一種多功能測溫監控裝置的設計與制作

李合周

（浙江天能動力能源有限公司，浙江 長興 313100）

0 引言

在鉛酸蓄電池的生產過程中，溫度是影響產品質量的重要因素，所以溫度檢測與控制貫穿于生產工藝過程的始終。在球磨工序中，鉛粉的氧化度取決于滾筒溫度，即滾筒溫度越高，鉛的氧化反應速度越快，從而鉛粉的氧化度越高。在和膏過程中，不同的溫度下所生成的正極鉛膏的主要成分不同：和膏溫度在 20～45℃，主要成分是 3BS、正方α-PbO、斜方 β-PbO；在 45～55℃ 下主要成分是3BS、4BS、α-PbO、β-PbO；在 55～90℃ 下主要成分是 4BS、α-PbO、β-PbO[1]。在極板固化過程中，氧化鉛的晶體結構、板柵氧化與活性物質粘合形成界面也會由于溫度不同而出現差異。在板柵澆注、極群鑄焊過程中要檢測與控制鉛液溫度、模具溫度。加酸充電過程中要控制酸液、充電水槽和冷卻循環水的溫度等等。歸根結底一句話，相關的溫度直接影響到該工序的產品質量。據此，我們設計制作了一套完整的溫度檢測裝置，可以獨立地檢測鑄板機、和膏機、球磨機、固化室、鑄焊機、充電水槽、加酸機等相關質控點處的溫度，以便于與設備上的檢測結果進行比對，發現異常，及時解決。

1 溫度測量系統的設計

1.1 溫度測量系統的原理

從溫度測量元件（熱電偶或者熱電阻）測量結果到 PLC 處理再到人機界面顯示的過程，核心就是模擬量—數字量—模擬量之間的相互轉換過程，見圖 1。當然，簡單的溫度控制系統有時直接用溫度控制器也可以完成。

圖1 溫度測量轉換過程

1.2 模擬量和數字量的關系

模擬量是一個連續變化的量，如電壓、電流、溫度、速度、壓力、流量等。例如：壓力是隨時間的變化而變化的，因此不能直接作為 PLC 的輸入，而是必須通過變換器把壓力值相對應的電壓值（0～10 V）或電流值（4～20 mA）輸入到 PLC 中。模擬量也是數字量，因為在 PLC 或是計算機里只有 0和 1，其實模擬量也就是由 1 和 0 組合起來的。它有個分辨率的概念，比如說 12 位的分辨率，那么12 的分辨率是什么意思呢？由于 PLC 里面是 2 進制的，12 位的分辨率就表示 212，而 212 = 4096，就是滿量程能分成 4096 等份。為了計算方便我們取4000，意思是輸出可以把它分成 4000 等份，輸出量是 0～10 V，那么 1 等份等于 2.5 mV（也就是 10000 mV/4000 = 2.5 mV），所以理論上它的模擬量輸出值只能是 0、2.5、5、7.5 mV 依次遞增，分辨率是12 位進制的只能分到 4000 等份[2]。

1.3 PLC 模擬量輸入模塊簡介

PLC 模擬量輸入模塊把來自現場設備的標準信號，經過濾波去掉干擾信號后，再通過 A/D 轉換將模擬量信號變成 PLC 能夠處理的數字信號，然后經過光電耦合器隔離后傳送給 PLC 內部電路，供PLC CPU 處理。PLC 的模擬量輸入包括信號為 DC 0～10V、0～20 mA 或者 4～20 mA 三種。對于不同的輸入，尤其是電流輸入和電壓輸入，都應該設置硬跳線（撥碼開關）或者軟跳線（參數設置）。 PLC的模擬量輸入模塊負責 A/D 轉換，將模擬量信號轉換為 PLC 可以認識的數字量信號。例如：關于模擬量輸入電壓的轉換，每一種 PLC 輸入10 V 都會對應一個最大數值，如以最大值 4000 為例，即輸入 10 V 對應數值 4000，則其輸入特性的曲線為y= 400x（y代表數字輸出值，x代表模擬量輸入電壓)[2]。

模擬量擴展輸入模塊與數字量輸入模塊不同的是：當模擬量的擴展模塊的輸入/輸出點有信號輸入或信號輸出時，LED 指示燈不會亮，因為西門子模擬量模塊上的指示燈沒有與電路相連。這也是我們難以直接判斷模擬量模塊是否工作正常的難點。

