重庆科技学院本科生毕业论文 2 硬件设计
2 硬件设计
2.1 传感器选择
温度传感器的种类繁多，总体来说大致分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器[13]。接触式传感器即字面意思一样，传感器会和被测物体接触，进行温度传递，进而测出温度，但由于被测物会有能量传递出来，也就会降低被测物体的温度，也就是说得到的温度会比实际的低，测量精度就低了，也就成了这种传感器的缺点，因此这种传感器就应该适用于那种热量大的被测物。非接触式传感器则是利用红外线，由于物体发热都会产生红外线，而其强度能够反应出温度的大小，这种测量温度的方法可以实现远距离测量，不吸收被测物体的热量，切测量速度快，但是其制造成本很高，测量精度也较低。
热电阻传感器和热电偶传感器是接触式传感器里面使用最多的种类，他们的区别在于热电阻是通过温度影响电阻的变化而测出温度值，而热电偶是利用温度使电动势的变化来反应温度值。对应于本设计的要求，最终选择了热电阻温度传感器，确定为pt100温度传感器。
Pt100温度传感器属于热电阻传感器，当然也就具有热电阻传感器的一切特性，它是采用聚四西三芯，而且聚四西三芯是能在高达200摄氏度左右的温度仍能运行的镀了银的线条，该传感器的精度很高、非常稳定、安装方便、使用简单、体积又很小、很轻、不怕震动，是非常实用的一种温度传感器，因此它的应用也是非常广泛，包括航天航空、汽车、医疗设备等等众多领域。大多数的金属热电阻的电阻值和温度的函数关系总结成如下式表示：
其中：
Rt 是t时刻的电阻值
是温度为 时对应的电阻值 α 是温度系数
(2.1)
Pt100温度传感器测量温度与电阻之间的关系经过长时间的实践，总结了更为简单的函数关系，如下函数：
其中：
是Pt转换后得到的最终电阻值 t 是当前传感器的实际温度
（2.2）
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图2.1 传感器图示
选择该传感器还是因为后面会选择EM231，配套使用！
2.2 PLC选择
本设计的要求是使用西门子S7-200PLC，而此PLC系列一共有4个不同的基本型号8种CPU提供选择，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。S7200PLC应用广泛，基本所有的自动检测、自动化控制相关工业及民用企业都用到此PLC，如各种机床，电力设备，民用设备等等，具体的如空调、电梯，磨床等。
用可编程控制器（PLC）来控制的系统使用灵活，并且可以随时扩展，它与其他控制最大的区别就在与它是用开关量来控制，这样使得使用起来非常简单，编程就容易得多了，并且可以采用更加容易看懂的梯形图、逻辑图或者语句表等编程语言，不需要使用者拥有高深的电脑知识就能使用可编程控制器（PLC）的一切功能设计。而且一个可编程控制器（PLC）控制的系统设计不需要长时间的开发，也能随时随地的进行更改，随时随地的更改程序改变控制，而且可编程控制器（PLC）能在各种恶劣的环境下应用，抵抗干扰的能力非常强大，而可靠性还非常高，都远远优于其他控制。
根据设计的要求，能够满足要求的切最适合的，最终确定CPU224型号。此CPU外形图及型号参数如下：
图2.2 PLC 224外形图
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表2.1 PLCCPU 224参数信息表 电源电压 电源电压波动 环境温度、湿度 大气压 保护等级 输出给传感器的电压 输出给传感器的电流 为扩展模块提供的输出电流 程序存储器 数据存储器 存储器子模块 DC 24V，AC 100~230V DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz） 水平安装0~550C，垂直安装0~450C，5~95% 860~1080hPa IP20到IEC529 DC 24V （20.4-28.8V） 280mA，电子式短路保护（600mA） 660mA 8K字节/典型值为2.6K条指令 2.5K字 1个可插入的存储器子模块 整个BD1在EEPROM中无需维护 在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400C时120h），插入电池后备200天 LAD，FBD，STL 一个主程序块（可以包括子程序） 自由循环。中断控制，定时控制（1~255ms） 8级 3级口令保护 逻辑运算、应用功能 0.37μs 300ms（可重启动） 256，可保持：EEPROM中0~112 0~256，可保持：256，6个高速计数器 可保持：256， 4个定时器，1ms~30s 16个定时器，10ms~5min 236个定时器，100ms~54min 一个RS485通信接口 PG740P = 2 \\* ROMAN II，PG760P = 2 \\* ROMAN II，PC（AT） 数字量输入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能 数字量输出：10，其中2个可用作本机功能， 模拟电位器：2个 数字量输入/输出：最多94/74 模拟量输入/输出：最多28/7（或14） AS接口输入/输出：496 7个 7
