一种多功能测温监控装置的设计与制作

李合周

（浙江天能动力能源有限公司，浙江 长兴 313100）

0 引言

在铅酸蓄电池的生产过程中，温度是影响产品质量的重要因素，所以温度检测与控制贯穿于生产工艺过程的始终。在球磨工序中，铅粉的氧化度取决于滚筒温度，即滚筒温度越高，铅的氧化反应速度越快，从而铅粉的氧化度越高。在和膏过程中，不同的温度下所生成的正极铅膏的主要成分不同：和膏温度在 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]。在极板固化过程中，氧化铅的晶体结构、板栅氧化与活性物质粘合形成界面也会由于温度不同而出现差异。在板栅浇注、极群铸焊过程中要检测与控制铅液温度、模具温度。加酸充电过程中要控制酸液、充电水槽和冷却循环水的温度等等。归根结底一句话，相关的温度直接影响到该工序的产品质量。据此，我们设计制作了一套完整的温度检测装置，可以独立地检测铸板机、和膏机、球磨机、固化室、铸焊机、充电水槽、加酸机等相关质控点处的温度，以便于与设备上的检测结果进行比对，发现异常，及时解决。

1 温度测量系统的设计

1.1 温度测量系统的原理

从温度测量元件（热电偶或者热电阻）测量结果到 PLC 处理再到人机界面显示的过程，核心就是模拟量—数字量—模拟量之间的相互转换过程，见图 1。当然，简单的温度控制系统有时直接用温度控制器也可以完成。

图1 温度测量转换过程

1.2 模拟量和数字量的关系

模拟量是一个连续变化的量，如电压、电流、温度、速度、压力、流量等。例如：压力是随时间的变化而变化的，因此不能直接作为 PLC 的输入，而是必须通过变换器把压力值相对应的电压值（0～10 V）或电流值（4～20 mA）输入到 PLC 中。模拟量也是数字量，因为在 PLC 或是计算机里只有 0和 1，其实模拟量也就是由 1 和 0 组合起来的。它有个分辨率的概念，比如说 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 进制的，12 位的分辨率就表示 212，而 212 = 4096，就是满量程能分成 4096 等份。为了计算方便我们取4000，意思是输出可以把它分成 4000 等份，输出量是 0～10 V，那么 1 等份等于 2.5 mV（也就是 10000 mV/4000 = 2.5 mV），所以理论上它的模拟量输出值只能是 0、2.5、5、7.5 mV 依次递增，分辨率是12 位进制的只能分到 4000 等份[2]。

1.3 PLC 模拟量输入模块简介

PLC 模拟量输入模块把来自现场设备的标准信号，经过滤波去掉干扰信号后，再通过 A/D 转换将模拟量信号变成 PLC 能够处理的数字信号，然后经过光电耦合器隔离后传送给 PLC 内部电路，供PLC CPU 处理。PLC 的模拟量输入包括信号为 DC 0～10V、0～20 mA 或者 4～20 mA 三种。对于不同的输入，尤其是电流输入和电压输入，都应该设置硬跳线（拨码开关）或者软跳线（参数设置）。 PLC的模拟量输入模块负责 A/D 转换，将模拟量信号转换为 PLC 可以认识的数字量信号。例如：关于模拟量输入电压的转换，每一种 PLC 输入10 V 都会对应一个最大数值，如以最大值 4000 为例，即输入 10 V 对应数值 4000，则其输入特性的曲线为y= 400x（y代表数字输出值，x代表模拟量输入电压)[2]。

模拟量扩展输入模块与数字量输入模块不同的是：当模拟量的扩展模块的输入/输出点有信号输入或信号输出时，LED 指示灯不会亮，因为西门子模拟量模块上的指示灯没有与电路相连。这也是我们难以直接判断模拟量模块是否工作正常的难点。

1.4 温度检测装置的硬件系统设计

整个温度检测装置的原理见图 2。所使用的人机界面为昆仑通态 mcgsTpc7062TX(KX)，但是在图中没有画出人机界面的接线[3-4]。

2 多功能温度检测装置的功能说明

多功能温度检测装置的功能有：① S7-200 系列 PLC 各种型号 CPU 输入/输出点性能测试鉴定；② S7-200 CPU 224XP CN 自带模拟量输入模块输入功能检测；③ S7-200 模拟量输入模块EM231AI4×12Bit 性能鉴定；④ S7-200 热电阻模块EM231 AI2×RTD 性能鉴定；⑤ 多路温度测量显示。以下进行详细说明：

