徐小童

（西南石油大學，610500）

基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設計探析

徐小童

（西南石油大學，610500）

實際生產(chǎn)中，溫度控制具有慣性大、滯后性嚴重、時變性質(zhì)突出等特點，對其進行精確的控制具有較大難度。如何將PLC與溫度控制系統(tǒng)進行有效的結(jié)合，是現(xiàn)階段研究的重點和熱點。

PLC；溫度控制；模糊控制；設計探析

0　前言

在當今社會中，科學研究工作和人民生產(chǎn)生活中，溫度控制占據(jù)了越來越重要的地位，發(fā)揮著極為重要的作用，諸如食品生產(chǎn)、建材生產(chǎn)、冶金化工、機械及石油化工領(lǐng)域，溫度控制是其中必不可少的一個環(huán)節(jié)。隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)生活對溫度控制的要求提高，電子和計算機技術(shù)大量應用到溫度控制領(lǐng)域。PLC技術(shù)也從簡單的邏輯控制發(fā)展到計算能力強、響應速度快、抗干擾能力強的綜合溫度控制系統(tǒng)。本文從基于溫度控制系統(tǒng)的基本原理，從PLC在溫度控制中的實際運用入手，探究了基于PLC的溫度控制系統(tǒng)。

1　基于PLC的溫度控制系統(tǒng)硬件設計要求

1.1系統(tǒng)硬件設計

溫度控制系統(tǒng)的硬件組成示意圖如下所示，其中PLC作為整個溫度控制系統(tǒng)的核心，主要負責處理溫度傳感器采集到的溫度信息，A/D模塊的主要作用是將采集的信息處理為PLC可以處理的數(shù)據(jù)類型，PLC將采集的溫度信息與系統(tǒng)設定值進行比對，通過誤差運算，對外驅(qū)動溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，最終實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)。

基于PLC的溫度控制系統(tǒng)對于各部分硬件設備的選擇有特殊的要求。作為整個系統(tǒng)的核心配件，PLC應從以下幾個方面進行選擇：PLC機型、理論容量、電源模塊性能和聯(lián)網(wǎng)及通信性能等。溫度傳感器是準確采集信息的關(guān)鍵部件，對于溫度控制系統(tǒng)的調(diào)控具有直接影響，推薦使用鉑電阻傳感器，鉑電阻傳感器具有測量精度高、性能穩(wěn)定等突出優(yōu)勢。模擬輸出輸入模塊的選擇主要需要考慮的是整個系統(tǒng)的交互性和數(shù)據(jù)在傳輸過程中的穩(wěn)定性。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等傳來的數(shù)字信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電動機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。CPU模塊內(nèi)部的工作電壓一般是DC SV，而PLC的輸入/輸出信號電壓一般較高，從外部引入的尖刻電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信號模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內(nèi)部電路和外部的輸入、輸出電路。信號模塊除了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。

溫度控制系統(tǒng)院里接線示意圖

1.2基于PLC的溫度控制系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

綜合以上溫度控制系統(tǒng)的設計中的PLC，可以分析得出，PLC主要具有以下幾大技術(shù)優(yōu)勢。（1）功能強，性能價格比高：一臺小型PLC內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現(xiàn)非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性價比。（2）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強：PLC已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，使用能靈活方便地進行系統(tǒng)配置。（3）可靠性高，抗干擾能力強：PLC使用了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均無故障時間達到數(shù)萬小時以上。

2　系統(tǒng)軟件設計要求

2.1溫度控制技術(shù)的選擇。恒溫溫度控制系統(tǒng)通常分為以下三種：定值開關(guān)控制法、PID控制和只能溫控技術(shù)。本系統(tǒng)中由于選用了FX2N-48MR可控編程控制開關(guān)，由于本身具有PID指令，故而至于要進行簡單的參數(shù)設計就可以使用，通過與溫度開關(guān)控制方法的對比，精度明顯提升，綜合分析選用PID控制方法。其中溫度控制系統(tǒng)院里接線示意圖如下。

