趙何麗莎 樊金學(xué) 任硯軍 龍游

【摘 要】隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC（可編程控制器）也在不斷發(fā)展，其功能也在不斷完善，由原來的簡單的邏輯量控制到現(xiàn)在的擁有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能，其發(fā)展非常迅速，并在現(xiàn)代工業(yè)控制中具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】PLC；鍋爐；溫度控制

一、總設(shè)計(jì)方案

1、溫度控制系統(tǒng)功能介紹

該恒溫控制系統(tǒng)包括控制恒溫鍋爐，冷卻風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)、攪拌電動(dòng)機(jī)、貯水箱、加熱裝置、測(cè)溫裝置、溫度顯示、閥門及有關(guān)狀態(tài)指示等。恒溫鍋爐中的水溫，入水口水溫，均有LED顯示。兩個(gè)電磁閥的通、斷，攪拌和冷卻開關(guān)也均有指示燈顯示。當(dāng)設(shè)定溫度后，起動(dòng)水泵向恒溫水箱進(jìn)水，水位上升到一定位置，起動(dòng)攪拌機(jī)，測(cè)量鍋爐水溫并與設(shè)定值比較，若溫差小于2℃，要采用PID調(diào)節(jié)加熱。當(dāng)水溫高于設(shè)定值5-10℃時(shí)，要進(jìn)冷水。當(dāng)水溫在0-5℃范圍內(nèi)，仍采用PID調(diào)節(jié)加熱。當(dāng)水溫高于設(shè)定值10℃以上時(shí)，采用進(jìn)水與風(fēng)機(jī)冷卻同時(shí)進(jìn)行的方法實(shí)現(xiàn)降溫控制。若進(jìn)水時(shí)無流量或加熱、冷卻時(shí)水溫?zé)o變化時(shí)應(yīng)報(bào)警。

2、總體方案介紹。

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，采用常規(guī)PID控制的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

FX2N-2AD特殊功能模塊。該FX2N-2AD型模擬輸入模塊，用于轉(zhuǎn)換兩個(gè)點(diǎn)的模擬擬輸入值為12位的數(shù)字值，并且進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為程序控制值。FX2N-2AD可用于連接FX0N，F(xiàn)X2N，和FX2NC系列的程序控制系統(tǒng)；FX2N-2DA特殊功能模塊。FX2N-2DA輸出模塊把CPU的12位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成2點(diǎn)模擬輸出，以便控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。轉(zhuǎn)換的通道數(shù)為2通道。使用FROM/TO指令與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；8BWZ-2280溫度變送器模塊。8BWZ-2280溫度變送器是Pt100輸入，三限制溫度變送器。可靠性高，性能優(yōu)越。超薄式外殼耐用，接線和調(diào)整容易；單相全隔離一體化交流調(diào)壓器模塊。龍科LSA-系列一體化單相調(diào)壓模塊內(nèi)部集移相觸發(fā)電路、單向或雙向可控硅、RC阻容吸收回路及電源電路等于一體，通過4～20mA電流控制信號(hào)控制單相220V交流電源在0～220V之間根據(jù)控制電流的大小實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化，從而調(diào)節(jié)輸出功率。

3、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）I/O分配表。根據(jù)系統(tǒng)總體方案，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的I/O地址分配如表1所示。

表1輸入、輸出信號(hào)I/O地址表

（2）I/O接線圖。根據(jù)系統(tǒng)軟元件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)的I/O接線圖見圖3。

（3）程序設(shè)計(jì)說明

PLC程序輸入通過計(jì)算機(jī)編程，在三菱PLC編程軟件GX Developer下完成程序編寫和通信。a.A/D轉(zhuǎn)換功能模塊的控制程序。溫度檢測(cè)硬件電路給定的A/D轉(zhuǎn)換通道號(hào)CH2，完成爐溫的A/D轉(zhuǎn)換。為了提高抗干擾能力，程序采用了數(shù)字濾波措施，濾波方法是取15次輸入的平均值作為檢測(cè)結(jié)果。b.D/A轉(zhuǎn)換功能模塊的控制程序。由PID運(yùn)算得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過FX2N-2DA模塊輸出給調(diào)壓模塊。完成對(duì)爐內(nèi)加熱的控制，在控制結(jié)束和高溫報(bào)警產(chǎn)生時(shí)都要求關(guān)閉D/A轉(zhuǎn)換，起到一個(gè)保護(hù)的功能。c.報(bào)警程序。本次設(shè)計(jì)的報(bào)警及保護(hù)系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)低液位報(bào)警、高液位報(bào)警、高溫報(bào)警以及在各中報(bào)警的時(shí)候需要采取的措施。d.PID控制程序。本次設(shè)計(jì)主要更新原有的二位控制模式，并利用三菱PLC中原有的PID控制指令，用測(cè)量溫度和溫度設(shè)定值產(chǎn)生的偏差作為輸入，通過PID指令計(jì)算出輸出值，傳給2DA模塊進(jìn)行控制。

二、PLC技術(shù)與溫度控制系統(tǒng)

1、PLC技術(shù)

