基于PLC與觸摸屏的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計

江文藝，李 娟

（陽江喜之郎果凍制造有限公司，廣東陽江 529900）

0 引言

由于工廠的生產(chǎn)設(shè)備需要用電，在設(shè)備的溫度控制中采用電加熱方式時無需額外增加熱源供應(yīng)設(shè)備，因此電加熱是設(shè)備溫度控制中使用最多的一種加熱方式；在使用電加熱的設(shè)備中，食品灌裝封口機(jī)和食品包裝機(jī)的溫度控制要求比較高，由于食品生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備較多，各種規(guī)格型號的電熱管都有，如果在更換電熱管時不小心安裝了同尺寸但功率大很多的電熱管，容易造成溫度超調(diào)包裝封口難以撕開；另一方面食品灌裝封口機(jī)和食品包裝機(jī)的電熱管基本都是安裝在運(yùn)動的封口金屬壓塊上，封口時金屬壓塊進(jìn)行相對的開合運(yùn)動，帶動電熱管的供電線路一起跟隨搖擺，容易造成電熱管內(nèi)部或外部的回路不良，甚至發(fā)生外部回路的帶電導(dǎo)線斷開故障，該類故障不能被立即發(fā)現(xiàn)處理，容易引起產(chǎn)品封口不良，另外由于回路斷開的導(dǎo)線帶電，當(dāng)操作人員不慎觸及帶電導(dǎo)線時，容易發(fā)生觸電或引發(fā)危及人身安全的二次事故。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，如三菱PLC在電加熱與溫度控制中的應(yīng)用[1]、基于模糊PID在餅干生產(chǎn)線溫度控制的研究[2]、基于增量式PID算法的溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計[3]、基于S7-1200的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計[4]、熱成型包裝機(jī)械的溫度控制[5]、電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計[6]、PIDPWM技術(shù)在食品封裝機(jī)溫度控制中的應(yīng)用[7]、歐姆龍溫度控制單元在膠囊自動生產(chǎn)線上的應(yīng)用[8]、基于模糊內(nèi)模-PID的包裝機(jī)熱封切刀溫度控制[9]、基于模糊PID的包裝機(jī)熱封切刀溫度控制[10]，對如何提高溫度控制的精度與穩(wěn)定性進(jìn)行了不同的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計及PID算法的研究，驗(yàn)證了采用不同的軟硬件控制及PID算法可以提高溫度控制的精度與穩(wěn)定性。如今在電加熱方式的溫控系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)影響溫控精度與穩(wěn)定性不單與控制系統(tǒng)的軟硬件及PID算法有關(guān)，當(dāng)被控制的電熱管負(fù)載回路不正常、電熱管功率過大，這些系統(tǒng)不能進(jìn)行相應(yīng)的檢測控制。針對上述問題，提出了基于PLC與觸摸屏的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計，為電加熱方式的溫度控制提供一種新的參考思路。

1 系統(tǒng)硬件與原理

系統(tǒng)主要由三菱FX3U-48MT可編程序控制器、三菱FX3U-CNV-BD擴(kuò)展板、三菱FX3U-485ADP-MB通信模塊、威綸通TK6071IP觸摸屏、富士PUMATCC1-0BC00溫控模塊、富士CTL-6-S-H電流檢知器、K型熱電偶組成。其中PUMATCC1-0BC00溫控模塊的型號含義為4通道控制模塊，所有輸入通道的類型均為熱電偶/電阻體，所有輸出通道的類型均為SSR固態(tài)繼電器驅(qū)動輸出，附加規(guī)格1為8點(diǎn)CT輸入，PUM系列模塊采用最適用于大容量通信的ModbusRTU協(xié)議，最高通信速度可達(dá)115.2 kb/s，用戶可以根據(jù)需要選擇對映射表分散的參數(shù)地址匯集成連續(xù)的用戶分配地址，以縮短通信時間實(shí)現(xiàn)高效率通信[11]。

在加熱控制過程中，由熱電偶實(shí)時測量對應(yīng)回路的封口壓塊溫度值，電流檢知器實(shí)時測量對應(yīng)回路的加熱器工作電流，熱電偶與電流檢知器的測量信號接入溫控模塊，由系統(tǒng)自動進(jìn)行對比判斷，發(fā)生異常時進(jìn)行相應(yīng)的控制保護(hù)。