2.1 S7-200 CPU224XP CN（订货号6ES7 214-2BD23-0XB8）数字量输入/输出点的检测鉴定

CPU 224XP CN 集成了 14 个开关量输入点和 10个开关量输出，有 2 路输入模拟量和 1 路输出模拟量，共 3 路模拟量通道[5]。常规的 CPU 224 只有开关量输入和输出，没有模拟量输入和输出模块。

2.1.1 数字量输入点（14 个）的检测

图2 中实际接入一个开关 SB1。用手动方式逐个接入 I0.0～～I1.5 共计 14 个数字量输入点，进行逐个测试。与输入端子相对应的指示灯亮，就表示该输入点正常。也可以通过电脑在监控状态下查看检测子程序 SBR-0（参见图 3）来监控输入点接通情况。

图2 温度测量系统原理图

图3 输入/输出点检测子程序

2.1.2 数字量输出点（10 个）的检测

CPU 224XPCN AC/DC/RLY PLC 是继电器输出方式，既可以接交流输出，也可以接直流输出。图2 中接了 2 个继电器（也可以是接触器），即 1 个交流继电器 KA1 和 1 个直流继电器 KA2。PLC 的 1L和 2L 端子接在一起，接入交流电源的一个端子。交流继电器 KA1 的线圈的一个端子接交流电源的另一个端子，而线圈的另一端分别接 Q0.0,Q0.1……Q0.6。类似地，3L 端子接 PLC 直流电源的 L 端（正极），而直流继电器 KA2 的负极端子接直流电源的 M 端（负极），KA2 的正极端子分别接 Q0.7，Q1.0，Q1.1。通过子程序 SBR-0（参见图 3）和继电器 KA1、KA2 的通断，可以鉴定输出点的好坏。为了方便起见，在子程序 SBR-0 中将所有的输入点和输出点分别并联，手动实验时逐一检测，也可以通过电脑在监控状态下查看检测子程序 SBR-0 来监控输出点接通情况。

2.2 CPU 224XP CN 自带模拟量输入模块的温度测量

2.2.1 CPU 224XP CN 自带模拟量输入模块简介

前面已介绍过，CPU 224XP CN 自带的模拟量输入/输出模块有 2 路输入，1 路输出共 3 个模拟量I/O点（参照图 2）。2 个模拟量输入为电压型，范围 -10～10 V。1 路模拟量输出既可以是电压型（0～10 V）也可以是电流型（0～20 mA）[6]。

根据 S7-200 PLC 编程地址分配规则，CPU 224XP 本体模拟量输入 A+ 路地址是 AIW0，B+路地址是 AIW2，输出模拟量通道的占用地址为AQW0、AQW2（参见图 4）。虽然 CPU224XP本体并没有 AQW2 实际输出点，但是后续扩展的模拟量输出模块的输出地址也要从 AQW4 开始编址。

图4 模拟量检测子程序

用热电偶测量的温度通过温度变送器（NPF3220）转换成电压为 2～10 V 的模拟量，接到输入端 A+，地址为 AIW0。图 2 中，变送器的端子 8、9 接热电偶，从端子 4、5 输出 2～10 V 电压。模拟量输入接入 CPU224XP 自带模拟量模块的输入端子M、端子 A+（注：极性不能接反，M 接 5，A+ 接4。实验时端子 4 也可以接 B+ 端子）。2 路检测输入分别送入 VW100 和 VW102。显示结果分别在人机界面的第 1 路和第 2 路（参见图 5）。实验时用 1个变送器分别检测模拟量通道。

图5 人机界面显示

2.2.2 标度转换与 HMI 脚本程序

从热电偶—变送器—模拟量输入模块—人机界面温度显示，中间要进行多次转换，即标度转换，这也是 MCGS 的脚本程序（Script）编写的核心。变送器 NP-F3220 的温度输入量程是 0～800 ℃，输出是 2～10 V，经 CPU 模拟量输入模块转换为 0～32 000 的数字量，又在人机界面（HMI）上显示为温度数值[7]。整个过程转换关系为：

