基于RS-485通訊的多路溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

王曉燕

（太原學(xué)院，太原 030032）

0 引言

溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)試驗(yàn)中常見(jiàn)且重要的物理參數(shù)。在工控領(lǐng)域，必須對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效控制。其中溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例，準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的主要條件。太陽(yáng)能電池片組件生產(chǎn)過(guò)程中，電池片焊接工序是個(gè)重要環(huán)節(jié)。溫度控制的好壞直接影響到電池片的焊接質(zhì)量。

常用的溫度控制方案［1-6］如下:

方案1:采用傳統(tǒng)溫度控制儀表。一般溫控器的輸入和輸出點(diǎn)數(shù)是固定的，有時(shí)候使用者只是需要多一組I/O點(diǎn)，卻受限于傳統(tǒng)溫控器無(wú)法擴(kuò)充I/O，再購(gòu)買一組溫控器，造成不必要的浪費(fèi)。

方案2:采用PLC實(shí)現(xiàn)溫控功能。PLC通過(guò)溫度采集模塊周期性地對(duì)各個(gè)溫控點(diǎn)的溫度進(jìn)行收集采樣，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)溫度及有關(guān)PID參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算并輸出相應(yīng)控制量，從而達(dá)到溫控的目的。一般PLC的浮點(diǎn)運(yùn)算能力不太強(qiáng)，因此，處理的溫控點(diǎn)不宜太多。

方案3:采用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)溫控功能。溫度輸入、控制輸出采用現(xiàn)場(chǎng)總線模塊或板卡，與方案1差不多，但工控機(jī)運(yùn)算能力要強(qiáng)得多，因此，能夠處理較多的溫控點(diǎn)運(yùn)算。

方案4:采用多路溫度控制模塊。以臺(tái)達(dá)DTE10T為例，它可以同時(shí)控制并監(jiān)測(cè)8路溫控通道的數(shù)據(jù)，提供通信接口，可與各大品牌HMI、PLC或PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制。

針對(duì)以上方案作出分析:

1）方案1中，傳統(tǒng)的溫控儀表受限于I/O點(diǎn)數(shù)以及無(wú)法隨時(shí)調(diào)用歷史監(jiān)控溫度值。在工業(yè)自動(dòng)化溫度控制應(yīng)用中漸漸被淘汰。

2）在應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面，方案2和方案3需要編寫(xiě)和調(diào)試大量溫控程序，對(duì)開(kāi)發(fā)者有一定的溫控設(shè)計(jì)技術(shù)能力要求，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高。方案4則比較簡(jiǎn)單，因?yàn)樗械臏乜毓δ芤鸭稍跍乜啬K中，利用RS-485接口通訊的方式，和人機(jī)界面連接，直觀全面地觀察并管理多路溫控通道，還可以便捷地修改相關(guān)參數(shù)。

通過(guò)分析得知，方案4是首選。本系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)DTE10T模塊式溫度控制器，輸入輸出模塊可靈活插拔，避免了I/O點(diǎn)的浪費(fèi)，可達(dá)到合理配置。從系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本和控制性能方面看，方案4比方案2和方案3更優(yōu)。此外，控制器可以通過(guò)監(jiān)控軟件，在同一個(gè)畫(huà)面上設(shè)定并監(jiān)控8組溫控通道的數(shù)據(jù)。以多路溫度控制模塊為核心搭建的溫度控制系統(tǒng)，最大的特色就是智能化多路溫度控制，滿足了生產(chǎn)過(guò)程中溫控系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器（熱電偶）、溫度采集與控制（模塊式溫度控制器）、固態(tài)繼電器以及加熱棒4部分構(gòu)成。

系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)DTE10T模塊式溫度控制器為核心，搭載K型熱電偶輸入，固態(tài)繼電器輸出模式，同時(shí)控制并監(jiān)測(cè)8路溫控通道的數(shù)據(jù)。其中，每路溫控都可獨(dú)立工作。

如圖1所示，分布在加熱臺(tái)的熱電偶實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度，并將信號(hào)傳送給DTE溫度控制模塊。溫度控制模塊參照設(shè)定溫度，根據(jù)實(shí)際溫度的高低接通或斷開(kāi)固態(tài)繼電器，從而使加熱棒達(dá)到通電或斷電的目的，最終將加熱臺(tái)的溫度控制在預(yù)先設(shè)定好的數(shù)值上。DTE溫度控制模塊利用RS-485接口通訊的方式，將測(cè)得的溫度值傳送到人機(jī)界面上，通過(guò)人機(jī)界面顯示當(dāng)前溫度值并繪制溫度變化曲線。

