PLC在温度自动控制系统设计中的应用研究

吴燕峰

（闽江师范高等专科学校，福建 福州 350018）

0 引言

温度是日常生活、生产以及工业控制等活动中非常关键的一个受控参数，例如人们平时生活中经常使用的冰箱、空调等，工业生产制造中使用的锅炉、热处理设备等，均需要对温度进行合理的管控。从现阶段工业生产制造过程中对温度管控的现状来看，通常依托于位式调节器与PID控制器等途径来实现对设备内部温度的调节[1]，但是其在具体运用时会存在一定的问题。比如，当处于较高温度区间时，位式温度调节器的控制精度较低，容易导致实际温度大于设定的温度，给生产制造过程带来较大的安全问题。相应的PID控制器比卫视温度调节器拥有更好的控制精度，然而也存在一些问题，如当受控变量变化幅度较大时，该控制器便无法精准控制温度，使得控制器工作状况不能够处于良好状态，降低了控制器温度控制的准确性[2]。为此本文提出了利用PLC来实现温度的自动控制的设计思路，拟发挥PLC技术优势，依托于内部控制各项指令，通过PLC获取实际环境温度，然后和系统设定温度数值进行比对，根据分析与计算的结果，向温度控制电路传达特定指令，实现对温度的精准控制。

1 系统整体架构

在进行该系统设计过程中，使用的温度传感器型号为DS17B21型数字温度传感器，向外输出的是数字信号[3]。这种温度传感器为DALLAS单线传感器中的一种，额定温度测量范围为-55～129℃，额定工作电压为3.0～6.3V。这种温度传感器不仅拥有良好的抗干扰性能，同时只需要占用一个I/O端口，进而能够很好地减少控制芯片的I/O端口数量[4]。

PLC控制器使用的是西门子公司生产制造的小型S6-175控制器，该控制器在一些领域的检测与控制等自动化设施上有着十分广泛的应用。S6-175控制器需要提供的工作电压为24V，可以和传感器、变送器等进行直接相连，具有稳定性高、操作方式单一、通信水平优异与拓展模块多等应用优势，总体来说属于性能多样、性价比优秀的可编程逻辑控制器[5]。

使PLC技术与温度自动控制系统相互结合，可以得到系统整体架构图，具体如图1所示。

图1 基于PLC 的温度自动控制系统整体架构图

2 PLC设计

PLC在温度自动控制系统设计中占据了极其重要的地位，像环境温度数据的获取、温度数据的分析与温度控制部件的运行等都需要通过PLC技术来实现。

2.1 CPU设计

CPU通常涵盖了三个部分，分别是中央处理单元、电源模块、输入与输出端口[6]。在该系统设计中使用的CPU规格为CPU337，其中涵盖了27个输入端点以及18个输出端点，能够与8个扩展模块进行连接，同时包含了7个相互独立的33kHz计算器、3个互不干涉的18kHz高速脉冲输出与1个PID控制装置。

2.2 I/O控制端口设计

根据该系统需要实现的功能可以得知，在进行系统按键设置时应当要涵盖启动与停止按钮，此外该系统还拥有加热功能与制冷功能，由此最终得到I/O端口设计结果。

2.3 PLC软件运行方式

PLC运行程序主要是通过STEP 8-Micro/WIN基于计算机系统开展设计编译的[7]。PLC在首次接通电源之后会先进行初始化，得到系统设定的温度数值TI、最大温度偏差值Tmax以及最小温度偏差值Tmin。在正常工作过程中，系统会每隔一段时间收集一次传感器测得的温度数值，然后将真实环境温度数值T和系统设置温度数值TI进行比较，计算得出两者的温度差值T＇。当系统判定T＇数值处于Tmax与Tmin之间时，则不做任何动作，直接返回；假使T＇超过Tmax数值，则说明环境温度超过了设定的系统温度，这时启动制冷装置，降低内部温度；假使T＇小于Tmin数值，则说明环境温度低于系统设定温度，这时下达指令给加热装置，提升内部温度。

