基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

徐小童

（西南石油大學(xué)，610500）

基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

徐小童

（西南石油大學(xué)，610500）

實(shí)際生產(chǎn)中，溫度控制具有慣性大、滯后性嚴(yán)重、時(shí)變性質(zhì)突出等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行精確的控制具有較大難度。如何將PLC與溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的結(jié)合，是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

PLC；溫度控制；模糊控制；設(shè)計(jì)探析

0　前言

在當(dāng)今社會(huì)中，科學(xué)研究工作和人民生產(chǎn)生活中，溫度控制占據(jù)了越來(lái)越重要的地位，發(fā)揮著極為重要的作用，諸如食品生產(chǎn)、建材生產(chǎn)、冶金化工、機(jī)械及石油化工領(lǐng)域，溫度控制是其中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)生活對(duì)溫度控制的要求提高，電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)大量應(yīng)用到溫度控制領(lǐng)域。PLC技術(shù)也從簡(jiǎn)單的邏輯控制發(fā)展到計(jì)算能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)的綜合溫度控制系統(tǒng)。本文從基于溫度控制系統(tǒng)的基本原理，從PLC在溫度控制中的實(shí)際運(yùn)用入手，探究了基于PLC的溫度控制系統(tǒng)。

1　基于PLC的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要求

1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)的硬件組成示意圖如下所示，其中PLC作為整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)處理溫度傳感器采集到的溫度信息，A/D模塊的主要作用是將采集的信息處理為PLC可以處理的數(shù)據(jù)類(lèi)型，PLC將采集的溫度信息與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)誤差運(yùn)算，對(duì)外驅(qū)動(dòng)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)。

基于PLC的溫度控制系統(tǒng)對(duì)于各部分硬件設(shè)備的選擇有特殊的要求。作為整個(gè)系統(tǒng)的核心配件，PLC應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行選擇：PLC機(jī)型、理論容量、電源模塊性能和聯(lián)網(wǎng)及通信性能等。溫度傳感器是準(zhǔn)確采集信息的關(guān)鍵部件，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)的調(diào)控具有直接影響，推薦使用鉑電阻傳感器，鉑電阻傳感器具有測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定等突出優(yōu)勢(shì)。模擬輸出輸入模塊的選擇主要需要考慮的是整個(gè)系統(tǒng)的交互性和數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性。輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)，開(kāi)關(guān)量輸入模塊用來(lái)接收從按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、壓力繼電器等傳來(lái)的數(shù)字信號(hào)；模擬量輸入模塊用來(lái)接收電位器、測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。CPU模塊內(nèi)部的工作電壓一般是DC SV，而PLC的輸入/輸出信號(hào)電壓一般較高，從外部引入的尖刻電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信號(hào)模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來(lái)隔離PLC的內(nèi)部電路和外部的輸入、輸出電路。信號(hào)模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。

溫度控制系統(tǒng)院里接線示意圖

1.2基于PLC的溫度控制系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

綜合以上溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中的PLC，可以分析得出，PLC主要具有以下幾大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。（1）功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高：一臺(tái)小型PLC內(nèi)有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程元件，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性價(jià)比。（2）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)：PLC已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，使用能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置。（3）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)：PLC使用了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，平均無(wú)故障時(shí)間達(dá)到數(shù)萬(wàn)小時(shí)以上。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求

2.1溫度控制技術(shù)的選擇。恒溫溫度控制系統(tǒng)通常分為以下三種：定值開(kāi)關(guān)控制法、PID控制和只能溫控技術(shù)。本系統(tǒng)中由于選用了FX2N-48MR可控編程控制開(kāi)關(guān)，由于本身具有PID指令，故而至于要進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)計(jì)就可以使用，通過(guò)與溫度開(kāi)關(guān)控制方法的對(duì)比，精度明顯提升，綜合分析選用PID控制方法。其中溫度控制系統(tǒng)院里接線示意圖如下。