圖1 控制系統(tǒng)整體框圖

2 硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

2.1.1 臺(tái)達(dá)DTE10T模塊式溫度控制器

DTE10T模塊式溫度控制器是一款多通道、模塊化的智能溫控器。操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)及時(shí)、整合容易且接口與用戶有互動(dòng)，適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合。它具有以下幾種功能:

1）支持多種感測(cè)器，內(nèi)建多種模式，可依多種需求選擇熱電偶、白金電阻或者是線性電壓或線性電流輸入。

2）提供多樣化輸出模式，支持繼電器、電壓脈沖、線性電流或者線性電壓輸出。

3）穩(wěn)定控制:內(nèi)置PID控制功能，搭配精準(zhǔn)的自動(dòng)演算，可自動(dòng)算出適合系統(tǒng)的PID參數(shù)，有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定度以及控制精度。

4）CT電流偵測(cè):支持CT電流偵測(cè)功能，可作為斷線檢知警報(bào)或偵測(cè)電流是否過(guò)載。

5）可程序化控制:最多提供8組樣式，每組皆有8個(gè)步驟，無(wú)需其他上位機(jī)，即可規(guī)劃各種溫度曲線。

6）通訊支援:采用RS-485通訊界面，并支援Modbus ASCII以及Modbus RTU設(shè)備的通訊。

7）雙輸出控制:可同時(shí)執(zhí)行加熱以及冷卻控制，使得系統(tǒng)快速達(dá)到設(shè)定溫度。

系統(tǒng)選用DTE10T模塊式溫度控制器，最多可支持8個(gè)通道輸入。控制器標(biāo)準(zhǔn)配備4組輸入，另外擴(kuò)展了臺(tái)達(dá)DTE20T輸入模塊，將控制器的輸入組數(shù)擴(kuò)展至8組。如下頁(yè)圖2所示，DTE10T模塊式溫度控制器的8個(gè)輸入通道分為INA和INB兩個(gè)群組，每個(gè)群組各支持4個(gè)輸入通道。輸入功能支持多種傳感器類型，本系統(tǒng)選用K型熱電偶輸入，溫度控制范圍為-200℃～1 300℃。

溫度控制器支持最多16組輸出，如圖2所示，分為 OUT1、OUT2、SUB1、SUB2 4 組，每一組有 4 個(gè)信道。當(dāng)選擇8個(gè)通道輸入時(shí)，將OUT1和OUT2規(guī)劃為控制輸出通道。本系統(tǒng)選用2個(gè)臺(tái)達(dá)DTE20 V電壓脈沖輸出模塊，模塊支持4組電壓脈沖輸出，輸出+14 V左右電壓脈沖信號(hào)（PWM形式）。

圖2 DTE10T溫控模塊插槽名稱

2.1.2 溫度傳感器

本系統(tǒng)選用K型熱電偶作為溫度傳感器，K型熱電偶具有線性度好、熱電動(dòng)勢(shì)較大、靈敏度高、穩(wěn)定性和均勻性較好的優(yōu)點(diǎn)。可以直接測(cè)量從0℃～1 300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。

2.1.3 靈通固態(tài)繼電器HS260ZK

本系統(tǒng)選用靈通的固態(tài)繼電器，型號(hào)HS260ZK。如圖4所示，繼電器有4個(gè)接線端，INPUT端（3腳和4腳）用于輸入+24 V脈沖信號(hào)，LOAD端（1腳和2腳）用于接交流負(fù)載（加熱棒），INPUT端接收到3-32VDC控制信號(hào)后驅(qū)動(dòng)LOAD端閉合，從而達(dá)到小電流驅(qū)動(dòng)大電流的目的。固態(tài)繼電器相關(guān)參數(shù)如圖3所示，接線圖如圖4所示。

圖3 HS260ZK參數(shù)

