基于PLC的智能温度控制器系统研究

【摘要】温度控制作为工业控制系统中的首要问题，因此对其进行研究探讨具有十分重要的现实意义。PLC具有极强的控制能力以及高精密的性能等优势，在工业控制领域中发挥着及其重要的作用。本文在此基础上，介绍了由西门子公司S7-200系列PLC构成的温度控制器，并给出了计算机VB程序与PLC温控系统的串行通信的部分程序，通过该控制算法，系统实现了可靠稳定，灵活操作的运行。
【关键词】温度控制器；PLC；计算机
由于PLC具有可靠性高、控制能力强、配置灵活、使用方便、编程简单、极易扩展等特点，因此成了当前乃至今后工业控制领域的主要自动化控制设备和控制手段。而温度控制作为多数行业工业控制系统中的首要的问题，尤其是在一些热处理行业，由于使用简单的温控电路和温控仪表进行控制，存在超调量大、控制精度低等缺点，很容易造成能源浪费且产品质量不高等问题。然而PLC凭借着它超强的控制能力和高度精密的性能还有方便简单等等的一系列的优势，在工业控制领域发挥了及其重要的作用，本文主要介绍基于西门子公司S7-200系列PLC的智能温度控制器系统，利用了PLC在工业控制方面的优势和在温度控制方面的重要性能。

1. PLC 温控系统概述

PLC 温度控制系统，可采集温度信号，同时具备信号处理及温度调节等功能。PLC在进行温度控制的时候，它可以通过加热棒和风扇来控制加热和降温，同时，因为现在的温度控制系统都是和计算机相连接的，计算机还可以进行一些关于预设需求温度，以及预设温度的动态显示、以及参数的设置等等的一系列的功能，来完成温度的控制。图-1为温度控制系统结构图。

图1   温度控制系统的系统结构图
关于PLC的温度控制系统，它可以利用常见的一些温度传感器，比如热电偶以及热电阻等等来采集温度信号，但是通过此种方法采集来的信号并不是标准的信号，它需要经过变换器的处理，然后被A/D转换器识别同时被转化为与之相关的数字信号，而且当转换信号的时候，要让温度传感器和温度变送器相互配合。
S7-200系列PLC一贯都是以PLC27-200CPU224作为控制中心，还有一个四路模拟量输入，一路模拟量输出的输入和输出的混合模块EM235。PLC在处理完温度信号后，模拟量模块输出电流信号，然后调压器控制电源一个周期内的导通比率，加热器依照电源 的输出功率来温度加以调节，参照图-2所示。

图-2 基于PLC的温度控制系统图

2. PLC 温控系统及温度控制的实现
   1.  温度控制系统的工作原理

综合上述所说的各部分以及系统整体的分析，温度控制系统在大的方面可以分为两样，一是加热系统，二是冷风循环系统。它的整个系统的工作原理如图-3 所示。
 
图-3 温度控制系统原理图
注：1为压缩冷凝机组；2为离心风机；3冷端；4蒸发器；5热端；6膨胀阀；7干燥过滤器
如图-3所示，加热板和散热板组成了加热系统，其中，铂热电阻安装在加热板的上方，这样温度信号就可以直接输入PLC温度控制模块。控制方式为可控硅交流调压模块的比例控制，其中，PLC控制RC电路的充放电，把RC电路的尖峰脉冲作为控制信号来导通可控硅的控制极。要想改变RC常数，就要调节串联电阻，这样就可以唐可控硅交流调压模块的导通角和控制角发生变化，引起负载上电压均值的改变来达到加热量的变化。压缩冷凝机组和蒸发器和离心风机和加热器等等组成了制冷系统，加热器属于温度调节补偿，它制冷的控制方式和加热系统方式相同。

1.  PLC 的硬件系统的连接及CPU224的I/O地质分配

   S7-200系列PLC是通过专用的轨道来连接CPU模块进行组网，或者是和其他模块相连接而成的。PLC系统在自动控制方面具有很多的优点，应用起来十分方便可靠，同时它又和人机界面相结合，让系统更加的直观。同时在控制器上的按键是用来设定系统运行的参数的（例如：温度值、压力值）；控制器上的显示窗口是用来显示时间以及系统各部位运行参数值的；除此之外，对于系统的故障情况可以通过报警指示灯来显示。
关于CPU224的I/O地质分配，对于智能温度控制系统，它主要有七个输入数字量，八个输出数字量，五个输入模拟量，其中还有关于温度测量的EM235.关于CPU224的I/O地质分配如表-1所示：

