發布日期：2022-04-26 點擊率：99 品牌：羅克韋爾_Rockwell
引言
隨著電子技術的發展，可編程序控制器（PLC）已經由原來簡單的邏輯量控制，逐步具有了計算機控制系統的功能。在現代工業控制中，PLC 占有了很重要的地位，它可以和計算機一起組成控制功能完善的控制系統。在許多行業的工業控制系統中，溫度控制都是要解決的問題之一。如塑料擠出機大都采用簡單的溫控儀表和溫控電路進行控制，存在控制精度低、超調量大等缺點，很難生產出高質量的塑料制品。在一些熱處理行業都存在類似的問題。為此，設計了較為通用的溫度控制系統，具體系統參數或部分器件可根據各行業的要求不同來進行調整。系統采用羅克韋爾SLC500系列PLC，通過PLC串口通信與計算機相連接，界面友好、運行穩定。
1 系統構成
基于PLC的溫度控制系統一般有兩種設計方案，一種是PLC擴展專用熱電阻或熱電偶溫度模塊構成，另一種是PLC擴展通用A/D轉換模塊來構成。
1.1 擴展熱電阻/熱電偶模塊
在SLC500控制器擴展模塊中，有集溫度采集和數據處理于一身的專用智能溫度模塊—熱電阻/電阻信號輸入模塊（1746-NR4）。在此模塊中溫度模擬量產生對應的16位A/D數字值，其對熱電阻變送的溫度信號的分辨率約為1/8度，控制器在數值處理中可以直接使用模塊的轉換值，無需在硬件級電路上作其他處理。熱電阻溫度模塊的使用十分方便，只需要將熱電阻接到模塊的接線端子上，不需要任何外部變送器或外圍電路，溫度信號由熱電阻采集，變換為電信號后，直接送人溫度模塊中。熱電偶/毫伏輸入模塊（1746-NT4）的功能與熱電阻/電阻信號輸入模塊（1746-NR4）類似。
1.2 擴展通用A/D模塊
在PLC溫度控制系統中，可以用通用模擬量輸入輸出混合模塊構成溫度采集和處理系統。通用A/D轉換模塊不具有溫度數據處理功能，因此溫度傳感器采集到的溫度信號要經過外圍電路的轉換、放大、濾波、冷端補償和線性化處理后，才能被A/D轉換器識別并轉換為相應的數字信號。SLC500系列PLC常用的模擬量輸入輸出混合模塊有—2路差分輸入/2路電壓輸出模塊（1746-NIO4V），其A/D轉換為16位。由A/D轉換模塊構建的溫控系統不但需要外加外圍電路，而且其軟件和硬件的設計也比較復雜。
2 輸入輸出控制
比較而言用溫度模塊1746-NR4構建的PLC溫控系統具有較好的控制效果。SLC500控制器的輸入通道中一個熱電阻模塊最多可以接4個溫度熱電阻溫度傳感器。輸出通道為模擬量輸出模塊（1746NIO4V），其輸出信號是電壓信號，可以通過電壓調整器控制電源的開度（即一周期內的導通比率），從而控制電源的輸出功率。
在被控對象要求較高的控溫精度時，SLC500控制器可以采用PLC自身具有的PID指令進行PID控制算法的研究。SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：
輸出=Kc［（E）+1/Ti∫（E）dt+Td·D（PV）/Dt》+bias
程序設計時，輸入PID指令后，要輸入控制塊，過程變量和控制變量的地址。對于SLC500 PID指令，過程變量（PV）和控制變量（CV）兩者的量度范圍為0到16383。在使用工程單位輸入時，必須首先把用戶的模擬量范圍整定在0-16383數字量度范圍之內，為了實現這個目的，需要在PID指令之前使用數值整定指令（SCP指令）進行整定。
整定了PID指令的模擬量I/O范圍，用戶就能輸入適用的最小和最大的工程單位。過程變量，偏差，設定點和死區將在PID數據監視屏上以工程單位顯示。