（1）变送器输出温度与输入温度关系为（10－2）V/800℃ = 0.01 V/℃；

（2）变送器输出电压与数字量关系为32000/10 V = 3200/V；

（3）由于模拟量输入是 2～10 V，即以 2 V 为起点，则数字量是以 2×3200 为起点；

（4）数字量与mcgsTpc7062TX(KX) 触摸屏显示温度的转换关系为 (32000－2×3200)/800℃ =32/℃；

（5）mcgsTpc7062TX(KX) 触摸屏脚本程序（Script）编写如下（参见图 4、图 5）：测量结果1 = (VW100 －2×3200)/32，测量结果 2 = (VW102－2×3200)/32。

2.3 模拟量输入模块 EM231AI4×12Bit（订货号6ES7 231-0XC22-0XA8）检测

2.3.1 模拟量输入模块 EM231AI4×12Bit 的 DIP 组态设置和地址分配

用变送器 DCL-33A 和 EM231 AI4×12Bit 来完成温度测量。DCL-33A 的输出为 4～0 mA 的直流电流。根据装置的实际情况，EM231 AI4×12Bit DIP开关 SW1、SW2、SW3 的组态为：101，即模拟量输入为单极性，量程为 0～10 V。EM231 AI4×12Bit的 4 路模拟量输入通道依次为 AIW4、AIW6、AIW8、AIW10。采集的模拟量在 PLC 内部转化为数字量后，分别送到 VW104、VW106、VW108、VW110（见图 4）。对应的温度分别显示在人机界面的测量结果 3、测量结果 4、测量结果 5、测量结果 6（参见图 5）。

2.3.2 标度变换和脚本程序

变送器 DCL-33A 的输出是直流 4～20 mA。测量元件是型号为 WRNK-131，量程为 0～800 ℃ 的热电偶。其相互转换关系的计算方法可参见第 3.2.2 节，温度测量的脚本程序（Script）编写如下：

测量结果 3 = (VW104－4×1600)/32；

测量结果 4 = (VW106－4×1600)/32；

测量结果 5 = (VW108－4×1600)/32；

测量结果 6 = (VW110－4×1600)/32。

2.4 RTD (热电阻)模块 EM231 AI2×RTD（6ES7 231-7PB22-0XA8）检测（参见图 2）

2.4.1 EM231 AI2×RTD 的 DIP 组态设置和地址分配

热电阻模块 EM231 AI2×RTD 可以直接完成温度测量，为 S7-200 连接各种型号的热电阻提供方便的接口，允许测量 3 个不同的电阻范围。所有连接到该模块的 RTD 都必须是同一类型。装置中两个通道连接的热电阻型号为：WZPK-295-4，Pt100。2 路模拟量输入通道依次为 AIW12 和AIW14。采集的模拟量在 PLC 内部转化为数字量后分别送到VW112 和 VW114。对应的温度分别显示在人机界面的测量结果 7 和测量结果 8（参见图5）。根据装置的实际情况，EM231 AI2×RTD 的 DIP 开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8组态为 00000000，表示 RTD 模拟量输入模块的输入为：Pt 100 的 3 线热电阻类型、正向标定、RTD模块测试结果为摄氏温度[2-3]。

2.4.2 标度变换和脚本程序

编写 EM231 AI2×RTD 测量温度的 PLC 的程序比较简单，只需要将模拟量输入的整型数据转化为双整型数据，再由双整型数据转化为实型数据，然后除以 10 就可以了，也可以在脚本程序（Script）中直接体现。使用 EM231 AI2×RTD 模块测量的温度结果在 HMI 界面的“测量结果 7”，“测量结果8”显示出来（参见图 4 和图 5），相应的脚本程序（Script）编写如下：

测量结果 7 = VW112/10；

测量结果 8 = VW114/10。

3 结束语

多功能温度检测装置由于结构紧凑，移动灵活，可以用于测量熔铅炉、铅粉机、和膏机、固化室、干燥窑，循环水、充电水槽等整个工厂内工艺控制点的温度检测。检测数据显示直观，便于和有关设备上的结果进行比对，及时调整设备。该装置还可以用于鉴定 S7-200 系列 PLC 及相关扩展模块的功能。由于采用模块化结构设计，简单变换相关元器件和控制程序，该装置就可以用于压力、流量、速度等模拟量的检测。