數(shù)據(jù)顯示存放器寫入16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的過程。所以問題的關(guān)鍵在于編寫一個(gè)通用的寫入子程序?qū)PU的內(nèi)容從高位到低位在CLK的作用下依次移入到ps7219的移位存放器，最終在LOAD的上升沿鎖存到相應(yīng)的內(nèi)部限制存放器和數(shù)據(jù)顯示存放器