2.1.4 人機(jī)界面

系統(tǒng)采用屏通的觸摸屏，型號(hào):CX121-XSD4A。用人機(jī)界面記錄溫度是很靈活的，通道數(shù)沒(méi)有限制、數(shù)據(jù)保存量也沒(méi)有限制，因?yàn)槌帘旧砜梢源鎯?chǔ)大量數(shù)據(jù)外，還可以把溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出到U盤(pán)、CF卡等外部存儲(chǔ)器保存。

圖4 HS260ZK接線圖

2.2 硬件控制電路設(shè)計(jì)

溫度控制的基本原理是在需要進(jìn)行溫度控制的場(chǎng)合用傳感器測(cè)量其溫度值，與控制器內(nèi)存儲(chǔ)的溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)得的溫度值高于或者低于設(shè)定溫度時(shí)，啟動(dòng)加熱或者降溫設(shè)備，使溫度回歸到設(shè)定值范圍內(nèi)。

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)8個(gè)獨(dú)立加熱臺(tái)的溫度采集和控制，硬件設(shè)計(jì)電路如圖5所示，熱電偶作為傳感器連接到控制器的輸入部分（INA和INB），控制器的輸入部分接收熱電偶采集到的當(dāng)前溫度，若輸入的溫度值低于設(shè)定的溫度值，控制器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號(hào)，由控制器的輸出部分（OUT1和OUT2）輸出到固態(tài)繼電器的輸入端（INPUT），固態(tài)繼電器接收到電壓脈沖信號(hào)后驅(qū)動(dòng)LOAD端（OUTPUT）閉合，加熱棒開(kāi)始加熱，加熱到設(shè)定溫度后，控制器停止輸出電壓脈沖信號(hào)，加熱棒停止加熱。

圖5 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)與操作

3.1 觸摸屏與溫控器通訊

基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較惡劣，采用差分通信RS-485，可以有效抑制共模干擾，抗干擾能力強(qiáng)。而且溫控器支持RS-485數(shù)字通訊，故本系統(tǒng)觸摸屏和溫控器通訊方式采用RS-485接口兩線制，傳輸速度達(dá) 2 400 b/s～115 200 b/s（可設(shè)），兩線制的接線方式應(yīng)用比較廣泛，這種接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.2 觸摸屏軟件操作與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用的觸摸屏應(yīng)用軟件采用PM SCADA，軟件畫(huà)面如圖6所示。

圖6 開(kāi)機(jī)畫(huà)面

首先在軟件中打開(kāi)新檔案，如圖7所示，人機(jī)應(yīng)用名稱選擇人機(jī)應(yīng)用_2，型號(hào)選擇:CX-121。然后，在連接屬性對(duì)話框中，設(shè)定連接編號(hào)、連接名稱、連接種類設(shè)定為串口直接連接，此串口為RS-485，這個(gè)設(shè)定很重要，配合溫控器的RS-485接線可完成數(shù)據(jù)通訊。通訊格式設(shè)定波特率為9 600 b/s，數(shù)據(jù)位為7，偶校驗(yàn)位。

圖7 人機(jī)界面基礎(chǔ)設(shè)置

以上就是與溫度控制系統(tǒng)相關(guān)的人機(jī)界面需要做的基本配置，完成設(shè)置后即可進(jìn)行溫度相關(guān)具體界面設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)觸摸屏軟件編寫(xiě)如圖8所示，PV代表實(shí)測(cè)溫度，SV代表設(shè)定溫度。

3.3 溫控器參數(shù)設(shè)置與操作

將DTE模塊通過(guò)RS-485（usb轉(zhuǎn)485）通訊線與電腦連接，接通電源后打開(kāi)“DTE-CHS2016.exe”軟件進(jìn)行設(shè)置。

首先點(diǎn)擊軟件左下角“通訊設(shè)定”進(jìn)行通訊設(shè)置，如圖9所示，設(shè)置傳輸速率:9 600 b/s；同步位元:偶同位；位元長(zhǎng)度:7同位；停止位元:1同位；通訊格式:ASCII。通訊位址與人機(jī)界面的設(shè)置對(duì)應(yīng)后可通過(guò)RS-485通訊數(shù)據(jù)。設(shè)置完成后點(diǎn)“確認(rèn)”。

圖8 溫度設(shè)定頁(yè)面

圖9 通訊設(shè)置

通訊格式設(shè)置好后進(jìn)行輸入?yún)?shù)設(shè)置，如圖10所示，輸入種類選擇K型熱電偶，分別設(shè)定好溫度的上下限值以及補(bǔ)償值。

