基于plc的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于plc的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0plc的缺陷模糊不僅具有傳統(tǒng)繼母控制系統(tǒng)的控制功能，而且可以擴(kuò)展輸入和輸出模型，尤其是一些智能的控制模塊，形成各種控制系統(tǒng)，并將模型的輸入控制與現(xiàn)代控制方法相結(jié)合。實(shí)現(xiàn)智能控制、封閉環(huán)形控制和多控制功能的綜合控制?，F(xiàn)代PLC以集成度高、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定受到普遍歡迎,在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用。如塑料擠出機(jī)大都采用簡單的溫控儀表和溫控電路進(jìn)行控制,存在控溫精度低、超調(diào)量大等缺點(diǎn),很難滿足生產(chǎn)高質(zhì)量塑料制品的要求。在熱處理行業(yè)的一些箱式電爐和井式多段溫控爐、粉末冶金行業(yè)的燒結(jié)爐、食品行業(yè)的殺菌系統(tǒng)等同樣存在類似的現(xiàn)象,用的是指針式儀表和繼電器式控制柜,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積大,故障率高,通用性差,控制精度不高。為此,設(shè)計(jì)了用西門子PLC作控制器,并通過PLC的串行通信口與PC機(jī)連接,構(gòu)成人機(jī)接口界面友好、控制功能完善的溫控系統(tǒng)。1系統(tǒng)的組成一般PLC溫度控制系統(tǒng)有兩種設(shè)計(jì)方案,一種是PLC擴(kuò)展通用A/D轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成,另一種是PLC擴(kuò)展專用熱電偶溫度模塊構(gòu)成。1.1通用a/d轉(zhuǎn)換模塊溫度傳感器采集到的溫度信號大都是微弱的模擬電信號,要經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換,包括放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、冷端補(bǔ)償、線性化處理、數(shù)字濾波等,才變成計(jì)算機(jī)能夠接收和處理的有效數(shù)字信號。在PLC溫度控制系統(tǒng)中,可以用通用模擬量輸入輸出混合模塊構(gòu)成溫度采集和處理系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中,由于通用A/D轉(zhuǎn)換模塊不具有溫度數(shù)據(jù)處理功能,溫度傳感器采集到的微弱毫伏電信號不能直接送給PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊,必須由外部溫度變送器將溫度信號進(jìn)行放大、冷端補(bǔ)償和線性化處理,再送到A/D轉(zhuǎn)換模塊的模入通道轉(zhuǎn)換為規(guī)范的數(shù)字信號供PLC處理。在S7-200PLC中可以擴(kuò)展通用A/D轉(zhuǎn)換模塊EM235,它是一個4輸入/1輸出的模擬量混合模塊,可以通過DIP配置開關(guān)組態(tài)為單極性或雙極性,設(shè)置不同的輸入信號,其A/D轉(zhuǎn)換為12位。用這種通用A/D轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成的溫度采集和處理系統(tǒng)有兩個方面的不足:一是要增加外部變送器;二是12位A/D轉(zhuǎn)換精度不是太高,沒有充分發(fā)揮PLC高集成度的優(yōu)勢,軟硬件設(shè)計(jì)也較復(fù)雜。其優(yōu)點(diǎn)是可以與其它模擬量采集共用同一個A/D轉(zhuǎn)換模塊。系統(tǒng)如圖1所示。1.2溫度采集及數(shù)據(jù)處理S7-200PLC的擴(kuò)展模塊中,有集溫度采集和數(shù)據(jù)處理于一身的專用智能溫度模塊——EM231熱電偶模塊。在該模塊中集成有16位A/D轉(zhuǎn)換器,15位數(shù)據(jù)加1位符號位,分辨率達(dá)0.1℃。數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制補(bǔ)碼形式,能自動進(jìn)行線性化處理,有冷端補(bǔ)償功能。