基于RS-485通訊的多路溫度控制系統的實現

王曉燕

（太原學院，太原 030032）

0 引言

溫度是生產過程和科學試驗中常見且重要的物理參數。在工控領域，必須對生產過程中的主要參數，如溫度、壓力、流量、速度等進行有效控制。其中溫度控制在生產過程中占有相當大的比例，準確地測量和有效地控制溫度是優質、高產、低耗和安全生產的主要條件。太陽能電池片組件生產過程中，電池片焊接工序是個重要環節。溫度控制的好壞直接影響到電池片的焊接質量。

常用的溫度控制方案［1-6］如下:

方案1:采用傳統溫度控制儀表。一般溫控器的輸入和輸出點數是固定的，有時候使用者只是需要多一組I/O點，卻受限于傳統溫控器無法擴充I/O，再購買一組溫控器，造成不必要的浪費。

方案2:采用PLC實現溫控功能。PLC通過溫度采集模塊周期性地對各個溫控點的溫度進行收集采樣，根據設定的目標溫度及有關PID參數進行運算并輸出相應控制量，從而達到溫控的目的。一般PLC的浮點運算能力不太強，因此，處理的溫控點不宜太多。

方案3:采用工控機實現溫控功能。溫度輸入、控制輸出采用現場總線模塊或板卡，與方案1差不多，但工控機運算能力要強得多，因此，能夠處理較多的溫控點運算。

方案4:采用多路溫度控制模塊。以臺達DTE10T為例，它可以同時控制并監測8路溫控通道的數據，提供通信接口，可與各大品牌HMI、PLC或PC機聯網控制。

針對以上方案作出分析:

1）方案1中，傳統的溫控儀表受限于I/O點數以及無法隨時調用歷史監控溫度值。在工業自動化溫度控制應用中漸漸被淘汰。

2）在應用系統開發方面，方案2和方案3需要編寫和調試大量溫控程序，對開發者有一定的溫控設計技術能力要求，開發周期長、成本高。方案4則比較簡單，因為所有的溫控功能已集成在溫控模塊中，利用RS-485接口通訊的方式，和人機界面連接，直觀全面地觀察并管理多路溫控通道，還可以便捷地修改相關參數。

通過分析得知，方案4是首選。本系統選用臺達DTE10T模塊式溫度控制器，輸入輸出模塊可靈活插拔，避免了I/O點的浪費，可達到合理配置。從系統的開發成本和控制性能方面看，方案4比方案2和方案3更優。此外，控制器可以通過監控軟件，在同一個畫面上設定并監控8組溫控通道的數據。以多路溫度控制模塊為核心搭建的溫度控制系統，最大的特色就是智能化多路溫度控制，滿足了生產過程中溫控系統的高效性和穩定性。

1 系統總體設計

溫度控制系統主要由溫度傳感器（熱電偶）、溫度采集與控制（模塊式溫度控制器）、固態繼電器以及加熱棒4部分構成。

系統選用臺達DTE10T模塊式溫度控制器為核心，搭載K型熱電偶輸入，固態繼電器輸出模式，同時控制并監測8路溫控通道的數據。其中，每路溫控都可獨立工作。

如圖1所示，分布在加熱臺的熱電偶實時檢測溫度，并將信號傳送給DTE溫度控制模塊。溫度控制模塊參照設定溫度，根據實際溫度的高低接通或斷開固態繼電器，從而使加熱棒達到通電或斷電的目的，最終將加熱臺的溫度控制在預先設定好的數值上。DTE溫度控制模塊利用RS-485接口通訊的方式，將測得的溫度值傳送到人機界面上，通過人機界面顯示當前溫度值并繪制溫度變化曲線。

圖1 控制系統整體框圖

2 硬件選型與設計

2.1 硬件選型

2.1.1 臺達DTE10T模塊式溫度控制器

DTE10T模塊式溫度控制器是一款多通道、模塊化的智能溫控器。操作簡單、反應及時、整合容易且接口與用戶有互動，適用于各種應用場合。它具有以下幾種功能:

