吳燕峰

（閩江師范高等?？茖W(xué)校，福建 福州 350018）

0 引言

溫度是日常生活、生產(chǎn)以及工業(yè)控制等活動中非常關(guān)鍵的一個受控參數(shù)，例如人們平時生活中經(jīng)常使用的冰箱、空調(diào)等，工業(yè)生產(chǎn)制造中使用的鍋爐、熱處理設(shè)備等，均需要對溫度進(jìn)行合理的管控。從現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)制造過程中對溫度管控的現(xiàn)狀來看，通常依托于位式調(diào)節(jié)器與PID控制器等途徑來實現(xiàn)對設(shè)備內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)[1]，但是其在具體運(yùn)用時會存在一定的問題。比如，當(dāng)處于較高溫度區(qū)間時，位式溫度調(diào)節(jié)器的控制精度較低，容易導(dǎo)致實際溫度大于設(shè)定的溫度，給生產(chǎn)制造過程帶來較大的安全問題。相應(yīng)的PID控制器比衛(wèi)視溫度調(diào)節(jié)器擁有更好的控制精度，然而也存在一些問題，如當(dāng)受控變量變化幅度較大時，該控制器便無法精準(zhǔn)控制溫度，使得控制器工作狀況不能夠處于良好狀態(tài)，降低了控制器溫度控制的準(zhǔn)確性[2]。為此本文提出了利用PLC來實現(xiàn)溫度的自動控制的設(shè)計思路，擬發(fā)揮PLC技術(shù)優(yōu)勢，依托于內(nèi)部控制各項指令，通過PLC獲取實際環(huán)境溫度，然后和系統(tǒng)設(shè)定溫度數(shù)值進(jìn)行比對，根據(jù)分析與計算的結(jié)果，向溫度控制電路傳達(dá)特定指令，實現(xiàn)對溫度的精準(zhǔn)控制。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

在進(jìn)行該系統(tǒng)設(shè)計過程中，使用的溫度傳感器型號為DS17B21型數(shù)字溫度傳感器，向外輸出的是數(shù)字信號[3]。這種溫度傳感器為DALLAS單線傳感器中的一種，額定溫度測量范圍為-55～129℃，額定工作電壓為3.0～6.3V。這種溫度傳感器不僅擁有良好的抗干擾性能，同時只需要占用一個I/O端口，進(jìn)而能夠很好地減少控制芯片的I/O端口數(shù)量[4]。

PLC控制器使用的是西門子公司生產(chǎn)制造的小型S6-175控制器，該控制器在一些領(lǐng)域的檢測與控制等自動化設(shè)施上有著十分廣泛的應(yīng)用。S6-175控制器需要提供的工作電壓為24V，可以和傳感器、變送器等進(jìn)行直接相連，具有穩(wěn)定性高、操作方式單一、通信水平優(yōu)異與拓展模塊多等應(yīng)用優(yōu)勢，總體來說屬于性能多樣、性價比優(yōu)秀的可編程邏輯控制器[5]。

使PLC技術(shù)與溫度自動控制系統(tǒng)相互結(jié)合，可以得到系統(tǒng)整體架構(gòu)圖，具體如圖1所示。

圖1 基于PLC 的溫度自動控制系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 PLC設(shè)計

PLC在溫度自動控制系統(tǒng)設(shè)計中占據(jù)了極其重要的地位，像環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的獲取、溫度數(shù)據(jù)的分析與溫度控制部件的運(yùn)行等都需要通過PLC技術(shù)來實現(xiàn)。

2.1 CPU設(shè)計

CPU通常涵蓋了三個部分，分別是中央處理單元、電源模塊、輸入與輸出端口[6]。在該系統(tǒng)設(shè)計中使用的CPU規(guī)格為CPU337，其中涵蓋了27個輸入端點(diǎn)以及18個輸出端點(diǎn)，能夠與8個擴(kuò)展模塊進(jìn)行連接，同時包含了7個相互獨(dú)立的33kHz計算器、3個互不干涉的18kHz高速脈沖輸出與1個PID控制裝置。

2.2 I/O控制端口設(shè)計

根據(jù)該系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能可以得知，在進(jìn)行系統(tǒng)按鍵設(shè)置時應(yīng)當(dāng)要涵蓋啟動與停止按鈕，此外該系統(tǒng)還擁有加熱功能與制冷功能，由此最終得到I/O端口設(shè)計結(jié)果。

2.3 PLC軟件運(yùn)行方式

PLC運(yùn)行程序主要是通過STEP 8-Micro/WIN基于計算機(jī)系統(tǒng)開展設(shè)計編譯的[7]。PLC在首次接通電源之后會先進(jìn)行初始化，得到系統(tǒng)設(shè)定的溫度數(shù)值TI、最大溫度偏差值Tmax以及最小溫度偏差值Tmin。在正常工作過程中，系統(tǒng)會每隔一段時間收集一次傳感器測得的溫度數(shù)值，然后將真實環(huán)境溫度數(shù)值T和系統(tǒng)設(shè)置溫度數(shù)值TI進(jìn)行比較，計算得出兩者的溫度差值T＇。當(dāng)系統(tǒng)判定T＇數(shù)值處于Tmax與Tmin之間時，則不做任何動作，直接返回；假使T＇超過Tmax數(shù)值，則說明環(huán)境溫度超過了設(shè)定的系統(tǒng)溫度，這時啟動制冷裝置，降低內(nèi)部溫度；假使T＇小于Tmin數(shù)值，則說明環(huán)境溫度低于系統(tǒng)設(shè)定溫度，這時下達(dá)指令給加熱裝置，提升內(nèi)部溫度。

