芜湖西门子S7-300代理商

随着电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）已经由原来简单的逻辑量控制，逐步具有了计算机控制系统的功能。在现代工业控制中，PLC 占有了很重要的地位，它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制，存在控制精度低、超调量大等缺点，很难生产出高质量的塑料制品[1]。在一些热处理行业都存在类似的问题。为此，设计了较为通用的温度控制系统，具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。系统采用罗克韦尔SLC500系列PLC，通过PLC串口通信与计算机相连接，界面友好、运行稳定。

1 系统构成

　　基于PLC的温度控制系统一般有两种设计方案，一种是PLC扩展专用热电阻或热电偶温度模块构成，另一种是PLC扩展通用A/D转换模块来构成[2]。

　　1.1扩展热电阻/热电偶模块

　　在SLC500控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块—热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）。在此模块中温度模拟量产生对应的16位A/D数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，无需在硬件级电路上作其他处理。热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部变送器或外围电路，温度信号由热电阻采集，变换为电信号后，直接送人温度模块中。热电偶/毫伏输入模块（1746-NT4）的功能与热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）类似。系统如图1所示。

图1 扩展温度模块的温控系统

　　1.2扩展通用A/D模块

　　在PLC温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，因此温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。SLC500系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块有—2路差分输入/2路电压输出模块（1746-NIO4V），其A/D转换为16位。由A/D转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，而且其软件和硬件的设计也比较复杂。系统如图2所示。

图2 通用A/D转换模块温控系统

2 输入输出控制

　　比较而言用温度模块1746-NR4构建的PLC温控系统具有较好的控制效果。SLC500控制器的输入通道中一个热电阻模块多可以接4个温度热电阻温度传感器。输出通道为模拟量输出模块（1746NIO4V），其输出信号是电压信号，可以通过电压调整器控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。

　　在被控对象要求较高的控温精度时，SLC500控制器可以采用PLC自身具有的PID指令进行PID控制算法的研究[3]。SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：

　　输出=Kc[（E）+1/Ti∫（E）dt+Td·D（PV）/Dt]+bias

　　程序设计时，输入PID指令后，要输入控制块，过程变量和控制变量的地址。对于SLC500 PID指令，过程变量（PV）和控制变量（CV）两者的量度范围为0到16383。在使用工程单位输入时，必须首先把用户的模拟量范围整定在0-16383数字量度范围之内，为了实现这个目的，需要在PID指令之前使用数值整定指令（SCP指令）进行整定。整定原理如图3。

图3 数值整定原理

　　整定了PID指令的模拟量I/O范围，用户就能输入适用的小和大的工程单位。过程变量，偏差，设定点和死区将在PID数据监视屏上以工程单位显示。图4为PID指令的设置界面，表1为PID指令各参数的说明。

图4 PID模块在线参数设定与标志位

　　表1 PID模块参数说明

　　一般温控系统的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系统工作的大多数时间内，为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。在温度响应曲线的由初态向设定点的上升段过程中，大致采用三段控制。首先置电源为满开度，以大的功输出克服热惯性;接下来转入PID控制;接近设定点时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。基于以上要求，PID指令各参数可设置如表2所示。

　　表2 PID模块参数设定

　　温控系统中热电阻模拟量输入模块的电压信号范围一般是0—4124，SCP指令把它整定为0—16383的工程单位，将其值放入PV（过程变量）的内存地址N7:38中，把控制输出值放入N7:39当中。后用MOV指令把N7:39中的过程变量传递到1746NIO4V模拟量输出模块中。控制效果如下：（1）SP-PV≥50时，输出值为大值32767，使电压调节器开度大，即给加热器大电压供电，使被测对象温度快速上升。（2）SP-PV>-30和SP-PV<50时，输出为PID控制输出，此范围为PID参数调节的范围。（3）SP-PV<-30时，输出值为小值0，电压调节器开度为零，即停止加热。

3 显示扩展

　　PLC控制系统显示界面比较单调，一般是通过观察控制柜上的指示灯或PLC的LED灯来了解控制器状态，但对于温控系统这样的显示是不够的，需要采用数码管显示或PC显示。

　　采用数码管显示时，可以选用ZLG7289A芯片[4]，它与控制器采用3线串行接口，只需要占用SLC500的3个输出点，可以驱动8个LED数码显示管，同过级联可以扩展数码显示管的数量，实现多段实时温度显示。SLC500与ZLG7289A的连接如图5所示。

