专利名称：Plc系统及其温度测量与控制扩展模块、实现方法
技术领域：
本发明涉及可编程逻辑控制器(Programmer Logical Control, PLC)领域， 特别涉及一种可编程逻辑控制器的温度测量与控制的扩展模块和PLC系统以及 用其实现温度测量与控制的方法。
背景技术：
比例-积分-微分算法(Proportion Integral Derivative, PID )控制器具有结构 简单、造价低廉等优点，在工业生产的各种控制设备上广泛使用。PID控制器应 用上的关键就是参数整定及其在线调整。而带有PID调节器运算和输出驱动的可 编程逻辑控制器的温度扩展模块，能够进行温度测量，并在对现场接入的温度
传感器进行测量后，能够对温度控制目标直接进行PID调节输出，并驱动输出。 如图l所示，现有技术的可编程逻辑控制器的温度扩展模块具备温度测量的
功能模块，可以实现PID调节和输出。 现有技术的缺点如下
1、 由于可编程逻辑控制器的温度测量模块固定了PID调节器的输出接口 ， 而该输出接口往往不能满足多种多样的加热或冷却装置控制接口。在不能满足 对加热或冷却装置接口的情况下必须附加驱动电路，或者废弃该模块的PID功 能，仅把它当作普通温度测量模块来使用。
2、 降低了可编程逻辑控制器PLC系统灵活性；
3、 增加了模块成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种PLC的温度测量与控制的扩展 模块，并利用其实现对被控对象的温度测量和控制，为了解决上述技术问题， 本发明提供了 一种PLC的温度测量与控制扩展模块，包括连接到主控制器的扩 展总线接口，还包括
所述温度测量与控制扩展^t块的扩展总线接口中还设置有至少一个PID调
节器参数寄存器，用于使PLC的主控制器通过扩展总线随时设定PID调节器参
数；
所述温度测量与控制扩展模块的扩展总线接口中还设置有至少一个PID调 节器输出值寄存器，用于存储通过测量所得的温度以及经PID调节器计算所得 的PID温度输出值，并将其提供给PLC的主控制器执行。
相应地，本发明还提供了一种PLC系统，包括主控制器和扩展总线，还包 括温度测量与控制扩展模块，所述温度测量与控制扩展模块的扩展总线接口中 还设置有至少一个PID调节器参数寄存器，用于使所述PLC的主控制器通过扩 展总线随时设定PID调节器参数；
所述温度测量与控制扩展模块的扩展总线接口中还设置有至少一个PID调 节器输出值寄存器，用于存储通过测量所得的温度以及经PID调节器计算所得 的PID温度输出值，并将其提供给所述PLC的主控制器执行。
相应地，本发明还提供了一种利用温度测量与控制扩展模块实现温度测量 与控制的方法，包括
在PLC的主控制器的用户程序中设定PID温度模块的PID调节器参数；
对被控对象的温度信号进行测量，经处理后得到实测温度值；
将所述PID调节器参数和所述实测温度值输入微处理控制器进行PID运算， 并将PID调节器输出值写入PID调节器输出寄存器；
PLC的主控制器获取所述PID温度输出值，执行对被控对象的温度控制。
实施本发明，具有如下有益效果
本发明的实现和普通的温度模块具有相同的硬件成本，却提高了 PID调节器 获取温度输入的实时性，模块本地运算使得PLC有更多的空间和CPU运算能力完 成PLC系统的其他控制工作，提高整体PLC系统的能力；
同时本发明把PID调节器输出的执行交给PLC执行，在不增加用户成本的情 况下保留了系统的灵活性。
图1是现有技术的PLC的温度测量模块的结构示意图2是本发明实施例提供的PLC的温度测量与控制扩展模块的结构示意图3是本发明实施例提供的PLC的温度测量与控制模块应用在PLC系统中的
结构示意图4是本发明实施例提供的在PLC系统中利用温度测量与控制扩展模块实现 对被控对象的温度测量与控制的方法流程图。
具体实施例方式
本发明实施在PLC系统中提供高效的PLC的温度测量与控制扩展模块，在 准确测量温度的基础上进行PID调节器的运算，实现对温度的测量与控制，以 提高PID运算的实时性，同时可以让PID调解器的输出由PLC执行，从而在不 降低PLC的性能的同时，提高PLC的灵活性。
为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种PLC的溫度测量与控制扩展模 块。在带有温度测量与控制扩展模块的PLC系统中，PID溫度模块是独立的子系 统，扩展总线是以PLC为主控方的总线系统，要让PID温度模块进行PID调解器 运算，而PID调解器输出执行由PLC主CPU执行，就必须提供一种技术方案，使 得PLC主CPU可以随时设定PID调节器输入参数，并在PID运算中立刻生效；并 且这种技术方案还可以让模块的PID调节器计算输出随时可以被PLC主CPU获 取，为其自主执行PID调节器输出提供依据。
