基于PLC锅炉温度控制系统

赵何丽莎 樊金学 任砚军 龙游

【摘 要】随着电子科学技术的不断发展，PLC（可编程控制器）也在不断发展，其功能也在不断完善，由原来的简单的逻辑量控制到现在的拥有计算机控制系统的功能，其发展非常迅速，并在现代工业控制中具有非常广泛的应用前景。

【关键词】PLC；锅炉；温度控制

一、总设计方案

1、温度控制系统功能介绍

该恒温控制系统包括控制恒温锅炉，冷却风扇电动机、搅拌电动机、贮水箱、加热装置、测温装置、温度显示、阀门及有关状态指示等。恒温锅炉中的水温，入水口水温，均有LED显示。两个电磁阀的通、断，搅拌和冷却开关也均有指示灯显示。当设定温度后，起动水泵向恒温水箱进水，水位上升到一定位置，起动搅拌机，测量锅炉水温并与设定值比较，若温差小于2℃，要采用PID调节加热。当水温高于设定值5-10℃时，要进冷水。当水温在0-5℃范围内，仍采用PID调节加热。当水温高于设定值10℃以上时，采用进水与风机冷却同时进行的方法实现降温控制。若进水时无流量或加热、冷却时水温无变化时应报警。

2、总体方案介绍。

根据设计任务和要求，采用常规PID控制的温度控制系统结构如图1所示。

2、控制系统硬件设计

FX2N-2AD特殊功能模块。该FX2N-2AD型模拟输入模块，用于转换两个点的模拟拟输入值为12位的数字值，并且进一步转换为程序控制值。FX2N-2AD可用于连接FX0N，FX2N，和FX2NC系列的程序控制系统；FX2N-2DA特殊功能模块。FX2N-2DA输出模块把CPU的12位数字信号转换成2点模拟输出，以便控制现场设备。转换的通道数为2通道。使用FROM/TO指令与PLC进行数据传输；8BWZ-2280温度变送器模块。8BWZ-2280温度变送器是Pt100输入，三限制温度变送器。可靠性高，性能优越。超薄式外壳耐用，接线和调整容易；单相全隔离一体化交流调压器模块。龙科LSA-系列一体化单相调压模块内部集移相触发电路、单向或双向可控硅、RC阻容吸收回路及电源电路等于一体，通过4～20mA电流控制信号控制单相220V交流电源在0～220V之间根据控制电流的大小实现连续变化，从而调节输出功率。

3、控制系统软件设计

（1）I/O分配表。根据系统总体方案，设计系统的I/O地址分配如表1所示。

表1输入、输出信号I/O地址表

（2）I/O接线图。根据系统软元件及系统设计要求，本系统的I/O接线图见图3。

（3）程序设计说明

PLC程序输入通过计算机编程，在三菱PLC编程软件GX Developer下完成程序编写和通信。a.A/D转换功能模块的控制程序。温度检测硬件电路给定的A/D转换通道号CH2，完成炉温的A/D转换。为了提高抗干扰能力，程序采用了数字滤波措施，滤波方法是取15次输入的平均值作为检测结果。b.D/A转换功能模块的控制程序。由PID运算得到的数据经过FX2N-2DA模块输出给调压模块。完成对炉内加热的控制，在控制结束和高温报警产生时都要求关闭D/A转换，起到一个保护的功能。c.报警程序。本次设计的报警及保护系统主要是实现低液位报警、高液位报警、高温报警以及在各中报警的时候需要采取的措施。d.PID控制程序。本次设计主要更新原有的二位控制模式，并利用三菱PLC中原有的PID控制指令，用测量温度和温度设定值产生的偏差作为输入，通过PID指令计算出输出值，传给2DA模块进行控制。

