基于PLC與觸摸屏的溫度測控系統設計

江文藝，李 娟

（陽江喜之郎果凍制造有限公司，廣東陽江 529900）

0 引言

由于工廠的生產設備需要用電，在設備的溫度控制中采用電加熱方式時無需額外增加熱源供應設備，因此電加熱是設備溫度控制中使用最多的一種加熱方式；在使用電加熱的設備中，食品灌裝封口機和食品包裝機的溫度控制要求比較高，由于食品生產企業設備較多，各種規格型號的電熱管都有，如果在更換電熱管時不小心安裝了同尺寸但功率大很多的電熱管，容易造成溫度超調包裝封口難以撕開；另一方面食品灌裝封口機和食品包裝機的電熱管基本都是安裝在運動的封口金屬壓塊上，封口時金屬壓塊進行相對的開合運動，帶動電熱管的供電線路一起跟隨搖擺，容易造成電熱管內部或外部的回路不良，甚至發生外部回路的帶電導線斷開故障，該類故障不能被立即發現處理，容易引起產品封口不良，另外由于回路斷開的導線帶電，當操作人員不慎觸及帶電導線時，容易發生觸電或引發危及人身安全的二次事故。

根據相關文獻，如三菱PLC在電加熱與溫度控制中的應用[1]、基于模糊PID在餅干生產線溫度控制的研究[2]、基于增量式PID算法的溫度調節控制系統設計[3]、基于S7-1200的溫度測控系統設計[4]、熱成型包裝機械的溫度控制[5]、電加熱爐溫度控制系統的硬件設計[6]、PIDPWM技術在食品封裝機溫度控制中的應用[7]、歐姆龍溫度控制單元在膠囊自動生產線上的應用[8]、基于模糊內模-PID的包裝機熱封切刀溫度控制[9]、基于模糊PID的包裝機熱封切刀溫度控制[10]，對如何提高溫度控制的精度與穩定性進行了不同的控制系統軟硬件設計及PID算法的研究，驗證了采用不同的軟硬件控制及PID算法可以提高溫度控制的精度與穩定性。如今在電加熱方式的溫控系統中，發現影響溫控精度與穩定性不單與控制系統的軟硬件及PID算法有關，當被控制的電熱管負載回路不正常、電熱管功率過大，這些系統不能進行相應的檢測控制。針對上述問題，提出了基于PLC與觸摸屏的溫度測控系統設計，為電加熱方式的溫度控制提供一種新的參考思路。

1 系統硬件與原理

系統主要由三菱FX3U-48MT可編程序控制器、三菱FX3U-CNV-BD擴展板、三菱FX3U-485ADP-MB通信模塊、威綸通TK6071IP觸摸屏、富士PUMATCC1-0BC00溫控模塊、富士CTL-6-S-H電流檢知器、K型熱電偶組成。其中PUMATCC1-0BC00溫控模塊的型號含義為4通道控制模塊，所有輸入通道的類型均為熱電偶/電阻體，所有輸出通道的類型均為SSR固態繼電器驅動輸出，附加規格1為8點CT輸入，PUM系列模塊采用最適用于大容量通信的ModbusRTU協議，最高通信速度可達115.2 kb/s，用戶可以根據需要選擇對映射表分散的參數地址匯集成連續的用戶分配地址，以縮短通信時間實現高效率通信[11]。

在加熱控制過程中，由熱電偶實時測量對應回路的封口壓塊溫度值，電流檢知器實時測量對應回路的加熱器工作電流，熱電偶與電流檢知器的測量信號接入溫控模塊，由系統自動進行對比判斷，發生異常時進行相應的控制保護。

2 電路與接線圖

根據溫度測控系統設計的功能，設計的主電路如圖1所示，溫控模塊接線如圖2所示。其中：QF1為溫控1至溫控4加熱器的電源總開關；KA1、KA2、KA3、KA4為對應控制溫控1至溫控4加熱電源的繼電器，KA1至KA4繼電器由PLC的輸出點Y11至Y14分別對應控制；SSR1、SSR2、SSR3、SSR4為對應控制溫控1至溫控4電熱管加熱的固態繼電器，SSR1至SSR4由溫控模塊驅動；CT1、CT2、CT3、CT4為對應溫控1至溫控4電熱管的電流檢知器，CT1至CT4的輸出端分別匯集至溫控模塊CN1輸入插座對應的引腳；R1、R2、R3、R4為對應溫控1至溫控4的電熱管；TC1、TC2、TC3、TC4為對應溫控1至溫控4的測溫熱電偶。

