基于三菱PLC的溫度控制系統設計

摘要：本文利用FX3U新一代三菱PLC作為控制器，PT100作為溫度采集元件和FX0N-3A作為模擬輸入輸出模塊組成溫度控制系統的關鍵元件，實現對溫度控制系統的有效控制，在實際調試后，具有較高的穩定性和實效性，有相當的使用價值和參考意義。

關鍵詞：PLC 溫度控制 模擬量模塊 數據轉換

0 引言

溫度控制系統廣泛應用于蔬菜大棚、蒸餾、酒類發酵、食品、化工等領域，在這些場合都要求溫度能有效地控制在穩定的范圍，而不能有大慣性大滯后現象，否則會造成難以估量的損失或低效。目前研究溫度控制系統中，不少是用單片機控制的。而PLC 的可靠性高，編程簡單，易于維護，可以廣泛應用于各種控制系統，所以根據溫度控制系統的控制特點，決定使用PLC 來實現對溫度的實用控制，本文采用三菱PLC系統對溫度進行有效經濟地控制。

1 硬件選擇

很顯然，在溫度控制系統中，一些主要的元器件是PLC、模擬量輸入輸出模塊、溫度采集器即溫度傳感器以及一些加熱和降溫設備。

1.1 PLC的選擇 選用三菱公司的第三代產品三菱FX系列PLC的新產品FX3U-32MT，與之前的FX系列產品相比其定位功能得到了提高，基本性能也大幅提升，CPU處理速度達到了0.065us/基本指令，內置了高達64K的大容量RAM存儲器，大幅增加了內部軟元件的數量，強化了指令的功能，提供了多達209條應用指令，包括與三菱變頻器通訊的指令，CRC計算指令，產生隨機數指令等等，因此它成為近兩年各行各業的新寵。

1.2 PLC 軟件系統設計的步驟 在了解了程序結構和編程方法的基礎上，就要實際地編寫PLC程序了。編寫 PLC 程序和編寫其他計算機程序一樣，都需要經歷如下過程。①對系統任務分塊。分塊的目的就是把一個復雜的工程，分解成多個比較簡單的小任務。這樣就把一個復雜的大問題化為多個簡單的小問題。這樣可便于編制程序。②編制控制系統的邏輯關系圖。從邏輯關系圖上，可以反映出某一邏輯關系的結果是什么，這一結果又應該導出哪些動作。這個邏輯關系可以是以各個控制活動順序為基準，也可能是以整個活動的時間節拍為基準。邏輯關系圖反映了控制過程中控制作用與被控對象的活動，也反映了輸入與輸出的關系。③編制PLC程序并進行模擬調試。在繪制完電路圖之后，就可以著手編制PLC程序了。當然可以用上述方法編程。在編程時，除了要注意程序要正確、可靠之外，還要考慮程序要簡捷、省時、便于閱讀、便于修改。編好一個程序塊要進行模擬實驗，這樣便于查找問題，便于及時修改，最好不要整個程序完成后一起算總帳。

1.3 溫度傳感器和模擬量模塊 本系統涉及溫度傳感器，因此需要增加A/D和D/A轉換模塊，當溫度傳感器的信號輸入時，將模擬量轉換成數字量，來進行數據處理；PLC輸出時，又要將數字量轉換成模擬量，才能獲得一定的電壓信號，并驅動不同執行元件工作。這里我們選用集模擬輸入和模擬輸出一身的三菱FX0N-3A來作為模擬模塊，它提供8位分辨率精度和提供2路模擬量輸入（DC0-10V或AC4-20mA）通道和1路模擬量輸出通道（DC0-10V或DC0-5V）。A/D轉換時間100μs，D/A處理速度是TO指令處理時間的3倍。又因為FX0N-3A模塊有較好的性價比，因此廣泛應用于各種設備當中。這里選擇PT100鉑電阻作溫度傳感器。PT100的測溫范圍是較大，且測溫精度高，性能穩定。外界給PT100加一個已知的激勵電壓，測出兩端電流，得到相應的電阻值，由電阻值，可以得到實際溫度值。PT100鉑電阻輸出電流信號，直接送給FX0N-3A模塊。

2 系統組成

2.1 系統概況及要求 設控制要求為溫度低于16℃時，紅色指示燈L1亮，并啟動加熱器M1；當溫度高于25℃時，黃色指示燈L2閃，并啟動冷卻器M2低速工作；當溫度高于35℃時，黃色指示燈L2亮，并冷卻器M2高速工作（M2低速工作電壓需用5V控制，高速工作電壓用10V控制）；溫度在16-25℃時，綠燈L3亮；系統有啟動按鈕和停止按鈕。

2.2 設計PLC輸入輸出地址表 系統有兩個按鈕，M1和M2各設一個過載保護FR，加熱冷卻M1與M2和三個指示燈不能共用一組電源，故輸出點有所跳開，如表1所示。

2.3 控制電路圖 FX0N-3A有兩路模擬輸入，這里使用通道1，PLC與3A直接用擴展總線連接，其它輸入輸出元件連接如圖1所示。

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圖1 系統控制電路圖

3 軟件設計

3.1 溫度測量與轉換 3A的模擬通道是8位的，檢測到的溫度，經過轉換，這里傳送到D100寄存器中，我們取10次數據，然后取平均值放在D102中。D110為溫度和，先清零；D114為計數，比較M101，等于10次D114清零；TO用來設置數據來源，FROM是讀取溫度值。3A模塊內部分配有32個緩存器BFM0-BFM31，其中BFM17各位作用：b0=0通道1，b0=1通道2，b1啟動A/D，b2啟動D/A；本段程序如圖2。

3.2 溫度數值的變換 溫度轉換是線性的，可以根據以下公式：

Ax=Nx×（Amax-Amin）÷M+Amin

Ax：計算結果；Nx：測量值；Amax-Amin測量最大值與最小值之差即量程，此處PT100測量范圍是-40～80℃； M：A/D轉換后的最大數，此處為250。

程序（圖3）中量程和M值同時縮小10倍，不影響結果；D124中的數值即為轉換后的具體溫度值，如15℃時為15。

3.3 溫度比較和D/A轉換輸出 如圖4，D124中的溫度值與參考值K16、K25、K35比較，并根據要求控制輸出。D/A轉換是將0-250的數據轉換成0-10V的電壓，是線性關系，10V時輸出250，5V時輸出125。

4 結束語

通過以上部分的工作，我們用三菱的FX3U系列PLC和3A模擬模塊設計了一套經濟實用高可靠型的溫控系統方案，并以實例說明了控制過程和策略，對關鍵元件的連接關系和運用細節的處理也作了交代，具有相當的實用性。

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作者簡介：范金玲（1972-），女，江蘇蘇州人，副教授，主要從事機電一體化、自動控制方向的研究工作。