PLC在溫度自動控制系統設計中的應用研究

吳燕峰

（閩江師范高等專科學校，福建 福州 350018）

0 引言

溫度是日常生活、生產以及工業控制等活動中非常關鍵的一個受控參數，例如人們平時生活中經常使用的冰箱、空調等，工業生產制造中使用的鍋爐、熱處理設備等，均需要對溫度進行合理的管控。從現階段工業生產制造過程中對溫度管控的現狀來看，通常依托于位式調節器與PID控制器等途徑來實現對設備內部溫度的調節[1]，但是其在具體運用時會存在一定的問題。比如，當處于較高溫度區間時，位式溫度調節器的控制精度較低，容易導致實際溫度大于設定的溫度，給生產制造過程帶來較大的安全問題。相應的PID控制器比衛視溫度調節器擁有更好的控制精度，然而也存在一些問題，如當受控變量變化幅度較大時，該控制器便無法精準控制溫度，使得控制器工作狀況不能夠處于良好狀態，降低了控制器溫度控制的準確性[2]。為此本文提出了利用PLC來實現溫度的自動控制的設計思路，擬發揮PLC技術優勢，依托于內部控制各項指令，通過PLC獲取實際環境溫度，然后和系統設定溫度數值進行比對，根據分析與計算的結果，向溫度控制電路傳達特定指令，實現對溫度的精準控制。

1 系統整體架構

在進行該系統設計過程中，使用的溫度傳感器型號為DS17B21型數字溫度傳感器，向外輸出的是數字信號[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，進而能夠很好地減少控制芯片的I/O端口數量[4]。

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

使PLC技術與溫度自動控制系統相互結合，可以得到系統整體架構圖，具體如圖1所示。

圖1 基于PLC 的溫度自動控制系統整體架構圖

2 PLC設計

PLC在溫度自動控制系統設計中占據了極其重要的地位，像環境溫度數據的獲取、溫度數據的分析與溫度控制部件的運行等都需要通過PLC技術來實現。

2.1 CPU設計

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]。在該系統設計中使用的CPU規格為CPU337，其中涵蓋了27個輸入端點以及18個輸出端點，能夠與8個擴展模塊進行連接，同時包含了7個相互獨立的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控制端口設計

根據該系統需要實現的功能可以得知，在進行系統按鍵設置時應當要涵蓋啟動與停止按鈕，此外該系統還擁有加熱功能與制冷功能，由此最終得到I/O端口設計結果。

2.3 PLC軟件運行方式

PLC運行程序主要是通過STEP 8-Micro/WIN基于計算機系統開展設計編譯的[7]。PLC在首次接通電源之后會先進行初始化，得到系統設定的溫度數值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，系統會每隔一段時間收集一次傳感器測得的溫度數值，然后將真實環境溫度數值T和系統設置溫度數值TI進行比較，計算得出兩者的溫度差值T＇。當系統判定T＇數值處于Tmax與Tmin之間時，則不做任何動作，直接返回；假使T＇超過Tmax數值，則說明環境溫度超過了設定的系統溫度，這時啟動制冷裝置，降低內部溫度；假使T＇小于Tmin數值，則說明環境溫度低于系統設定溫度，這時下達指令給加熱裝置，提升內部溫度。

3 溫度控制設計

由于這個系統必須要將溫度管控在設定的區間內，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，電子先從負極開始，在通過P型半導體區域時吸收外界熱量，然后在到達N型半導體區域時釋放能量。由此可以看出，電子在經過每一個NP模組都會完成一次能量的吸收與釋放，進而實現熱量的傳遞，出現溫度差，使得兩端溫度出現較大差異[8]。

TEC2-11604半導體制冷片具有諸多優勢，第一，自身質量較輕、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，還能夠實現制熱；第四，制冷部件一般為固態熱泵，所以后期使用中省去了維護工作，同時可以很好地滿足不同部位、環境的應用需求；第五，TE屬于電流換能單元，可以有效管控輸入電流大小，進而提高溫度控制的精準性[9]。

由于TEC驅動電流能夠進行正向與反向流通，因此當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 系統測試

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

將系統溫度設定為30℃，利用室內空調改變外界環境溫度，依托于PLC溫度自動控制系統獲取封閉空間內部溫度數值，下達相應指令控制封閉箱體內部溫度，使其得到系統設定的溫度數值。利用室內空調使得環境溫度處于不同的溫度值，記錄封閉箱體內部溫度變化數值，具體如表1所示。

表1 系統設定溫度為30℃時不同環境溫度下最終調節溫度數值

按照上述方式，將系統溫度設定為15℃，再次利用室內空調使得環境溫度處于不同溫度值，記錄封閉箱體內部溫度變化數值，如表2所示。

表2 系統設定溫度為15℃時不同環境溫度下最終調節溫度數值

從上面兩組試驗可以看出，不管是將系統溫度設定為30℃還是15℃，當改變環境溫度至不同數值時，基于PLC的溫度自動控制系統都能夠準確控制封閉箱體內部溫度，達到了溫度自動控制與調節的目的。

另外，為了更加詳細地掌握基于PLC的溫度自動控制系統運行過程，證明設計系統的可靠性與實用性，本文再次進行試驗驗證，針對基于PLC的溫度自動控制系統進行長時間的數據采集以及溫度控制能力分析。每隔一段時間改變室內空調溫度，或者關閉空調，使得環境溫度處于不斷變化中，對封閉空間內的實時溫度進行采集，得到如圖2、圖3所示的溫度實時監控圖。

圖2 系統設定溫度為30℃時的實時監測溫度

圖3 系統設定溫度為15℃時的實時監測溫度

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

5 結語

綜上所述，伴隨著我國社會經濟的快速發展，生產制造水平越來越高，相應地對設備溫度控制精度的要求也不斷提高，傳統的溫度控制方式已經難以滿足現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，本文設計的基于PLC的溫度自動控制系統在不同環境溫度下始終可以保持在系統設定的溫度數值附近，同時還可以實現長時間地保持，能夠實現對溫度的收集和自動調節，穩定性好、抗干擾性能優越，表現出良好的應用價值。