2.2內(nèi)存地址及繼電器分配。分析研究了基于PLC的溫度控制系統(tǒng)中內(nèi)存地址及繼電器分配原理，制訂了如下額分配表。

內(nèi)存地址及繼電器分配表

2.3PID參數(shù)設計研究。PID控制中的參數(shù)選擇主要有以下三種模式：（1）被控對象數(shù)學模型已經(jīng)了解的情況下，采用推導函數(shù)分析開環(huán)傳遞方式，通過對反應時間、穩(wěn)定性、相角裕量、幅值裕量的計算，最終得出動態(tài)特性較好的溫度控制系統(tǒng)。（2）在數(shù)學模型不明確的條件下，使用模型識別方法，在對控制對象模式識別的基礎(chǔ)上，應用PID參數(shù)設計。（3）最后在一種方法通過對三參數(shù)的不斷修正，實驗得到最優(yōu)的系統(tǒng)控制PID參數(shù)。本文采用的事西門子公司設計生產(chǎn)的PLC設備，設備中配備了多種特殊功能模塊和擴展模塊。具有可靠性高、抗干擾能力強、靈活配制、高性價比等優(yōu)勢，更重要的是人機交互界面簡單易學，并可搭載Windows操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的兼容性進一步提升。

3　控制器設計

3.1模糊控制器。通過大量的調(diào)研與分析，反饋溫度與設定值的差值，定義為系統(tǒng)輸入量，系統(tǒng)的輸出變量只有一個，就是對溫度控制元器件的功率調(diào)節(jié)。對于模糊控制元器件，如果僅僅使用誤差作為溫度控制的輸入變量，是遠遠不夠的，再次使用誤差和誤差的變化率作為系統(tǒng)的輸入變量，閥門開度作為系統(tǒng)的輸出變量。

3.2模糊論域。通常情況下，模糊論域可劃分為以下幾個檔位，分別是負（大負、中負、小負）、零和正（大正、中正、小正），因此，上述七個變量就可以實現(xiàn)對溫度的較精確控制。如果對溫度控制要求非常細致，可在上述基礎(chǔ)上進行細分。在選擇多檔位進行調(diào)控時，規(guī)則的制定是比較靈活的，但是相應的編程難度上升，變得更為復雜，導致內(nèi)存容量占用過多，應當引起足夠的重視。

3.3控制規(guī)則和模糊控制表。在進行PLC的模糊控制設計中，模糊控制規(guī)則和提取的方法是非常重要的，其設計的質(zhì)量對溫度控制系統(tǒng)的運行有著舉足輕重的作用。在本文的研究中，主要采用的是依據(jù)專家經(jīng)驗發(fā)進行模糊控制規(guī)則的制定。主要設計了49調(diào)模糊控制規(guī)則。最終，通過隸屬度函數(shù)和規(guī)則表，運用Mamdam推理方法，相應的制定出以下的模糊控制表。

控制查詢表

4　結(jié)語

溫度控制是當今社會生產(chǎn)生活中一項重要的控制技術(shù)，通過PLC技術(shù)，能夠進一步的提升溫度控制系統(tǒng)的控制精度和可操作性。本文通過對PLC溫度控制系統(tǒng)硬件和軟件設計要求分析的基礎(chǔ)上，集合模糊控制理論的最新研究成果，將控制器設計運用到溫度控制系統(tǒng)中，對于提升整個溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度具有重要意義。

［1］ 張文明.基于 PLC 的溫度控制系統(tǒng)的設計［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2011，39（29）： 18258-18261.

［2］ 李國萍.基于 PLC 的溫度控制系統(tǒng)設計［J］.科技創(chuàng)新導報，2010 （7）： 86-86.

徐小童（1994.03.14--）；性別：女，籍貫：新疆克拉瑪依市，學歷：本科，畢業(yè)于西南石油大學；

Design of temperature control system based on PLC

Xu Xiaotong
（Southwest Petroleum University，610500）

The actual production， the temperature control with a large inertia，the lag is serious，timevarying nature of the outstanding characteristics such as its precise control have greater difficulty.How PLC and temperature control system for effective binding，at this stage the focus of research and hotspots.

PLC；temperature control；fuzzy control；Design