1）支持多種感測器，內建多種模式，可依多種需求選擇熱電偶、白金電阻或者是線性電壓或線性電流輸入。

2）提供多樣化輸出模式，支持繼電器、電壓脈沖、線性電流或者線性電壓輸出。

3）穩定控制:內置PID控制功能，搭配精準的自動演算，可自動算出適合系統的PID參數，有效提高系統穩定度以及控制精度。

4）CT電流偵測:支持CT電流偵測功能，可作為斷線檢知警報或偵測電流是否過載。

5）可程序化控制:最多提供8組樣式，每組皆有8個步驟，無需其他上位機，即可規劃各種溫度曲線。

6）通訊支援:采用RS-485通訊界面，并支援Modbus ASCII以及Modbus RTU設備的通訊。

7）雙輸出控制:可同時執行加熱以及冷卻控制，使得系統快速達到設定溫度。

系統選用DTE10T模塊式溫度控制器，最多可支持8個通道輸入。控制器標準配備4組輸入，另外擴展了臺達DTE20T輸入模塊，將控制器的輸入組數擴展至8組。如下頁圖2所示，DTE10T模塊式溫度控制器的8個輸入通道分為INA和INB兩個群組，每個群組各支持4個輸入通道。輸入功能支持多種傳感器類型，本系統選用K型熱電偶輸入，溫度控制范圍為-200℃～1 300℃。

溫度控制器支持最多16組輸出，如圖2所示，分為 OUT1、OUT2、SUB1、SUB2 4 組，每一組有 4 個信道。當選擇8個通道輸入時，將OUT1和OUT2規劃為控制輸出通道。本系統選用2個臺達DTE20 V電壓脈沖輸出模塊，模塊支持4組電壓脈沖輸出，輸出+14 V左右電壓脈沖信號（PWM形式）。

圖2 DTE10T溫控模塊插槽名稱

2.1.2 溫度傳感器

本系統選用K型熱電偶作為溫度傳感器，K型熱電偶具有線性度好、熱電動勢較大、靈敏度高、穩定性和均勻性較好的優點。可以直接測量從0℃～1 300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度。

2.1.3 靈通固態繼電器HS260ZK

本系統選用靈通的固態繼電器，型號HS260ZK。如圖4所示，繼電器有4個接線端，INPUT端（3腳和4腳）用于輸入+24 V脈沖信號，LOAD端（1腳和2腳）用于接交流負載（加熱棒），INPUT端接收到3-32VDC控制信號后驅動LOAD端閉合，從而達到小電流驅動大電流的目的。固態繼電器相關參數如圖3所示，接線圖如圖4所示。

圖3 HS260ZK參數

2.1.4 人機界面

系統采用屏通的觸摸屏，型號:CX121-XSD4A。用人機界面記錄溫度是很靈活的，通道數沒有限制、數據保存量也沒有限制，因為除屏本身可以存儲大量數據外，還可以把溫度數據導出到U盤、CF卡等外部存儲器保存。

圖4 HS260ZK接線圖

2.2 硬件控制電路設計

溫度控制的基本原理是在需要進行溫度控制的場合用傳感器測量其溫度值，與控制器內存儲的溫度值進行比較，當測得的溫度值高于或者低于設定溫度時，啟動加熱或者降溫設備，使溫度回歸到設定值范圍內。

系統要實現8個獨立加熱臺的溫度采集和控制，硬件設計電路如圖5所示，熱電偶作為傳感器連接到控制器的輸入部分（INA和INB），控制器的輸入部分接收熱電偶采集到的當前溫度，若輸入的溫度值低于設定的溫度值，控制器將輸入信號轉換為電壓脈沖信號，由控制器的輸出部分（OUT1和OUT2）輸出到固態繼電器的輸入端（INPUT），固態繼電器接收到電壓脈沖信號后驅動LOAD端（OUTPUT）閉合，加熱棒開始加熱，加熱到設定溫度后，控制器停止輸出電壓脈沖信號，加熱棒停止加熱。

圖5 控制系統硬件電路設計

3 軟件設計與操作

3.1 觸摸屏與溫控器通訊

基于工業現場的環境比較惡劣，采用差分通信RS-485，可以有效抑制共模干擾，抗干擾能力強。而且溫控器支持RS-485數字通訊，故本系統觸摸屏和溫控器通訊方式采用RS-485接口兩線制，傳輸速度達 2 400 b/s～115 200 b/s（可設），兩線制的接線方式應用比較廣泛，這種接線方式為總線式拓撲結構，在同一總線上最多可以掛接32個節點。