3 温度控制设计

由于这个系统必须要将温度管控在设定的区间内，所以不单单要有制冷功能，同时还需要拥有加热功能。

TEC2-11604属于半导体制冷片中的一种，这种芯片在连接上直流电源之后，电子先从负极开始，在通过P型半导体区域时吸收外界热量，然后在到达N型半导体区域时释放能量。由此可以看出，电子在经过每一个NP模组都会完成一次能量的吸收与释放，进而实现热量的传递，出现温度差，使得两端温度出现较大差异[8]。

TEC2-11604半导体制冷片具有诸多优势，第一，自身质量较轻、体积小巧，拥有良好的制冷性能；第二，制冷过程中不用借助制冷剂，安装便捷、使用周期长；第三，自身强度较好，能够抵御一定的冲击力与振动力，不仅能够制冷，还能够实现制热；第四，制冷部件一般为固态热泵，所以后期使用中省去了维护工作，同时可以很好地满足不同部位、环境的应用需求；第五，TE属于电流换能单元，可以有效管控输入电流大小，进而提高温度控制的精准性[9]。

由于TEC驱动电流能够进行正向与反向流通，因此当采用不同电流流通方向时，便能够得到制热与制冷两种效果。

4 系统测试

因为TEC2-11604半导体制冷片一般使用在封闭小空间中制冷与制热，所以在对本文设计的基于PLC的温度自动控制系统控制精度进行系统验证时，选用某个封闭的箱体作为试验环境，将温度传感器以及温度调整设施等固定到封闭箱体内部，并且依托于室内温度、室内空调、人工干预等途径改变整体环境温度。

将系统温度设定为30℃，利用室内空调改变外界环境温度，依托于PLC温度自动控制系统获取封闭空间内部温度数值，下达相应指令控制封闭箱体内部温度，使其得到系统设定的温度数值。利用室内空调使得环境温度处于不同的温度值，记录封闭箱体内部温度变化数值，具体如表1所示。

表1 系统设定温度为30℃时不同环境温度下最终调节温度数值

按照上述方式，将系统温度设定为15℃，再次利用室内空调使得环境温度处于不同温度值，记录封闭箱体内部温度变化数值，如表2所示。

表2 系统设定温度为15℃时不同环境温度下最终调节温度数值

从上面两组试验可以看出，不管是将系统温度设定为30℃还是15℃，当改变环境温度至不同数值时，基于PLC的温度自动控制系统都能够准确控制封闭箱体内部温度，达到了温度自动控制与调节的目的。

另外，为了更加详细地掌握基于PLC的温度自动控制系统运行过程，证明设计系统的可靠性与实用性，本文再次进行试验验证，针对基于PLC的温度自动控制系统进行长时间的数据采集以及温度控制能力分析。每隔一段时间改变室内空调温度，或者关闭空调，使得环境温度处于不断变化中，对封闭空间内的实时温度进行采集，得到如图2、图3所示的温度实时监控图。

图2 系统设定温度为30℃时的实时监测温度

图3 系统设定温度为15℃时的实时监测温度

由此可以看出，系统设定温度在30℃与15℃情况下，基于PLC的温度自动控制系统都能够长时间地保持封闭箱体内部温度处于较小的波动范围内，从而证明该设计系统是切实可行的。

5 结语

综上所述，伴随着我国社会经济的快速发展，生产制造水平越来越高，相应地对设备温度控制精度的要求也不断提高，传统的温度控制方式已经难以满足现阶段温度控制的精度要求，探索一种新型的温度自动控制方式十分重要。通过上述试验可以看出，本文设计的基于PLC的温度自动控制系统在不同环境温度下始终可以保持在系统设定的温度数值附近，同时还可以实现长时间地保持，能够实现对温度的收集和自动调节，稳定性好、抗干扰性能优越，表现出良好的应用价值。