PLC控制多路溫度巡檢系統(tǒng)解析

王體闊

[摘? ? 要]PLC系統(tǒng)是目前的工業(yè)級(jí)控制系統(tǒng)，中文全稱是可編程控制器，該控制系統(tǒng)由軟件和硬件2部分組成。使用可編程控制器進(jìn)行溫度系統(tǒng)控制，可以實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制，以滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。對(duì)PLC控制多路溫度巡檢系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要工具有由西門S7-200PLC、模擬量擴(kuò)展模塊EM231、K型熱電偶傳感器、加熱電阻絲、交流接觸器KM和電源開關(guān)組成，以構(gòu)成研究對(duì)象并分析基于PLC的控制多路溫度檢查系統(tǒng)的內(nèi)容。結(jié)果為：①溫度測(cè)量范圍從0到100℃（測(cè)量誤差不超過0.5℃）。②可以實(shí)現(xiàn)8路通道溫度檢查功能。③可以自動(dòng)或手動(dòng)檢查以確定某條道路的溫度。④可以調(diào)整檢查速度。

[關(guān)鍵詞]PLC系統(tǒng);溫度控制;可編程控制器;工業(yè)需要

[中圖分類號(hào)]TP274.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）06–00–03

Analysis of PLC Controlled Multi-channel Temperature Inspection System

Wang Ti-kuo

[Abstract]The PLC system is the current industrial-grade control system. The full Chinese name is Programmable Controller. The control system is composed of software and hardware. Using programmable controllers for temperature system control can achieve precise temperature control to meet industrial production requirements. The PLC control multi-channel temperature inspection system is researched. The main tools are Siemens S7-200PLC， analog expansion module EM231， K-type thermocouple sensor， heating resistance wire， AC contactor KM and power switch to form the research Object and analyze the content of PLC-based control multi-channel temperature inspection system. The results are： 1）The temperature measurement range is from 0 to 100℃ （the measurement error does not exceed 0.5℃）. 2）The temperature check function of 8 channels can be realized. 3）It can be checked automatically or manually to determine the temperature of a certain road. 4）The inspection speed can be adjusted.

[Keywords]PLC system; temperature control; programmable controller; industrial needs

1 概述

溫度控制系統(tǒng)也廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中，并在化學(xué)、食品、冶金、建材、石油、機(jī)械等行業(yè)中占有重要地位，發(fā)揮著特別重要的作用。不同的生產(chǎn)條件和工藝要求通常會(huì)導(dǎo)致用于溫度控制的控制方法不同。例如，熱處理爐，加熱爐和反應(yīng)器被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)，例如機(jī)械，冶金，化學(xué)工業(yè)和食品，大多數(shù)燃料是石油，天然氣、電力和天然氣，由于溫度控制過程的復(fù)雜性和不確定性，因此溫度控制必須采用先進(jìn)的控制技術(shù)。

2 PLC溫控系統(tǒng)概要

要想達(dá)到企業(yè)生產(chǎn)力的提升意味著對(duì)工藝產(chǎn)品的高要求，這對(duì)溫度控制系統(tǒng)技術(shù)也提出了更高的要求。與FSC、DCS和IPC等控制系統(tǒng)相比，PLC具有高效的優(yōu)勢(shì)，因此PLC目前占據(jù)著很大的市場(chǎng)份額。

與日本，德國和美國等先進(jìn)國家相比，我國制造的溫度控制器的整體水平并不高仍然是主要的問題。當(dāng)前，國內(nèi)現(xiàn)有的溫度控制產(chǎn)品主要基于“點(diǎn)”控制和PID控制，僅適用于一般溫度控制，因此難以控制復(fù)雜的溫度系統(tǒng)。另外，在智能控制的情況下，國產(chǎn)控制技術(shù)還相對(duì)落后，在商用電器控制參數(shù)的自調(diào)節(jié)控制方面，國外已經(jīng)形成了許多成熟的產(chǎn)品。例如瑞典、日本、美國和德國，正在生產(chǎn)許多功能卓越的商用恒溫器和儀表，并被廣泛用于各個(gè)行業(yè)。目前，國外的溫度控制系統(tǒng)和儀表正在向開發(fā)智能化，高精度和小型化的發(fā)展。