圖1 主電路

圖2 溫控模塊接線

3 軟件設計

3.1 參數設定

將PUMA模塊的站點編號設定開關打至0，然后使用PUM loader參數加載軟件進行設定，在模塊分類選擇對話框中選擇“控制/事件/模擬模塊”，然后在模式選擇對話框中選擇“從模塊讀取”并點選“模塊連接指定”，把站點定義中對站點編號1處的框點選后確定，進入到參數設置界面，在該界面左邊的樹狀選擇菜單中，在“控制模塊→參數→設定”中設定“PV輸入類型”為7、“小數點位置”為1；在“控制模塊→參數→系統”中設定“DO1輸出事件種類設定”為64、“DO2輸出事件種類設定”為67、“CT輸入端子選擇”為AA排列，選擇“控制模塊→參數→通信”的參數進行設定，完成上述設定后下載到控制（溫控）模塊中，控制模塊參數的通信設定如圖3所示。

圖3 控制模塊參數的通信設定

三菱FX3U-485ADP-MB通信模塊的安裝在通道1，MODBUS的通信參數使用將LD M8411作為接點的MOV指令進行設定，本系統中通道1 MODBUS通信格式D8400設定為H10A7，通道1 MODBUS協議D8401設定為H1，通道1 MODBUS從站響應超時D8409設定為K2000，通道1 MODBUS播放延遲D8410設定為K400，通道1 MODBUS請求間延遲D8411設定為K10，通道1 MODBUS重試次數D8412設定為K20。

3.2 觸摸屏畫面設計

觸摸屏采用威綸通EasyBuilder Pro[12]軟件進行畫面設計，畫面主要有溫度監控、自整定與電流設定畫面，其中溫度監控畫面可以進行溫控1至溫控4的實際溫度顯示、溫度設定、上偏差溫度設定、下偏差溫度設定、加熱開關，自整定與電流設定畫面可以進行溫控1至溫控4的PID參數顯示、溫控整定開關、實測電流顯示、斷線電流設定、短路電流設定，對兩個畫面的參數設定、自整定按鈕設置了不同的操作管理密碼，由相應層級的人員進行管理，防止設備操作人員進行非法操控。溫度監控畫面如圖4所示，自整定與電流設定畫面如圖5所示。

圖4 溫度監控畫面

圖5 整定與電流設定畫面

3.3 PLC程序設計

PLC程序采用三菱GX Works2[13]編程軟件進行設計，PLC的控制程序包括圖6所示的溫控模塊參數讀出控制、圖7所示的溫控模塊運行與待機控制、圖8所示的溫度與電流設定控制、圖9所示的PID自動整定控制、圖10所示的斷線與短路檢測控制、圖11所示的高低溫報警控制等，PLC與所對應從站溫控模塊通信的數據讀出/寫入，通過ADPRW[14]專用指令完成。

圖6 溫控模塊參數讀出控制

圖7 溫控模塊運行與待機控制

圖8 溫度與電流設定控制

圖9 PID自動整定控制

圖10 斷線與短路檢測控制

圖11 高低溫報警控制

4 測試驗證與結果分析

（1）溫控模塊參數讀出控制：系統上電7 s后通過ADPRW指令自動進行參數的讀出，溫控1至溫控4對應溫控模塊的通道1至通道4，通道1至通道4的實際溫度分別放置于D2101至D2104、運行/待機狀態分別放置于D2105至D2108、報警1-5狀態顯示分別放置于D2111至D2114、加熱器電流值分別放置于D2115至D2118、自動演算(自整定)執行指令分別放置于D2119至D2122、通信SV值分別放置于D2123至D2126、斷線電流報警設定值分別放置于D2127至D2130，通道1的PID放別放置于D2131至D2133、通道2的PID放別放置于D2134至D2136、通道3的PID放別放置于D2137至D2139、通道4的PID放別放置于D2140至D2142，短路電流報警設定值分別放置于D2201至D2204。

（2）溫控模塊運行與待機控制：M721為觸摸屏上的加熱切換開關位元件，M721為ON時溫控模塊運行，M721OFF時溫控模塊待機。按下觸摸屏上的加熱開關使M721為ON時，Y011至Y014動 作使KA1至KA4繼電 器先吸合，延時1 s后M491置位，將K0分別傳送給D2155至D5158，然后通過ADPRW指令將D2155至D5158的值分別寫入到溫控模塊的H10至H13（40017至40020）中，指令執行完畢對M491進行復位，溫控模塊處于運行狀態；按下觸摸屏上的加熱開關使M721為OFF時，M401置位，將K1分別傳送給D2155至D5158，然后通過ADPRW指令將D2155至D5158的值分別寫入到溫控模塊的H10至H13（40017至40020）中，指令執行完畢對M401和Y011至Y014進行復位，溫控模塊處于待機狀態。