2.2內(nèi)存地址及繼電器分配。分析研究了基于PLC的溫度控制系統(tǒng)中內(nèi)存地址及繼電器分配原理，制訂了如下額分配表。

內(nèi)存地址及繼電器分配表

2.3PID參數(shù)設(shè)計(jì)研究。PID控制中的參數(shù)選擇主要有以下三種模式：（1）被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型已經(jīng)了解的情況下，采用推導(dǎo)函數(shù)分析開(kāi)環(huán)傳遞方式，通過(guò)對(duì)反應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、相角裕量、幅值裕量的計(jì)算，最終得出動(dòng)態(tài)特性較好的溫度控制系統(tǒng)。（2）在數(shù)學(xué)模型不明確的條件下，使用模型識(shí)別方法，在對(duì)控制對(duì)象模式識(shí)別的基礎(chǔ)上，應(yīng)用PID參數(shù)設(shè)計(jì)。（3）最后在一種方法通過(guò)對(duì)三參數(shù)的不斷修正，實(shí)驗(yàn)得到最優(yōu)的系統(tǒng)控制PID參數(shù)。本文采用的事西門(mén)子公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的PLC設(shè)備，設(shè)備中配備了多種特殊功能模塊和擴(kuò)展模塊。具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、靈活配制、高性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)，更重要的是人機(jī)交互界面簡(jiǎn)單易學(xué)，并可搭載Windows操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的兼容性進(jìn)一步提升。

3　控制器設(shè)計(jì)

3.1模糊控制器。通過(guò)大量的調(diào)研與分析，反饋溫度與設(shè)定值的差值，定義為系統(tǒng)輸入量，系統(tǒng)的輸出變量只有一個(gè)，就是對(duì)溫度控制元器件的功率調(diào)節(jié)。對(duì)于模糊控制元器件，如果僅僅使用誤差作為溫度控制的輸入變量，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，再次使用誤差和誤差的變化率作為系統(tǒng)的輸入變量，閥門(mén)開(kāi)度作為系統(tǒng)的輸出變量。

3.2模糊論域。通常情況下，模糊論域可劃分為以下幾個(gè)檔位，分別是負(fù)（大負(fù)、中負(fù)、小負(fù)）、零和正（大正、中正、小正），因此，上述七個(gè)變量就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的較精確控制。如果對(duì)溫度控制要求非常細(xì)致，可在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)分。在選擇多檔位進(jìn)行調(diào)控時(shí)，規(guī)則的制定是比較靈活的，但是相應(yīng)的編程難度上升，變得更為復(fù)雜，導(dǎo)致內(nèi)存容量占用過(guò)多，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。

3.3控制規(guī)則和模糊控制表。在進(jìn)行PLC的模糊控制設(shè)計(jì)中，模糊控制規(guī)則和提取的方法是非常重要的，其設(shè)計(jì)的質(zhì)量對(duì)溫度控制系統(tǒng)的運(yùn)行有著舉足輕重的作用。在本文的研究中，主要采用的是依據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)發(fā)進(jìn)行模糊控制規(guī)則的制定。主要設(shè)計(jì)了49調(diào)模糊控制規(guī)則。最終，通過(guò)隸屬度函數(shù)和規(guī)則表，運(yùn)用Mamdam推理方法，相應(yīng)的制定出以下的模糊控制表。

控制查詢表

4　結(jié)語(yǔ)

溫度控制是當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)生活中一項(xiàng)重要的控制技術(shù)，通過(guò)PLC技術(shù)，能夠進(jìn)一步的提升溫度控制系統(tǒng)的控制精度和可操作性。本文通過(guò)對(duì)PLC溫度控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)要求分析的基礎(chǔ)上，集合模糊控制理論的最新研究成果，將控制器設(shè)計(jì)運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中，對(duì)于提升整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度具有重要意義。

［1］ 張文明.基于 PLC 的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（29）： 18258-18261.

［2］ 李國(guó)萍.基于 PLC 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010 （7）： 86-86.

徐小童（1994.03.14--）；性別：女，籍貫：新疆克拉瑪依市，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于西南石油大學(xué)；

Design of temperature control system based on PLC

Xu Xiaotong
（Southwest Petroleum University，610500）

The actual production， the temperature control with a large inertia，the lag is serious，timevarying nature of the outstanding characteristics such as its precise control have greater difficulty.How PLC and temperature control system for effective binding，at this stage the focus of research and hotspots.

PLC；temperature control；fuzzy control；Design