图5 ZLG7289A与SLC500及显示器的接口

　　图5中CS为片选输入端，此脚为低电平时，可向芯片发送指令;CLK是时钟输入端，;DATA是串行数据输入端，串行数据在时钟CLK的上升沿有效。8个段驱动信号SEG接每个显示器的段，8个位驱动信号DIG0—DIG7分别接显示器的共阴极公共地。

　　SLC500有RS232通信口，可以通过专用电缆与PC机相连。通过Rsview32软件的组态，PC机可以动态显示PLC传送的温度采集数据，还可以通过联网对多台PLC进行网络监控。

4 PLC与PC通信设计

　　4.1 PLC数据包的信息格式

　　SLC500与上位机进行数据交换是以二进制字节数据进行，它包含四种主要命：读命令，代码：01H;响应读命令，代码：41H;写命令，代码：08H;响应写命令，代码：48H[5]。故PLC数据包的信息格式如图6所示：

图6 PLC数据包的信息格式

　　DST：一个字节，信息接收方的节点号或文件号;

　　SRC：一个字节，信息发出方的节点号;

　　CMD：一个字节，命令类型如01H，41H，08H或48H;

　　STS：一个字节，通信状态，表示通信有无错误或错误类型，0为无错误;

　　TNS：二个字节，信息包的业务批号，可作为本信息的识别编号;

　　Addata：地址/字节数/数据，具体内容由不同的命令类型决定。

　　PLC与PC机的数据通信采用自由端口通信模式，参数设置成为波特率9600bps，每个字符8位数据，无奇偶校验。采用主从式通信协议，PC机为主机，只有PC机有权主动发送报文，PLC则采用报文接受数据。用RSLogix500软件对SLC500的串口进行如下设置：

　　1） set the module for full duplex BSC （DF1 full duplex）

　　2） set the module for bbbbbded response

　　3） set detect for automatic

　　4） disable duplicate packet detect

　　5） set the baud rate for 9600.

　　4.2 PC机程序

　　PC机采用VB编程，主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、温度数据库管理、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。通信参数设置程序如下：

　　With MSComm1 //通信参数设置

　　CommPort=1 //通信口COM1

　　Settings=“9600，年n，8，1” //波特率9600bps，无奇偶校验，8位数据，1位停止

　　bbbbbLen=2 //一次读取2个字节

　　bbbbbMode= comLnputModeBinary // 二进制数据格式

　　PortOpen=Ture //打开通信端口

　　End With

　　PC机采用中断方式接受SLC500传来的实时温度。即串口收到数据，VB通信控件会触发OnComm事件，在OnComm事件程序中接受数据并处理。一个温度数据为16位两个字节，SLC500传送温度数据时，按报文传送格式高低字节正好相反，因此，VB程序要对接收的数据进行处理，并按照SLC500温度采集的精度（1/8度）转换成温度值用于显示[6]。

5 结束语

　　本系统设计使用了PLC的热电阻温度采集模块，在上位机的控制下，对工业现场的温度进行实时的采集和监控。本文作者的创新点是，采用了罗克韦尔的SLC500控制器来实现整个系统的设计，并编程实现了SLC500控制器与计算机串口的实时通信。由于PLC可以适应环境恶劣的工业现场，故其使用范围十分的广泛。

一、概述 　

　　国家体育场（“鸟巢”）为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场，是奥运会场馆的代表，它在设计、施工和运行中所体现的“绿色奥运””科技奥运”理念，场馆和相关设施严格执行节能环保设计标准，在可再生能源与新能源利用、建筑节能、水资源保护和利用等方面采取了一系列有力措施。

　　“鸟巢”在设计中包含了一套规模很大的雨水深度处理回用系统，体育场内70%的供水由回用水代替，其中23%来自系统处理后的雨水；更引人注目的是，“鸟巢”使用了地源热泵，从土壤中吸收能量，用于补偿体育场空调系统等。地源热泵是一种使用可再生能源、节能、环保的系统，通过地埋换热管，冬季吸收土壤中蕴含的热量为“鸟巢”供热，夏季吸收土壤中存贮的冷量向“鸟巢”供冷。

二、地源热泵空调简介

　　地源热泵机组是一种利用再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型水冷式空调机组，由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置和其它制冷附件组成，是一种可以全天候运转的空气调节设备。地水源热泵利用地能或浅水层一年四季温度稳定的特性，冬季把地能作为热泵供暖的热源，把高于环境温度的地能中的热能取出来供给室内采暖；夏季把地能作为空调的冷源，通过能量转换地下热源转换成冷源。其原理是通过极少量的电能，实现能量的搬运转移。