可編程控制器是一種計(jì)算機(jī)技術(shù)，在可編程控制器的發(fā)展前期其被稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和PLC本身的不斷發(fā)展和成熟，PLC應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，早已超出了原來的邏輯控制的范圍。它主要應(yīng)用在工業(yè)中，是工業(yè)控制中專用的控制器，但是還是習(xí)慣稱其為PLC。PLC控制主要分為輸入采樣階段、輸出刷新階段及用戶程序執(zhí)行階段共3個(gè)階段。輸入采樣階段，此階段的主要功能就是采用數(shù)據(jù)掃描器讀入全部的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PLC的I/O映像區(qū)內(nèi)。然后根據(jù)自上到下的順序?qū)τ脩舫绦蜻M(jìn)行一一掃描，掃描結(jié)果通常為一個(gè)梯形圖，完成掃描后再進(jìn)行邏輯運(yùn)算，完成運(yùn)算之后，按照結(jié)果對(duì)系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中邏輯線圈的對(duì)應(yīng)位狀態(tài)進(jìn)行刷新。完成用戶程序的掃描之后，進(jìn)入輸出刷新階段。系統(tǒng)接收到控制器中CPU的指令后進(jìn)行電路鎖存，電路鎖存以I/O映像區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新結(jié)果為依據(jù)，經(jīng)過輸出電路驅(qū)動(dòng)外設(shè)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。PLC的基本結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科研活動(dòng)中非常重要，因?yàn)樗且粋€(gè)變量，需要不斷測(cè)量，并持續(xù)保持，能否將其控制在需要的溫度范圍內(nèi)成為溫度控制的關(guān)鍵。溫度控制原來采用的一般是繼電器控制技術(shù)，采用外部接線的方式實(shí)現(xiàn)邏輯控制，雖然在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了溫度控制，但是控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)問題，體積大能耗高，不能保證溫度控制的穩(wěn)定性，從而對(duì)工業(yè)生產(chǎn)及科研造成一定的影響。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了PLC控制技術(shù)。采用PLC控制技術(shù)的控制系統(tǒng)易維護(hù)、耗能低，因此，繼電器控制技術(shù)逐漸被淘汰?；赑LC溫度控制系統(tǒng)的控制采用內(nèi)部編程的方式，并對(duì)PLC控制器進(jìn)行了擴(kuò)充使其具體PID控制功能，該系統(tǒng)屬于過程控制系統(tǒng)，結(jié)合了邏輯控制與PID控制兩種方式。

三、加熱爐溫度控制系統(tǒng)的組成及工作原理

1、系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由四部分組成，分別為PLC主控系統(tǒng)、加熱爐（加熱容器）、溫度檢測(cè)系統(tǒng)、繼電器，該系統(tǒng)的具體組成結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2、系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)通常分為兩種：開環(huán)控制系統(tǒng)及閉環(huán)控制系統(tǒng)。加熱爐溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用的是閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。該溫度控制系統(tǒng)采用的閉環(huán)控制器為PID。系統(tǒng)的工作過程如下：設(shè)定系統(tǒng)的目標(biāo)溫度值也就是預(yù)期的加熱爐溫度，溫度傳感器測(cè)得加熱爐溫度，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，PID控制器接收目標(biāo)設(shè)定溫度值及溫度傳感器的反饋溫度值兩者的差值，差值經(jīng)過PID運(yùn)算處理之后得到一個(gè)疊加的數(shù)字量，經(jīng)過上限位和下限位處理該數(shù)字量進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，由數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸出一個(gè)電壓信號(hào)去控制繼電器的輸出，繼而控制加熱爐的加熱節(jié)律，實(shí)現(xiàn)溫度控制。

四、基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及具體的溫度控制流程如圖7所示。在該溫度控制系統(tǒng)中，溫度傳感器采集加熱爐的溫度數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)絇LC控制器，PLC控制器將系統(tǒng)的溫度設(shè)定值和采集值進(jìn)行對(duì)比和運(yùn)算，然后輸出信號(hào)到周波控制器，實(shí)現(xiàn)加熱爐導(dǎo)通周期的控制。同時(shí)，溫度傳感器將再次采集的加熱爐溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC控制器，PLC控制器再次將系統(tǒng)的溫度設(shè)定值和采集值進(jìn)行對(duì)比和運(yùn)算，并再次輸出控制信號(hào)到周波控制器，調(diào)整加熱器輸出，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度控制。PLC控制器和上位機(jī)之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊和共享，通過上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)PLC程序的修改、編寫、上傳或者是下載等，此外還可以通過上位機(jī)的組態(tài)軟件，對(duì)設(shè)備的控制參數(shù)進(jìn)行修改和直接設(shè)置，監(jiān)控設(shè)備的工作情況，一旦設(shè)備發(fā)生故障還可發(fā)出警報(bào)。

結(jié)束語

隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，PLC將具有非常廣闊的應(yīng)用前景，其對(duì)溫度控制的作用也將進(jìn)一步提升?；赑LC技術(shù)的溫度控制系統(tǒng)的種類和應(yīng)用范圍也會(huì)進(jìn)一步拓展，系統(tǒng)的功能也會(huì)更加完善，系統(tǒng)的測(cè)定值也會(huì)更加精確，以滿足不同的溫度控制需求。所以，國家要大力支持溫度控制系統(tǒng)的研發(fā)，在PLC溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用更多的先進(jìn)技術(shù)，為工業(yè)和科研的發(fā)展提供更先進(jìn)的溫度自動(dòng)控制設(shè)備。

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