基于PLC的温控系统设计与研究
日期：2009-2-20 14:23:46 来源：本站整理
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0 引 言
随着电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）已经由原来简单的逻辑量控制，逐步具有了计算机控制系统的功能。在现代工业控制中，PLC占有了很重要的地位，它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制，存在控制精度低、超调量大等缺点，很难生产出高质量的塑料制品。在一些热处理行业都存在类似的问题。为此，设计了较为通用的温度控制系统，具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。系统采用罗克韦尔SLC500系列PLC，通过PLC串口通信与计算机相连接，界面友好、运行稳定。
1 系统构成
基于PLC的温度控制系统一般有两种设计方案，一种是PLC扩展专用热电阻或热电偶温度模块构成；另一种是PLC扩展通用A/D转换模块来构成。
1.1 扩展热电阻/热电偶模块
在SLC500控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块——热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）。在此模块中温度模拟量产生对应的16位A/D数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，无需在硬件级电路上作其他处理。热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部变送器或外围电路，温度信号由热电阻采集，变换为电信号后，直接送人温度模块中。热电偶/毫伏输入模块（1746-NT4）的功能与热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）类似。系统如图1所示。
图1 扩展温度模块的温控系统
1.2 扩展通用A/D模块
在PLC温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，因此温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。SLC500系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块有——2路差分输入/2路电压输出模块（1746-NIO4V），其A/D转换为16位。由A/D转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，而且其软件和硬件的设计也比较复杂。系统如图2所示。
图2 通用A/D转换模块温控系统
2 输入输出控制
比较而言用温度模块1746-NR4构建的PLC温控系统具有较好的控制效果。SLC500控制器的输入通道中一个热电阻模块最多可以接4个温度热电阻温度传感器。输出通道为模拟量输出模块（1746NIO4V），其输出信号是电压信号，可以通过电压调整器控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。
在被控对象要求较高的控温精度时，SLC500控制器可以采用PLC自身具有的PID指令进行PID控制算法的研究。SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：
输出＝Kc[（E）＋1/Ti∫（E）dt＋Td•D（PV）/Dt] ＋bias
程序设计时，输入PID指令后，要输入控制块，过程变量和控制变量的地址。对于SLC500 PID指令，过程变量（PV）和控制变量（CV）两者的量度范围为0到16383。在使用工程单位输入时，必须首先把用户的模拟量范围整定在0-16383数字量度范围之内，为了实现这个目的，需要在PID指令之前使用数值整定指令（SCP指令）进行整定。整定原理如图3。
图3 数值整定原理
整定了PID指令的模拟量I/O范围，用户就能输入适用的最小和最大的工程单位。过程变量，偏差，设定点和死区将在PID数据监视屏上以工程单位显示。图4为PID指令的设置界面，表1为PID指令各参数的说明。
图4 PID模块在线参数设定与标志位
表1 PID模块参数说明
一般温控系统的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系统工作的大多数时间内，为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。在温度响应曲线的由初态向设定点的上升段过程中，大致采用三段控制。首先置电源为满开度，以最大的功输出克服热惯性；接下来转入PID控制；接近设定点时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。基于以上要求，PID指令各参数可设置如表2所示。
表2 PID模块参数设定
温控系统中热电阻模拟量输入模块的电压信号范围一般是0～4124，SCP指令把它整定为0～16383的工程单位，将其值放入PV（过程变量）的内存地址N7∶38中，把控制输出值放入N7∶39当中。最后用MOV指令把N7∶39中的过程变量传递到1746NIO4V模拟量输出模块中。控制效果如下：（1）SP－PV≥50时，输出值为最大值32767，使电压调节器开度最大，即给加热器最大电压供电，使被测对象温度快速上升。（2）SP－PV＞－30和SP－PV＜50时，输出为PID控制输出，此范围为PID参数调节的范围。（3）SP－PV＜－30时，输出值为最小值0，电压调节器开度为零，即停止加热。
3 显示扩展
PLC控制系统显示界面比较单调，一般是通过观察控制柜上的指示灯或PLC的LED灯来了解控制器状态，但对于温控系统这样的显示是不够的，需要采用数码管显示或PC显示。
采用数码管显示时，可以选用ZLG7289A芯片，它与控制器采用3线串行接口，只需要占用SLC500的3个输出点，可以驱动8个LED数码显示管，同过级联可以扩展数码显示管的数量，实现多段实时温度显示。SLC500与ZLG7289A的连接如图5所示。
图5 ZLG7289A与SLC500及显示器的接口
图5中CS为片选输入端，此脚为低电平时，可向芯片发送指令；CLK是时钟输入端；DATA是串行数据输入端，串行数据在时钟CLK的上升沿有效。8个段驱动信号SEG接每个显示器的段，8个位驱动信号DIG0～DIG7分别接显示器的共阴极公共地。
SLC500有RS232通信口，可以通过专用电缆与PC机相连。通过Rsview32软件的组态，PC机可以动态显示PLC传送的温度采集数据，还可以通过联网对多台PLC进行网络监控。
4 PLC与PC通信设计
4.1 PLC数据包的信息格式
SLC500与上位机进行数据交换是以二进制字节数据进行，它包含四种主要命：读命令，代码：01H；响应读命令，代码：41H；写命令，代码：08H；响应写命令，代码：48H。故PLC数据包的信息格式如图6所示：
图6 PLC数据包的信息格式
DST：一个字节，信息接收方的节点号或文件号；
SRC：一个字节，信息发出方的节点号；
CMD：一个字节，命令类型如01H，41H，08H或48H；
STS：一个字节，通信状态，表示通信有无错误或错误类型，0为无错误；
TNS：二个字节，信息包的业务批号，可作为本信息的识别编号；
Addata：地址/字节数/数据，具体内容由不同的命令类型决定。
PLC与PC机的数据通信采用自由端口通信模式，参数设置成为波特率9600 bps，每个字符8位数据，无奇偶校验。采用主从式通信协议，PC机为主机，只有PC机有权主动发送报文，PLC则采用报文接受数据。用RSLogix500软件对SLC500的串口进行如下设置：
1）set the module for full duplex BSC（DF1 full duplex）
