基于PLC恒溫水箱系統的研究

　　1 引言

　　溫度是工業上常見的被控參數之一，溫度控制系統被廣泛應用于加熱爐、熱處理爐、反應爐等，而恒溫控制在生產當中占有很大的比重，很多的生產當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用進行設計，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的溫度，再用溫度傳感器把溫度變成電壓信號，在經過轉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中的設定值來控制溫度的。此系統充分利用了現代先進的科學技術，改善了工作條件，提高了勞動生產率，減輕了工作人員的勞動強度，不但克服了人為的不穩定因素，而且吸收人為調節的優點[2]。本文以plc恒溫水箱控制為例，對溫度控制系統進行初步探討。

　　圖1 系統原理框圖

　　2 工作原理介紹

　　本控制系統采用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控制系統。水箱中的液位值，其模擬量轉換為開關量進行控制，溫度控制通過熱電阻及熱電阻模塊再進行pid調節，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據，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，就能完成全部數據采集及數據處理功能。由pid運算之后，得到一個差值來對晶閘管的功率進行調節。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據給plc，對給定的溫度值進行修改[3] 。系統原理如圖1所示。

　　3 系統硬件設計

　　首先利用傳感器對容器的液位﹑溫度進行檢測，經過plc邏輯運算處理后對相應的執行器進行控制。主要包括溫度控制電路設計、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，要經過一系列的轉換，包括放大、模/數轉換、冷端補償、線性化處理、數字濾波等，才變成了計算機能夠接收和處理的有效的數字信號。在plc溫度控制系統中，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轉換模塊的輸入通道，轉換為規范的數字信號供 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溫度控制電路設計

　　本設計中的觸發電路的控制觸發電路如圖3所示，雙向晶閘管過零觸發采用帶過零觸發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，這樣可以通過內部過零檢測電路，保證電壓過零時發出觸發脈沖觸發外部雙向晶閘管。與傳統觸發電路結構相比不需同步電源變壓器、脈沖變壓器、觸發器的工作電源運行十分可靠，性能價格比高。

　　圖3 溫度控制觸發電路

　　4 pid控制程序設計

　　本文采用基于pid過程控制模塊的控制方法，利用fx2n-2nlc的自調節功能，自動調節各相關參數。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則要經過擴展模塊經a/d轉換后得到。sp與pv是實際值，由于plc考慮到系統的通用性，對不同系統的數字大小、范圍與工程單位的區別，故在pid運算之前要將他們轉換成標準化浮點數，即轉換為0.0～0.1之間的標準化實數，這可通過指令運算來完成。與之相對應回路的輸出，要將運算后的標準化實數(0.0～0.1之間)轉換成16 b的二進制數，再通過d/a轉換輸出[5]。

　　系統的主程序功能圖如圖4所示。在這個主程序的功能圖中，關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束，所以設計一些等待狀態是必須而又合理的。對等待狀態的復位處理要使用復位指令。并行分支合并后轉移到新的狀態可以有轉移條件。

　　圖4 程序功能圖

　　5 結論

　　本文設計的是plc在恒溫中的應用，利用傳感器對容器的液位﹑溫度進行檢測，經過plc邏輯運算處理后對相應的執行器進行控制，本設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。