2 電路與接線圖

根據(jù)溫度測控系統(tǒng)設(shè)計的功能，設(shè)計的主電路如圖1所示，溫控模塊接線如圖2所示。其中：QF1為溫控1至溫控4加熱器的電源總開關(guān)；KA1、KA2、KA3、KA4為對應(yīng)控制溫控1至溫控4加熱電源的繼電器，KA1至KA4繼電器由PLC的輸出點(diǎn)Y11至Y14分別對應(yīng)控制；SSR1、SSR2、SSR3、SSR4為對應(yīng)控制溫控1至溫控4電熱管加熱的固態(tài)繼電器，SSR1至SSR4由溫控模塊驅(qū)動；CT1、CT2、CT3、CT4為對應(yīng)溫控1至溫控4電熱管的電流檢知器，CT1至CT4的輸出端分別匯集至溫控模塊CN1輸入插座對應(yīng)的引腳；R1、R2、R3、R4為對應(yīng)溫控1至溫控4的電熱管；TC1、TC2、TC3、TC4為對應(yīng)溫控1至溫控4的測溫?zé)犭娕肌?/p>

圖1 主電路

圖2 溫控模塊接線

3 軟件設(shè)計

3.1 參數(shù)設(shè)定

將PUMA模塊的站點(diǎn)編號設(shè)定開關(guān)打至0，然后使用PUM loader參數(shù)加載軟件進(jìn)行設(shè)定，在模塊分類選擇對話框中選擇“控制/事件/模擬模塊”，然后在模式選擇對話框中選擇“從模塊讀取”并點(diǎn)選“模塊連接指定”，把站點(diǎn)定義中對站點(diǎn)編號1處的框點(diǎn)選后確定，進(jìn)入到參數(shù)設(shè)置界面，在該界面左邊的樹狀選擇菜單中，在“控制模塊→參數(shù)→設(shè)定”中設(shè)定“PV輸入類型”為7、“小數(shù)點(diǎn)位置”為1；在“控制模塊→參數(shù)→系統(tǒng)”中設(shè)定“DO1輸出事件種類設(shè)定”為64、“DO2輸出事件種類設(shè)定”為67、“CT輸入端子選擇”為AA排列，選擇“控制模塊→參數(shù)→通信”的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，完成上述設(shè)定后下載到控制（溫控）模塊中，控制模塊參數(shù)的通信設(shè)定如圖3所示。

圖3 控制模塊參數(shù)的通信設(shè)定

三菱FX3U-485ADP-MB通信模塊的安裝在通道1，MODBUS的通信參數(shù)使用將LD M8411作為接點(diǎn)的MOV指令進(jìn)行設(shè)定，本系統(tǒng)中通道1 MODBUS通信格式D8400設(shè)定為H10A7，通道1 MODBUS協(xié)議D8401設(shè)定為H1，通道1 MODBUS從站響應(yīng)超時D8409設(shè)定為K2000，通道1 MODBUS播放延遲D8410設(shè)定為K400，通道1 MODBUS請求間延遲D8411設(shè)定為K10，通道1 MODBUS重試次數(shù)D8412設(shè)定為K20。

3.2 觸摸屏畫面設(shè)計

觸摸屏采用威綸通EasyBuilder Pro[12]軟件進(jìn)行畫面設(shè)計，畫面主要有溫度監(jiān)控、自整定與電流設(shè)定畫面，其中溫度監(jiān)控畫面可以進(jìn)行溫控1至溫控4的實(shí)際溫度顯示、溫度設(shè)定、上偏差溫度設(shè)定、下偏差溫度設(shè)定、加熱開關(guān)，自整定與電流設(shè)定畫面可以進(jìn)行溫控1至溫控4的PID參數(shù)顯示、溫控整定開關(guān)、實(shí)測電流顯示、斷線電流設(shè)定、短路電流設(shè)定，對兩個畫面的參數(shù)設(shè)定、自整定按鈕設(shè)置了不同的操作管理密碼，由相應(yīng)層級的人員進(jìn)行管理，防止設(shè)備操作人員進(jìn)行非法操控。溫度監(jiān)控畫面如圖4所示，自整定與電流設(shè)定畫面如圖5所示。

