基于RS-485通讯的多路温度控制系统的实现

基于RS-485通讯的多路温度控制系统的实现
王晓燕
【摘要】温度控制在自动化领域中的应用越来越广泛,传统的温度控制方法由于自身的局限性已经不能满足要求,智能化多路温度控制模块的应用成为必然.以模块式温度控制器为核心设计的温度控制系统可以同时支持8个通道的温控,且8组温控独立运行.系统采用RS-485通讯方式,实现了与人机界面的实时数据交换.该系统已成功运用到太阳能电池组件生产中.
【期刊名称】《火力与指挥控制》
【年(卷),期】2019(044)004
【总页数】5页(P159-163)
【关键词】温度控制器;人机界面;通讯;温度控制系统;数据交换
【作者】王晓燕
【作者单位】太原学院,太原 030032
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
0 引言
温度是生产过程和科学试验中常见且重要的物理参数。

在工控领域，必须对生产过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效控制。

其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例，准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和
安全生产的主要条件。

太阳能电池片组件生产过程中，电池片焊接工序是个重要环节。

温度控制的好坏直接影响到电池片的焊接质量。

常用的温度控制方案［1-6］如下:
方案1:采用传统温度控制仪表。

一般温控器的输入和输出点数是固定的，有时候
使用者只是需要多一组I/O点，却受限于传统温控器无法扩充I/O，再购买一组温控器，造成不必要的浪费。

方案2:采用PLC实现温控功能。

PLC通过温度采集模块周期性地对各个温控点的
温度进行收集采样，根据设定的目标温度及有关PID参数进行运算并输出相应控
制量，从而达到温控的目的。

一般PLC的浮点运算能力不太强，因此，处理的温
控点不宜太多。

方案3:采用工控机实现温控功能。

温度输入、控制输出采用现场总线模块或板卡，与方案1差不多，但工控机运算能力要强得多，因此，能够处理较多的温控点运算。

方案4:采用多路温度控制模块。

以台达DTE10T为例，它可以同时控制并监测8
路温控通道的数据，提供通信接口，可与各大品牌HMI、PLC或PC机联网控制。

针对以上方案作出分析:
1）方案1中，传统的温控仪表受限于I/O点数以及无法随时调用历史监控温度值。

在工业自动化温度控制应用中渐渐被淘汰。

2）在应用系统开发方面，方案2和方案3需要编写和调试大量温控程序，对开发者有一定的温控设计技术能力要求，开发周期长、成本高。

方案4则比较简单，
因为所有的温控功能已集成在温控模块中，利用RS-485接口通讯的方式，和人机界面连接，直观全面地观察并管理多路温控通道，还可以便捷地修改相关参数。

通过分析得知，方案4是首选。

本系统选用台达DTE10T模块式温度控制器，输
入输出模块可灵活插拔，避免了I/O点的浪费，可达到合理配置。

从系统的开发
成本和控制性能方面看，方案4比方案2和方案3更优。

此外，控制器可以通过
监控软件，在同一个画面上设定并监控8组温控通道的数据。

以多路温度控制模
块为核心搭建的温度控制系统，最大的特色就是智能化多路温度控制，满足了生产过程中温控系统的高效性和稳定性。

1 系统总体设计
温度控制系统主要由温度传感器（热电偶）、温度采集与控制（模块式温度控制器）、固态继电器以及加热棒4部分构成。

系统选用台达DTE10T模块式温度控制器为核心，搭载K型热电偶输入，固态继
电器输出模式，同时控制并监测8路温控通道的数据。

其中，每路温控都可独立
工作。

如图1所示，分布在加热台的热电偶实时检测温度，并将信号传送给DTE温度控
制模块。

温度控制模块参照设定温度，根据实际温度的高低接通或断开固态继电器，从而使加热棒达到通电或断电的目的，最终将加热台的温度控制在预先设定好的数值上。

DTE温度控制模块利用RS-485接口通讯的方式，将测得的温度值传送到
人机界面上，通过人机界面显示当前温度值并绘制温度变化曲线。

图1 控制系统整体框图
2 硬件选型与设计
2.1 硬件选型
2.1.1 台达DTE10T模块式温度控制器
DTE10T模块式温度控制器是一款多通道、模块化的智能温控器。

