PLC温度湿度检测试验装置

中国科技论文统计源期刊实验技术与管理Ｖｏｌ．　２２ Ｎｏ．　１０ ２００５

采用可编程控制器（ＰＬＣ）的温度、湿度 检测实验装置

宋秀英，王伟（电子科技大学机械电子工程学院，成都６１００５４）

摘要：本文系统阐述了应用可编程控制器对温度、湿度进行检测的原理，并对该实验装置的硬件组成和软件结构作了详细的介绍。在软件编制中运用了一些新颖的算法，以提高运算的精度。在编程软件ＤｌｒｅｃｔＳＯＦ　Ｆ　２．　３平台下，采用级式语言开发该检测系统的编程软件。关键词：温度；湿度；可编程控制器；算法；自动检测中图分类号：６４２４．　３１文献标识码：Ｂ文章编号：１００２－４９５６（２００５）１０－００７２－０４

温度、湿度是空气的２个非常重要的物理量，而湿度在物理学中是一个难以测量的量。本文主要介绍常温下空气湿度和温度的测量，它们是直接影响仓库贮存及工业产品质量的重要参数，并且空气中湿度、温度的变化对人体舒适度和情绪也带来许多影响。利用现代电子技术ＳＺ－４型可编程控制器（ＰＬＣ）对湿度、温度的快速和准确测量是该实验装置设计的基本前提。该ＰＬＣ为小型模块式结构，具有灵活、可靠的特点。随着科学技术的不断迅速发展同，ＰＬＣ本身也在发展，功能由单一化逐渐向多元、智能化、网络化方向发展，这正适应了当今计算机集成制造系统及智能化发展的需要。实验装置设计包括两大部分，一是硬件设计，二是软件设计，通过软硬件结合来实现湿度、温度的自动检测。

１实验装置介绍 图１是实验装置的方框图。该装置包括传感器、继电器、变送器、Ａ／Ｄ转换模块、继电器模块和ＣＰＵ模块等。检测系统利用干、湿球法测量湿度，它具有坚实的理论基础，测量方法简单可靠，只要干、湿球温度测量精确，就可通过求湿度的公式计算得到精度较高的湿度值，由于湿度换算公式比较复杂，用查表方法，是难于实现自动测量和控制。利用可编程控制器（ＰＬＣ）进行测算，使精度的可靠性得以充分保证。 （１）传感器与继电器的选择传感器采用铂热电阻，精度Ｉ级，该电阻值随温度的变化而改变。两相同铂热电阻，其中一个裹以湿纱布作湿球（纱布一端裹铂热电阻另一端放在水中），另一个作干球，由其电阻即可求出温度，然后再换算成湿度。 继电器使用ＨＲＳ２Ｈ－Ｓ－ＤＣ２４型，用以分时采集干、湿球电阻值；为减少误差干、湿球采

收稿日期作者简介２００５－０１一２１

宋秀英（１９５１一），女，河北沧县人，高级工程师．宋秀英，等：采用可编程控制器（ＰＬＣ）的温度、湿度检测实验装置图１湿度测里装置用同一个变送器。干球接于继电器常闭触点，湿球接于常开触点。 （２）变送器测量系统采用了信号放大装置，而高增益的直流放大器的漂移将引起测温误差；所以硬件设计时，选用了精度较高、稳定性好的ＤＤＺ－ＤＩ型温度变送器。输出信号０一１０ｍｖ，外接精密电阻５００ＳＺ，使信号转换为０一５Ｖ，Ａ／Ｄ转换器能接受的信号。 （３）　Ｚ－４ＡＤ２型模拟量输入模块该模块有４个通道合用一个Ａ／Ｄ转换器，输入信号顺次切换，读人ＣＰＵ中。为了区别各个输人通道，在读入数据的同时，读人通道状态信号以利使用。转换时间６７０＋．ｘ／通道。输入模拟量信号范围电压输入０一５Ｖ；输出（１０－１，３）　ＢＩＮ数据１２位，通道状态２位（１１４　１１１５　），模块状态１位（１１６），负标志１位（１１７　）。若量程为ＯＴ＝４０９０，则对于该模块１２位Ａ／Ｄ转换器分辨率ｄ󰀀：