3.2 觸摸屏軟件操作與設計

系統選用的觸摸屏應用軟件采用PM SCADA，軟件畫面如圖6所示。

圖6 開機畫面

首先在軟件中打開新檔案，如圖7所示，人機應用名稱選擇人機應用_2，型號選擇:CX-121。然后，在連接屬性對話框中，設定連接編號、連接名稱、連接種類設定為串口直接連接，此串口為RS-485，這個設定很重要，配合溫控器的RS-485接線可完成數據通訊。通訊格式設定波特率為9 600 b/s，數據位為7，偶校驗位。

圖7 人機界面基礎設置

以上就是與溫度控制系統相關的人機界面需要做的基本配置，完成設置后即可進行溫度相關具體界面設計，本系統觸摸屏軟件編寫如圖8所示，PV代表實測溫度，SV代表設定溫度。

3.3 溫控器參數設置與操作

將DTE模塊通過RS-485（usb轉485）通訊線與電腦連接，接通電源后打開“DTE-CHS2016.exe”軟件進行設置。

首先點擊軟件左下角“通訊設定”進行通訊設置，如圖9所示，設置傳輸速率:9 600 b/s；同步位元:偶同位；位元長度:7同位；停止位元:1同位；通訊格式:ASCII。通訊位址與人機界面的設置對應后可通過RS-485通訊數據。設置完成后點“確認”。

圖8 溫度設定頁面

圖9 通訊設置

通訊格式設置好后進行輸入參數設置，如圖10所示，輸入種類選擇K型熱電偶，分別設定好溫度的上下限值以及補償值。

圖10 輸入參數設置

然后設定控制參數和警報參數，圖11為警報參數設定，根據需求設定溫度誤差范圍從而觸發警報。

圖11 警報參數設置

以上設定完成后點擊右上角的“通訊連接”。連接成功后下面各通道就會顯示反饋的溫度值。如下頁圖12所示，各通道的溫度設定值和實測值均清晰顯示。

設置完成后關閉設置軟件，重啟DTE電源。

圖12 各通道實測溫度值反饋圖

3.4 溫控器溫度控制方式設定

臺達DTE10T模塊式溫度控制器的溫度控制方式有4種，分別是PID、On Off、Manual和程序控制。本系統采用的是PID方式。

3.4.1 PID控制概念

在實際工程中，應用最為廣泛的調節器控制為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的，PID是溫控最常用的方式。

如圖13所示，PID控制的最終目的是根據誤差值調整輸出量，最終將PV值（檢測值）恒定在SV值（目標值）。PV值-SV值=誤差值。

圖13 PID溫度控制原理框圖

臺達溫控器PID計算公式如下:

輸出量 =（1+ 誤差 /I±D×△C/△T）/P×100%

3.4.2 輸出量

電壓脈沖輸出屬于開關式輸出，采用PWM形式來實現。PWM形式輸出量是占控制周期ON的時間比例。如圖14所示:以10 s為周期。

10 s內10 s導通:輸出量為100%10 s內8 s導通:輸出量為80%10 s內5 s導通:輸出量為50%

圖14PWM形式輸出量

3.4.3 自整定（AT）

由于每個用戶的工況不同。所以要想獲得良好的控溫效果的前提是有合適的PID參數來支持。多數情況，自整定獲得的參考PID已經能獲得較好的效果，如果效果欠佳，則可在自整定獲得的參數基礎上做微調。

DTE10T溫控模塊的自整定方式為:通訊正常的情況下，進入PID自動調諧狀態，向對應的“AT”地址寫1即可打開對應通道的AT功能，自整定結束后會自動置0。如圖15所示:

圖15 控制參數設置

經過自整定，基本能計算出一個理論上適用的PID參數。但是由于應用系統和要求不同，所以自整定出的參數只是理論值，有時必須通過觀察現場的情況來微調參數。

4 結論

基于RS-485通訊的多路溫度控制系統的設計已成功運用到電池片焊接工序中，焊接電池片的焊臺要求設置8段獨立溫控加熱區域，并且是梯度升溫和梯度降溫的方式，因為焊接溫差控制得當會提高生產效率，減少不良品。

本方案設計的溫度控制系統，可以同時支持8個通道的溫控，并且可以各自獨立做PID運算與控制。溫控系統充分利用了臺達溫控器的優勢，一個溫控器解決電池片焊接臺8段獨立控制。與傳統溫度控制方式相比，本系統的溫度控制更加獨立準確，控溫曲線更平順穩定，符合目前自動化設備模塊化、集成化、小型化、智能化、網絡化的發展潮流。