基于PPI通信的远程温度监测设计.doc

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1、本科生课程设计（论文）摘 要在科技飞速发展的今天，温度的重要性越加明显，而温度的检测也成了热门话题。生产生活无一不需要温度检测与控制。但是有些工业现场温度过高人无法到现场检测读取温度，所以就需要进行远程的温度检测。而本系统正是利用西门子PLC基于PPI通信的远程温度检测系统。利用EM231热电阻模块配合Pt100热电阻对现场温度进行检测，由从站读取数据，使用通信传送给主站进行显示与报警。本次设计包含六个章节，分别是温度检测的重要性与发展趋势；系统的总体设计方案，其中包括对整体控制特点的分析；各部分器件的对比与选型；PLC控制程序设计，包括软件设计流程图，程序设计梯形图；上机调试和设计总结。关键

2、词：可编程逻辑器； 抢答器； 西门子； 报警；目 录第1章 绪论11.1温度检测的重要性11.2 温度检测的发展1第2章 系统的总体设计2第3章 系统硬件设计33.1 CPU型号的选择33.2 模块的选择33.2.1 从站模块的配置33.2.2 主站模块的配置43.3温度传感器的选择43.3.1 热电偶43.3.2 DS18B2053.3.3 Pt10053.3.4 温度传感器的选择53.4数码管的选择53.5 报警灯的选择53.6 系统I/O分配63.7外部接线图6第4章 系统软件设计8第5章 程序调试10第6章 总结12参考文献13附录1417第1章 绪论1.1温度检测的重要性温度是自然界

3、中和人类打交道最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度湿度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温湿度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。 由于温度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系。在果蔬储藏方面：果蔬的呼吸作用中会有一部分能量以热的形式散发出来，这种释放的热叫做呼吸热。不同种类的果蔬，在不同温度时的呼吸所产生的热量是不一样的。果蔬温度越高，呼吸强度越高，其呼吸产生的热量就越高；反之，果蔬温度越低，呼吸强度越低，其呼吸产生的热量就越低。温度对果蔬的影响很重要的因素，所以检测温度对果蔬储藏有很重要的意义。生活方面：居室里比较舒适的气象

4、条件是：室温达 25 时，相对湿度应控制在 4050 为宜，室温达 18 时，相对湿度应控制在3040。所以检测室内的温度与湿度并加以显示显得尤为重要。 工业方面：芯片的封装、设备的养护、工厂的装配环境无一离不开温湿度的测量综上所述可见，温度检测在人们生活与工业生产中都有重要的意义。1.2 温度检测的发展以往的温度检测一般使用的是温度计，利用液体的热胀冷缩的原理，在外部画上刻度进行读数的。即使刻度值刻画的再小也会有人为读数的误差存在。并且无法使用于高温作业。而温度检测现在的发展方向是有单片机、PLC为控制核心的、智能的、精准的、带显示与报警的检测方式。而本设计正是利用西门子PLC检测控制的远程

5、温度显示报警系统，通过PPI进行远程站的通信，可以实现0500范围的温度检测。由于温度过高，人无法接近所以使用的是远程通信技术检测，这样监控可以远离高温现场来进行。第2章 系统的总体设计本系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括系统总框图、元器件的选择、外部接线图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计后，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的软件进行梯形图设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。对本系统的控制特点进行

6、分析：通过两台PLC进行控制，分为主站和从站，通过PPI协议进行通信。从站每隔一分钟进行一次温度检测，主站每隔一分钟读取远程站中的温度检测值，经过标度变换通过三个数码管显示，若温度值超过上限或下限则控制指示灯闪烁报警。经分析控制特点，系统的输入输出点数可以确定。从站只进行温度检测，故仅需要一路模拟量输入。主站无需进行温度检测，只使用三个数码管显示及闪烁报警，每个数码管显示需要八位输出，故一共需要25路数字量输出。系统总体控制结构框图如图2.1所示：EM231温度传感器从站PLC报警电路显示电路主站PLCPPI通信图2.1 系统总体控制结构框图第3章 系统硬件设计3.1 CPU型号的选择随着目前

7、生产自动化水平的提高，以及各种监控系统的需要，PLC以其外部电路简单、模块化结构、软硬件开发周期短、可靠性高，尤其可以通过方便的编程和修改软件来实现顺序控制的功能等特点，将传统的继电器控制技术与计算机和通信技术融为一体，在工业的应用中越来越广泛。CPU221：本机集成6输入/4输出，无扩展能力，程序和数据存储容量较小，有一定的高数计数功能和通信功能，非常适合于少点数的或特定的控制系统使用。CPU222：本机集成8输入/6输出，和CPU221相比，它最多可以扩展2个模块，因此是应用更广泛的全功能控制器。CPU224：本机集成14输入/10输出，和前两者相比，程序存储容量扩大了一倍，数据存储容量扩