圖4 溫度監(jiān)控畫面

圖5 整定與電流設(shè)定畫面

3.3 PLC程序設(shè)計

PLC程序采用三菱GX Works2[13]編程軟件進(jìn)行設(shè)計，PLC的控制程序包括圖6所示的溫控模塊參數(shù)讀出控制、圖7所示的溫控模塊運(yùn)行與待機(jī)控制、圖8所示的溫度與電流設(shè)定控制、圖9所示的PID自動整定控制、圖10所示的斷線與短路檢測控制、圖11所示的高低溫報警控制等，PLC與所對應(yīng)從站溫控模塊通信的數(shù)據(jù)讀出/寫入，通過ADPRW[14]專用指令完成。

圖6 溫控模塊參數(shù)讀出控制

圖7 溫控模塊運(yùn)行與待機(jī)控制

圖8 溫度與電流設(shè)定控制

圖9 PID自動整定控制

圖10 斷線與短路檢測控制

圖11 高低溫報警控制

4 測試驗(yàn)證與結(jié)果分析

（1）溫控模塊參數(shù)讀出控制：系統(tǒng)上電7 s后通過ADPRW指令自動進(jìn)行參數(shù)的讀出，溫控1至溫控4對應(yīng)溫控模塊的通道1至通道4，通道1至通道4的實(shí)際溫度分別放置于D2101至D2104、運(yùn)行/待機(jī)狀態(tài)分別放置于D2105至D2108、報警1-5狀態(tài)顯示分別放置于D2111至D2114、加熱器電流值分別放置于D2115至D2118、自動演算(自整定)執(zhí)行指令分別放置于D2119至D2122、通信SV值分別放置于D2123至D2126、斷線電流報警設(shè)定值分別放置于D2127至D2130，通道1的PID放別放置于D2131至D2133、通道2的PID放別放置于D2134至D2136、通道3的PID放別放置于D2137至D2139、通道4的PID放別放置于D2140至D2142，短路電流報警設(shè)定值分別放置于D2201至D2204。

（2）溫控模塊運(yùn)行與待機(jī)控制：M721為觸摸屏上的加熱切換開關(guān)位元件，M721為ON時溫控模塊運(yùn)行，M721OFF時溫控模塊待機(jī)。按下觸摸屏上的加熱開關(guān)使M721為ON時，Y011至Y014動 作使KA1至KA4繼電 器先吸合，延時1 s后M491置位，將K0分別傳送給D2155至D5158，然后通過ADPRW指令將D2155至D5158的值分別寫入到溫控模塊的H10至H13（40017至40020）中，指令執(zhí)行完畢對M491進(jìn)行復(fù)位，溫控模塊處于運(yùn)行狀態(tài)；按下觸摸屏上的加熱開關(guān)使M721為OFF時，M401置位，將K1分別傳送給D2155至D5158，然后通過ADPRW指令將D2155至D5158的值分別寫入到溫控模塊的H10至H13（40017至40020）中，指令執(zhí)行完畢對M401和Y011至Y014進(jìn)行復(fù)位，溫控模塊處于待機(jī)狀態(tài)。

（3）溫度與電流設(shè)定控制：D2173至D2176分別為觸摸屏上的溫控1至溫控4的溫度設(shè)定寄存器，D2177至D2180分別為觸摸屏上溫控1至溫控4的斷線電流報警設(shè)定寄存器，D2211至D2214分別為觸摸屏上溫控1至溫控4的短路電流報警設(shè)定寄存器，由各通道讀出的D2123至D2126溫度設(shè)定值與觸摸屏上的D2173至D2176溫度設(shè)定值一一進(jìn)行比較、讀出的D2127至D2130斷線電流報警設(shè)定值與觸摸屏上的D2177至D2180斷線電流報警設(shè)定值一一進(jìn)行比較、讀出的D2201至D2204短路電流報警設(shè)定值與觸摸屏上的D2211至D2214短路電流報警設(shè)定值一一進(jìn)行比較，當(dāng)比較結(jié)果不一致時將觸摸屏上的設(shè)定值寫入到溫控模塊的對應(yīng)參數(shù)地址中。

（4）PID自動整定控制：M411至M414分別對應(yīng)觸摸屏上溫控1至溫控4的自動整定切換開關(guān)，按下觸摸屏上的自動整定開關(guān)分別使M411至M414為ON時，通過ADPRW指令分別將D2169至D2172寄存器的值1寫入到溫控模塊的H1390至H1393（45009至45012）中，指令執(zhí)行完畢將M411至M414對應(yīng)的位進(jìn)行復(fù)位，溫控模塊各通道根據(jù)指令進(jìn)行PID的自動整定控制。

