PLC对温度数据的采集与控制

摘 要：工控现场常遇到对温度的监控，而对温度数据的采集和控制是解决问题的关键。通常工控现场使用PLC(可编程序控制器)作为系统的控制核心，温度变量经温度传感器(热电偶或热电阻) 采集后,送入PLC的特殊功能单元――温度模块(变送器+模数转换),温度模块对采集到的温度模拟量数据(电压或电流)自动进行模数(A/D)变换,最后转变为PLC可读的数字量(16进制数,以二进制数存放),通过对PLC编程可实现对读入的温度数据进行单位转换和数模(D/A) 转换,根据工业现场需要,编制相应的PLC 处理程序,可对温度进行开环或闭环控制及实现温度对其他设备的跟随控制。

关键词：快闪存储器；热电偶；热电阻；变送器；模数转换

中图分类号：TP216 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1717703

Collecting and Control of Temperature Data by PLC

ZHU Qinghui,WANG Zhikui

(Nanyang Insititute of Technology,Nanyang,473004,China)

Abstract：The monitoring and control of temperature in industrial control field is often met.The collecting and control of temperature data is the key to solve problems.Usually,PLC is a system′s control core and temperature variable collected via temperature sensors(thermocouples or thermal resistors)can be sent to the special function unit of a PLC,namely,temperature module (converting apparatus plus anologdigidal conversion).Temperature module converts the detected temperature anolog data (voltage or current) into digital data automatically(which can be read by a PLC finally).A PLC can process the units of the temperature data and convert the digital data into corresponding voltage or current by internal program.One can design certain PLC program with the need of the industry field to control the temperature in open-loop or close-loop and control other facilities by using of the converted temperature data from time to time.

Keywords：flash memory;thermocouple;thermal resistor;converting apparatus;anolog digital conversion

1 引 言

工控现场离不开温度控制，温度数据的采集通常由温度传感器热电偶、热电阻来完成，而温度数据的变换与处理方法很多，可用温度仪、工控机、可编程序控制器(又称PLC)等。其中可编程序控制器对温度处理硬件实现可通过模块化来实现，编程也很简练，是理想的选择。PLC还可对温度进行模数和数模转换，输出对应的模拟量进而实现对温度及其他设备的在线控制。

可编程序控制器PLC对温度传感器(热电偶、热电阻) 的数据进行采集与处理时,温度变量经温度传感器送入PLC 的温度模块(变送器+ 模数转换),转换后的数字量可被PLC以字(word) 的形式直接读出,根据用户所需,在PLC存储器内编制相应的梯形图程序,对温度进行单位转换和数模转换,进而实现对温度的开环或闭环控制及温度对其他设备的跟随控制。本文以OMRON小型PLC为例为说明对温度数据的采集和处理。温度数据采集和控制系统流程如图1 所示。

2 OMRON小型PLC简介

自从20世纪70 年代可编程序控制器诞生之后,经过不断更新和完善,在工业控制领域得广泛的应用,传统的继电接触逻辑控制已无法与其相比。OMRON 小型机具有与大中型机同等的数据运算、处理和组网能力,并且日益向模块化方向发展,I/O 模块不仅仅局限于数字量,还有温度数据采集与转换模块、上位机链接模块及现场总线等通讯模块,可方便地与OMRON 各种可编程终端(触摸屏/人机界面) 连接,为工业控制现场提供更加完善的解决方案。现在流行的OMRON 小型PLC有 CPM1A、CPM2A和CPM2C(超薄型),三款PLC功能渐增,体积渐减,都可通过侧挂功能模块来实现功能扩展,I/O 可通过扩展由本机CPU 的20～60点增加到100～140 点；程序后备为快闪存储器,无需电池支持,基本指令扫描时间仅为172 μs,外部中断响应时间在13 ms 以下；本机带有5 kHz 和215 kHz 的单相和三相高速脉冲输入计数功能,并有2 kHz以上的单脉冲输出功能。

