邵　彥

（杭州技師學(xué)院 機(jī)電系， 浙江 杭州 311500）

基于PLC的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

邵彥

（杭州技師學(xué)院 機(jī)電系， 浙江 杭州 311500）

摘 要：闡述了基于 S7-200 的溫度控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)調(diào)試表明，整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，便于維護(hù)，實(shí)現(xiàn)了溫度的閉環(huán)控制 。

關(guān)鍵詞：S7-200；PLC；溫度控制；閉環(huán)控制

1 前言

在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中，溫度控制占有極為重要的地位，特別是在食品、大棚溫室、冶金、化工、建材、機(jī)械、石油等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的作用。隨著電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， PLC 由原來的簡單邏輯量控制，逐步具備了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能。由于在計(jì)算能力、抗干擾能力、 響應(yīng)速度、通信聯(lián)網(wǎng)能力、靈活性及可維護(hù)性等方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，PLC 在溫度控制系統(tǒng)中得到了大量運(yùn)用［1-4］。本文針對某產(chǎn)品，設(shè)計(jì)了基于 PLC的溫度控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖 1 所示。使用 PLC 作為控制核心，溫度變量經(jīng)溫度傳感器（ 溫度變送器） 采集后， 再經(jīng)過A /D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成 PLC 可讀的數(shù)據(jù)，PLC 將它與溫度設(shè)定值比較，并按某種控制規(guī)律對誤差進(jìn)行運(yùn)算，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。

圖1 系統(tǒng)的組成

2.2 系統(tǒng)硬件選擇

2.2.1 PLC

PLC 的選擇主要應(yīng)從 PLC 機(jī)型、 容量、 I / O 模塊、 電源模塊、 特殊功能模塊、 通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。系統(tǒng)選擇西門子公司生產(chǎn)的 S7-200 CPU226作為溫度控制系統(tǒng)的 PLC主單元，其輸出為繼電器輸出，具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)。

2.2.2 溫度傳感器

系統(tǒng)選擇 Pt100 鉑電阻作為傳感器。鉑電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器，主要特點(diǎn)是測量精度高、性能穩(wěn)定，其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的。

2.2.3 EM231模擬量輸入模塊

溫度由 Pt100 鉑電阻溫度傳感器檢測后輸出的是模擬電阻信號(hào)，而 PLC 所能處理的是數(shù)字信號(hào)，因此需選擇熱電阻輸入模塊EM231: 4AI×RTD，把Pt100電阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以被S7-200直接調(diào)用，該模塊為Pt100模塊提供一個(gè)隔離的接口，通過撥碼開關(guān)選擇相應(yīng)型號(hào)的熱電阻。本系統(tǒng)采用的是Pt100設(shè)置，如表1所示 。

表1 Pt100設(shè)置

傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)采用一個(gè)溫度傳感器，這樣采集的溫度具有局限性，本系統(tǒng)選用4路熱電阻輸入模塊，選用同一型號(hào)的4個(gè)pt100連接到EM231模塊上，如圖1所示。

圖2 Pt100連接圖

PLC循環(huán)采集四個(gè)通道的數(shù)據(jù)并且通過復(fù)合數(shù)字濾波算法，處理數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的PID控制溫度，使系統(tǒng)更加的穩(wěn)定和減小靜態(tài)偏差。

2.2.4 加熱驅(qū)動(dòng)器

選用電熱管作為系統(tǒng)的加熱器件，具有使用壽命長、抗氧化性能好、電阻率高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。加熱驅(qū)動(dòng)器的選擇對系統(tǒng)的控制效果、可靠性及使用壽命有著較大的影響。目前，使用較多的有接觸器、 可控硅、 固態(tài)繼電器、 IGBT等。由于系統(tǒng)中選用的溫度控制器為S7-200 CPU226可編程控制器，采用繼電器輸出方式，所以選用固態(tài)繼電器為驅(qū)動(dòng)控制器件。

2.3 系統(tǒng)的硬件連接

本系統(tǒng)使用PT100的四線制連接方法，這樣可以不受EM231模塊電流源波動(dòng)的影響，而且四線制接法測量精度是最高的，選用市面上比較好的四線100ΩPT100傳感器，并且通過DIP開關(guān)設(shè)置EM231為100Ωpt100傳感器輸入模式，傳感器連接方式如圖3所示。

圖3 傳感器連接方式

通過EM231模塊給PT100提供恒流源，采集PT100兩端的電壓，通過模塊內(nèi)部的測量得到PT100的電阻值，轉(zhuǎn)換成溫度的數(shù)字量，進(jìn)而可以提供給S7-200進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)使用。系統(tǒng)的整體控制原理圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)合數(shù)字濾波算法