（5）斷線與短路檢測控制：其中S801至S804分別為對應(yīng)溫控1至溫控4的熱電偶斷線報警位元件，S811至S814分別為對應(yīng)溫控1至溫控4的斷線電流報警位元件，S815至S818分別為對應(yīng)溫控1至溫控4的短路電流報警位元件；程序中D2101至D2104的各實(shí)際溫度值分別與K4200進(jìn)行比較，實(shí)際溫度值等于K4200時，S801至S804對應(yīng)的位為ON，此時產(chǎn)生對應(yīng)的熱電偶斷線報警停機(jī)；程序中D2111至D2114的各報警1-5狀態(tài)顯示分別與K257進(jìn)行比較，報警1-5狀態(tài)顯示值等于K257時，S811至S814對應(yīng)的位為ON，此時產(chǎn)生對應(yīng)的加熱器斷線報警停機(jī)、Y011至Y014對應(yīng)的位復(fù)位切斷電源；程序中D2111至D2114的各報警1-5狀態(tài)顯示分別與K514進(jìn)行比較，報警1-5狀態(tài)顯示值等于K514時，S815至S818對應(yīng)的位為ON，此時產(chǎn)生對應(yīng)的加熱器短路報警停機(jī)、Y011至Y014對應(yīng)的位復(fù)位使繼電器斷開切斷電源。

（6）高低溫報警控制：M11為溫控模塊運(yùn)行狀態(tài)的位元件，D2146與D2147分別為觸摸屏溫控1的上偏和下偏設(shè)定寄存器，D2160與D2161分別為溫控1上下限溫度寄存器，S821與S822分別為溫控1高低溫報警位元件；D2148與D2149分別為觸摸屏溫控2的上偏和下偏設(shè)定寄存器，D2162與D2163分別為溫控2上下限溫度寄存器，S823與S824分別為溫控2高低溫報警位元件；D2150與D2151分別為觸摸屏溫控3的上偏和下偏設(shè)定寄存器，D2164與D2165分別為溫控3上下限溫度寄存器，S825與S826分別為溫控3高低溫報警位元件；D2152與D2153分別為觸摸屏溫控4的上偏和下偏設(shè)定寄存器，D2166與D2167分別為溫控4上下限溫度寄存器，S827與S828分別為溫控4高低溫報警位元件；溫控模塊運(yùn)行狀態(tài)時，當(dāng)溫控1至溫控4中有實(shí)際溫度等于或超過對應(yīng)的上限下限溫度時，使對應(yīng)的高溫報警或低溫報警元件為ON而報警停機(jī)。

根據(jù)電熱管實(shí)際功率進(jìn)行斷線電流報警和短路電流報警的設(shè)定，由溫控模塊自動演算完成PID參數(shù)的自整定后，根據(jù)生產(chǎn)工藝進(jìn)行各溫控回路的溫度設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的溫度控制，各回路實(shí)際溫度控制在溫度設(shè)定值的±1℃范圍內(nèi)；特別是在溫度控制過程中，當(dāng)電熱管功率下降與回路不良斷線等情況使檢測到回路電流小于斷線電流設(shè)定值時，當(dāng)更換了大功率的電熱管等情況使檢測到回路電流大于短路電流設(shè)定值時，系統(tǒng)立即報警停機(jī)并同時通過繼電器切斷相應(yīng)回路的供電電源，避免了產(chǎn)生封口不良品和發(fā)生意外觸電事故，提高了電加熱方式溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

5 結(jié)束語

為解決食品包裝機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)電熱管功率下降、外部供電回路發(fā)生斷線等情況，容易引起產(chǎn)品封口不良甚至發(fā)生意外等問題。本文采用PLC、觸摸屏、溫控模塊、電流檢知器等控制設(shè)備，設(shè)計了一套基于PLC與觸摸屏的溫度測控系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)功能測試，實(shí)現(xiàn)了溫控模塊的PID自動整定控制、加熱器回路斷線與短路保護(hù)功能，在溫度控制過程中對電熱管工作電流和熱電偶回路進(jìn)行檢測，并與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行對比控制。當(dāng)電熱管發(fā)生回路不良斷線使回路電流小于斷線電流設(shè)定值、更換了大功率電熱管使回路電流大于短路電流設(shè)定值，立即報警停機(jī)并切斷該回路供電電源，提高了電加熱方式溫控系統(tǒng)安全性與可靠性，具有很好的推廣應(yīng)用價值。