基于PLC恒溫水箱系統(tǒng)的研究

　　1 引言

　　溫度是工業(yè)上常見的被控參數(shù)之一，溫度控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，而恒溫控制在生產(chǎn)當(dāng)中占有很大的比重，很多的生產(chǎn)當(dāng)中均需要保持一定的溫度范圍，因此研究恒溫控制具有普遍意義[1]。本文采用plc在恒溫箱裝置中的應(yīng)用進行設(shè)計，利用傳感器對水箱中的溫度進行檢測，通過熱電阻檢測出水箱內(nèi)的溫度，再用溫度傳感器把溫度變成電壓信號，在經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路把得到的模擬信號送入控制器，通過比較采集的信號與plc中的設(shè)定值來控制溫度的。此系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)代先進的科學(xué)技術(shù)，改善了工作條件，提高了勞動生產(chǎn)率，減輕了工作人員的勞動強度，不但克服了人為的不穩(wěn)定因素，而且吸收人為調(diào)節(jié)的優(yōu)點[2]。本文以plc恒溫水箱控制為例，對溫度控制系統(tǒng)進行初步探討。

　　圖1 系統(tǒng)原理框圖

　　2 工作原理介紹

　　本控制系統(tǒng)采用fx2n-64mr plc，以可編程控制器為核心，組成一個集溫度的采集、處理、顯示、自動控制為一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)。水箱中的液位值，其模擬量轉(zhuǎn)換為開關(guān)量進行控制，溫度控制通過熱電阻及熱電阻模塊再進行pid調(diào)節(jié)，得到偏差來控制加熱裝置的功效。用一個加熱裝置進行加熱時，選定熱電阻作為溫度傳感器，通過plc的模擬量擴展模塊熱電阻對采集到溫度數(shù)據(jù)，模塊本身將線性化處理，冷端補償，不需要任何外部的變送器或外部電路，就能完成全部數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理功能。由pid運算之后，得到一個差值來對晶閘管的功率進行調(diào)節(jié)。利用led顯示管顯示采集到的溫度值，為了方便對各種水箱中水溫進行控制，可以把通過一個撥碼盤輸入數(shù)據(jù)給plc，對給定的溫度值進行修改[3] 。系統(tǒng)原理如圖1所示。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　首先利用傳感器對容器的液位﹑溫度進行檢測，經(jīng)過plc邏輯運算處理后對相應(yīng)的執(zhí)行器進行控制。主要包括溫度控制電路設(shè)計、溫度采集電路等。

　　3.1溫度采集電路

　　在溫度采集和控制系統(tǒng)中，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、冷端補償、線性化處理、數(shù)字濾波等，才變成了計算機能夠接收和處理的有效的數(shù)字信號。在plc溫度控制系統(tǒng)中，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行放大、冷端補償、線性化處理，再送到a/d轉(zhuǎn)換模塊的輸入通道，轉(zhuǎn)換為規(guī)范的數(shù)字信號供 plc處理。在fx系列plc中具有熱電阻模塊fx2n-4ad-pt，能自動進行線性化處理，有冷端補償功能[4]。

　　圖2 溫度采集器

　　3.2溫度控制電路設(shè)計

　　本設(shè)計中的觸發(fā)電路的控制觸發(fā)電路如圖3所示，雙向晶閘管過零觸發(fā)采用帶過零觸發(fā)的光電隔離集成芯片moc3061。moc3061芯片的輸出端用4、6管腳，一般采用6腳接外部電源相線，4腳接零線的方式，這樣可以通過內(nèi)部過零檢測電路，保證電壓過零時發(fā)出觸發(fā)脈沖觸發(fā)外部雙向晶閘管。與傳統(tǒng)觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)相比不需同步電源變壓器、脈沖變壓器、觸發(fā)器的工作電源運行十分可靠，性能價格比高。

　　圖3 溫度控制觸發(fā)電路

　　4 pid控制程序設(shè)計

　　本文采用基于pid過程控制模塊的控制方法，利用fx2n-2nlc的自調(diào)節(jié)功能，自動調(diào)節(jié)各相關(guān)參數(shù)。pid回路有2個輸入量即sp(給定值)和pv (過程變量)。sp通常是固定值，pv則要經(jīng)過擴展模塊經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后得到。sp與pv是實際值，由于plc考慮到系統(tǒng)的通用性，對不同系統(tǒng)的數(shù)字大小、范圍與工程單位的區(qū)別，故在pid運算之前要將他們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化浮點數(shù)，即轉(zhuǎn)換為0.0～0.1之間的標(biāo)準(zhǔn)化實數(shù)，這可通過指令運算來完成。與之相對應(yīng)回路的輸出，要將運算后的標(biāo)準(zhǔn)化實數(shù)(0.0～0.1之間)轉(zhuǎn)換成16 b的二進制數(shù)，再通過d/a轉(zhuǎn)換輸出[5]。

　　系統(tǒng)的主程序功能圖如圖4所示。在這個主程序的功能圖中，關(guān)鍵是進行并行分支的合并處理，在一些并行分支合并時，由于各分支不一定同時結(jié)束，所以設(shè)計一些等待狀態(tài)是必須而又合理的。對等待狀態(tài)的復(fù)位處理要使用復(fù)位指令。并行分支合并后轉(zhuǎn)移到新的狀態(tài)可以有轉(zhuǎn)移條件。

　　圖4 程序功能圖

　　5 結(jié)論

　　本文設(shè)計的是plc在恒溫中的應(yīng)用，利用傳感器對容器的液位﹑溫度進行檢測，經(jīng)過plc邏輯運算處理后對相應(yīng)的執(zhí)行器進行控制，本設(shè)計只完成了一些基本的功能，還有更高的控制功能。比如，人機界面(got)、可編程控制器與上位機的通信等。因此，未來溫度控制系統(tǒng)為符合需要，其科技程度將高度自動化和智能化，具備很強的通信能力。