其使用非常方便,只要將熱電偶接到EM231的接線端子上,不再需要任何外部變送器或外部電路,一個模塊就能完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理功能。EM231熱電偶模塊可以同時輸入4路溫度數(shù)據(jù)用于多路溫度的采集,可以連接7種不同類型的熱電偶(J、K、E、N、S、T、R)。對常用的K型熱電偶(鎳鉻-鎳硅或鎳鋁),模塊標(biāo)定的有效溫度范圍為-200.0℃~+1300.0℃,其數(shù)字量為溫度值乘以10,對應(yīng)為-2000~13000(F830H~32C8H)。系統(tǒng)如圖2所示。2帶單獨(dú)無觸點(diǎn)電子開關(guān)的線性控制裝置采用ac-ssr用擴(kuò)展熱電偶模塊EM231構(gòu)成的PLC溫控系統(tǒng),共接線如圖3所示。輸入通道中一個熱電偶模塊最多可以接4個溫度傳感器熱電偶,未使用的輸入點(diǎn)必須短接或者并接到其它通道上。輸出通道為開關(guān)量繼電器輸出型,在PLC內(nèi)部就是一個開關(guān)。PLC輸出點(diǎn)要輸出正確的通斷控制信號給外部固態(tài)繼電器。PLC輸出電路要接外部電源,正確的接線方法是PLC輸出公共端1L接+5V,輸出點(diǎn)Q通過一個大電阻接地構(gòu)成輸出回路。從Q點(diǎn)(如Q0.1)輸出控制信號,當(dāng)PLC輸出點(diǎn)Q接通時,輸出高電平+5V給固態(tài)繼電器;當(dāng)PLC輸出點(diǎn)Q斷開時,輸出低電平到固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器(SSR)是無觸點(diǎn)電子開關(guān),能以低的驅(qū)動電壓和小的驅(qū)動電流控制大負(fù)載,是一種典型的用弱電控制強(qiáng)電的開關(guān)元件,特別適合于計(jì)算機(jī)控制。它由輸入、隔離和輸出等3個部分組成,用光電隔離實(shí)現(xiàn)控制回路與負(fù)載回路的隔離,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。在溫度控制中應(yīng)選過零型觸發(fā)、晶閘管輸出的交流固態(tài)繼電器(AC-SSR),同時,固態(tài)繼電器輸入控制回路電源應(yīng)與PLC輸出控制電路電源一致。在S7-200PLC中擴(kuò)展一個熱電偶模塊時,4個模擬量輸入通道地址分別為AIW0、AIW2、AIW4、AIW6。程序設(shè)計(jì)用中值數(shù)字濾波,采樣5次排序后取中值。溫度采樣中值在PLC存儲器的VW304中,VW31放溫度設(shè)定值。用開關(guān)量控制時,采樣中值大于設(shè)定值輸出低電平,固態(tài)繼電器不通,斷電降溫,反之通電升溫。雖然開關(guān)量控制精度不高,但只要采樣時間短,能及時輸出控制信號,完全能滿足一般工業(yè)設(shè)備對溫控的要求。若控溫精度要求更高,則可以采用PLC自身具有的PID指令,用PID控制實(shí)現(xiàn)?？刂戚敵龀绦蛉缦?LDSM0.0MOVB10,VB199//準(zhǔn)備復(fù)制VB200開始的10個字節(jié)MOVB10,VB299//準(zhǔn)備復(fù)制到VB300開始的10個字節(jié)單元SCPYVB199,VB299//VB200開始的10個字節(jié)復(fù)制到VB300開始的10個字節(jié)LDW<VW304,VW31//當(dāng)采樣中值小于設(shè)定的溫度值,Q0.1置1=Q0.1LDW>=VW304,VW31//當(dāng)采樣中值大于設(shè)定的溫度值,Q0.1置0RQ0.1,13溫度顯示模塊PLC設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)顯示界面比較單調(diào),一般通過觀察控制柜上設(shè)置的指示燈或PLC本身的LED燈來了解控制儀的狀態(tài),對于象溫度采集與控制之類的儀器儀表,這種顯示界面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了彌補(bǔ)PLC顯示界面的不足,可以采用LED數(shù)碼顯示器顯示或PC機(jī)顯示。用LED數(shù)碼顯示器顯示時,可以選用MAXIN公司生產(chǎn)的LED數(shù)碼顯示器驅(qū)動芯片MAX7219,它與控制器采用3線串行接口,只占用PLC3個輸出點(diǎn),可以驅(qū)動8個LED數(shù)碼管,通過級聯(lián)可以成倍增加擴(kuò)展數(shù)碼管的數(shù)量,能夠滿足多段實(shí)時溫度的顯示。PLC擴(kuò)展了LED數(shù)碼顯示器后可以構(gòu)成獨(dú)立完整的溫度采集和控制系統(tǒng),如圖4所示。