基于西門子1500PLC的溫（濕）度控制系統(tǒng)設(shè)計研究

李文斌

（上海東富龍科技股份有限公司，山西 大同 201108）

真空冷凍干燥技術(shù)（稱為冷凍干燥技術(shù)）是指在低溫下冷凍水溶液，然后將其中的水直接升華，而不會在真空狀態(tài)下變成液態(tài)，這確保了干燥后的物料具有基本的物理性能。并且化學(xué)性質(zhì)是恒定的。真空冷凍干燥技術(shù)可用于生產(chǎn)抗生素，抗毒素，干擾素，細菌，病毒，疫苗等。廣泛用于醫(yī)藥，化工，食品加工，科學(xué)研究和一些特殊部門。真空冷凍干燥產(chǎn)品具有天然和活性的優(yōu)點。它是具有高科技含量和高附加值的環(huán)保產(chǎn)品。冷凍干燥控制技術(shù)中應(yīng)用了一些新技術(shù)，使得冷凍干燥設(shè)備具有更好的工作功能，可以適應(yīng)更高的設(shè)置要求，并可以滿足更加復(fù)雜的控制環(huán)境。可以相信，這將對我國生物制藥，食品和其他工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生一定的推動作用。

1 PLC的特點

可編程控制器PLC有如下特點：（1）高可靠性、抗干擾性：PLC平均運行時間超過200000小時，無故障，可在溫度、濕度等不利條件下可靠運行。（2）模塊組合靈活：對于工業(yè)設(shè)施的各種信號，PLC具有相應(yīng)的I/O模塊，人機交互接口，網(wǎng)絡(luò)接口模塊和工業(yè)設(shè)備。（3）功能高：PLC既具有邏輯、時間、計數(shù)和其他連續(xù)控制功能，也具有算術(shù)、模擬處理功能，控制PID，交通控制，過程控制，網(wǎng)絡(luò)連接，遠程I/O，內(nèi)部和外部故障和高速數(shù)據(jù)處理，這是為了滿足復(fù)雜的工業(yè)控制要求。（4）編程簡單：大多數(shù)程序使用的梯形語言類似繼電控制電路，不需要計算機的專業(yè)知識；容易理解和掌握一般工程師。（5）安裝和維護簡單：安裝不需要特殊的機器空間和嚴格的保護，系統(tǒng)可以運行，如果所有的零件連接正確，每個模塊都有工作和故障檢測設(shè)備，大多數(shù)模塊可以連接在電壓下，更換方便，最大限度的空閑時間，為了使生產(chǎn)迅速恢復(fù)和快速工作。（6）運行速度快。（7）體積小、重量輕、能量消耗低、生產(chǎn)率高。

2 基于西門子1500 PLC的溫（濕）度控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計基本原則

（1）滿足被控對象的各項性能指標。相關(guān)的設(shè)計人員在進行設(shè)計之前，應(yīng)該充分的了解實際情況，對現(xiàn)場進行勘察，研究，提前準備好相關(guān)的資料，跟負責機械部分以及實際操作部分的人員要密切配合，一起擬定電氣控制的方案設(shè)計，以此清楚確定控制任務(wù)跟控制系統(tǒng)應(yīng)該有的相關(guān)功能，方便在設(shè)計的過程當中一起來解決出現(xiàn)的對應(yīng)問題。（2）確?？刂葡到y(tǒng)的安全可靠。電氣控制系統(tǒng)設(shè)計中要重視其系統(tǒng)的可靠性，如果系統(tǒng)控制不能滿足電氣控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作，那么設(shè)計出的系統(tǒng)，是很難進行投入使用的。實際的施工過程當中，肯定是需要把可靠性放在第一位，組成冗余控制系統(tǒng)，以此以保證生產(chǎn)安全為目標，去提升產(chǎn)品的質(zhì)量以及數(shù)量。（3）力求控制系統(tǒng)簡單?？刂葡到y(tǒng)的構(gòu)成應(yīng)當需要簡單些，當然，是需要建立在可以保證工作的可靠以及控制的要求能夠被滿足的前提之下。因為構(gòu)成簡單的控制系統(tǒng)有著實用性以及經(jīng)濟性，不但使用的時候可以方便些，后期進行維護的時候也能夠容易些。

2.2 溫度傳感器選型

溫度傳感器的類型非常復(fù)雜。由于材料，方法和溫度測量原理的不同，溫度范圍和精度會有所不同。因此，應(yīng)選擇不同的溫度傳感器用于不同的目的。鉑電阻pt100是-200至850℃范圍內(nèi)最準確的溫度傳感器，和熱電偶和熱敏電阻比較，鉑具有良好的物理和化學(xué)性質(zhì)，以及很強的抗氧化性能，高滲透性，高靈敏度和高靈敏度。有兩種鉑電阻溫度傳感器：標準鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。對于測量精度，工業(yè)鉑電阻通常不如標準鉑電阻穩(wěn)定。有兩個原因：首先，金屬鉑及其周圍材料在高溫下的擴散會污染純度并降低鉑耐溫性測量的可重復(fù)性。其次，高溫下鉑電阻溫度測量的再現(xiàn)性降低，再現(xiàn)性受應(yīng)力退火的影響。但標準鉑電阻溫度傳感器也存在價格高、維護困難等缺點?？紤]到成本因素，系統(tǒng)采用工業(yè)PT100鉑電阻作為溫度傳感器。

2.3 系統(tǒng)整體控制設(shè)計

如圖1所示，是系統(tǒng)整體硬件設(shè)計電路圖，首先由測溫儀進行溫度的測量，并由LCD顯示屏進行溫度顯示，整個過程由PLC進行控制。當溫度超過設(shè)定范圍，蜂鳴器進行報警，此時，單片機控制電路斷開，加熱裝置停止工作，如此進行溫度的調(diào)控，升溫過程與降溫過程類似，這樣來保證系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計電路圖

2.4 西門子1500 PLC控制設(shè)計流程圖

西門子1500 PLC程序設(shè)計流程圖如圖2。

圖2 西門子1500 PLC程序設(shè)計流程圖

FB41是隨西門子1500 PLC系統(tǒng)提供的PID運行管理模塊。隨著比例系數(shù)KP的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性誤差逐漸減小。然而，KP的增加也將導(dǎo)致動態(tài)特性的劣化，過沖尺寸的增加和振動的增加。

積分常數(shù)TI越小，積分越強，消除靜態(tài)誤差所需的時間越少，但振蕩被放大，超出量增加。

積分環(huán)節(jié)可以解決系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但在應(yīng)用積分環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的響應(yīng)變慢，靈敏度降低。為了提高系統(tǒng)靈敏度，必須添加差分耦合以區(qū)分輸入數(shù)據(jù)和時間。大表明輸入變化是嚴重的應(yīng)該減緩這種情形。差分時間常數(shù)TD影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，并隨著TD增加和超調(diào)到TD而減少調(diào)諧時間。因此，應(yīng)該選擇正確的TD以獲得最佳結(jié)果。差分線具有擾動引起的靈敏度問題，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。