1.4 溫度檢測裝置的硬件系統設計

整個溫度檢測裝置的原理見圖 2。所使用的人機界面為昆侖通態 mcgsTpc7062TX(KX)，但是在圖中沒有畫出人機界面的接線[3-4]。

2 多功能溫度檢測裝置的功能說明

多功能溫度檢測裝置的功能有：① S7-200 系列 PLC 各種型號 CPU 輸入/輸出點性能測試鑒定；② S7-200 CPU 224XP CN 自帶模擬量輸入模塊輸入功能檢測；③ S7-200 模擬量輸入模塊EM231AI4×12Bit 性能鑒定；④ S7-200 熱電阻模塊EM231 AI2×RTD 性能鑒定；⑤ 多路溫度測量顯示。以下進行詳細說明：

2.1 S7-200 CPU224XP CN（訂貨號6ES7 214-2BD23-0XB8）數字量輸入/輸出點的檢測鑒定

CPU 224XP CN 集成了 14 個開關量輸入點和 10個開關量輸出，有 2 路輸入模擬量和 1 路輸出模擬量，共 3 路模擬量通道[5]。常規的 CPU 224 只有開關量輸入和輸出，沒有模擬量輸入和輸出模塊。

2.1.1 數字量輸入點（14 個）的檢測

圖2 中實際接入一個開關 SB1。用手動方式逐個接入 I0.0～～I1.5 共計 14 個數字量輸入點，進行逐個測試。與輸入端子相對應的指示燈亮，就表示該輸入點正常。也可以通過電腦在監控狀態下查看檢測子程序 SBR-0（參見圖 3）來監控輸入點接通情況。

圖2 溫度測量系統原理圖

圖3 輸入/輸出點檢測子程序

2.1.2 數字量輸出點（10 個）的檢測

CPU 224XPCN AC/DC/RLY PLC 是繼電器輸出方式，既可以接交流輸出，也可以接直流輸出。圖2 中接了 2 個繼電器（也可以是接觸器），即 1 個交流繼電器 KA1 和 1 個直流繼電器 KA2。PLC 的 1L和 2L 端子接在一起，接入交流電源的一個端子。交流繼電器 KA1 的線圈的一個端子接交流電源的另一個端子，而線圈的另一端分別接 Q0.0,Q0.1……Q0.6。類似地，3L 端子接 PLC 直流電源的 L 端（正極），而直流繼電器 KA2 的負極端子接直流電源的 M 端（負極），KA2 的正極端子分別接 Q0.7，Q1.0，Q1.1。通過子程序 SBR-0（參見圖 3）和繼電器 KA1、KA2 的通斷，可以鑒定輸出點的好壞。為了方便起見，在子程序 SBR-0 中將所有的輸入點和輸出點分別并聯，手動實驗時逐一檢測，也可以通過電腦在監控狀態下查看檢測子程序 SBR-0 來監控輸出點接通情況。

2.2 CPU 224XP CN 自帶模擬量輸入模塊的溫度測量

2.2.1 CPU 224XP CN 自帶模擬量輸入模塊簡介

前面已介紹過，CPU 224XP CN 自帶的模擬量輸入/輸出模塊有 2 路輸入，1 路輸出共 3 個模擬量I/O點（參照圖 2）。2 個模擬量輸入為電壓型，范圍 -10～10 V。1 路模擬量輸出既可以是電壓型（0～10 V）也可以是電流型（0～20 mA）[6]。

根據 S7-200 PLC 編程地址分配規則，CPU 224XP 本體模擬量輸入 A+ 路地址是 AIW0，B+路地址是 AIW2，輸出模擬量通道的占用地址為AQW0、AQW2（參見圖 4）。雖然 CPU224XP本體并沒有 AQW2 實際輸出點，但是后續擴展的模擬量輸出模塊的輸出地址也要從 AQW4 開始編址。

圖4 模擬量檢測子程序

用熱電偶測量的溫度通過溫度變送器（NPF3220）轉換成電壓為 2～10 V 的模擬量，接到輸入端 A+，地址為 AIW0。圖 2 中，變送器的端子 8、9 接熱電偶，從端子 4、5 輸出 2～10 V 電壓。模擬量輸入接入 CPU224XP 自帶模擬量模塊的輸入端子M、端子 A+（注：極性不能接反，M 接 5，A+ 接4。實驗時端子 4 也可以接 B+ 端子）。2 路檢測輸入分別送入 VW100 和 VW102。顯示結果分別在人機界面的第 1 路和第 2 路（參見圖 5）。實驗時用 1個變送器分別檢測模擬量通道。

圖5 人機界面顯示

2.2.2 標度轉換與 HMI 腳本程序

從熱電偶—變送器—模擬量輸入模塊—人機界面溫度顯示，中間要進行多次轉換，即標度轉換，這也是 MCGS 的腳本程序（Script）編寫的核心。變送器 NP-F3220 的溫度輸入量程是 0～800 ℃，輸出是 2～10 V，經 CPU 模擬量輸入模塊轉換為 0～32 000 的數字量，又在人機界面（HMI）上顯示為溫度數值[7]。整個過程轉換關系為：