操作简单、反应及时、整合容易且接口与用户有互动，适用于各种应用场合。

它具有以下几种功能: 1）支持多种感测器，内建多种模式，可依多种需求选择热电偶、白金电阻或者是线性电压或线性电流输入。

2）提供多样化输出模式，支持继电器、电压脉冲、线性电流或者线性电压输出。

3）稳定控制:内置PID控制功能，搭配精准的自动演算，可自动算出适合系统的PID参数，有效提高系统稳定度以及控制精度。

4）CT电流侦测:支持CT电流侦测功能，可作为断线检知警报或侦测电流是否过载。

5）可程序化控制:最多提供8组样式，每组皆有8个步骤，无需其他上位机，即可规划各种温度曲线。

6）通讯支援:采用RS-485通讯界面，并支援Modbus ASCII以及Modbus RTU 设备的通讯。

7）双输出控制:可同时执行加热以及冷却控制，使得系统快速达到设定温度。

系统选用DTE10T模块式温度控制器，最多可支持8个通道输入。

控制器标准配备4组输入，另外扩展了台达DTE20T输入模块，将控制器的输入组数扩展至8组。

如下页图2所示，DTE10T模块式温度控制器的8个输入通道分为INA和INB两个群组，每个群组各支持4个输入通道。

输入功能支持多种传感器类型，本系统选用K型热电偶输入，温度控制范围为-200℃～1 300℃。

温度控制器支持最多16组输出，如图2所示，分为 OUT1、OUT2、SUB1、SUB2 4 组，每一组有 4 个信道。

当选择8个通道输入时，将OUT1和OUT2规划为控制输出通道。

本系统选用2个台达DTE20 V电压脉冲输出模块，模块支持4组电压脉冲输出，输出+14 V左右电压脉冲信号（PWM形式）。

图2 DTE10T温控模块插槽名称
2.1.2 温度传感器
本系统选用K型热电偶作为温度传感器，K型热电偶具有线性度好、热电动势较大、灵敏度高、稳定性和均匀性较好的优点。

可以直接测量从0℃～1 300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

2.1.3 灵通固态继电器HS260ZK
本系统选用灵通的固态继电器，型号HS260ZK。

如图4所示，继电器有4个接线端，INPUT端（3脚和4脚）用于输入+24 V脉冲信号，LOAD端（1脚和2脚）用于接交流负载（加热棒），INPUT端接收到3-32VDC控制信号后驱动LOAD
端闭合，从而达到小电流驱动大电流的目的。

固态继电器相关参数如图3所示，
接线图如图4所示。

图3 HS260ZK参数
2.1.4 人机界面
系统采用屏通的触摸屏，型号:CX121-XSD4A。

用人机界面记录温度是很灵活的，通道数没有限制、数据保存量也没有限制，因为除屏本身可以存储大量数据外，还可以把温度数据导出到U盘、CF卡等外部存储器保存。

图4 HS260ZK接线图
2.2 硬件控制电路设计
温度控制的基本原理是在需要进行温度控制的场合用传感器测量其温度值，与控制器内存储的温度值进行比较，当测得的温度值高于或者低于设定温度时，启动加热或者降温设备，使温度回归到设定值范围内。

系统要实现8个独立加热台的温度采集和控制，硬件设计电路如图5所示，热电
偶作为传感器连接到控制器的输入部分（INA和INB），控制器的输入部分接收
热电偶采集到的当前温度，若输入的温度值低于设定的温度值，控制器将输入信号转换为电压脉冲信号，由控制器的输出部分（OUT1和OUT2）输出到固态继电器的输入端（INPUT），固态继电器接收到电压脉冲信号后驱动LOAD端（OUTPUT）闭合，加热棒开始加热，加热到设定温度后，控制器停止输出电压
脉冲信号，加热棒停止加热。

图5 控制系统硬件电路设计
3 软件设计与操作
3.1 触摸屏与温控器通讯
基于工业现场的环境比较恶劣，采用差分通信RS-485，可以有效抑制共模干扰，抗干扰能力强。

而且温控器支持RS-485数字通讯，故本系统触摸屏和温控器通讯方式采用RS-485接口两线制，传输速度达 2 400 b/s～115 200 b/s（可设），
两线制的接线方式应用比较广泛，这种接线方式为总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。