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随着电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）已经由原来简单的逻辑量控制，逐步具有了计算机控制系统的功能。在现代工业控制中，PLC占有了很重要的地位，它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制，存在控制精度低、超调量大等缺点，很难生产出高质量的塑料制品。在一些热处理行业都存在类似的问题。为此，设计了较为通用的温度控制系统，具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。系统采用罗克韦尔SLC500系列PLC，通过PLC串口通信与计算机相连接，界面友好、运行稳定。
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1 系统构成
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基于PLC的温度控制系统一般有两种设计方案，一种是PLC扩展专用热电阻或热电偶温度模块构成；另一种是PLC扩展通用A/D转换模块来构成。
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1.1 扩展热电阻/热电偶模块
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在SLC500控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块——热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）。在此模块中温度模拟量产生对应的16位A/D数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，无需在硬件级电路上作其他处理。热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部变送器或外围电路，温度信号由热电阻采集，变换为电信号后，直接送人温度模块中。热电偶/毫伏输入模块（1746-NT4）的功能与热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）类似。系统如图1所示。
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图1 扩展温度模块的温控系统
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1.2 扩展通用A/D模块
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在PLC温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，因此温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。SLC500系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块有——2路差分输入/2路电压输出模块（1746-NIO4V），其A/D转换为16位。由A/D转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，而且其软件和硬件的设计也比较复杂。系统如图2所示。
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图2 通用A/D转换模块温控系统
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2 输入输出控制
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比较而言用温度模块1746-NR4构建的PLC温控系统具有较好的控制效果。SLC500控制器的输入通道中一个热电阻模块最多可以接4个温度热电阻温度传感器。输出通道为模拟量输出模块（1746NIO4V），其输出信号是电压信号，可以通过电压调整器控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。
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在被控对象要求较高的控温精度时，SLC500控制器可以采用PLC自身具有的PID指令进行PID控制算法的研究。SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：
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输出＝Kc[（E）＋1/Ti∫（E）dt＋Td•D（PV）/Dt] ＋bias
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程序设计时，输入PID指令后，要输入控制块，过程变量和控制变量的地址。对于SLC500 PID指令，过程变量（PV）和控制变量（CV）两者的量度范围为0到16383。在使用工程单位输入时，必须首先把用户的模拟量范围整定在0-16383数字量度范围之内，为了实现这个目的，需要在PID指令之前使用数值整定指令（SCP指令）进行整定。整定原理如图3。
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图3 数值整定原理
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整定了PID指令的模拟量I/O范围，用户就能输入适用的最小和最大的工程单位。过程变量，偏差，设定点和死区将在PID数据监视屏上以工程单位显示。图4为PID指令的设置界面，表1为PID指令各参数的说明。
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图4 PID模块在线参数设定与标志位
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表1 PID模块参数说明
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一般温控系统的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系统工作的大多数时间内，为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。在温度响应曲线的由初态向设定点的上升段过程中，大致采用三段控制。首先置电源为满开度，以最大的功输出克服热惯性；接下来转入PID控制；接近设定点时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。基于以上要求，PID指令各参数可设置如表2所示。
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表2 PID模块参数设定
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采用数码管显示时，可以选用ZLG7289A芯片，它与控制器采用3线串行接口，只需要占用SLC500的3个输出点，可以驱动8个LED数码显示管，同过级联可以扩展数码显示管的数量，实现多段实时温度显示。SLC500与ZLG7289A的连接如图5所示。
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PLC与PC机的数据通信采用自由端口通信模式，参数设置成为波特率9600 bps，每个字符8位数据，无奇偶校验。采用主从式通信协议，PC机为主机，只有PC机有权主动发送报文，PLC则采用报文接受数据。用RSLogix500软件对SLC500的串口进行如下设置：
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