摘 要：工控現(xiàn)場(chǎng)常遇到對(duì)溫度的監(jiān)控，而對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集和控制是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。通常工控現(xiàn)場(chǎng)使用PLC(可編程序控制器)作為系統(tǒng)的控制核心，溫度變量經(jīng)溫度傳感器(熱電偶或熱電阻) 采集后，送入PLC的特殊功能單元——溫度模塊(變送器+模數(shù)轉(zhuǎn)換)，溫度模塊對(duì)采集到的溫度模擬量數(shù)據(jù)(電壓或電流)自動(dòng)進(jìn)行模數(shù)(A/D)變換，最后轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC可讀的數(shù)字量(16進(jìn)制數(shù)，以二進(jìn)制數(shù)存放)，通過(guò)對(duì)PLC編程可實(shí)現(xiàn)對(duì)讀入的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換和數(shù)模(D/A) 轉(zhuǎn)換，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要，編制相應(yīng)的PLC 處理程序，可對(duì)溫度進(jìn)行開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制及實(shí)現(xiàn)溫度對(duì)其他設(shè)備的跟隨控制。

關(guān)鍵詞：快閃存儲(chǔ)器；熱電偶；熱電阻；變送器；模數(shù)轉(zhuǎn)換

中圖分類(lèi)號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1717703

Collecting and Control of Temperature Data by PLC

ZHU Qinghui，WANG Zhikui

(Nanyang Insititute of Technology，Nanyang，473004，China)

Abstract：The monitoring and control of temperature in industrial control field is often met.The collecting and control of temperature data is the key to solve problems.Usually，PLC is a system′s control core and temperature variable collected via temperature sensors(thermocouples or thermal resistors)can be sent to the special function unit of a PLC，namely，temperature module (converting apparatus plus anologdigidal conversion).Temperature module converts the detected temperature anolog data (voltage or current) into digital data automatically(which can be read by a PLC finally).A PLC can process the units of the temperature data and convert the digital data into corresponding voltage or current by internal program.One can design certain PLC program with the need of the industry field to control the temperature in open-loop or close-loop and control other facilities by using of the converted temperature data from time to time.

Keywords：flash memory;thermocouple;thermal resistor;converting apparatus;anolog digital conversion

1 引 言

工控現(xiàn)場(chǎng)離不開(kāi)溫度控制，溫度數(shù)據(jù)的采集通常由溫度傳感器熱電偶、熱電阻來(lái)完成，而溫度數(shù)據(jù)的變換與處理方法很多，可用溫度儀、工控機(jī)、可編程序控制器(又稱(chēng)PLC)等。其中可編程序控制器對(duì)溫度處理硬件實(shí)現(xiàn)可通過(guò)模塊化來(lái)實(shí)現(xiàn)，編程也很簡(jiǎn)練，是理想的選擇。PLC還可對(duì)溫度進(jìn)行模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出對(duì)應(yīng)的模擬量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度及其他設(shè)備的在線(xiàn)控制。

可編程序控制器PLC對(duì)溫度傳感器(熱電偶、熱電阻) 的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理時(shí)，溫度變量經(jīng)溫度傳感器送入PLC 的溫度模塊(變送器+ 模數(shù)轉(zhuǎn)換)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量可被PLC以字(word) 的形式直接讀出，根據(jù)用戶(hù)所需，在PLC存儲(chǔ)器內(nèi)編制相應(yīng)的梯形圖程序，對(duì)溫度進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制及溫度對(duì)其他設(shè)備的跟隨控制。本文以O(shè)MRON小型PLC為例為說(shuō)明對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集和處理。溫度數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)流程如圖1 所示。

2 OMRON小型PLC簡(jiǎn)介

自從20世紀(jì)70 年代可編程序控制器誕生之后，經(jīng)過(guò)不斷更新和完善，在工業(yè)控制領(lǐng)域得廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的繼電接觸邏輯控制已無(wú)法與其相比。OMRON 小型機(jī)具有與大中型機(jī)同等的數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理和組網(wǎng)能力，并且日益向模塊化方向發(fā)展，I/O 模塊不僅僅局限于數(shù)字量，還有溫度數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換模塊、上位機(jī)鏈接模塊及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)等通訊模塊，可方便地與OMRON 各種可編程終端(觸摸屏/人機(jī)界面) 連接，為工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)提供更加完善的解決方案。現(xiàn)在流行的OMRON 小型PLC有 CPM1A、CPM2A和CPM2C(超薄型)，三款PLC功能漸增，體積漸減，都可通過(guò)側(cè)掛功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，I/O 可通過(guò)擴(kuò)展由本機(jī)CPU 的20～60點(diǎn)增加到100～140 點(diǎn)；程序后備為快閃存儲(chǔ)器，無(wú)需電池支持，基本指令掃描時(shí)間僅為172 μs，外部中斷響應(yīng)時(shí)間在13 ms 以下；本機(jī)帶有5 kHz 和215 kHz 的單相和三相高速脈沖輸入計(jì)數(shù)功能，并有2 kHz以上的單脈沖輸出功能。

