基于PLC和Pt100的閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

丁欣 姚開武 陳君霞

【摘 要】文章在建設(shè)國家骨干院校的背景環(huán)境下，借助廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院的院級重點科研項目“基于PLC的整流教學(xué)裝置的研究與實現(xiàn)”及核心課程的建設(shè)要求，設(shè)計出融合了PLC課程及自動檢測課程的閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、響應(yīng)迅速，并且與人們的生活聯(lián)系緊密，具有一定的現(xiàn)實意義。

【關(guān)鍵詞】PLC；單回路控制系統(tǒng)；鉑電阻Pt100；EM235模塊

【中圖分類號】TP273 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）01-0037-03

1 引言

PLC具有經(jīng)濟、穩(wěn)定性好、高效、易操作、易維護等特點，而且具有編程簡單、抗干擾能力強、能耗低、功能強大等優(yōu)點，因此在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，成為工程人員常用的控制設(shè)備之一。其中，S7-200編程軟件STEP7MIicro/WIN的編程過程簡單，易掌握，功能強大。PLC的數(shù)據(jù)采集模擬/數(shù)字量輸入輸出模塊EM235，能夠?qū)崿F(xiàn)A/D和D/A之間的轉(zhuǎn)換，以便及時采集溫度變送器送過來的模擬信息[1]。

在自動化工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是最常見的過程參數(shù)之一。近年來，國內(nèi)外對溫度控制系統(tǒng)的研究越來越深入、廣泛。隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，在溫度控制系統(tǒng)的研究方面更是取得了巨大的進步。如：模糊控制、職能化PID、自適應(yīng)控制等，其性能、控制效果好，可廣泛應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關(guān)設(shè)備的技術(shù)改造服務(wù)[2]。

2 控制系統(tǒng)整體設(shè)計

本設(shè)計采用西門子的S7-200系列PLC控制器。鉑電阻Pt100溫度變送器可用來檢測熱水壺水溫，并將溫度轉(zhuǎn)化為4～20 mADC的標準電流信號，送到采集模塊EM235的1號通道，EM235模塊將標準的電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，完成A/D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字信號傳給PLC控制器。PLC通過程序控制，把EM235模塊傳來的信號與給定值對應(yīng)的數(shù)字信號相比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出驅(qū)動固態(tài)繼電器的線圈，通過控制繼電器線圈的得電與失電來改變熱水壺的通斷，從而實現(xiàn)對熱水恒溫的控制（如圖1所示）。該控制電路采用單回路結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)由被控對象熱水壺、控制器PLC、執(zhí)行器固態(tài)繼電器和溫度變送器組成。系統(tǒng)的給定量是一定值（例如30 ℃），要求系統(tǒng)的被控制量等于給定量所要求的值。由于這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，調(diào)試方便，性能較好，所以可被用于教學(xué)當(dāng)中，為學(xué)生實驗和實訓(xùn)提供很好的平臺[3]。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)由S7-200CPU226型PLC、模擬量采集模塊EM235、鉑電阻Pt100變送器、固態(tài)繼電器、熱水壺、啟動停止按鈕、24 V直流電源及導(dǎo)線組成（如圖2所示）。

3.2 PLC控制器的選擇

S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，可用于各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化，具有很高的性價比。S7-200系列的PLC 有CPU226、CPU224XP、CPU224、CPU222、CPU221等類型。本系統(tǒng)選用S7-200 CPU226，CPU226集成了24輸入/16輸出，共有40個數(shù)字量I/O，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O點或數(shù)字量35點模擬量I/O。此外，還有6個獨立的30 kHz高速計數(shù)器，13KB的程序和數(shù)據(jù)存儲空間，兩路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器，配有2個RS485通信口，具有PPI通信協(xié)議，MPI通信協(xié)議和自由方式通訊能力，可適應(yīng)較高要求的復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)[4]。

3.3 EM235模擬數(shù)字量輸入輸出模塊

模擬量擴展模塊EM235提供了模擬量輸入輸出的功能，有4路模擬量輸入，1路模擬量輸出。不用加放大器即可直接與執(zhí)行器和傳感器相連。供電電源為24 VDC。輸入輸出都可以為0～10 V電壓或是0～20 mA電流（如圖3所示）。

3.4 Pt100溫度變送器

最常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶的工作原理是熱電效應(yīng)，測溫范圍較廣，價格較貴。而金屬鉑（Pt）的電阻隨溫度的變化而變化，并且有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。我國規(guī)定工業(yè)用的鉑熱電阻中，常用的有Pt10和Pt100 2種，測溫范圍為-200 ℃～850 ℃。Pt100溫度變送器是在鉑熱電阻傳感器的基礎(chǔ)上，加上信號處理放大電路做成的一種裝置。這種變送器可以將溫度變化轉(zhuǎn)化為標準電量的變化[5]。

工業(yè)常使用的鉑電阻分度號為Pt100，其實際電阻的溫度特性曲線是一條非線性曲線，用公式（1）進行線性化處理，可將非線性處理成線性。

t=3 367.85+K（1）

公式（1）中： Rt為鉑電阻值；t為測量溫度值；K為修正代數(shù)式[6]。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

當(dāng)PLC開始運行時，初始化脈沖使特殊繼電器SM0.0進行初始化，將溫度設(shè)定值30 ℃對應(yīng)的數(shù)字量、參數(shù)值等存入有關(guān)數(shù)據(jù)寄存器，使定時器復(fù)位；按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始溫度采樣，采樣周期為1 s；Pt100型鉑電阻變送器把所測量的溫度值轉(zhuǎn)換為4～20 mADC的電流信號，送入EM235模塊的A號通道輸入端，該通道將讀入的4～20 mADC的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入PLC的AIW0；經(jīng)過一些數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換和程序的計算后得出實際測量的溫度T，將T和溫度設(shè)定值30 ℃進行比較，若水溫低于30 ℃，控制固態(tài)繼電器線圈得電，熱水壺繼續(xù)加熱，若水溫等于或高于30 ℃，控制固態(tài)繼電器失電，熱水壺斷電停止燒水，從而使熱水壺保持了恒溫控制（如圖4所示）。

5 系統(tǒng)運行結(jié)果及分析

在西門子S7-200系列PLC控制器和EM235采集模塊的基礎(chǔ)上，利用鉑電阻變送器成功設(shè)計了熱水壺控制系統(tǒng)，并取得實驗的成功。溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計很好地融合了高職高專自動化專業(yè)基礎(chǔ)課程PLC和自動檢測傳感器技術(shù)課程，并且結(jié)合了低壓電器固態(tài)繼電器的使用，是一個綜合性的設(shè)計系統(tǒng)，對今后的實踐教學(xué)有很好的幫助。

參 考 文 獻

[1]李乃夫.可編程控制器原理、應(yīng)用、實驗[M].河北：中國輕工業(yè)出版社，2010.

[2]朱強，江瑩.基于工作過程的課程開發(fā)方案研究[J].中國職業(yè)教育，2008（1）：42-44.

[3]姚家琛，孫健.基于西門子S7-200控制器的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].開封大學(xué)學(xué)報，2014（1）：83-86.

[4]王曉軍，楊慶煊.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[5]陸希望，王權(quán).基于PLC技術(shù)的電熱毯遠程控制系統(tǒng)研究[J].赤峰學(xué)院學(xué)報，2014（10）：21-24.

[6]劉偉.水溫加熱控制系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)業(yè)，2014（11）：

194-105.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]