在加熱爐的溫度控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)所處環(huán)境干擾源復(fù)雜，在溫度的采集過程中難免會(huì)受到干擾，采用復(fù)合數(shù)字濾波算法可以消除這些不必要的干擾。

圖4 控制原理圖

假定系統(tǒng)處在穩(wěn)定的工作狀態(tài)，系統(tǒng)采集通道的溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為N，在第i個(gè)周期采集的第n測溫度為xi（n），n∈（1，N）。為了消除脈沖干擾等因素引起的緩慢干擾，取K個(gè)周期的第n個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行排序，保留中間的部分的C個(gè)值，處理后的數(shù)據(jù)序列為｛xi（n），i∈（1，C），n∈（1，N）｝，然后采用均值濾波算法?。鹸i（n）｝的平均值為當(dāng)前值。

采用中值濾波和均值濾波的復(fù)合數(shù)字濾波算法，實(shí)際上是將較大的誤差消除掉，根據(jù)平均濾波算法的思想，假定濾波前的輸入為x（n），濾波后的輸出為y（n），則平均濾波公式為：

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行控制

通過S7-200的內(nèi)部輔助繼電器來代替開關(guān)的輸入，通過上位機(jī)觸摸屏的按鍵可以設(shè)置系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。

3.3 PID調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

西門子S7-200 PLC具有標(biāo)準(zhǔn)的PID回路指令來控制溫度，PID指令根據(jù)輸入和配置信息對LOOP執(zhí)行PID回路計(jì)算，同時(shí)邏輯位功能必須是打開的才能啟動(dòng)PID計(jì)算。

S7-200程序中可以使用八條PID指令，如果兩條或者多條PID指令使用相同的回路號(hào)碼（即使他們的表格地址不一樣），PID計(jì)算也會(huì)互相干擾，結(jié)果很難預(yù)料，因此必須在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候給PID控制指定不同的回路號(hào)，LOOP回路表存儲(chǔ)用于控制和監(jiān)視回路運(yùn)算的參數(shù)，包括程序變量、設(shè)置點(diǎn)、輸出、增益、采樣時(shí)間等。

3.4 PWM控制電加熱器

通過PID計(jì)算出加熱管的導(dǎo)通時(shí)間，通過控制PWM占空比來控制加熱功率，通過PWM控制固態(tài)繼電器SSR1，SSR1和SSR2同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷來控制電加熱管是否工作。

4 系統(tǒng)調(diào)試

圖5 觸摸屏界面

按照控制原理圖接線后建立人機(jī)界面如圖5所示。當(dāng)前溫度為 39.1 ℃ ，就是模塊轉(zhuǎn)換來的數(shù)字量為 391。將溫度設(shè)定為 800 相當(dāng)于 80 ℃ ，并設(shè)定 PID 的參數(shù)，然后按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，開始進(jìn)行溫度當(dāng)前值采集和 PID 運(yùn)算。當(dāng)溫度升高到 40. 5 ℃ （圖6）時(shí)，PID 運(yùn)算輸出 5 000，電熱管持續(xù)導(dǎo)通，溫度持續(xù)升高 ； 溫度上升到 77.2 ℃ ，PID 輸出為 3296，電熱管每 5s 導(dǎo)通3s， 使溫度緩慢上升； 溫度為79.7 ℃ 時(shí)，PID 輸出為 893，即電熱管在 5 s 的周期里導(dǎo)通 1 s（圖7）；如果當(dāng)前溫度超過溫度設(shè)定值，風(fēng)機(jī)就導(dǎo)通降溫。

圖6 溫度采集結(jié)果界面（1）

圖7 溫度采集結(jié)果界面（2）

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)在溫度數(shù)據(jù)采集部分使用四個(gè)溫度傳感器進(jìn)行溫度的采集，并且PLC處理數(shù)據(jù)的過程中采用復(fù)合數(shù)字濾波算法，提高了系統(tǒng)采集溫度的平均性，不具有局限性，并且復(fù)合數(shù)字濾波算法大大抑制了噪聲干擾，靈活的人機(jī)界面設(shè)計(jì)可以很容易地更改相關(guān)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：林小江）

中圖分類號(hào)：TP271+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-4852（2016）02-0033-04

收稿日期：2016-05-12.

作者簡介：邵 彥（1981-），女，講師.

Design of temperature control system based on PLC

Shao Yan
（ Mechanical and Electrical Department ，Hangzhou Technician Institute， Hangzhou 311500，China）

Abstract:The design of hardware and software of temperature control system based on S7-200 was described. The system debugging showed that the whole control system had simple structure with stable running and easy to maintain， and realized the closed-loop control of temperature.

Key words:S7-200；PLC；temperature control； closed-loop control