8、大了四倍，它最多可以有七个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高数计数的处理能力，是使用的最多的S7-200产品。CPU224XP：其大部分功能和CPU224相同，但和CPU224相比，它的程序存储容量和数据存储容量都增加了不少，处理高速计数器的能力也有增强；其最大的区别是在主机上增加了2输入/1输出的模拟量单元和一个通信口，非常适合在有少量模拟量信号的系统中使用，在有复杂通信要求的场合也非常适合。CPU226：本机集成24输入/16输出，I/O共计40点，和CPU224相比，程序存储容量扩大了一倍，数据存储容量增加到10KB，它具有两个通信口，通信能力大大增强。它可用于点数较多、要求较高的

9、小型或中型控制系统。本系统中从站仅进行温度检测，无需数字输入与输出，为经济考虑选择CPU221即可满足要求。主站需要25路数字量输出且需要进行PPI通信，读取数据进行转换与显示，越限报警，故选取CPU224。3.2 模块的选择3.2.1 从站模块的配置从站选用的是CPU221，不需要数字量输入输出，需要一路模拟量输入所以需要配置一个模拟量输入模块。模拟量输入扩展模块EM231共有三种产品：4AI、2路热电阻输入和4路热电偶输入。其中前者是普通的模拟量模块，可以用来连接标准的电流和电压信号；后两种是专门为特定的物理量输入到PLC而设计的模块。热电阻和热电偶可以直接连接到模块上而不需要使用变送器对

10、其进行标准电流或电压信号的转换，模块上具有热电阻和热电偶型号选择开关，热电偶模块还具有冷端补偿功能。本设计仅需要一路AI，所以选用2路热电阻输入模块。配置图如下。模块1EM231AI212位主机CPU221图3.1 从站模块连接方式3.2.2 主站模块的配置主站选用CPU224，系统所需要的输入输出点分别为：数字量输入0点，数字量输出25，模拟量模块不需要。故需要配置数字量输出模块。输出扩展模块EM222共有5种产品，即8点DC和4点DC（5A）、8点AC、8点继电器和4点继电器（10A）。CPU224自带10点数字量输出，所以还需配置至少15点，先选用两个8点的DC输出，配置图如下。主机PL

11、C224模块1EM222DO8DC24V模块2EM222DO8DC24V图3.2 主站模块连接方式3.3温度传感器的选择3.3.1 热电偶热电偶是工业上用来检测高温的温度传感器，因为其检测范围广精度相对较高，耐高温能力强。主要特性： 装配简单，更换方便，压簧式感温元件，抗震性能好；测温范围2001300,特殊情况下2702800；允许偏差限0.25%t。3.3.2 DS18B20DS18B20是单线数字温度计，独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。主要特性：测温范围 55+125，固有测温分辨率0.5；可编程的分辨率为91

12、2位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；工作电源为35V/DC；具有负压特性，电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。3.3.3 Pt100Pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化呈线性改变。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在500时它的阻值约为280.98欧姆。主要特性：采测量温度范围为200+850，显示精度0.1；综合精度0.3。供电电源：+7.530V；不区分正负极性。3.3.4 温度传感器的选择从测量范围方面考虑：DS18B20明显不符合要求。热电偶与Pt100都符合测量范围的要求，但是热电偶范围远

13、大于要求范围，故从测量范围方面考虑Pt100为最理想的选择。从测量精度方面考虑：要求测量精度为1，而热电偶的测量精度为0.25%t，即当温度值超过400时精度便会超过要求精度，不符合标准。Pt100的测量精度为0.3，则能够很好的完成测量要求。综合考虑：经过对温度传感器的测量范围、测量精度等方面的综合考量，最终选择Pt100作为温度传感器。3.4数码管的选择数码管显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极数码管显示块的发光二极管阴极共地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极数码管显示块的发光二极管阳极并接，当某个发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮。本设计采用共阴极数码管。3

14、.5 报警灯的选择报警时需要报警灯闪烁，其报警灯选择LTD-3091 报警闪光灯, 有报警信号功能；U型氙灯管。材料: PC或PMA ；颜色：红色、黄色和绿色可选，也可定制其它颜色。其实物图如下：图3.3 报警灯实物图3.6 系统I/O分配根据实验内容及要求实现的功能，进行I/O分配。本设计PLC的I/O分配情况见表3.1所示：表3.1 I/O地址分配表CPU地址名称及作用从站CPU221AIW0温度采集端主站CPU224QB0数码管1QB2数码管2QB3数码管3Q1.0报警灯 数码管1显示个位，数码管2显示十位，数码管3显示百位。3.7外部接线图各部分与CPU的连接图，如图3.4所示。+-A

15、+A-a-a+L+MPt100CPU221EM231L1NL+M220V24VEM222QB3L+MEM222QB2L+MCPU224L+ML1N220VQB0Q1.0数码管3数码管1数码管2+-3LL(+)N(-)1L2L1L2L2L1LL(+)N(-)L(+)N(-)L(+)N(-)图3.4 系统外部接线图1、主站中CPU224和两个扩展模块EM222中的1L、2L与CPU224中3L的接法相同。在此简略画之。2、EM231为专用热电阻输入模块，无需外围电路。它与EM231的接线方法一共分为三种：两线制、三线制、四线制。其中四线制接法的精确度最高，所以本系统采用的是四线制接法。3、EM 2