　　由于于地下的温度在恒定在10—25度的，地源热泵机组的工况优于传统的空调的工况所以它能够更轻松的达到室内的温度要求和效果，所以地源热泵机组的能效比更高。因此，地源热泵空调更节能。

三、系统描述

　　国家体育场（“鸟巢”）为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场，地下3层，地上7层, 国家体育场地源热泵大型中央空调项目总体设计冷负荷为14533kw，采用地源热泵和冰蓄冷结合的形式。鸟巢地源热泵中央空调采用采用烟台冰轮和顿汉布什的制冷设备及系统，其电气控制主要采用施耐德的Micro 和Twido PLC，以及XBTGT触摸屏。

　　“鸟巢”地源热泵大型中央空调系统包含地源热泵机房控制系统和两台全封螺杆地源热泵机组。

四、电气控制系统结构与构成 

　　控制系统网络结构如上图所示，为三层网络结构。 

　　地源热泵机组选用Twido系列 PLC TWDLCAA40DRF及扩展模块，它本身所带的一个通讯口和XBTGT触摸屏相连。可以根据来自源热泵机房控制系统的给定信号进行启/停和能量自动调节，控制程序据负荷变化及变化率自动控制滑阀上载卸载，实现制冷能量无级调节，大限度降低设备能耗。通过人机界面可以设定压缩机的工作方式和运行参数，检查压缩机的运行状况，查看机组故障情况等。每一个PLC扩展一个通讯口，做MODBUS从站，连在MODBUS总线上，实现和源热泵机房控制系统PLC的通讯。

　　源热泵机房控制系统PLC选用MICRO系列PLC TSX3721001。MICRO系列PLC的通讯功能非常强大，支持MODBUS，UN-bbbWAY，以太网TCP/IP等多种通讯协议。控制系统完成制冷系统及相应循环水系统的控制，如制冷/制热模式切换，对冷媒水供水和回水的温度及压力，冷却水供水和回水的温度及压力，冷却水泵，冷媒水泵等的监控，系统PLC扩展一个TSXSCP114通信卡，做MODBUS主站，通过MODBUS网络和Twido PLC通讯，自动控两台制地源热泵机组开停，使空调系统按程序高效节能运转。

　　MICRO PLC TSX3721本身带两个通讯口，其中一个通信口和触摸屏连接，另外一个通信口和施耐德工业以太网模块TSXETZ410相连。TSXETZ410模块在此起到一个网桥作用，一端通过系统PLC交换数据，另一端通过TCP/IP以太网联接到鸟巢建筑智能系统上，从鸟巢建筑智能系统可以监控整个地源热泵中央空调系统的运行状况。

　　地源热泵机房控制系统控制柜的PLC为Micro系列, 配置为： CPU:TSX3721101+2块TSXAEZ801+2块TSXDMZ28DR+TSXDEZ32D2+TSXSCP114通讯卡+以太网模块TSXETZ410。

　　地源热泵机组制冷工况冷水设计温度为5/13度，制热工况热水设计供回水温度为55/50度。地下热源部分，冬季的设计供回水温度为5-2度，夏季为27/32度。每台压缩机制冷机组包含2台压缩机，共有一个制冷回路，由Twido PLC 核心进行控制的，通过数字量模块和模拟量模块采集传感器信号，可以实现根据负荷状况实现自动能量调节。配置为：TWDLCAA40DRF+TWDDRA8RT+6块TWDAMI2HT+TWDNAC485D+触摸屏XBTGT2110。

五、结束语

　　地源热泵等环保节能技术和设备，在奥运场馆中的成功应用，紧扣“绿色奥运”、“科技奥运”的主题，会促进在各个领域中充分推广利用。在国家体育场地源热泵大型中央空调系统中，使用了施耐德Micro 和Twido 序列PLC和XBTGT触摸屏,除了实现各工艺控制功能，网络通讯灵活且实现方便，具有开放的远程联网等是一大亮点，提高整个系统的性能，降低了操作维护成本。

MK9-5/PA8-5型卷接机组是我国引进较早数量较多的烟草设备之一，为英国莫林斯（MOLINS）公司70年代产品。其电气系统设计复杂，电气逻辑、模拟控制是以两组8088A微处理器为核心并由51块外露式专用电子线路板组成。由于该电气系统运行多年，设备老化，故障率相当高，给厂家造成许多不必要的损失。我厂在结合其现场实际情况并且经过大量调查研究后决定选用性价比极好的富士人机界面和可编程控制器及伦茨伺服控制器进行彻底改造该系统。

