山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　吳俁倩

老化房溫度控制與熱平衡

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院吳俁倩

老化房是針對高性能電子產(chǎn)品仿真出一種高溫、惡劣環(huán)境測試的設(shè)備，是提高產(chǎn)品穩(wěn)定性、可靠性的重要實驗設(shè)備，是各生產(chǎn)企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭性的重要生產(chǎn)流程。老化房主要包括：空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。以 PLC為控制單元，結(jié)合溫度傳感器和顯示單元等，實現(xiàn)老化房的溫度控制。使用溫度傳感變送器獲得溫度的感應(yīng)電流，送到 PLC的擴(kuò)展模塊 EM235，將電流信號轉(zhuǎn)變成 PLC可以識別的數(shù)字信號，將系統(tǒng)反饋回來的溫度值和實際需要的溫度值進(jìn)行比較，并經(jīng)過 PID運(yùn)算處理，來實現(xiàn)老化房的溫度控制與熱平衡。

溫度控制；熱平衡；PLC；軟件設(shè)計；控制算法

引言

目前，國內(nèi)外關(guān)于老化房溫度控制與熱平衡技術(shù)發(fā)展地比較成熟，大多數(shù)采用PTC加熱器、PID溫度調(diào)節(jié)、PLC控制等，但隨著PLC、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控組態(tài)軟件的迅速發(fā)展，基于PLC控制溫度的技術(shù)優(yōu)勢越趨明顯。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1方案設(shè)計

老化房溫度控制與熱平衡主要需要完成對溫度的采集及設(shè)定工作，從而完成對溫度的控制。本方案采用PT100鉑電阻傳感器當(dāng)做溫度測量單元，外部溫度經(jīng)PT100以電流信號傳給PLC擴(kuò)展模塊EM235后被轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，傳給PLC進(jìn)行處理，變成實際的溫度值，然后進(jìn)行PID雙閉環(huán)串級控制運(yùn)算，根據(jù)PID的輸出值來控制調(diào)功器的輸出電功率以控制老化房的溫度加熱器，實現(xiàn)對老化房的溫度控制。

1.2控制系統(tǒng)的設(shè)定

（1）能夠?qū)崟r采集與現(xiàn)實老化房的溫度；

（2）通過警示燈和聲音進(jìn)行報警；

（3）可以對溫度進(jìn)行設(shè)定，從而滿足不同溫度的需求。

1.3控制系統(tǒng)的組成

本設(shè)計以PLC為控制單元，硬件系統(tǒng)包括：PLC、EM235擴(kuò)展模塊、PT100鉑電阻、加熱單元、聲光報警。硬件系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1　硬件系統(tǒng)原理圖

1.4硬件設(shè)計

本溫度控制系統(tǒng)采用德國西門子S7-200PLC，S7-200CPU的 選 擇CPU226，模擬量輸入/輸出模塊選擇西門子的EM235，熱電式傳感器選擇PT100鉑熱電阻傳感器。老化房溫度控制與熱平衡設(shè)計電氣接線圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件電氣接線

2　PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1程序設(shè)計思路

S7-200CNCPU必須配合STEP7-Micro/WIN V4.0 SP3或以上版使用。PLC運(yùn)行時通過特殊繼電器SM0.0產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行初始化，將溫度設(shè)定值、PID參數(shù)值等存入數(shù)據(jù)寄存器，系統(tǒng)隨時開始溫度采樣，采樣周期設(shè)為17秒，TT1（PT100溫度傳感器）將采集到的出口溫度信號轉(zhuǎn)化為電流信號，電流信號再通過AIW0進(jìn)入PLC，作為主回路的反饋值，經(jīng)過主控制器（PID0）的PID運(yùn)算產(chǎn)生輸出信號，作為副回路的給定值。從而控制熱電阻的電流，完成對溫度的控制。

2.2用 PID指令向?qū)?PID程序

（1）進(jìn)入PID配置向?qū)?，設(shè)置溫度范圍及PID控制參數(shù)，控制參數(shù)可以使用默認(rèn)值。

（2）設(shè)置回路輸入/輸出選項，指定回路的過程變量（pv）使用單極性標(biāo)定；設(shè)置過程變量（pv）的標(biāo)定范圍為 0～32000。

