一、恒溫控制裝置的工藝過程及控制要求

    圖8-13為恒溫水箱控制裝置的構(gòu)成示意圖。它由恒溫水箱箱體、加熱裝置、攪拌電動機(jī)、冷卻器、冷卻風(fēng)扇電動機(jī)、儲水箱、溫度檢測裝置、溫度顯示，功率顯示、流量顯示、閥門及有關(guān)的狀態(tài)指示器等部件構(gòu)成。恒溫水箱在工廠或?qū)嶒?yàn)室為使用者提供恒溫水環(huán)境。

    圖8-13    恒溫控制裝置構(gòu)成示意圖

    恒溫水箱控制系統(tǒng)要求控制水溫保持在20～80℃之間的某整數(shù)設(shè)定值。設(shè)定值可通過兩位撥碼開關(guān)設(shè)定。當(dāng)水溫低于設(shè)定值時(shí)。采用電加熱升溫，加熱功率約1. 5kW。當(dāng)水溫高于設(shè)定值時(shí)，放部分熱水到儲水箱中并從儲水箱中泵入冷水，當(dāng)儲水箱中水溫高于設(shè)定值時(shí)，啟動冷卻風(fēng)扇并使水流經(jīng)冷卻器。水箱的攪拌器是為了水溫均勻而設(shè)的。兩個(gè)液位檢測開關(guān)分別用來檢測水的深度。其中下部液位開關(guān)置1表示箱中水達(dá)到可以工作的最低水位。上部液位開關(guān)置1表示箱中水已滿。系統(tǒng)水箱控制系統(tǒng)設(shè)有三處溫度傳感器，分別用于測量恒溫水箱的水溫、儲備水箱中的水溫及水箱入水口處的水溫。溫度傳感器為模擬量傳感器，測量范圍為0～100℃，輸出0～10V DC電壓量。系統(tǒng)中水的流動可采用電磁閥或手動閥開關(guān)控制。閥門1用于將恒溫水箱中水放入儲備水箱，閥門2及閥門3用于將儲備水箱中水泵入恒溫水箱，這里有兩條通道，當(dāng)閥門2及閥門3通電時(shí)水流經(jīng)冷卻器，不通電時(shí)不流經(jīng)冷卻器。這三只均為電磁閥。手閥用于應(yīng)急時(shí)的一些操作。管路中設(shè)有水泵，為水流動提供動力，水的流速由葉輪計(jì)量并通過PLC顯示，不用于自動控制。系統(tǒng)要求為恒溫水箱水溫、儲水箱中的水溫、水箱入水口處的水溫，水的流速及加熱功率5項(xiàng)數(shù)據(jù)設(shè)置兩位LED數(shù)值顯示。三只電磁閥的通、斷狀態(tài)，攪拌電動機(jī)和冷卻風(fēng)扇電動機(jī)的工作狀態(tài)設(shè)指示燈顯示。系統(tǒng)還要求具有報(bào)警功能，如當(dāng)啟動泵時(shí)無流量，或加熱時(shí)無溫度變化則發(fā)出報(bào)警信號。

    綜合以上控制要求，本系統(tǒng)的工作過程可以是這樣的：當(dāng)設(shè)定水溫后（在撥碼開關(guān)上設(shè)定溫度后按設(shè)定按鈕完成設(shè)定），如水箱中水少則啟動水泵向恒溫水箱中注水，當(dāng)水位達(dá)到水箱下部液位開關(guān)時(shí)啟動攪拌電動機(jī)，測量水溫并與設(shè)定值比較；若溫度小于設(shè)定值，則開始加熱。若水溫高于設(shè)定值時(shí)，進(jìn)冷水，當(dāng)儲備水箱水溫高于設(shè)定值時(shí)，采用進(jìn)水與風(fēng)機(jī)冷卻同時(shí)進(jìn)行的方法實(shí)現(xiàn)降溫控制。當(dāng)水溫高于設(shè)定值且水箱水位達(dá)到上部水位時(shí)放掉部分熱水。

    二、控制方案分析

    由系統(tǒng)的工藝過程及控制要求知，本系統(tǒng)的工作實(shí)質(zhì)是根據(jù)恒溫水箱及儲備水箱中水的溫度，決定系統(tǒng)的工作狀態(tài)：或加熱攪拌，或經(jīng)兩個(gè)路徑（冷卻及不冷卻）為恒溫箱供入冷水。由于溫度傳感器為模擬量傳感器．系統(tǒng)中三處溫度對應(yīng)的模擬量均需變換為數(shù)字量供PLC運(yùn)算處理。為了提高加熱的快速性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加熱擬采用可調(diào)壓的可控電源，且電源的功率采用PID規(guī)律調(diào)控。可調(diào)壓電源為電壓量控制方式。這樣系統(tǒng)輸入及輸出均需模擬A／D、D/A轉(zhuǎn)換單元。本系統(tǒng)中還有流量顯示要求．?dāng)M選用葉輪式流量計(jì)，并用PLC的高速計(jì)數(shù)器對流量計(jì)輸出脈沖汁數(shù)的方式測定流量。

    為了方便溫度、流量、功率的顯示并減少投資。擬采用同一組輸出口驅(qū)動數(shù)碼顯示器分時(shí)完成5處顯示，譯碼片選信號也用PLC的輸出口控制。從總體控制功能來說，系統(tǒng)為溫度值控制下的加熱或冷卻系統(tǒng)，輸入量為溫度值、液位值、流量值，輸出為攪拌電動機(jī)、冷卻風(fēng)扇電動機(jī)及電磁閥的動作與自動調(diào)節(jié)的加熱功率。