3 基于PLC多路溫度巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)模塊

顯示模塊、溫度檢測(cè)模塊、模擬量輸入模塊、自動(dòng)檢測(cè)模塊、手動(dòng)檢測(cè)模塊、執(zhí)行模塊、報(bào)警模塊。

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由西門子S7-200PLC、模擬量擴(kuò)展模塊EM231、K型熱電偶傳感器、加熱電阻絲、交流接觸器KM和電源開關(guān)組成。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有兩個(gè)問題需要解決。一種是進(jìn)行溫度測(cè)量，另一種是將水箱的溫度保持在50～60℃之間。

3.2.1 溫度測(cè)量模塊

首先，溫度測(cè)量涉及廣泛使用的K型熱傳感器，該傳感器是自發(fā)電傳感器，并且在操作過程中不需要外部電源。K型熱電偶測(cè)量溫度范圍在0～1200℃之間，具有良好的線性熱電特性曲線，這里選擇K型熱電偶的MT，溫度范圍為0～600℃，滿足水溫測(cè)量要求。在測(cè)量溫度時(shí)，溫度隨時(shí)間的變化而變化，因此溫度傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)也是模擬值，不能直接連接到PLC作為輸入信號(hào)，必須先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換才能連接，PLC輸入端子。采用西門子EM231進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換，該模塊將溫度傳感器的電信號(hào)經(jīng)逆變器后輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為一個(gè)字長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)數(shù)字量，儲(chǔ)存在模擬量存儲(chǔ)器AI中，系統(tǒng)工作時(shí)，只需將PLC模擬量存儲(chǔ)器AI對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)讀取即可，EM231可輸入來自熱電偶的4個(gè)外部通道信號(hào)，它具有反極性保護(hù)。

3.2.2 溫度顯示模塊

在水溫控制系統(tǒng)中，必須顯示測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，以便可以直觀地實(shí)時(shí)觀察水溫。這里的水溫顯示的是維倫通觸摸屏，型號(hào)為TK6070iP，溫度顯示可以實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)操作使用觸摸屏上的開始和停止進(jìn)行控制，效果一樣。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序用于完成設(shè)計(jì)，主程序分為3部分：系統(tǒng)啟動(dòng)和停止控制，二是水溫讀數(shù)，三是溫度控制范圍的設(shè)定和控制。起?？刂瞥绦虿捎闷鹜１３纸Y(jié)構(gòu)。借助于輔助繼電器元件M，設(shè)置相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行控制位M0.0。啟動(dòng)時(shí)向M0.0線圈供電，停止時(shí)切斷M0.0的電源，將水的溫度信息傳輸?shù)綔囟茸x取器進(jìn)行儲(chǔ)存。寫入變量寄存器并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，EM231的4個(gè)通道分別為0、1、2、3個(gè)通道，每個(gè)通道的溫度數(shù)據(jù)讀取地址為AIW16，AIW18，AIW20，AIW22，即溫度傳感器的輸出信號(hào)。當(dāng)連接到EM231通道0的輸入端子0+和0-時(shí)，與相應(yīng)通道對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取地址為AIW16，并且將讀取的數(shù)據(jù)除以10。利用水溫的溫度值，可以通過比較命令來判斷溫度控制范圍程序。compare命令的數(shù)據(jù)格式為字保存格式。比較結(jié)果可以通過控制PLC輸出點(diǎn)Q0.0來實(shí)現(xiàn)水溫所需的控制范圍。

4 可編程控制器系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試

4.1 可編程控制器系統(tǒng)調(diào)試

4.1.1 可編程控制器系統(tǒng)軟件設(shè)備調(diào)試

可編程控制器的軟件設(shè)備主要存儲(chǔ)在PC上，因此調(diào)試工作主要從這方面開始。調(diào)試可以分3個(gè)步驟完成。

（1）軟件調(diào)試過程可以首先分析過程生產(chǎn)所需的溫度，并且只有在分析之后才能掌握正確的設(shè)置參數(shù)。

（2）掌握輸入數(shù)據(jù)信息后，必須使用編程方法將參數(shù)輸入PC。輸入相關(guān)數(shù)據(jù)信息后，應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)開關(guān)以確保操作的合理性。

