基于plc温度与湿度控制系统设计

基于plc温度与湿度控制系统设计内容摘要：

式中 nP 为空气中水蒸气的分压力 (帕 )； T为空气中的干球 绝对温度 (K)； t为空气中干球的摄氏温度 (℃ )； nR 为水蒸气的气体常数， nR =461。 ②相对湿度 :相对湿度是指空气中水蒸气分压力 nP 与同温度下饱和水蒸汽压力 bP 之比值。 用 r表示相对湿度为： nbPr 100%P 公式（ 44） 传感器介绍 选择集成湿度传感器应考虑以下几点：感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量范围宽，要有较好的一致性、可重复性，线性度要好、湿滞小较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、使用寿命长。 目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为 Honeywell公司（ HIH360 HIH360 HIH3610型）， Humirel公司（ HM1500、 HM15 HF322HTF3223型）， Sensiron公司（ SHT1 SHT15型）。 湿度传感器选择及电路设计 由于 HM1500湿 度传感器的精度较高，测量范围大，反应时间较快，温度依赖 12 性比较低，长期稳定性能好，用户使用方便，价格实惠，是性价比极高的一款集成湿度传感器，故本方案采用 HM1500做为湿度测量的传感器。 HM1500是法国 Humirel公司于 2020年推出的一种基于硬质封装的 HS1101湿敏电容的电压输出式集成湿度传感器。 它将侧面接触式湿敏电容与湿度信号调理器集成在一个模块中，集成度高，有很小的易于安装的接头，因此不需要外围元件，使用非常方便。 其主要特点是采用恒压供电，输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，对 温度的依赖性非常低，可靠性与长期稳定性高，互换性好，专利的固态聚合物结构，浸水无影响，长时间处于饱和状态后能快速脱湿，抗污染能力强。 一、 HM1500的性能特点： ①内部包含由湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能输出与相对湿度成线性关系的直流电压信号，输出阻抗为 70Ω，适配带 ADC的单片机。 ② HM1500属于通用型湿敏传感器，测量范围是（ 0%～ 100%） RH，输出电压范围是 +1V～ +4V。 相对湿度为 55%时的标称输出电压为。 测量精度为177。 3%RH，灵敏度为 +25mV/RH，温度系数为177。 %RH/℃，湿度迟滞为177。 %RH，响应时间为 5s。 ③产品的互换性好，抗腐蚀性强。 不受水凝结的影响，长期稳定性指标为%RH/年。 ④采用 +5V电源（允许范围是 +～ +），工作电流为 （典型值），漏电流≤ 300μ A。 工作温度范围是 30℃～ +60℃。 二、 HM1500的工作原理： HM1500采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快、重复性好、抗污染能力强。 HM1500的测湿元件选用湿敏电容 HS1101，在一个有机玻璃或玻璃片 上首先用扩散法制作两个电极，然后涂上有机膜作为介质，形成一个电容器件。 当外界相对湿度变化时，感湿膜能吸附和释放水汽分子，引起其介电常数发生变化，从而使元件电容量改变。 利用电容量与相对湿度的函数关系即可测量湿度。 内部电路框图如图 6。 HM1500的输出电压与相对湿度的响应曲线如图 7。 运用最小二乘法可以求出其输出电压与相对湿度之间的关系： 13 HM1500 桥 式 振荡电路 低 通 滤波器 放大器 0U =+ 公式（ 45） U 图 6 HM1500工作原理 图 7 HM1500的输出电压与相对湿度的响应曲线 在（ 10%～ 95%） RH范围内， AT 23 C  时，输出电压与相对湿度的对应关系见表。 表 HM1500的 0U 与 RH的对应关系 ( AT 23 C  ) RH/(%) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0U /V RH/(%) 55 60 65 70 75 80 85 90 95 0U /V 当 AT 23 C  时，可按下式对读数值加以修正： RH RH[ 3A1 ( T 23 )e] 公式（ 46） 14 PLC 的选型与模块配置 选择合适的机型是 PLC 控制系统的硬件配置的关键问题，目前，国内外生产PLC 的厂家很多，如西门子、三菱、松下、欧姆龙、 LG、 ABB 公司等，不同的厂家的 PLC 产品虽然基本功能相似，但有些特殊功能、价格、服务及使用的编程指令和编程软件都不相同。 