3.2 触摸屏软件操作与设计
系统选用的触摸屏应用软件采用PM SCADA，软件画面如图6所示。

图6 开机画面
首先在软件中打开新档案，如图7所示，人机应用名称选择人机应用_2，型号选择:CX-121。

然后，在连接属性对话框中，设定连接编号、连接名称、连接种类设定为串口直接连接，此串口为RS-485，这个设定很重要，配合温控器的RS-485
接线可完成数据通讯。

通讯格式设定波特率为9 600 b/s，数据位为7，偶校验位。

图7 人机界面基础设置
以上就是与温度控制系统相关的人机界面需要做的基本配置，完成设置后即可进行温度相关具体界面设计，本系统触摸屏软件编写如图8所示，PV代表实测温度，SV代表设定温度。

3.3 温控器参数设置与操作
将DTE模块通过RS-485（usb转485）通讯线与电脑连接，接通电源后打开“DTE-CHS2016.exe”软件进行设置。

首先点击软件左下角“通讯设定”进行通讯设置，如图9所示，设置传输速率:9 600 b/s；同步位元:偶同位；位元长度:7同位；停止位元:1同位；通讯格式:ASCII。

通讯位址与人机界面的设置对应后可通过RS-485通讯数据。

设置完成后点“确认”。

图8 温度设定页面
图9 通讯设置
通讯格式设置好后进行输入参数设置，如图10所示，输入种类选择K型热电偶，分别设定好温度的上下限值以及补偿值。

图10 输入参数设置
然后设定控制参数和警报参数，图11为警报参数设定，根据需求设定温度误差范围从而触发警报。

图11 警报参数设置
以上设定完成后点击右上角的“通讯连接”。

连接成功后下面各通道就会显示反馈的温度值。

如下页图12所示，各通道的温度设定值和实测值均清晰显示。

设置完成后关闭设置软件，重启DTE电源。

图12 各通道实测温度值反馈图
3.4 温控器温度控制方式设定
台达DTE10T模块式温度控制器的温度控制方式有4种，分别是PID、On Off、Manual和程序控制。

本系统采用的是PID方式。

3.4.1 PID控制概念
在实际工程中，应用最为广泛的调节器控制为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，PID是温控最常用的方式。

如图13所示，PID控制的最终目的是根据误差值调整输出量，最终将PV值（检测值）恒定在SV值（目标值）。

PV值-SV值=误差值。

图13 PID温度控制原理框图
台达温控器PID计算公式如下:
输出量 =（1+ 误差/I±D×△C/△T）/P×100%
3.4.2 输出量
电压脉冲输出属于开关式输出，采用PWM形式来实现。

PWM形式输出量是占控制周期ON的时间比例。

如图14所示:以10 s为周期。

10 s内10 s导通:输出量为100%10 s内8 s导通:输出量为80%10 s内5 s导通:输出量为50%
图14PWM形式输出量
3.4.3 自整定（AT）
由于每个用户的工况不同。

所以要想获得良好的控温效果的前提是有合适的PID
参数来支持。

多数情况，自整定获得的参考PID已经能获得较好的效果，如果效
果欠佳，则可在自整定获得的参数基础上做微调。

DTE10T温控模块的自整定方式为:通讯正常的情况下，进入PID自动调谐状态，
向对应的“AT”地址写1即可打开对应通道的AT功能，自整定结束后会自动置0。

如图15所示:
图15 控制参数设置
经过自整定，基本能计算出一个理论上适用的PID参数。

但是由于应用系统和要
求不同，所以自整定出的参数只是理论值，有时必须通过观察现场的情况来微调参数。

4 结论
基于RS-485通讯的多路温度控制系统的设计已成功运用到电池片焊接工序中，焊接电池片的焊台要求设置8段独立温控加热区域，并且是梯度升温和梯度降温的
方式，因为焊接温差控制得当会提高生产效率，减少不良品。

本方案设计的温度控制系统，可以同时支持8个通道的温控，并且可以各自独立
做PID运算与控制。

温控系统充分利用了台达温控器的优势，一个温控器解决电
池片焊接台8段独立控制。

与传统温度控制方式相比，本系统的温度控制更加独
立准确，控温曲线更平顺稳定，符合目前自动化设备模块化、集成化、小型化、智能化、网络化的发展潮流。

参考文献：
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