基于PLC的温控系统设计与研究

1基于PLC的温控系统设计与研究DesignandResearchofTemperatureControlSystemBasedonPLC蔡军曹慧英（重庆邮电大学，重庆400065）CaijunCaohuiying(chongqinguniversityofpostsandtelecommunication,400065)摘要介绍了用罗克韦尔PLC设备构成温控系统的设计与研究，讨论了PLC输入输出控制的外部接口及显示扩展的软硬件设计，并对PLC和PC的通信和数据技术进行了分析，给出了部分程序。关键词PLC温度控制热电阻模块通信Abstract：ThedesignandresearchoftemperaturecontrolsystemcomposedofSLC500PLCareintroduced.TheexternalinterfacingmethodofPLCandPCinputandoutputaswellasthedesignofhardwareandsoftwarefordisplayexpansionarediscussed.ThecommunicationbetweenPLCandPCandthedataprocessingtechnologyareanalyzed.Partialprogramisgiven.Keywords：PLCTemperaturecontrolResistancethermometrymoduleCommunication0引言随着电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）已经由原来简单的逻辑量控制，逐步具有了计算机控制系统的功能。在现代工业控制中，PLC占有了很重要的地位，它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制，存在控制精度低、超调量大等缺点，很难生产出高质量的塑料制品[1]。在一些热处理行业都存在类似的问题。为此，设计了较为通用的温度控制系统，具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。系统采用罗克韦尔SLC500系列PLC，通过PLC串口通信与计算机相连接，界面友好、运行稳定。1系统构成基于PLC的温度控制系统一般有两种设计方案，一种是PLC扩展专用热电阻或热电偶温度模块构成，另一种是PLC扩展通用A/D转换模块来构成[2]。1.1扩展热电阻/热电偶模块在SLC500控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块—热电阻／电阻信号输入模块（1746-NR4）。在此模块中温度模拟量产生对应的16位A/D数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，无需在硬件级电路上作其他处理。热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部变送器或外围电路，温度信号由热电阻采集，变换为电信号后，直接送人温度模块中。热电偶/毫伏输入模块（1746-NT4）的功能与热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）类似。系统如图1所示。图1扩展温度模块的温控系统1.2扩展通用A/D模块在PLC温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，因此温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。SLC500系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块有—2路差分输入/2路计算机PLC热电阻/热电偶模块热电阻/热电偶加热器电压调整器2电压输出模块（1746-NIO4V），其A/D转换为16位。由A/D转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，而且其软件和硬件的设计也比较复杂。系统如图2所示。图2通用A/D转换模块温控系统2输入输出控制比较而言用温度模块1746-NR4构建的PLC温控系统具有较好的控制效果。SLC500控制器的输入通道中一个热电阻模块最多可以接4个温度热电阻温度传感器。输出通道为模拟量输出模块（1746NIO4V），其输出信号是电压信号，可以通过电压调整器控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。在被控对象要求较高的控温精度时，SLC500控制器可以采用PLC自身具有的PID指令进行PID控制算法的研究[3]。SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：输出＝Kc[(E)+1/Ti∫(E)dt+Td·D(PV)/Dt]+bias程序设计时，输入PID指令后，要输入控制块，过程变量和控制变量的地址。对于SLC500PID指令，过程变量（PV）和控制变量（CV）两者的量度范围为0到16383。在使用工程单位输入时，必须首先把用户的模拟量范围整定在0－16383数字量度范围之内，为了实现这个目的，需要在PID指令之前使用数值整定指令（SCP指令）进行整定。整定原理如图3。图3数值整定原理整定了PID指令的模拟量I/O范围，用户就能输入适用的最小和最大的工程单位。过程变量，偏差，设定点和死区将在PID数据监视屏上以工程单位显示。图4为PID指令的设置界面，表1为PID指令各参数的说明。图4PID模块在线参数设定与标志位表1PID模块参数说明Flags说明Flags说明TM指定PID方式DB偏差在DB内置位AM自动/手动切换位UL输出报警上限CM控制方式LL输出报警下限016383ScaledValueInputValue计算机PLCA/D转换模块热电阻/热电偶加热器电压调整器变送器3OL输出限制使能位SP设定点超出范围RG复位和增益范围增强PV过程变量超出范围SC整定设定点标志DNPID完成TF循环更新时间过快ENPID使能DA微分（比率）动作位一般温控系统的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系统工作的大多数时间内，为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。