    三、系統(tǒng)的配置及I/O地址表

    統(tǒng)計(jì)本系統(tǒng)的輸入信號有啟動開關(guān)、停止開關(guān)、液位開關(guān)、流量檢測信號、溫度傳感信號等。輸出的控制對象有水泵、水閥、冷卻風(fēng)機(jī)、攪拌電動機(jī)、加熱裝置及溫度顯示裝置等，主要輸入、輸出器件的名稱見表8-6所列。結(jié)合輸入、輸出信號及控制功能，本系統(tǒng)選用CPU226DC/DC/DC型PLC一臺，擴(kuò)展8數(shù)字量輸出EM222及4模擬量輸入1模擬量輸出EM235各一臺構(gòu)成控制系統(tǒng)。選用晶體管輸出型PLC是基于輸出口連接的數(shù)碼管動態(tài)顯示的需要。恒溫水箱控制裝置的I/O地址及接線圖如圖8-14所示。三只電磁閥的通、斷狀態(tài)，攪拌電動機(jī)和冷卻風(fēng)扇電動機(jī)的工作狀態(tài)指示燈均采用PPLC機(jī)外安排．直接并接在接觸器或繼電器的線圈上，未在圖中表示。

    表8-6    恒溫控制系統(tǒng)輸入、輸出器件及地址安排

    圖8-14    恒溫控制裝置梯形圖

    四、控制程序及說明

    控制系統(tǒng)軟件用程序語言描述系統(tǒng)的工作任務(wù)。結(jié)合恒溫水箱的工作內(nèi)容。程序有以下兩大任務(wù)。

    (1)完成系統(tǒng)設(shè)置，完成傳感器送來數(shù)據(jù)的處理，并轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)工作所需格式，安排輸出數(shù)據(jù)的工作方式等。本例中指擴(kuò)展模塊工作狀態(tài)的設(shè)置及檢查，三處溫度及流量值的讀人與處理，顯示機(jī)構(gòu)的安排等。本項(xiàng)工作類似于系統(tǒng)工作前的準(zhǔn)備。

    (2)系統(tǒng)正常工作時(shí)的調(diào)控過程。本例中指水泵、風(fēng)機(jī)、閥門的控制過程。

    經(jīng)刪減簡化的控制程序如圖8-15～圖8-17所示。由于程序內(nèi)容較多，本例采用主子程序結(jié)構(gòu)。其中主程序規(guī)劃子程序的執(zhí)行。子程序0完成系統(tǒng)初始化，子程序1完成模塊檢查，子程序2為輸人數(shù)據(jù)的處理，子程序3完成系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制過程，子程序4為輸出顯示。以上子程序中，從任務(wù)出發(fā)分類，只有子程序3是屬于任務(wù)2的。其余均為任務(wù)1的。

    以上程序中，子程序0初始化完成了數(shù)據(jù)區(qū)清零，設(shè)置采樣次數(shù)及設(shè)置高速計(jì)數(shù)器的工作。高速計(jì)數(shù)器是PLC配置的用于機(jī)外高頻脈沖計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器，本例中流量脈沖從I0.0口中輸入PLC，由高速計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間的脈沖數(shù)并換算為流量。

    圖8-15    恒溫水箱主程序及子程序0、子程序1、子程序3

    圖8-16    恒溫水箱子程序2

    圖8-17    恒溫水箱子程序4

    以上程序中子程序2完成溫度及流量數(shù)據(jù)的處理任務(wù)。本例中溫度值安排了平均值計(jì)算，為128次采樣數(shù)據(jù)相加再取平均值，這可以提高采樣的準(zhǔn)確性。溫度值為了與給定及顯示對應(yīng)，采用了二位整數(shù)，為安排的四舍五人的計(jì)算。

    子程序3為工作過程控制。主要是以溫度，液位控制閥門及電動機(jī)的工作。這部分程序看來比較簡單。程序的安排主要根據(jù)表8-7進(jìn)行。表中工作水位指達(dá)到水箱下部液位開關(guān)位置及以上。低水位為未達(dá)到水箱下部液位開關(guān)位置，高水位為達(dá)到水箱上部水位開關(guān)位置。溫度的高低都是相對溫度設(shè)定值而言的。“●”為該項(xiàng)輸出工作。表8-7是由恒溫水箱的工作過程分析繪出的。

    表8-7    恒溫水箱各工況輸入／輸出量邏輯關(guān)系表

    注：●-該項(xiàng)輸出工作。

    子程序3中的溫度控制方法主要是比較指令．這在數(shù)據(jù)控制中是很常見的。

    子程序4為加熱及顯示控制。本例中加熱功率的大小為PLC模擬量輸出電壓控制。本例采用了查表法PID。這里的表指的是由加熱裝置的觸發(fā)特性及PID控制要求設(shè)定的一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的選擇由溫差控制。因而子程序4中有溫度差計(jì)算及乘2的內(nèi)容。查表則指由溫度差決定的送數(shù)大小，大小不同的數(shù)送到模擬量輸出單元后即可使圖8-14中轉(zhuǎn)換單元輸出不同的功率。

    子程序4中溫度、流量及功率的顯示是分時(shí)的。這主要通過移位指令實(shí)現(xiàn)。另外報(bào)警有關(guān)程序已略去。

    雖經(jīng)簡化，程序仍較長，為了方便閱讀，特將程序中所用存儲單元用途列表如表8-8所示。

    表8-8    恒溫水箱程序中使用的主要存儲單元