（3）設(shè)置輸出類型為數(shù)字量輸出，占空比周期為1秒。

（4）設(shè)置回路的報警選項。

（5）為配置分配存儲區(qū)。

選擇一個未使用的V存儲區(qū)來存放模塊的配置信息，可以點(diǎn)擊“建議地址”按鈕，讓系統(tǒng)來選定一個合適的存儲區(qū)。這里PID回路存儲區(qū)的首地址為VB400。

（6）指定子程序和中斷程序。為向?qū)ё映绦蚝椭袛喑绦蛎?/p>

（7）生成PID代碼完成配置。

（8）指令樹顯示欄出現(xiàn)PID調(diào)用子程序。

（9）PIDx_INIT指令。

PIDx_INIT指令根據(jù)在PID向?qū)е性O(shè)置的輸入和輸出執(zhí)行PID功能。每次掃描均調(diào)用該指令。

PIDx_INIT指令的輸入和輸出取決于在PID向?qū)е兴龅倪x擇。我們選擇“增加PID手動控制”。

圖3　PIDx_INIT指令使用

（11）PID回路表

圖4　PID回路表

2.3通過文本顯示向?qū)渲?TD200C顯示屏

（1）進(jìn)入文本顯示配置向?qū)?，選擇TD型號和版本，這里選擇TD200C第一版。

（2）使能標(biāo)準(zhǔn)菜單“TOD、強(qiáng)制、存儲卡編程、改變PLC工作模式、編輯PLC存儲區(qū)”選項全部啟用，更新速率選擇盡可能快。

（3）配置本地化顯示。

（4）配置鍵盤按鍵。

（5）基本配置完成進(jìn)入用戶菜單配置，定義用戶菜單和文字輸入要在屏幕上顯示的文本，為“PID溫度監(jiān)測”添加屏幕，指定數(shù)據(jù)地址為VD1000，實數(shù)，小數(shù)點(diǎn)后一位。

（6）按照上面的方法為菜單“PID參數(shù)設(shè)定”添加三個屏幕（用于設(shè)定比例增益系數(shù)Kc：數(shù)據(jù)地址為VD412，浮點(diǎn)數(shù)小數(shù)點(diǎn)后兩位，允許用戶編輯，用于設(shè)定積分時間常數(shù)Ti：數(shù)據(jù)地址為VD420浮點(diǎn)數(shù)小數(shù)點(diǎn)后兩位，允許用戶編輯。用于設(shè)定積分時間常數(shù)Td：數(shù)據(jù)地址為VD424浮點(diǎn)數(shù)小數(shù)點(diǎn)后兩位，允許用戶編輯）。

（7）為菜單“PID目標(biāo)溫度設(shè)定”添加一個屏幕0，設(shè)定PID溫度控制系統(tǒng)的目標(biāo)溫度（數(shù)據(jù)地址為VD2000實數(shù)小數(shù)點(diǎn)后一位，允許用戶編輯）。

2.4程序編輯

主程序完成對系統(tǒng)的啟動和停止控制，并實現(xiàn)對其他子程序的有效調(diào)用任務(wù)。主程序的梯形圖如圖5所示。

圖5　主程序的梯形圖

3　總結(jié)

本設(shè)計基于PLC來實現(xiàn)老化房的溫度控制與熱平衡，達(dá)到溫度實時顯示與控制。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的PTC加熱器和PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)精度不高的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了PLC控制靈活、編程方便、適用性強(qiáng)、實時顯示并能實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)，提高了控制的精確性。

［1］商高平，馬伯淵.PRoFIBus一DP現(xiàn)場總線在反滲透水處理中的應(yīng)用［J］.微計算機(jī)信息，2006，2-1：56-58.

［2］荊濤.染整設(shè)備機(jī)電一體化［M］.北京：中國紡織出版社，1997，P120-P250.

［3］SxEMENS.SIMATIC57一200可編程序控制器系統(tǒng)手冊.2000版.

吳俁倩，1989年出生，河北省辛集市人，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計。