参见图2,为本发明实施例提供的PLC的温度测量与控制扩展模块的结构示 意本发明实施例的PLC的温度测量与控制模块，在扩展总线接口 1中设定了 一 系列PID调节器设定参数寄存器，例如PID调节器参数寄存器100、 PID调解器参 数寄存器101以及PID调节器参数寄存器10n等等；这些寄存器的设定可以使PLC 主CPU通过扩展总线随时设定PID调节器设定参数而不影响模块正在进行的温 度测量等其他任务。
本发明实施例的PLC的温度测量与控制模块还在扩展总线接口 1中设定了 一 系列的PID调节器输出值寄存器，例如PID调节器输出值寄存器llO、 PID调节器 输出值寄存器lll、 PID调节器输出值寄存器lln等等，该一系列PID调解器输出 寄存器的设定可以使PID温度测量与控制模块把通过测量所得的最新温度及PID 调节器设定参数计算得到得PID调节器输出值立刻写入该PID调解器输出寄存 器，而不需要顾及PLC主CPU当前是否正通过扩展总线访问温度测量与控制扩展 模块以获取PID调节器输出值。其中，所述n个通道的PID调节器参数寄存器可由
PLC主模块写入，即由用户程序设定；而n个通道的PID调节器输出值寄存器可 由PLC主模块读出，即由用户程序获取；进而可由用户程序确定其需要的温度控 制输出形式。
需要说明的是，本实施例中描述的扩展总线接口 l不限定于特定的协 议，也限定于具体的使用器件，本实施例中使用的是并行可编程逻辑控制 器(Complex Programmable Logic Device, CPLD ),此外还有现场可编程 门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)等器件可以用于实现相同 的功能。
本发明实施例提供的PLC的温度测量与控制模块还进一步包括彼此相连接 的微处理控制器2 (Microprocessor Control Unit, MCU)和模数转换器3 ，需要说 明的是，MCU2和模数转换器3可以是分别独立的器件，也可以是具有模数转换 器的合成MCU。
与所述模数转换器3相连接的还有多路复用电路4,当然具体实施的时候， 该多路复用电路4可以不存在，而只需要接通道的传感器接口电路5，或者使用 多路开关器件，或者多个分立固态继电器，或者其它形式的多路器来实现即可。
通过上述对PLC的温度测量与控制扩展模块的设置，使得该模块利用本地的 处理器资源进行PID运算，并使运算结果再返回到PLC主模块成为可能。
需要说明的是，本PLC的温度测量与控制扩展模块中内置了成熟的PID调节 器算法，并由模块MCU2实施计算，从而省去用户在PLC主模块中实施该PID调 节器算法带来的麻烦和对PLC主模块资源的消耗。如图2所示，由于该温度测量 与控制模块对通道n完成温度测量后立刻进行PID调节器计算，其计算得到的PID 调节器输出值具有很好的实时性，避免了 一般做法中把温度通过扩展总线传给 PLC主模块的延时以及PLC主模块在负载不确定情况下PID调节器算法计算输出 的实时性差，跟随性不好的弊端。
由于以上装置的部署使得PLC主CPU上的系统和PID温度模块系统可以异步 运作，提高了各自的效率和性能，从而提高了整体系统的控制性能，尤其是对 温度控制的效果。
参见图3,为本发明实施例提供的PLC的温度测量与控制模块应用在PLC系 统中的结构示意图。
该PLC系统具体包括主控制器1,用于向PID温度测量与控制模块2中的参数
寄存器21写入用于进行温度调节的参数，即用户程序设定；并用于从PID温度测
量与控制模块2中的输出值寄存器22处获取温度调节器的输出值，即用户程序获
取；进而可以由用户程序确定其需要的温度控制输出形式。
主控制器1和PID温度测量与控制模块2通过扩展总线0相连接，具体包括 PID参数寄存器21,用于在其中写入进行温度测量与控制的参数值； PID输出值寄存器22,用于存储经过PID调节的温度输出值，并将其通过扩
展总线0输出至主控制器1中进行执行；
PID运算模块23,用于根据PID参数寄存器21中设置的参数值和温度测量模
块24中测量的数据计算用户所需要的温度值；
温度测量模块24，用于实时测量被控对象的温度值，将其发送给PID运算模
块进行计算；
所述PLC系统还包括有输出模块3，其通过扩展总线0与主控制器1、 PID温 度测量与控制模块2相连接，用于与被控对象5的加热单元52以及冷却单元53向 连接，将PID温度模块2计算输出的温度值用于所述加热单元52，以及冷却单元 53;根据加热单元52或制冷单元53，输出模块3可以是各种电压型模拟量输出模 块，电流型模拟量输出模块，晶体管输出模块，继电器输出模块，PWM输出模 块等等各种控制输出装置。另外，其他模块4也可以通过扩展总线0与主控制器1、 PID温度模块2以及输出模块3相互连接。
PLC系统中的被控对象5具体包括温度传感器51以及上述的加热单元52、冷 却单元53;