圖4中:CLK為時鐘輸入端,接Q1.1;DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端,接Q1.2,串行數(shù)據(jù)在時鐘CLK的上升沿有效;LOAD為加載數(shù)據(jù)輸入端,在LOAD為低時允許數(shù)據(jù)輸入,LOAD由低到高,將已串行輸入的數(shù)據(jù)鎖存到MAX7219內(nèi)部16位移位寄存器。8個段驅(qū)動信號SEGA-SEGG和SEGDP接每個顯示器的段,8個位選驅(qū)動信號DIG0-DIG7分別接顯示器的共陰極公共地。MAX7219傳送數(shù)據(jù)都是以16位為數(shù)據(jù)包,第一個字節(jié)為寄存器的地址,第二個字節(jié)為命令字或要顯示的數(shù)據(jù)(顯示碼),高位在前,低位在后輸入數(shù)據(jù)。PLC用V存儲器VW0存放16位數(shù)據(jù)包,VB0放高字節(jié),VB1放低字節(jié),VW0的最高位VB0.7先傳,然后VW0左移一位,再傳VB0.7,編寫一個通用寫入子程序,循環(huán)16次寫入數(shù)據(jù)包。無論是向MAX7219送命令字還是送顯示碼,都可以通過調(diào)用這個通用寫入子程序完成,程序流程如圖5所示。西門子PLC有RS485串行通信口,可以用專用PC/PPI通信電纜將其與PC機(jī)連接起來,動態(tài)顯示PC機(jī)傳送采集的溫度數(shù)據(jù),還可以通過聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一臺PC機(jī)對多臺PLC的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。PC機(jī)強(qiáng)大的顯示功能和軟硬件資源不但起到溫控虛擬儀器儀表的作用,而且起到管理機(jī)的作用。4pc通信設(shè)計(jì)4.1plc接收數(shù)據(jù)S7-200PLC與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信一般采用自由端口通信模式,參數(shù)設(shè)置為波特率9600bps,每個字符8位數(shù)據(jù)位,無奇偶校驗(yàn)。采用主從式通信協(xié)議,PC機(jī)為主機(jī),只有PC機(jī)有權(quán)主動發(fā)送報文。PLC采用報文接收數(shù)據(jù),用PLC的接收指令RCV和接收完成中斷接收數(shù)據(jù)。用這種方式需要設(shè)置SMB87~SMB94,程序如下:MOVB9,SMB30//通信參數(shù)MOVB16#B0,SMB87//報文接收控制參數(shù)MOVB16#0A,SMB89//報文結(jié)束字符為0AHMOVW+5,SMW90//空閑線時間為5msMOVB10,SMB94//接收的最大字符數(shù)為10ATCHINT0,23//報文接收結(jié)束中斷ATCHINT2,9//發(fā)送結(jié)束中斷ENI//允許中斷RCVVB30,0//執(zhí)行接收指令,接收緩沖區(qū)指向VB304.2plc的數(shù)據(jù)接收程序PC機(jī)采用VB編程,主要有監(jiān)控界面、當(dāng)前溫度顯示、動態(tài)溫度曲線顯示、溫度數(shù)據(jù)庫管理、參數(shù)設(shè)置、與PLC通信等方面的設(shè)計(jì)。通信參數(shù)設(shè)置與PLC的設(shè)置相一致,程序如下:WithMSComm1//通信參數(shù)設(shè)置CommPort=1//通信口COM1Settings=“9600,n,8,1”//波特率9600bps,無奇偶校驗(yàn),8位數(shù)據(jù)位,1位停止位InputLen=2//一次讀取2個字節(jié)InputMode=comInputModeBinary//二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式PortOpen=True//打開通信口EndWithPC機(jī)采用中斷方式接收PLC傳來的實(shí)時溫度,即串口接收到數(shù)據(jù),VB通信控件會觸發(fā)OnComm事件,在OnComm事件程序中接收數(shù)據(jù)并處理。一個溫度數(shù)據(jù)為16位兩個字節(jié),PLC傳送采集到的溫度數(shù)據(jù)時,按報文傳送方式高字節(jié)在前,低字節(jié)在后,但PC機(jī)接收到的溫度數(shù)據(jù)高低字節(jié)正好顛倒了。因此,VB程序要對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)