圖10 輸入?yún)?shù)設(shè)置

然后設(shè)定控制參數(shù)和警報(bào)參數(shù)，圖11為警報(bào)參數(shù)設(shè)定，根據(jù)需求設(shè)定溫度誤差范圍從而觸發(fā)警報(bào)。

圖11 警報(bào)參數(shù)設(shè)置

以上設(shè)定完成后點(diǎn)擊右上角的“通訊連接”。連接成功后下面各通道就會(huì)顯示反饋的溫度值。如下頁(yè)圖12所示，各通道的溫度設(shè)定值和實(shí)測(cè)值均清晰顯示。

設(shè)置完成后關(guān)閉設(shè)置軟件，重啟DTE電源。

圖12 各通道實(shí)測(cè)溫度值反饋圖

3.4 溫控器溫度控制方式設(shè)定

臺(tái)達(dá)DTE10T模塊式溫度控制器的溫度控制方式有4種，分別是PID、On Off、Manual和程序控制。本系統(tǒng)采用的是PID方式。

3.4.1 PID控制概念

在實(shí)際工程中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的，PID是溫控最常用的方式。

如圖13所示，PID控制的最終目的是根據(jù)誤差值調(diào)整輸出量，最終將PV值（檢測(cè)值）恒定在SV值（目標(biāo)值）。PV值-SV值=誤差值。

圖13 PID溫度控制原理框圖

臺(tái)達(dá)溫控器PID計(jì)算公式如下:

輸出量 =（1+ 誤差 /I±D×△C/△T）/P×100%

3.4.2 輸出量

電壓脈沖輸出屬于開(kāi)關(guān)式輸出，采用PWM形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。PWM形式輸出量是占控制周期ON的時(shí)間比例。如圖14所示:以10 s為周期。

10 s內(nèi)10 s導(dǎo)通:輸出量為100%10 s內(nèi)8 s導(dǎo)通:輸出量為80%10 s內(nèi)5 s導(dǎo)通:輸出量為50%

圖14PWM形式輸出量

3.4.3 自整定（AT）

由于每個(gè)用戶的工況不同。所以要想獲得良好的控溫效果的前提是有合適的PID參數(shù)來(lái)支持。多數(shù)情況，自整定獲得的參考PID已經(jīng)能獲得較好的效果，如果效果欠佳，則可在自整定獲得的參數(shù)基礎(chǔ)上做微調(diào)。

DTE10T溫控模塊的自整定方式為:通訊正常的情況下，進(jìn)入PID自動(dòng)調(diào)諧狀態(tài)，向?qū)?yīng)的“AT”地址寫(xiě)1即可打開(kāi)對(duì)應(yīng)通道的AT功能，自整定結(jié)束后會(huì)自動(dòng)置0。如圖15所示:

圖15 控制參數(shù)設(shè)置

經(jīng)過(guò)自整定，基本能計(jì)算出一個(gè)理論上適用的PID參數(shù)。但是由于應(yīng)用系統(tǒng)和要求不同，所以自整定出的參數(shù)只是理論值，有時(shí)必須通過(guò)觀察現(xiàn)場(chǎng)的情況來(lái)微調(diào)參數(shù)。

4 結(jié)論

基于RS-485通訊的多路溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已成功運(yùn)用到電池片焊接工序中，焊接電池片的焊臺(tái)要求設(shè)置8段獨(dú)立溫控加熱區(qū)域，并且是梯度升溫和梯度降溫的方式，因?yàn)楹附訙夭羁刂频卯?dāng)會(huì)提高生產(chǎn)效率，減少不良品。

本方案設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)，可以同時(shí)支持8個(gè)通道的溫控，并且可以各自獨(dú)立做PID運(yùn)算與控制。溫控系統(tǒng)充分利用了臺(tái)達(dá)溫控器的優(yōu)勢(shì)，一個(gè)溫控器解決電池片焊接臺(tái)8段獨(dú)立控制。與傳統(tǒng)溫度控制方式相比，本系統(tǒng)的溫度控制更加獨(dú)立準(zhǔn)確，控溫曲線更平順?lè)€(wěn)定，符合目前自動(dòng)化設(shè)備模塊化、集成化、小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展潮流。