ｄ１２＝二；；－一一，ＡＴ二 ２’‘一１０．００９７７ｃＣ

所以本实验装置测温分辨率为ｄ２ －｝ｏ．０１　－１２　－１　－　０１　Ｃ （４）继电器输出模块Ｚ－８ＣＤＲ１继电器输出模块用模块内部继电器的动合触点输出。模块内部电路接受并放大驱动内部继电器，继电器的触点闭合接通外部设备及电源，达到控制目的。由于模块是继电器触点输出控制，因而对外部负载形式没有要求。 （５）　ＳＺ４型可编程控制器ＣＰＵ模块和ＣＬ－０２ＤＳ显示模块各种模块插在电源框架槽中的模块插座上，模块插座与ＣＰＵ总线连接板相连，紧靠电源框架的是ＣＰＵ模块。ＣＰＵ为１６位芯片模块，内有：运算器、控制器、存贮器（用户存贮器，功能存贮器）及各种方式切换开关；另外，还有编程器接口ＰＯＲＴＩ，通用通讯端口ＰＯＲＴ２ｏ　ＣＬ－０２ＤＳ显示模块可以汉字方式显示各种线式，动作监控、设定值变更、报警信息等。

２硬件结构与软件 （１）硬件结构图１中继电器用以分时采集干、湿球电阻值，干球接到继电器的常闭触点５，６点，湿球接到继电器的常开触点７，８点，继电器的公共点３，４点接到变送器。继电器能控制端２点电压正极，ＤＣ２４　Ｖ通过Ｚ－８ＣＤＲ１模块甲输出口提供，１脚负极连接到与Ｚ－８ＣＤＲｌ继电器模块ＣＢ点同电源的负极。Ｚ－８ＣＤＲ１继电器模块ＣＢ点接ＤＣ２４Ｖ的正极。当Ｑ３输出为ＯＦＦ时，继电器的５，６点与公共触点３，４点闭合，先采干球的温度。反之，当Ｑ３输出为ＯＮ时，继电器７，８点与３，４点闭合，采集湿球的温度。变送器输出信号为０一５Ｖ０　Ａ／Ｄ转换器与１／０传送同时开始，Ａ／Ｄ转换的数据在Ａ／Ｄ转换结果后的下７４买验技木与官理一次ｖｏ传送时自动写人ＣＰＵ模块中对应的功能存贮器（记忆输人／输出和内部继电器ＯＮ／ＯＦＦ状态的存贮器）中。变送器输出信号送给Ａ／Ｄ模块的１通道。计算机和ＰＬＣ的通讯电缆，一端带有Ｓ－９ＣＮＳ１转接插头插人ＳＺ－４型ＰＬＣ模块的ＰＯＲＴ１编程口，另一端与计算机的串行通信口相连。显示模块和ＰＬＣ的通讯电缆两端都为Ｓ－９ＣＮＳ１转接插头，一端插入显示模块，另一端插入ＰＯＲＴ２通用通讯端口。 （２）软件软件程序包括；数据采样程序，数字滤波程序（每显示一次，干球和湿球数据分别采集８次排大小，去掉最大最小数据求其平均值），温度计算程序，湿度计算程序及显示程序五部分。编程所用语言为级式语言梯形图，编程软件ＤｌｒｅｃｔＳＯＦＴ２．　３。图２为Ａ／Ｄ转换程序，ＳＯ级是采集干球温度的数字量，Ｓ１级是采集湿球温度的数字量。

、Ｑ３０（ＯＵＴ）

图２ Ａ／Ｄ转换程序３计算公式 湿度是表示空气中水蒸气含量多少的尺度。在物理学和气象学中，大气湿度的表示方法是多种多样的，而且都有各自的物理量和相应单位。在诸多方法中，习惯使用的是绝对湿度和相对湿度。 （１）绝对湿度绝对湿度定义为在每立方米湿空气中，在标准状态下所含水蒸汽的质量，以字符Ｐ表示，单位ｇ／ｍ３ 尸。。再由气体状态方程式Ｐ．　Ｕ。二Ｒｎ　Ｔ可得：

Ｐ＝ＲｎＴ＝１０００ｘ　４６１　Ｔ

＝２．　１６９　ｘ

尸ｎ

２７３．　１５＋ｔ（１）

式中：Ｐ。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（℃）；Ｒ。为水蒸气的气体常数，Ｒ｝　＝４６１０ （２）相对湿度相对湿度是指空气中水蒸气分压力尸。与同温度下饱和水蒸汽压力Ｐｆ，之比值。用；表示相对湿度为： 尸＿ｒ＝－ｘ１００％ 尸ｂ（２）