数据后备 编程语言 程序结构 程序执行 子程序级 用户程序保护 指令集 位操作执行时间 扫描时间监控 内部标志位 计数器 定时器 接口 可连接的编程器/PC 本机I/O 可连接的I/O 最多可接扩展模块 重庆科技学院本科生毕业论文 2 硬件设计
2.3模拟量输入模块（AD转换模块）
对应设计的要求，需要选择对温度的转换模块，即把温度这个模拟量转换成PLC能够读取的数字量！综合考虑选择了EM231AD转换模块！针对该模块的有如下几种模块：
表2.2 EM系列模块参数
输入模块 EM231普通模块 EM231热电偶模块 EM231热电阻模块 通道数 量程范围 4 单极性：0-10V;0-5V;0-20mA或0-40mA 双极性：±5V；±2.5V 8 4 支持：S,T,R,E,N,K,J,不支持B型热电偶 8 2 铂（Pt），铜（Cu），镍（Ni）或电阻（R<600欧姆） 4 对应前面选择的Pt100热电阻，选择该表中EM231热电阻模块！S7-200系列PLC用于热电阻测量输入的特殊功能模块只有一种，模块可以把外部两通道温度传感器测量值，转换为PLC内部处理所需要的15位数字量，该模块主要性能参数如下：
表2.3 EM231热电阻模块参数表
物理特性 尺寸(宽×高×深) 功耗 现场至逻辑 现场至24V DC 24V到逻辑 35 mA 共模输入范围 (输入通道至输入通道) 共模抑制 0 隔离 71.2×80×62mm 71.2×80×62mm 500V AC 1.7W 电源损耗 1.7W 500V AC 500V AC +5V DC消耗电流 35 mA L+ 34 mA 37 mA L+线圈电压范围 LED灯指示 20.4～28.8V DC 24V DC电源供电良好ON=无错，OFF=无24V DC电源，SF：ON=模块故障，闪烁=输入信号错误,OFF=无错 模拟量输入特性 >120dB@120V AC 输入分辨率 温度 0.1℃/0.1℉ 8
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输入类型 输入范围 模块参考接地热电阻 电压 测量原理 15位加符号位 热电阻类型(选一种): Sigma-Delta 模块更Pt-100Ω，200Ω，500Ω，新时间1000Ω(α=3850PPm，3920PPM，(所有3850.55 PPM，3916PPM，3902PM) 通道) Pt-10000Ω(α=3850PPM) 到传感器的导线长度 425ms 825ms 最大100米 输入点数 输入滤波衰减 基本误差 重复性 Cu-9.035Ω(α=4720PPM) Ni-10Ω，120Ω，1000Ω(α=6720PPM，6178PPM) R-150Ω，300Ω，600Ω 2 -3dB@ 21kHz 0.1% FS(电阻) 0.05% FS 4 导线回20Ω，Cu型2.7Ω 路电阻 噪声抑制 数据字格式 输入阻抗 85dB@ 50Hz/60Hz/400Hz 电阻：-27648至+27648 >10MΩ 最大输30V DC（检测），5V 入电压 DC（源） 分辨率 15位+符号位
2.4 固态继电器
固态继电器（简称SSR）是一种随着现代化应运而生的新型无触电开关，组成它的主要元件是固体电子，它是利用电子组件的开关特性，达到无触点、火花、且能起到接通和断开电路的目的，所以又叫无触电开关[14]。固态继电器的作用是扩大电流输出，就如输入小电流，输出大电流，在一些高电压作业的场所这种设备是保障安全的必要措施。
固态继电器由三部分组成：输入电路，隔离（耦合）和输出电路； 1）输入电路
输入电路就是信号的传人电路，可以根据传入电压的不同分成三种电路：直流输入电路、交流输入电路以及交直流输入电路,有的输入电路还能和TTL/CMOS组合，以得到逻辑控制和反相等等新功能，电路连接方便[14]。
2）隔离（耦合）
固态继电器的输入输出电路的隔离和耦合有两种方式：光电耦合和变压器耦合[14]。 3）输出电路
固态继电器的输出电路和输入电路一样，也分成三种不同的电路，分别是直流输出
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