一、硬件组成

1 人机界面

选用富士UG220H-LC4，5.7寸STN单色八级灰度，可以与26个厂家的PLC直接通讯（正是由于其兼容性强才决定选用此产品），其编程方式简单易学，既使无知识也能快速掌握。能与多家温控表和变频器直接通讯，可以上挂以太网和直接驱动市售打印机。前面板防水等级达到IP65，运行温度为0-50摄氏度完全能够满足工业现场。产品型号齐全从5.7寸、7.7寸、10.4寸到12.1寸，单色、彩色、STN、TFT。

2 可编程控制器

选用富士NB1U56R-11（主机56点）和NB1W56R-11（扩展56点），该种机型结构紧凑输入输出点可以自由组合，只需轻轻插拔继电器即可调配输入/输出点。而且其主机还可以与NB2系列扩展兼容，同时可以带模拟量模块。其全中文的编程环境使编程者方便易懂。

3 伺服控制器

选用德国伦茨伺服控制器。

限于篇幅本文只对人机界面方面加以介绍，其它在适当时机发表后请专家读者指教。

二、软件实现

通过其专用的编程软件UG00S-CW在计算机上进行组态、调试下载到人机界面中，连接上通讯电缆后就可进行操作显示。人机界面运行时以自身程序对PLC进行读取、传送，不必担心它的引入而影响PLC的扫描周期。针对MK9-5/PA8-5机组的工艺流程本系统对人机界面功能做如下介绍：该系统画面分为监视画面、参数修改画面、点动测试画面、PLC组态画面、统计和帮助画面五部分。这五部分的操作通过人机界面上的F1---F5五个按键来实现操作翻屏，同时不影响F1---F5的其它功能（如调节背光灯的亮度）如图1。富士人机界面本身具有强大的编程指令----宏指令，此系统的所有弹出报警菜单程序均由人机界面本身完成。

1 F1监视画面

人机界面上电后自动进入此画面，此时其接受PLC的控制，屏幕上按时间顺序先后出现信息显示，如图2：

当主机电源开启后，只要主机运行条件不满足，屏幕左下角就会出现“开机请就绪”的信息，当按下“启动”按钮而主机运行条件仍未满足“开机请就绪”会连续闪烁3秒钟，此时触摸此区域会弹出一报警框，提示所出现的故障如：装机盘故障、拖纸器故障、油路阻塞……同时显示所发生故障的原因及消除的方式。如同时发生多个故障则按故障发生时间的先后顺序出现报警信息。如果调车按钮吸合屏幕上会出现“机器处于调车状态，请注意安全”的走马灯式信息。设备在正常运转过程中如发生报警则在主画面上会随时弹出报警信息。

2 F2操作及参数修改画面

此画面共计6屏，手控可改变画面开关、按钮状态，对工艺参数进行修改，进入参数更改画面时需键入正确的级别密码方可修改画面。操作画面如图3：

当PLC掉电后，以上1----6项受中间继电器（M）控制将被复位，7----10项受锁存继电器（L）控制保持原来的状态，只有手动触发才能改变其相应的状态。

操作修改画面中设置了高速刹车、低速刹车、打条器时间、给嘴、给纸、水松纸剔除等32个参数，下面以打条器时间和给嘴支数（开机自动给纸控制）说明，如下图：

3 F3点动测试画面

对PLC的全部输出点和部分输入点进行测试，对其功能的实现需在PLC运行主程序中加入测试程序，首先使主程序全部关闭，所有输出点复位为OFF状态，每一部操作在人机界面上均有提示信息，测试完毕后按“确认”键返回主程序。此功能对PLC执行器件的检查非常方便。

4 F4 PLC组态画面

对PLC的112个输入输出点进行ON、OFF状态的监视。

5 F5统计、帮助画面

此画面对生产产量、材料消耗、高速运行时间、停机时间进行统计，如果需要可以实时打印。同时，人机界面对设备的操作方法、维护注意事项等进行了详细的介绍。画面中还加入了留言板功能，方便于交接班时记录使用。

本系统是单台PLC与单台人机界面按1：1的方式通讯，单台人机界面还能与多台PLC通讯（1：N），此种方式适用于多台相对独立的单机联成机组的情况下，如烟草行业的包装机械；多台人机界面还能于单台PLC通讯（N：1），此种方式适用于占地面积庞大并由单台PLC控制的设备，如烟草行业的制丝线设备，使得在设备的多处监视其运转情况。