（3）溫度與電流設定控制：D2173至D2176分別為觸摸屏上的溫控1至溫控4的溫度設定寄存器，D2177至D2180分別為觸摸屏上溫控1至溫控4的斷線電流報警設定寄存器，D2211至D2214分別為觸摸屏上溫控1至溫控4的短路電流報警設定寄存器，由各通道讀出的D2123至D2126溫度設定值與觸摸屏上的D2173至D2176溫度設定值一一進行比較、讀出的D2127至D2130斷線電流報警設定值與觸摸屏上的D2177至D2180斷線電流報警設定值一一進行比較、讀出的D2201至D2204短路電流報警設定值與觸摸屏上的D2211至D2214短路電流報警設定值一一進行比較，當比較結果不一致時將觸摸屏上的設定值寫入到溫控模塊的對應參數地址中。

（4）PID自動整定控制：M411至M414分別對應觸摸屏上溫控1至溫控4的自動整定切換開關，按下觸摸屏上的自動整定開關分別使M411至M414為ON時，通過ADPRW指令分別將D2169至D2172寄存器的值1寫入到溫控模塊的H1390至H1393（45009至45012）中，指令執行完畢將M411至M414對應的位進行復位，溫控模塊各通道根據指令進行PID的自動整定控制。

（5）斷線與短路檢測控制：其中S801至S804分別為對應溫控1至溫控4的熱電偶斷線報警位元件，S811至S814分別為對應溫控1至溫控4的斷線電流報警位元件，S815至S818分別為對應溫控1至溫控4的短路電流報警位元件；程序中D2101至D2104的各實際溫度值分別與K4200進行比較，實際溫度值等于K4200時，S801至S804對應的位為ON，此時產生對應的熱電偶斷線報警停機；程序中D2111至D2114的各報警1-5狀態顯示分別與K257進行比較，報警1-5狀態顯示值等于K257時，S811至S814對應的位為ON，此時產生對應的加熱器斷線報警停機、Y011至Y014對應的位復位切斷電源；程序中D2111至D2114的各報警1-5狀態顯示分別與K514進行比較，報警1-5狀態顯示值等于K514時，S815至S818對應的位為ON，此時產生對應的加熱器短路報警停機、Y011至Y014對應的位復位使繼電器斷開切斷電源。

（6）高低溫報警控制：M11為溫控模塊運行狀態的位元件，D2146與D2147分別為觸摸屏溫控1的上偏和下偏設定寄存器，D2160與D2161分別為溫控1上下限溫度寄存器，S821與S822分別為溫控1高低溫報警位元件；D2148與D2149分別為觸摸屏溫控2的上偏和下偏設定寄存器，D2162與D2163分別為溫控2上下限溫度寄存器，S823與S824分別為溫控2高低溫報警位元件；D2150與D2151分別為觸摸屏溫控3的上偏和下偏設定寄存器，D2164與D2165分別為溫控3上下限溫度寄存器，S825與S826分別為溫控3高低溫報警位元件；D2152與D2153分別為觸摸屏溫控4的上偏和下偏設定寄存器，D2166與D2167分別為溫控4上下限溫度寄存器，S827與S828分別為溫控4高低溫報警位元件；溫控模塊運行狀態時，當溫控1至溫控4中有實際溫度等于或超過對應的上限下限溫度時，使對應的高溫報警或低溫報警元件為ON而報警停機。

根據電熱管實際功率進行斷線電流報警和短路電流報警的設定，由溫控模塊自動演算完成PID參數的自整定后，根據生產工藝進行各溫控回路的溫度設定，實現了精準的溫度控制，各回路實際溫度控制在溫度設定值的±1℃范圍內；特別是在溫度控制過程中，當電熱管功率下降與回路不良斷線等情況使檢測到回路電流小于斷線電流設定值時，當更換了大功率的電熱管等情況使檢測到回路電流大于短路電流設定值時，系統立即報警停機并同時通過繼電器切斷相應回路的供電電源，避免了產生封口不良品和發生意外觸電事故，提高了電加熱方式溫度控制系統的穩定性與安全性。

5 結束語

為解決食品包裝機的溫度控制系統，當出現電熱管功率下降、外部供電回路發生斷線等情況，容易引起產品封口不良甚至發生意外等問題。本文采用PLC、觸摸屏、溫控模塊、電流檢知器等控制設備，設計了一套基于PLC與觸摸屏的溫度測控系統，經過系統功能測試，實現了溫控模塊的PID自動整定控制、加熱器回路斷線與短路保護功能，在溫度控制過程中對電熱管工作電流和熱電偶回路進行檢測，并與系統設定值進行對比控制。當電熱管發生回路不良斷線使回路電流小于斷線電流設定值、更換了大功率電熱管使回路電流大于短路電流設定值，立即報警停機并切斷該回路供電電源，提高了電加熱方式溫控系統安全性與可靠性，具有很好的推廣應用價值。