3 温度模块TS101DA对温度的采集及PLC对温度数据的处理

CPM1A及CPM2A可挂接的温度模块种类很多,其中CPM2A-TS101DA，CPM1A-TS001/002 分别连接由铂热电阻和热电偶传送来的温度信号,尽管每个CPU 可允许连接3个扩展单元,但同样功能的模块只能连接其中一种,且最多连接两个同种模块。如图2 所示,TS101DA 可接两路铂热电阻,并且带有两路模拟量输出Vout(电压)和Iout(电流),但只能选择其中一种。温度模块的输入与输出共占用PLC三个输入输出字,输入、输出地址字编号紧接PLC最后一个扩展单元,即温度模块的前一个功能模块单元(假设输入地址字n,输出m，则TS101DA的第一路输入(1A，1B，1B)地址字为n+1,第二路输入为n+2,输出Vout和Iout共用一个地址字m+1。

TS101DA 的温度输入范围为-40～+20 ℃,对应的Pt100 阻值分别为8 213 Ω和19 411 Ω，模拟量输出的D/A线性比例关系见图3。

TS101DA 模块的电流输出为4～20 mA,电压输出范围有两种,分别为0～10 V和-10～10 V,可通过设置控制字来选择输出电压的范围,如表1 所示。

控制字设置输出电压(电流)范围FF000～10 V或4～20 mAFF01-10～10 V或4～20 mA

控制字在PLC第一个扫描周期必须写入对应的模拟量输出通道m+1,否则整个模块无法工作,即使不用模拟量输出。为了避免控制字被覆盖,后续程序中如果向该通道写入数据,应在第一个扫描周期之后。如:

铂热电阻采集到的温度数据经TS101DA 内的变送器和数模转换后,可被PLC从对应的输入通道中读出。TS101DA 内的温度字的格式如表2所示:

TS101DA 输出的温度字格式共有16位，其中0～13位为二进制温度数据，13为最高位；第14位为温度数据的符号位，“0”表示正温度数据，“1”表示负温度数据；第“15”位为报警位，“0”表示温度在允许范围内，“1”表示温度超出允许范围。

PLC通过MOV指令把n+1或n+2通道采集到的温度数据读入指定的内部数据存储区DM中，如温度为正,把0～13位转化为BCD 码,如果为负(负数以补码形式存放),取反加1后,再将0～13位转化为相应的BCD码。

另外常用的接热电偶的温度模块有TS001/002，温度范围通过模块内的旋转开关(0～F) 来设定,该模块可选两种温度单位℃和°F,通过模块内的DIP 开关SW1 来设定温度单位和所测温度的精度(单精度精确到011 ℃或011 °F,双精度精确到0101 ℃或0101 °F)。采集到的温度仍为二进制数,但BCD 转换后的是带有小数位的十进制数,需×10 或×100 才为真正的温度值。如读入温度# 2134 (二进制),即十进制的8500,如DIP 开关SW1 的1 位设为OFF,2 位设为OFF,则为850 ℃；2 位变为ON,则为85 ℃。双精度数据占用两个输入通道,即两个字,在转换为BCD 码时,需用双字转换指令(CPM2A 有) BCDL 。当读入的温度输入数据为#7FFF 时,说明输入开路或温度超出设置范围,#7FFE 为模块正在初始化状态。编程处理温度数据时尤其应该注意。下面是一段对OMRON PLC 对温度模块TS001/002采集的数据的处理程序：

4 结 语

PLC对温度数据采集有单精度及双精度(分时采集)两种格式，误差在0.1～0.01 ℃范围内，控制准确可靠。通过PLC内部程序处理还可输出模拟量来控制其他设备，PLC与温度模块及传感器对温度数据的采集和处理可以达到工控现场温度控制的理想要求。

工控现场对温度的检测与处理应用非常广泛,而温度传感器的主要对象为热电阻和热电偶,使用PLC对温度数据进行处理和变换,硬件连接方便,软件也易实现,通过输出模拟量还可进一步实现精确调温或其他控制。

参 考 文 献

［1］殷华文,朱清慧.可编程序控制器及工业控制网络.西安:西安地图出版社,2001.

［2］王魁汉.温度测量实用技术.北京:机械工业出版社,2007.

［3］徐滤非.PLC在温度控制系统中的应用.现代电子技术,2004,27(13):62-63.

作者简介 朱清慧 女，1968年出生，南阳理工学院副教授。主要研究方向为检测技术及自动化装置。