二、PLC技术与温度控制系统

1、PLC技术

可编程控制器是一种计算机技术，在可编程控制器的发展前期其被称为可编程逻辑控制器，简称PLC技术，随着计算机技术和PLC本身的不断发展和成熟，PLC应用范围的不断扩大，早已超出了原来的逻辑控制的范围。它主要应用在工业中，是工业控制中专用的控制器，但是还是习惯称其为PLC。PLC控制主要分为输入采样阶段、输出刷新阶段及用户程序执行阶段共3个阶段。输入采样阶段，此阶段的主要功能就是采用数据扫描器读入全部的系统运行数据，并将这些数据存储在PLC的I/O映像区内。然后根据自上到下的顺序对用户程序进行一一扫描，扫描结果通常为一个梯形图，完成掃描后再进行逻辑运算，完成运算之后，按照结果对系统RAM存储区中逻辑线圈的对应位状态进行刷新。完成用户程序的扫描之后，进入输出刷新阶段。系统接收到控制器中CPU的指令后进行电路锁存，电路锁存以I/O映像区内对应的状态和数据刷新结果为依据，经过输出电路驱动外设对系统进行控制。PLC的基本结构组成如图4所示。

温度控制在工业生产和科研活动中非常重要，因为它是一个变量，需要不断测量，并持续保持，能否将其控制在需要的温度范围内成为温度控制的关键。温度控制原来采用的一般是继电器控制技术，采用外部接线的方式实现逻辑控制，虽然在一定范围内实现了温度控制，但是控制系统容易出现问题，体积大能耗高，不能保证温度控制的稳定性，从而对工业生产及科研造成一定的影响。随着计算机控制技术的进一步发展，出现了PLC控制技术。采用PLC控制技术的控制系统易维护、耗能低，因此，继电器控制技术逐渐被淘汰。基于PLC温度控制系统的控制采用内部编程的方式，并对PLC控制器进行了扩充使其具体PID控制功能，该系统属于过程控制系统，结合了逻辑控制与PID控制两种方式。

三、加热炉温度控制系统的组成及工作原理

1、系统组成

该系统主要由四部分组成，分别为PLC主控系统、加热炉（加热容器）、温度检测系统、继电器，该系统的具体组成结构如图5所示。

2、系统工作原理

控制系统通常分为两种：开环控制系统及闭环控制系统。加热炉温度控制系统中应用的是闭环控制系统，其结构如图6所示。该温度控制系统采用的闭环控制器为PID。系统的工作过程如下：设定系统的目标温度值也就是预期的加热炉温度，温度传感器测得加热炉温度，并将其转换成数字量，PID控制器接收目标设定温度值及温度传感器的反馈温度值两者的差值，差值经过PID运算处理之后得到一个叠加的数字量，经过上限位和下限位处理该数字量进行D/A转换，由数字信号转换成电压信号，输出一个电压信号去控制继电器的输出，继而控制加热炉的加热节律，实现温度控制。

四、基于PLC的加热炉温度控制系统结构

基于PLC的加热炉温度控制系统结构及具体的温度控制流程如图7所示。在该温度控制系统中，温度传感器采集加热炉的温度数据并将其传输到PLC控制器，PLC控制器将系统的温度设定值和采集值进行对比和运算，然后输出信号到周波控制器，实现加热炉导通周期的控制。同时，温度传感器将再次采集的加热炉温度数据传输到PLC控制器，PLC控制器再次将系统的温度设定值和采集值进行对比和运算，并再次输出控制信号到周波控制器，调整加热器输出，形成闭环控制系统，实现温度控制。PLC控制器和上位机之间可以实现数据通讯和共享，通过上位机可以实现PLC程序的修改、编写、上传或者是下载等，此外还可以通过上位机的组态软件，对设备的控制参数进行修改和直接设置，监控设备的工作情况，一旦设备发生故障还可发出警报。

结束语

随着控制技术的不断发展和进步，PLC将具有非常广阔的应用前景，其对温度控制的作用也将进一步提升。基于PLC技术的温度控制系统的种类和应用范围也会进一步拓展，系统的功能也会更加完善，系统的测定值也会更加精确，以满足不同的温度控制需求。所以，国家要大力支持温度控制系统的研发，在PLC温度控制系统中应用更多的先进技术，为工业和科研的发展提供更先进的温度自动控制设备。

参考文献：

[1]李月芳.基于PLC与组态王的模拟锅炉温度控制系统[J].工业控制计算机，2010（18）.

[2]陈奇峰，薛瑞，赵琳.基于PLC的啤酒发酵智能温度控制系统[J].自动化技术与应用，2013（12）.