（1）變送器輸出溫度與輸入溫度關系為（10－2）V/800℃ = 0.01 V/℃；

（2）變送器輸出電壓與數字量關系為32000/10 V = 3200/V；

（3）由于模擬量輸入是 2～10 V，即以 2 V 為起點，則數字量是以 2×3200 為起點；

（4）數字量與mcgsTpc7062TX(KX) 觸摸屏顯示溫度的轉換關系為 (32000－2×3200)/800℃ =32/℃；

（5）mcgsTpc7062TX(KX) 觸摸屏腳本程序（Script）編寫如下（參見圖 4、圖 5）：測量結果1 = (VW100 －2×3200)/32，測量結果 2 = (VW102－2×3200)/32。

2.3 模擬量輸入模塊 EM231AI4×12Bit（訂貨號6ES7 231-0XC22-0XA8）檢測

2.3.1 模擬量輸入模塊 EM231AI4×12Bit 的 DIP 組態設置和地址分配

用變送器 DCL-33A 和 EM231 AI4×12Bit 來完成溫度測量。DCL-33A 的輸出為 4～0 mA 的直流電流。根據裝置的實際情況，EM231 AI4×12Bit DIP開關 SW1、SW2、SW3 的組態為：101，即模擬量輸入為單極性，量程為 0～10 V。EM231 AI4×12Bit的 4 路模擬量輸入通道依次為 AIW4、AIW6、AIW8、AIW10。采集的模擬量在 PLC 內部轉化為數字量后，分別送到 VW104、VW106、VW108、VW110（見圖 4）。對應的溫度分別顯示在人機界面的測量結果 3、測量結果 4、測量結果 5、測量結果 6（參見圖 5）。

2.3.2 標度變換和腳本程序

變送器 DCL-33A 的輸出是直流 4～20 mA。測量元件是型號為 WRNK-131，量程為 0～800 ℃ 的熱電偶。其相互轉換關系的計算方法可參見第 3.2.2 節，溫度測量的腳本程序（Script）編寫如下：

測量結果 3 = (VW104－4×1600)/32；

測量結果 4 = (VW106－4×1600)/32；

測量結果 5 = (VW108－4×1600)/32；

測量結果 6 = (VW110－4×1600)/32。

2.4 RTD (熱電阻)模塊 EM231 AI2×RTD（6ES7 231-7PB22-0XA8）檢測（參見圖 2）

2.4.1 EM231 AI2×RTD 的 DIP 組態設置和地址分配

熱電阻模塊 EM231 AI2×RTD 可以直接完成溫度測量，為 S7-200 連接各種型號的熱電阻提供方便的接口，允許測量 3 個不同的電阻范圍。所有連接到該模塊的 RTD 都必須是同一類型。裝置中兩個通道連接的熱電阻型號為：WZPK-295-4，Pt100。2 路模擬量輸入通道依次為 AIW12 和AIW14。采集的模擬量在 PLC 內部轉化為數字量后分別送到VW112 和 VW114。對應的溫度分別顯示在人機界面的測量結果 7 和測量結果 8（參見圖5）。根據裝置的實際情況，EM231 AI2×RTD 的 DIP 開關SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8組態為 00000000，表示 RTD 模擬量輸入模塊的輸入為：Pt 100 的 3 線熱電阻類型、正向標定、RTD模塊測試結果為攝氏溫度[2-3]。

2.4.2 標度變換和腳本程序

編寫 EM231 AI2×RTD 測量溫度的 PLC 的程序比較簡單，只需要將模擬量輸入的整型數據轉化為雙整型數據，再由雙整型數據轉化為實型數據，然后除以 10 就可以了，也可以在腳本程序（Script）中直接體現。使用 EM231 AI2×RTD 模塊測量的溫度結果在 HMI 界面的“測量結果 7”，“測量結果8”顯示出來（參見圖 4 和圖 5），相應的腳本程序（Script）編寫如下：

測量結果 7 = VW112/10；

測量結果 8 = VW114/10。

3 結束語

多功能溫度檢測裝置由于結構緊湊，移動靈活，可以用于測量熔鉛爐、鉛粉機、和膏機、固化室、干燥窯，循環水、充電水槽等整個工廠內工藝控制點的溫度檢測。檢測數據顯示直觀，便于和有關設備上的結果進行比對，及時調整設備。該裝置還可以用于鑒定 S7-200 系列 PLC 及相關擴展模塊的功能。由于采用模塊化結構設計，簡單變換相關元器件和控制程序，該裝置就可以用于壓力、流量、速度等模擬量的檢測。