16、31热电阻模块提供了S7-200与多种热电阻的连接接口。用户需要通过DIP开关来选择热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。所有连接到模块上的热电偶必须是相同类型。本系统使用的是100 Pt 0.003920，故DIP开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW5的位置为00100；开路故障极限值方向选用开路故障正极限值(+3276.7度)，故SW6开关置为0；使用的温度单位为摄氏度，故SW7开关置为0；接线方式选用的是四线方式所以SW8开关置为1。这样DIP开关就设置完了，热电阻可以正常工作。4、EM231热电阻模块返回的信号为扩大十倍的温度值，所以精度可达到0.1，标度变换时仅需要将

17、其返回值缩小十倍即可得到真正的温度值。第4章 系统软件设计本设计主要实现功能如下：以A、B机两台PLC组成单主站的网络为对象，设计一个PLC控制的S7-200 PLC单主站通信系统；系统实现的功能如下：1、A机作主站，B机作从站，组成单主站网络系统；2、B机完成现场的温度数据的定时采集和标度变换，定时时间为1分； A机每隔1分钟读取B机中的温度值并送显示器显示，若温度低于下限或高于上限报警灯闪烁。显示器由3位LED显示器构成。根据设计要求，本设计的软件流程图分为主站程序流程图和从站流程图。分别如图4.1和4.2所示，程序见附录。注：程序中含有电路解释与说明。开始初始化是否到一分钟温度采集传入V

18、W100中YN图4.1 从站系统软件流程图 从站每隔一分钟进行一次温度采集，若时间没到，系统进行等待。开始初始化是否到一分钟读取远程站温度值标度变换送出显示是否超过极限值闪烁报警YYNN图4.2 主站系统软件流程图 初始化时将PLC设为主站，清空相应的内存单元以便后面使用，主站同样每隔1分钟读取从站中检测的结果，标度变换即是将检测的温度值除以10，得到真正的温度值在将温度值送出显示，最后判定是否超过上下限，如果超过上限或下限进行灯光闪烁报警。第5章 程序调试程序调试分以下三步：1. 进行外部连线从站总体连线如图5.1所示，主站总体接线图如图5.2所示：图5.1 从站整体连线图图5.2 主站整体

19、连线图2. 将程序下载到CPU中运行程序观察实验现象，实际效果图如下：（1）从站检测温度值为241摄氏度，由于实验设备的原因，将温度值以0、2、4、1的顺序循环显示。下图为百位的显示。 图5.3 温度值百位显示（2）下图为421摄氏度温度值的显示，由于超过上限值400摄氏度，所以进行报警，为了能够在同一照片中显示，所以报警灯使用数码管的H段码显示。图5.4 温度过高报警（百位）第6章 总结设计主要研究的是远程站的温度检测。温度检测已经成为一个很普遍的问题，现在的温度检测手段也有很多种，早已脱离了温度计检测的时代，如今的温度检测一般由传感器来实现，通过不同物质对温度的不同反应来推断出当前的温度值

20、。而控制器如今最为广泛的就是单片机与PLC。其中单片机适用于中小型系统，其稳定性低，实时性高，经济适用，很适合人们日常生活中的温度检测。PLC适用于大型系统，其稳定性好，实时性较高，使用方便，其不足在于成本较高不适宜家庭使用。本设计要完成的目的是对0500摄氏度的现场温度进行检测，由于人无法前去现场所以使用远程站通信方式，这样就可以在远离现场的情况下进行温度的检测。本设计是以德国西门子公司生产的S7-200型系列CPU224作为主要核心控制器件， CPU221作为辅助控制器，配合EM231热电阻扩展模块，EM222数字量输出模块共同实现控制要求。设计中主要包括硬件电路的设计和软件程序的设计。硬

21、件电路的设计包括主电路的接线图和PLC与输入输出信号的外部端子接线图。软件部分主要包括从站程序设计、主站程序设计。通过硬件的设计，软件的调试，实现了基于PPI通信的远程站温度控制。CPU221与扩展模块EM231连接热电阻Pt100放置于测温现场，CPU224与扩展模块EM222连接数码管与报警灯放置于监控室，从站在现场每隔一分钟读取一次现场温度值存放于内存单元中，主站每隔一分钟读取一次从站中的温度值，经过转换送出显示，判断其是否在规定范围之内，若不在范围之内报警灯闪烁报警。参考文献1 张凤珊 电气控制及可编程序控制器2版 M 北京: 中国轻工业出版社，20032 史国生 电气控制与可编程控制器技术 M 北京: 化学工业出版社，20033 郁汉琪 电气控制与可编程序控制器应用技术 M 南京: 东南大学出版社，20034 张万忠 可编程控制器应用技术 M 北京: 化学工业出版社，20015阮友德. 电气控制与PLC实训教程.北京：人民邮电出版社，2006.6李长久PLC原理及应用北京：机械工业出版社，200687罗光伟可编程控制器教程.成都：电子科技大学出版社，20072附录主站程序从站程序