3 溫度模塊TS101DA對(duì)溫度的采集及PLC對(duì)溫度數(shù)據(jù)的處理

CPM1A及CPM2A可掛接的溫度模塊種類(lèi)很多，其中CPM2A-TS101DA，CPM1A-TS001/002 分別連接由鉑熱電阻和熱電偶傳送來(lái)的溫度信號(hào)，盡管每個(gè)CPU 可允許連接3個(gè)擴(kuò)展單元，但同樣功能的模塊只能連接其中一種，且最多連接兩個(gè)同種模塊。如圖2 所示，TS101DA 可接兩路鉑熱電阻，并且?guī)в袃陕纺M量輸出Vout(電壓)和Iout(電流)，但只能選擇其中一種。溫度模塊的輸入與輸出共占用PLC三個(gè)輸入輸出字，輸入、輸出地址字編號(hào)緊接PLC最后一個(gè)擴(kuò)展單元，即溫度模塊的前一個(gè)功能模塊單元(假設(shè)輸入地址字n，輸出m，則TS101DA的第一路輸入(1A，1B，1B)地址字為n+1，第二路輸入為n+2，輸出Vout和Iout共用一個(gè)地址字m+1。

TS101DA 的溫度輸入范圍為-40～+20 ℃，對(duì)應(yīng)的Pt100 阻值分別為8 213 Ω和19 411 Ω，模擬量輸出的D/A線(xiàn)性比例關(guān)系見(jiàn)圖3。

TS101DA 模塊的電流輸出為4～20 mA，電壓輸出范圍有兩種，分別為0～10 V和-10～10 V，可通過(guò)設(shè)置控制字來(lái)選擇輸出電壓的范圍，如表1 所示。

控制字設(shè)置輸出電壓(電流)范圍FF000～10 V或4～20 mAFF01-10～10 V或4～20 mA

控制字在PLC第一個(gè)掃描周期必須寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的模擬量輸出通道m(xù)+1，否則整個(gè)模塊無(wú)法工作，即使不用模擬量輸出。為了避免控制字被覆蓋，后續(xù)程序中如果向該通道寫(xiě)入數(shù)據(jù)，應(yīng)在第一個(gè)掃描周期之后。如:

鉑熱電阻采集到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)TS101DA 內(nèi)的變送器和數(shù)模轉(zhuǎn)換后，可被PLC從對(duì)應(yīng)的輸入通道中讀出。TS101DA 內(nèi)的溫度字的格式如表2所示:

TS101DA 輸出的溫度字格式共有16位，其中0～13位為二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)，13為最高位；第14位為溫度數(shù)據(jù)的符號(hào)位，“0”表示正溫度數(shù)據(jù)，“1”表示負(fù)溫度數(shù)據(jù)；第“15”位為報(bào)警位，“0”表示溫度在允許范圍內(nèi)，“1”表示溫度超出允許范圍。

PLC通過(guò)MOV指令把n+1或n+2通道采集到的溫度數(shù)據(jù)讀入指定的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)DM中，如溫度為正，把0～13位轉(zhuǎn)化為BCD 碼，如果為負(fù)(負(fù)數(shù)以補(bǔ)碼形式存放)，取反加1后，再將0～13位轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的BCD碼。

另外常用的接熱電偶的溫度模塊有TS001/002，溫度范圍通過(guò)模塊內(nèi)的旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)(0～F) 來(lái)設(shè)定，該模塊可選兩種溫度單位℃和°F，通過(guò)模塊內(nèi)的DIP 開(kāi)關(guān)SW1 來(lái)設(shè)定溫度單位和所測(cè)溫度的精度(單精度精確到011 ℃或011 °F，雙精度精確到0101 ℃或0101 °F)。采集到的溫度仍為二進(jìn)制數(shù)，但BCD 轉(zhuǎn)換后的是帶有小數(shù)位的十進(jìn)制數(shù)，需×10 或×100 才為真正的溫度值。如讀入溫度# 2134 (二進(jìn)制)，即十進(jìn)制的8500，如DIP 開(kāi)關(guān)SW1 的1 位設(shè)為OFF，2 位設(shè)為OFF，則為850 ℃；2 位變?yōu)镺N，則為85 ℃。雙精度數(shù)據(jù)占用兩個(gè)輸入通道，即兩個(gè)字，在轉(zhuǎn)換為BCD 碼時(shí)，需用雙字轉(zhuǎn)換指令(CPM2A 有) BCDL 。當(dāng)讀入的溫度輸入數(shù)據(jù)為#7FFF 時(shí)，說(shuō)明輸入開(kāi)路或溫度超出設(shè)置范圍，#7FFE 為模塊正在初始化狀態(tài)。編程處理溫度數(shù)據(jù)時(shí)尤其應(yīng)該注意。下面是一段對(duì)OMRON PLC 對(duì)溫度模塊TS001/002采集的數(shù)據(jù)的處理程序：

4 結(jié) 語(yǔ)

PLC對(duì)溫度數(shù)據(jù)采集有單精度及雙精度(分時(shí)采集)兩種格式，誤差在0.1～0.01 ℃范圍內(nèi)，控制準(zhǔn)確可靠。通過(guò)PLC內(nèi)部程序處理還可輸出模擬量來(lái)控制其他設(shè)備，PLC與溫度模塊及傳感器對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集和處理可以達(dá)到工控現(xiàn)場(chǎng)溫度控制的理想要求。

工控現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度的檢測(cè)與處理應(yīng)用非常廣泛，而溫度傳感器的主要對(duì)象為熱電阻和熱電偶，使用PLC對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和變換，硬件連接方便，軟件也易實(shí)現(xiàn)，通過(guò)輸出模擬量還可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精確調(diào)溫或其他控制。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］殷華文，朱清慧.可編程序控制器及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò).西安:西安地圖出版社，2001.

［2］王魁漢.溫度測(cè)量實(shí)用技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］徐濾非.PLC在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27(13):62-63.

作者簡(jiǎn)介 朱清慧 女，1968年出生，南陽(yáng)理工學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化裝置。