在温度响应曲线的由初态向设定点的上升段过程中，大致采用三段控制。首先置电源为满开度，以最大的功输出克服热惯性；接下来转入PID控制；接近设定点时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。基于以上要求，PID指令各参数可设置如表2所示。表2PID模块参数设定GainTiTdLoopUpdateControlModePIDControl9.2221.801E＝SP－PVAUTOTimeModeLimitOutputCVDeadbandFeedForwardSetpointSPSetpointMaxTIMEDYES0只能观测2010000SetpointMINProcessVariableControlOutputOutputMaxOutputMinScaledError02201000-2温控系统中热电阻模拟量输入模块的电压信号范围一般是0—4124，SCP指令把它整定为0—16383的工程单位，将其值放入PV（过程变量）的内存地址N7:38中，把控制输出值放入N7:39当中。最后用MOV指令把N7:39中的过程变量传递到1746NIO4V模拟量输出模块中。控制效果如下：（1）SP-PV≥50时，输出值为最大值32767，使电压调节器开度最大，即给加热器最大电压供电，使被测对象温度快速上升。（2）SP-PV-30和SP-PV50时，输出为PID控制输出，此范围为PID参数调节的范围。（3）SP-PV-30时，输出值为最小值0，电压调节器开度为零，即停止加热。3显示扩展PLC控制系统显示界面比较单调，一般是通过观察控制柜上的指示灯或PLC的LED灯来了解控制器状态，但对于温控系统这样的显示是不够的，需要采用数码管显示或PC显示。采用数码管显示时，可以选用ZLG7289A芯片[4]，它与控制器采用3线串行接口，只需要占用SLC500的3个输出点，可以驱动8个LED数码显示管，同过级联可以扩展数码显示管的数量，实现多段实时温度显示。SLC500与ZLG7289A的连接如图5所示。图5ZLG7289A与SLC500及显示器的接口图5中CS为片选输入端，此脚为低电平时，可向芯片发送指令；CLK是时钟输入端，；DATA是串行数据输入端，串行数据在时钟CLK的上升沿有效。8个段驱动信号SEG接每个显示器的段，8个位驱动信号DIG0—DIG7分别接显示器的共阴极公共地。O:0/1O:0/2O:0/3PLCCSDIG0-7CLKSEGDATAZLG7289A4SLC500有RS232通信口，可以通过专用电缆与PC机相连。通过Rsview32软件的组态，PC机可以动态显示PLC传送的温度采集数据，还可以通过联网对多台PLC进行网络监控。4PLC与PC通信设计4.1PLC数据包的信息格式SLC500与上位机进行数据交换是以二进制字节数据进行，它包含四种主要命：读命令，代码：01H；响应读命令，代码：41H；写命令，代码：08H；响应写命令，代码：48H[5]。故PLC数据包的信息格式如图6所示：图6PLC数据包的信息格式DST：一个字节，信息接收方的节点号或文件号；SRC：一个字节，信息发出方的节点号；CMD：一个字节，命令类型如01H，41H，08H或48H；STS：一个字节，通信状态，表示通信有无错误或错误类型，0为无错误；TNS：二个字节，信息包的业务批号，可作为本信息的识别编号；Addata：地址／字节数／数据，具体内容由不同的命令类型决定。PLC与PC机的数据通信采用自由端口通信模式，参数设置成为波特率9600bps，每个字符8位数据，无奇偶校验。采用主从式通信协议，PC机为主机，只有PC机有权主动发送报文，PLC则采用报文接受数据。用RSLogix500软件对SLC500的串口进行如下设置：1）setthemoduleforfullduplexBSC(DF1fullduplex)2）setthemoduleforembeddedresponse3）setdetectforautomatic4）disableduplicatepacketdetect5）setthebaudratefor9600.4.2PC机程序PC机采用VB编程，主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、温度数据库管理、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。通信参数设置程序如下：WithMSComm1//通信参数设置CommPort=1//通信口COM1Settings=“9600，年n，8，1”//波特率9600bps，无奇偶校验，8位数据，1位停止InputLen=2//一次读取2个字节InputMode=comLnputModeBinary//二进制数据格式PortOpen=Ture//打开通信端口EndWithPC机采用中断方式接受SLC500传来的实时温度。即串口收到数据，VB通信控件会触发OnComm事件，在OnComm事件程序中接受数据并处理。一个温度数据为16位两个字节，SLC500传送温度数据时，按报文传送格式高低字节正好相反，因此，VB程序要对接收的数据进行处理，并按照SLC500温度采集的精度（1/8度）转换成温度值用于显示[6]。5结束语本系统设计使用了PLC的热电阻温度采集模块，在上位机的控制下，对工业现场的温度进行实时的采集和监控。本文作者的创新点是，采用了罗克韦尔的SLC500控制器来实现整个系统的设计，并编程实现了SLC500控制器与计算机串口的实时通信。由于PLC可以适应环境恶劣的工业现场，故其使用范围十分的广泛。参考文献DSTSRCCMDSTSTNS1TNS2Addata51尹新正，王伟明.PLC在塑料挤出机温度控制系统中的应用[J]。塑料工业，2002（5）：65-692陈山林.基于PLC特殊功能模块的温度控制系统[J].仪器仪表学报，2004（8）：43-473钱晓龙.智能电器与MicroLogix控制器[M].机械工业出版社，2003：67-734蔡军.智能交通灯控制系统的设计与实现[J].重庆邮电学院学