一般溫控系統的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系統工作的大多數時間內，為PID控制，其參數由10%電源開度下的溫度飛升曲線測得。在溫度響應曲線的由初態向設定點的上升段過程中，大致采用三段控制。首先置電源為滿開度，以最大的功輸出克服熱慣性;接下來轉入PID控制;接近設定點時置電源開度為0，提供一個保溫階段，以適應溫度的滯后溫升。基于以上要求。
溫控系統中熱電阻模擬量輸入模塊的電壓信號范圍一般是0—4124，SCP指令把它整定為0—16383的工程單位，將其值放入PV（過程變量）的內存地址N7:38中，把控制輸出值放入N7:39當中。最后用MOV指令把N7:39中的過程變量傳遞到1746NIO4V模擬量輸出模塊中。控制效果如下：（1）SP-PV≥50時，輸出值為最大值32767，使電壓調節器開度最大，即給加熱器最大電壓供電，使被測對象溫度快速上升。（2）SP-PV》-30和SP-PV《50時，輸出為PID控制輸出，此范圍為PID參數調節的范圍。（3）SP-PV《-30時，輸出值為最小值0，電壓調節器開度為零，即停止加熱。
3 顯示擴展
PLC控制系統顯示界面比較單調，一般是通過觀察控制柜上的指示燈或PLC的LED燈來了解控制器狀態，但對于溫控系統這樣的顯示是不夠的，需要采用數碼管顯示或PC顯示。
采用數碼管顯示時，可以選用ZLG7289A芯片［4》，它與控制器采用3線串行接口，只需要占用SLC500的3個輸出點，可以驅動8個LED數碼顯示管，同過級聯可以擴展數碼顯示管的數量，實現多段實時溫度顯示。
CS為片選輸入端，此腳為低電平時，可向芯片發送指令;CLK是時鐘輸入端，;DATA是串行數據輸入端，串行數據在時鐘CLK的上升沿有效。8個段驅動信號SEG接每個顯示器的段，8個位驅動信號DIG0—DIG7分別接顯示器的共陰極公共地。
SLC500有RS232通信口，可以通過專用電纜與PC機相連。通過Rsview32軟件的組態，PC機可以動態顯示PLC傳送的溫度采集數據，還可以通過聯網對多臺PLC進行網絡監控。
4 PLC與PC通信設計
4.1 PLC數據包的信息格式
SLC500與上位機進行數據交換是以二進制字節數據進行，它包含四種主要命：讀命令，代碼：01H;響應讀命令，代碼：41H;寫命令，代碼：08H;響應寫命令，代碼：48H［5》。
DST：一個字節，信息接收方的節點號或文件號;
SRC：一個字節，信息發出方的節點號;
CMD：一個字節，命令類型如01H，41H，08H或48H;
STS：一個字節，通信狀態，表示通信有無錯誤或錯誤類型，0為無錯誤;
TNS：二個字節，信息包的業務批號，可作為本信息的識別編號;
Addata：地址/字節數/數據，具體內容由不同的命令類型決定。
PLC與PC機的數據通信采用自由端口通信模式，參數設置成為波特率9600bps，每個字符8位數據，無奇偶校驗。采用主從式通信協議，PC機為主機，只有PC機有權主動發送報文，PLC則采用報文接受數據。用RSLogix500軟件對SLC500的串口進行如下設置：
4.2 PC機程序
PC機采用VB編程，主要有監控界面、當前溫度顯示、動態溫度曲線顯示、溫度數據庫管理、參數設置以及與PLC通信等方面的設計。
5 結束語
本系統設計使用了PLC的熱電阻溫度采集模塊，在上位機的控制下，對工業現場的溫度進行實時的采集和監控。本文作者的創新點是，采用了羅克韋爾的SLC500控制器來實現整個系統的設計，并編程實現了SLC500控制器與計算機串口的實時通信。由于PLC可以適應環境惡劣的工業現場，故其使用范圍十分的廣泛。
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