（3）參數(shù)輸入操作完成后，將執(zhí)行檢查操作。檢查工作主要在PLC系統(tǒng)中執(zhí)行，以檢測(cè)每個(gè)操作組件。要執(zhí)行測(cè)試，需要運(yùn)行功能并將從測(cè)試中獲得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較的主要功能是產(chǎn)生偏差的原因，并根據(jù)該原因調(diào)整和校正目標(biāo)方法，在完成可編程控制器系統(tǒng)的編程過程中，必須謹(jǐn)慎工作，并盡量減少由操作錯(cuò)誤引起的錯(cuò)誤。

4.1.2 可編程控制器系統(tǒng)硬件調(diào)試

在可編程控制器硬件的調(diào)試中，硬件性能測(cè)試主要通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試來完成。無法測(cè)試所有硬件設(shè)備以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，因此在測(cè)試過程中會(huì)使用采樣測(cè)試。采樣檢測(cè)方法是首先選擇檢測(cè)目標(biāo)，可編程控制器系統(tǒng)的硬件檢測(cè)過程可以選擇硬件系統(tǒng)作為檢測(cè)目標(biāo)。選擇目標(biāo)后，將在掃描目標(biāo)的每個(gè)系統(tǒng)組件上執(zhí)行掃描任務(wù)，主要是檢測(cè)每個(gè)組件是否滿足掃描要求，而下一個(gè)任務(wù)是在軟件和硬件上執(zhí)行掃描任務(wù)。通過調(diào)整每個(gè)附件的數(shù)據(jù)偏差，可以不斷改善PLC硬件的配置，因此系統(tǒng)硬件的調(diào)整可以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。如表1所示。

4.2 PLC溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.2.1 西門子S7-200系列PLC

西門子S7-200PLC主要包括擴(kuò)展單元，基本單元，可編程控制器和存儲(chǔ)卡。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此設(shè)計(jì)中的主CPU是SiemensCUP224。它包含16點(diǎn)輸出和24點(diǎn)輸入。

4.2.2 熱電偶溫度傳感器

在尺寸和使用范圍方面，非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶通常不如標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，主要用于特殊情況下的溫度測(cè)量。本文使用標(biāo)準(zhǔn)化的K型熱電阻。

4.2.3 西門子EM2314TC模擬量輸入模塊

傳感器將測(cè)量器的溫度電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～41 mV，溫度電壓信號(hào)通過系統(tǒng)配置的模擬輸入模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)絇LC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在這里應(yīng)選擇EM231的AI模塊。

EM231為熱電偶提供了接口，適用于7種熱電偶類型：K，T，J，N，E，S和R，可連接的電壓信號(hào)+80 mV范圍內(nèi)，可以通過EM231模塊上的DIP開關(guān)進(jìn)行選擇。輸入信號(hào)包括斷開檢查，熱電偶類型，冷端補(bǔ)償，測(cè)量設(shè)備和開路故障。此設(shè)計(jì)使用K型熱電偶，因此模塊的DIP開關(guān)設(shè)置為00100000。為了使模塊上設(shè)置的DIP開關(guān)正常工作，用戶必須關(guān)閉PLC的電源，然后再次將其重新打開。

在報(bào)警值設(shè)置部分，程序使用向上/向下計(jì)數(shù)器命令（F118）進(jìn)行向上/向下計(jì)數(shù)，并將設(shè)置值保存到DT30，立即設(shè)置報(bào)警標(biāo)志R205。

該程序使用WR30作為通道值輸入寄存器來控制手動(dòng)檢測(cè)。程序的自動(dòng)檢測(cè)使用WR40作為通道值輸入寄存器，并使用循環(huán)左/右移位命令（F119）定期將R0連接到R7。如果需要左循環(huán)，則應(yīng)將H1發(fā)送到WR40，將右循環(huán)從H1010發(fā)送到WR40。

執(zhí)行部分，通道切換部分，程序使用WR30或WR40的每個(gè)位設(shè)置定期連接輸出點(diǎn)Y9至Y10。在警報(bào)顯示部分中，程序使用時(shí)間繼電器以及T2和T3每?jī)擅腌妼?shí)現(xiàn)一次閃爍信號(hào)。

5 設(shè)計(jì)結(jié)果

（1）溫度測(cè)量范圍從0到100℃（測(cè)量誤差不超過0.5℃）;（2）可以實(shí)現(xiàn)8路通道溫度檢查功能;（3）可以自動(dòng)或手動(dòng)檢查以確定某條道路的溫度;（4）可以調(diào)整檢查速度。

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