而同一个厂家生产的 PLC 产品又有不同的系列，同一系列又有不同的 CPU 型号，不同系列、不同型号的产品在功能上有较大的差别。 因此如何学用合适的机型至关重要。 PLC 的选型原则 在满足控制要求的前提下选型时应选最佳的性价比，一般可以从以下几个方面考虑： I/O 点数是 PLC 的一项重要指标。 合理选择 I/O 点数既可使系统满足控制要求有可使系统总投资最低。 PLC的输入输出点总数和种类应根据被控对象的模拟量、开关量、输入 /输出设备状况（包括模拟量、开关量、输出类型）来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。 考虑到今后的扩充，一般应估计的总点数再加上 15%～ 20%的备用量。 本设计所占用的 I/O 点数计算： 输入信号：开始按钮，需要一个输 入点；停止按钮，需要一个输入点；计数值加 1按钮，需一个输入点；计数值减 1 按钮，需要一个输入点。 以上共需要 4个输入信号点，考虑以后对系统的调整与扩充留有 20%的备用点，即用 4 20%=1，取 1 个点，这样共用 5 个输入点。 输出信号：一共要用十七个 LED 数码管，段选码需要使用 8个输出点；位选通信号如果使用 74LS138 译码器则需要 4 个输出点；显示“ ”的一个数码管需要 1 个输出点；以上共需要 13 个输出点考虑以后对系统的调整与扩充留有 20%的备用点，即 13 20%=，取 3个点，这样共用 16个输出点。 用户存 储容量估算 用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如 I/O 点数、控制要求、运算处理量、量程结构等。 因此在程序设计之前只能粗略的估算。 根据经验，每个 15 I/O 点及有关功能器占用内存大致如下： 开关量输入元件： 10～ 20B/点； 开关量输出元件： 5～ 10B/点； 定时器 /计数器： 2B/个； 模拟量： 100～ 150B/点； 通信接口：一个接口一般需要 300B 以上； 根据上面算出总字数再加上 25%左右的备用量，就可以估算出程序所需要的内存量，从而选择合适的 PLC 内存。 本设计所需 CPU 内存的计算： 开关量输入元件 5 点 10～ 20B/点≈ 50～ 100B； 开关量输出元件： 16点 5～ 10B/点≈ 80～ 160B； 模拟量： 2点 100～ 150B/点≈ 200～ 300B； 总需内存量： 330～ 560B； 本系统中可编程序控制器的选取及其特点 目前 PLC 使用性能较好的 SIEMENS 公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的 AB公司，根据性价比的选择，根据被控对象的 I/0 点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，本设计采用 SIEMENS 公司的 S7200 系列 PLC。 S7200 系列 PLC 特性 一、 Siemens S7200 主要功能模块介绍 （ 1） CPU 模块 S7200 的 CPU 模块包括一个中央处理单元、电源以及数字 I/O 点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。 CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。 从 CPU 模块的功能来看，CPU 模块为 CPU22*，它具有如下五种不同的结构配置的 CPU 单元。 ① CPU224 它有 14 输入 /10输出， I/0 共计 24点。 和前两者相比，存储容量扩大了一倍，它可以有 7个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力 ，是使用得最多 S7200 产品。 ② CPU226 它有 24 输入 /16 输出， I/0 共计 40 点，和 CPU224 相比，增加了 16 通信口的数量，通信能力大大增强。 它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。 （ 2）开关量 I/O扩展模块 当 CPU 的 I/0 点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行 I/O 扩展， I/O扩展包括 I/O 点数的扩展。