、、．矛

、，尹

门ｊ４／

‘、

‘

式中Ｐ。和Ｐｂ的单位采用毫巴（ｍｂ）时， Ｐ，，由马格奴斯经验公式计算饱和水蒸气压力：

＝Ｐｏｘ　１０２１５７，式中Ｐｏ　＝６．　１　ｍｂ。空气中水蒸气分压力按下列公式计算： Ｐｎ＝Ｐ、一ＡＰ（ｔ，一ｔ｝）式中：Ｐ，，，为湿球温度ｔ、时饱和水蒸汽压力；；ｔ，为干球温度（＇Ｃ）；ｔ、为湿球温度（ＣＣ）　；Ｐ宋秀英，等：采用可编程控制器（ＰＬＣ）的温度、湿度检测实验装置为大气压力（ｍｂ）　；Ａ是与风速。有关，通常按下列公式计算：，＝（５９３．１＋１３５．１＋４８卜１。一‘ ＼ｖｖ　ｕ　Ｉ（５）

可知，相对湿度为干球温度、湿球温度、风速、时，对给定的检测条件。不变，那么只要测得ｔ＂　ｔ． （３）计算公式整理将较为复杂的公式整理成ＰＬＣ能接受的运算式子。由传感器测得Ｒ值与Ａ／Ｄ转换器得到的数字量有一比例关系，经过各硬件后的信号对应关系如表１。本文讨论０一４０℃温度下的相对湿

大气压力的函数即可得相对湿度，当大气压力变化不大表１ Ｒ值与信号对应关系、盗＼铂热电阻值变送器灯Ｄ转换量 ０Ｖ

ｏ℃４０℃ １００ ０ ０１１５．７８　５ ４０９５

度，若想扩大测湿范围只需改变量程即可。铂热电阻阻值比例关系：Ｒ＝１００＋　１，５．　７尽、Ｄ ２｀‘一１（６）

式中Ｄ为Ａ／Ｄ转换的数字量。对于铂热电阻，在０一４０℃时Ｔ与Ｒ接近线性；但为提高精度采用插值法，用次数不超过ｎ的代数多项式逼近真实函数，经整理ｔ的计算公式：ｔ二８．１４５４８６　ｘ　１０　－４　Ｒ２＋２．３５５９０９Ｉ　Ｒ一２４４．　０５４６利用秦九韶算法把上式变为ＰＬＣ能接受计算公式：ｔ＝（（８．１４５４８６　ｘ　１０－４　）　Ｒ＋２．　３５９０９１）　Ｒ一２４４．０５４４６（７）

由Ａ／Ｄ转换的数字量Ｄ代人（６）和（７）式，就可得于球和湿球电阻值Ｒ，，Ｒ，和ｔ＂　ｔ．　ａ湿度计算程序中，饱和水蒸汽压力计算公式（３）不能直接面向ＰＬＣ计算，需要转换。（３）式展开成有限项级数和：Ｐｂ＝６．　１　ｘ　１Ｖ－＝６．“！，・ｑ・ｚａ２！＋盯＋”””＋

＿ａ　１　＇１｀Ｉ）

式中，ａ　＝　ｘＩｎ１０，二７．　４５ｔ＝２３５＋ｔ，ａｔ＝１７．１５４２５ ｔ

２３５＋５。上式整理成ＰＬＣ能接受的公式：

Ｐｂ＝６．‘（‘＋子（‘＋号（‘＋号（‘＋ａ（４……（‘＋１０（‘＋１１））……）（‘， 由上述各式和（１）．（２）式，可得ＰＬＣ能计算的温度、湿度。显示模块可显示相对湿度和温度。

４结束语 该实验系统相对湿度的误差，主要来源于干、湿球的测量误差、放大部分变送器误差及湿度系数计算误差，综合误差在３％以内。温度误差小于０．　５　ｃＣ。世界气象组织对地面气象观测精度要求为３％以内，所以本实验完全满足。

参考文献：［１］特维利斯戈伊等著（原苏联）．《气象学教程》第二分册【Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９５４．［２］西安冶金建筑学院、同济大学合编．热工测量与自动调节【Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９８３．［３］伍锦荣编著．可编程控制器系统应用与维护技术【Ｍ］．广州：华南理工大学出版社，２００４，７．