输入				输出
序号	名称	地址		序号	名称	地址
1	燃烧机故障	IO．3		1	燃烧机	Q0.0
2	锅炉内压力值	I0.6		2	真空泵	Q0.1
3	水位低	I1.0		3	报警	Q0.3
4	水位高	I1.1		4	进水口电磁阀	Q1.0
5	出水管内的流量大	I1.2		5	出水口电磁阀	Q1.1
6	出水管内的流量小	I1.3		6	大火	Q1.2
7	含氧量检测	I1.4		7	小火	Q1.3
8	出水管温度	EM235		8	给煤电机	Q1.4
9	进水管温度
10	炉内温度
11	排气的温度	EM235
12	用户温度

表-1 PLC输入输出端口地址分配表
2.3 PLC智能温度控制系统软件设计
在温度控制系统的应用中，针对一些比较复杂的控制对象，比如说，锅炉。它的控制回路非线性十分严重，它的压力和出水的温度，还有鼓风控制回路一起组成了锅炉的燃烧控制系统，它利用压力或者出水温度来作为主调量，然后利用炉排转速来让蒸汽压力和出水温度到达是事先给定值，当然，在此过程中，还要让风-煤的比例控制鼓风量，这样就能够达到一个经济燃烧值，进而达到所需要的温度值，这样输出的水温就是一个固定值[5]
锅炉的出水温度预设值是随着室外温度的变化而进行自动变化，如果要是让用户室内的温度保持一个恒定值，就可以实现经济供热。锅炉水位的变化有一个水位控制回路来控制。下面以梯形图的方式来解释程序的运行方式如图-4所示：

图3   系统主流程图

1.  PLC与计算机通讯设计

   VB具有很强大的图形处理功能，而且它的界面可视化性能强大，在操作方面也简单易行。我们可以让PLC与计算机相连，其中它的下位机为S7-200系列，上位机为RS-232串行口和PLC相连接的计算机。
经过理论和实践证明，S7-200系列的PLC支持多种通讯模式，若是在自由口通讯模式下，用户要是想完成与上位机的通讯是通过实现梯形图中的程序来玩成的。这其中包括中断、发送指令、接受指令等等的完成。
当自由口通讯被禁止的时候，说明PLC中的CPU正处于STOP模式，要想使用自由口的通讯，就必须让PLC中的CPU处于RUN的模式；SMB30是自由口模式控制字节，主要用来设定通讯协议、校验方式、波特率等通讯参数。将指令XMT发送后，可启动自由端口模式下数据缓冲区的数据发送，及其方便的实现1-255个字符的发送，若有中断程序连接到发送结束事件上，缓冲区中数据发送完成后，端口0会自动产生中断事件9。RCV接收指令可将接收的信息服务进行初始化，通过指定通讯端口接收信息并存储在数据缓冲区内，在完成最后一个字符的接收工作后，端口0产生中断事件23.PLC初始化程序：
  //第一次扫描
     //自由口通讯模式：9600波特率，8个数据位，无奇偶校验
    //接收信息状态字节
    //信息的结束字符设置为“E”
    //空闲时间间隔设定为5ms
    //接收字符的个数
另外  VB带有专门管理串行通讯的控件，通过几个主要参数的设置就可实现PLC与计算机的串行通讯。通过采用VB进行编程，主要通过对以下几方面进行设计即可完成：当前温度显示、监控界面、动态温度曲线显示、与PLC通信、参数设置等。VB程序通过借助控件来实现与S7-200数据的交换，同时通过自由口通讯程序从现场采集温度信号。

3. 小结

   本文主要讲述基于S7-200系列PLC的智能温度控制器系统，探讨了关于温度控制的办法和原理，而且也围绕串行通信的技术，结合VB环境完成上位机和PLC温度控制系统。通过本文可以看出，PLC在工业领域上具有很好的发展前途，温度控制系统在工业上是一个不可或缺的系统，它具有很大的应用价值。
【参考文献】
[1] 甘红胜，邓谨，梁辉. 基于PLC控制的温度控制器测试系统的设计[J].机电一体化 2010,16（4）：78-79.
[2] 戴卫军，唐燕妮. 基于DSP恒温水浴温度复合智能控制方法[J].计算机测量与控制 2009（3）：107.
[3] 邱汉彬，黄耀英，梁石杨.串行通信在PLC温度监控系统中的应用研究[J].湖南工业大学学报，2007,21（6）：91-93.
[4] 张春峰.邹新杰.余张国.基于ATMEGA16的智能控制器的开发研制[J].微计算机信息 2007(8)：56-57.