3 溫度控制設(shè)計

由于這個系統(tǒng)必須要將溫度管控在設(shè)定的區(qū)間內(nèi)，所以不單單要有制冷功能，同時還需要擁有加熱功能。

TEC2-11604屬于半導(dǎo)體制冷片中的一種，這種芯片在連接上直流電源之后，電子先從負(fù)極開始，在通過P型半導(dǎo)體區(qū)域時吸收外界熱量，然后在到達(dá)N型半導(dǎo)體區(qū)域時釋放能量。由此可以看出，電子在經(jīng)過每一個NP模組都會完成一次能量的吸收與釋放，進(jìn)而實現(xiàn)熱量的傳遞，出現(xiàn)溫度差，使得兩端溫度出現(xiàn)較大差異[8]。

TEC2-11604半導(dǎo)體制冷片具有諸多優(yōu)勢，第一，自身質(zhì)量較輕、體積小巧，擁有良好的制冷性能；第二，制冷過程中不用借助制冷劑，安裝便捷、使用周期長；第三，自身強(qiáng)度較好，能夠抵御一定的沖擊力與振動力，不僅能夠制冷，還能夠?qū)崿F(xiàn)制熱；第四，制冷部件一般為固態(tài)熱泵，所以后期使用中省去了維護(hù)工作，同時可以很好地滿足不同部位、環(huán)境的應(yīng)用需求；第五，TE屬于電流換能單元，可以有效管控輸入電流大小，進(jìn)而提高溫度控制的精準(zhǔn)性[9]。

由于TEC驅(qū)動電流能夠進(jìn)行正向與反向流通，因此當(dāng)采用不同電流流通方向時，便能夠得到制熱與制冷兩種效果。

4 系統(tǒng)測試

因為TEC2-11604半導(dǎo)體制冷片一般使用在封閉小空間中制冷與制熱，所以在對本文設(shè)計的基于PLC的溫度自動控制系統(tǒng)控制精度進(jìn)行系統(tǒng)驗證時，選用某個封閉的箱體作為試驗環(huán)境，將溫度傳感器以及溫度調(diào)整設(shè)施等固定到封閉箱體內(nèi)部，并且依托于室內(nèi)溫度、室內(nèi)空調(diào)、人工干預(yù)等途徑改變整體環(huán)境溫度。

將系統(tǒng)溫度設(shè)定為30℃，利用室內(nèi)空調(diào)改變外界環(huán)境溫度，依托于PLC溫度自動控制系統(tǒng)獲取封閉空間內(nèi)部溫度數(shù)值，下達(dá)相應(yīng)指令控制封閉箱體內(nèi)部溫度，使其得到系統(tǒng)設(shè)定的溫度數(shù)值。利用室內(nèi)空調(diào)使得環(huán)境溫度處于不同的溫度值，記錄封閉箱體內(nèi)部溫度變化數(shù)值，具體如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)定溫度為30℃時不同環(huán)境溫度下最終調(diào)節(jié)溫度數(shù)值

按照上述方式，將系統(tǒng)溫度設(shè)定為15℃，再次利用室內(nèi)空調(diào)使得環(huán)境溫度處于不同溫度值，記錄封閉箱體內(nèi)部溫度變化數(shù)值，如表2所示。

表2 系統(tǒng)設(shè)定溫度為15℃時不同環(huán)境溫度下最終調(diào)節(jié)溫度數(shù)值

從上面兩組試驗可以看出，不管是將系統(tǒng)溫度設(shè)定為30℃還是15℃，當(dāng)改變環(huán)境溫度至不同數(shù)值時，基于PLC的溫度自動控制系統(tǒng)都能夠準(zhǔn)確控制封閉箱體內(nèi)部溫度，達(dá)到了溫度自動控制與調(diào)節(jié)的目的。

另外，為了更加詳細(xì)地掌握基于PLC的溫度自動控制系統(tǒng)運(yùn)行過程，證明設(shè)計系統(tǒng)的可靠性與實用性，本文再次進(jìn)行試驗驗證，針對基于PLC的溫度自動控制系統(tǒng)進(jìn)行長時間的數(shù)據(jù)采集以及溫度控制能力分析。每隔一段時間改變室內(nèi)空調(diào)溫度，或者關(guān)閉空調(diào)，使得環(huán)境溫度處于不斷變化中，對封閉空間內(nèi)的實時溫度進(jìn)行采集，得到如圖2、圖3所示的溫度實時監(jiān)控圖。

圖2 系統(tǒng)設(shè)定溫度為30℃時的實時監(jiān)測溫度

圖3 系統(tǒng)設(shè)定溫度為15℃時的實時監(jiān)測溫度

由此可以看出，系統(tǒng)設(shè)定溫度在30℃與15℃情況下，基于PLC的溫度自動控制系統(tǒng)都能夠長時間地保持封閉箱體內(nèi)部溫度處于較小的波動范圍內(nèi)，從而證明該設(shè)計系統(tǒng)是切實可行的。

5 結(jié)語

綜上所述，伴隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)制造水平越來越高，相應(yīng)地對設(shè)備溫度控制精度的要求也不斷提高，傳統(tǒng)的溫度控制方式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)階段溫度控制的精度要求，探索一種新型的溫度自動控制方式十分重要。通過上述試驗可以看出，本文設(shè)計的基于PLC的溫度自動控制系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下始終可以保持在系統(tǒng)設(shè)定的溫度數(shù)值附近，同時還可以實現(xiàn)長時間地保持，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的收集和自動調(diào)節(jié)，穩(wěn)定性好、抗干擾性能優(yōu)越，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用價值。