温度传感器51可以使各种分度的热电偶，热电阻，或者其它温度探头； 加热单元52可以是通过数字量控制的固态继电器连接的加热电阻，或者是
模拟量电压输出控制的增压执行机构等等多种形式使被控对象提高温度的机构。
制冷单元53可以是以是通过数字量控制的固态继电器连接的风冷开关，或 者是通过模拟量电压输出控制的可调节阀门来控制的流体冷媒等等多种形式使 被控对象降低温度的机构。
参见图4,是本发明实施例提供的在PLC系统中利用PLC的温度测量与控制 扩展模块实现对被控对象的温度测量与控制的方法流程图。
结合本发明实施例提供的PLC的温度测量与控制模块应用在PLC系统中的
结构示意图3，本发明实施例提供的PLC的温度测量与控制方法通过以下步骤来
实现对被控对象的温度测量与控制。
在步骤S100，在运行于主控制器中的用户程序中设定PID温度测量与控制模 块的PID调节器参数；
在步骤S101,由传感器探头把被控对象的温度信号传递到PID温度测量与控 制模块；
在步骤S102，在PID温度测量与控制模块中对该信号进行测量后，经滤波， 查表等运算后得到实测温度；
在步骤S103, PID温度测量与控制模块把所述实测温度，以及该通道PID调 节器参数作为PID调节器算法的输入进行计算；
在步骤S104, PID温度测量与控制模块把计算得到的PID调节器输出值写入 PID调节器输出寄存器；
在步骤S 105, PLC系统的主控制器读取所述PID输出值寄存器中的温度值， 对被控对象进行温度控制。
需要说明的是，运行于PLC系统的主控制器中的用户程序在需要对被控对象 进行控制时任何时候，直接通过扩展总线就可以获取PID调节器输出寄存器中的 值，而不需要进行PID计算就可以知道调节量和调节极性；
运行于PLC系统的主控制器中的用户程序按实际应用的需要，可以自由配置 加热输出，还是冷却输出，还是二者都要；用户自由配置使用模拟量输出还是 用脉宽调制(Pulse-Width Modulation, PWM )输出等各种连接特定的加热或冷 却装置。比如，调节器输出为正的时候，信号路径是主控制器一一扩展总线一 一输出模块一一加热单元；PID温度测量与控制扩展模块输出为负的时候，信号 路径可以是主控制器一 一扩展总线一 一输出模块一 一冷却单元。
本发明实施例提供的温度测量与控制扩展模块，以及温度测量与控制的实 现方法，在不增加用户附加成本的情况下，充分利用了所述模块的资源，分布 了 PLC温度控制系统应用于PID调节器的运算，同时提高了 PID调节器的运算 的实时性；
本发明实施例把PID调节器输出控制交给用户执行，用户可以自主决定其 输出控制形式，最大程度的保留了 PLC系统的灵活性；另外由于没有附加增家 硬件成本，用户还可以在不同的通道选择使用PID调节器的输出量，筒而言之，
就是需要PID调节器的通道就使用它来确定输出量，不需要PID调节器的通道， 就可以当作普通的测量通道，而不需要为每个通道都固定特定的输出控制电路。
本发明的实施例明显的简化了 PLC用户的控制程序，降低了 PLC应用的复 杂性，也显著提高了系统的稳定性。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发 明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的 范围。
权利要求
1、一种PLC的温度测量与控制扩展模块，包括连接到所述PLC的主控制器的扩展总线接口，其特征在于，还包括所述温度测量与控制扩展模块的扩展总线接口中还设置有至少一个PID调节器参数寄存器，用于使PLC的主控制器通过扩展总线随时设定PID调节器参数；所述温度测量与控制扩展模块的扩展总线接口中还设置有至少一个PID调节器输出值寄存器，用于存储通过测量所得的温度以及经PID调节器计算所得的PID温度输出值，并将其提供给PLC的主控制器执行。
2、 如权利要求1所述的一种PLC的温度测量与控制扩展模块，其特征在于， 所述PID调节器参数寄存器的参数设定由主控制器的用户程序写入。
3、 如权利要求1所述的一种PLC温度测量与控制扩展模块，其特征在于， 所述PID调节器输出值寄存器的PID温度输出值由主控制器的用户程序读出。
4、 如权利要求1至3中任一项所述的一种PLC的温度测量与控制扩展模块， 其特征在于，还包括微处理控制器，所述PID调节器温度计算由所述微处理控 制器执行，计算得出PID温度输出值。
5、 一种PLC系统，包括主控制器和扩展总线，其特征在于，还包括温度测 量与控制扩展模块，所述温度测量与控制扩展模块的扩展总线接口中还设置有 至少一个PID调节器参数寄存器，用于使所述PLC的主控制器通过扩展总线随 时设定PID调节器参数；所述温度测量与控制扩展模块的扩展总线接口中还设置有至少一个PID调 节器输出值寄存器，用于存储通过测量所得的温度以及经PID调节器计算所得 的PID温度输出值，并将其提供给所述PLC的主控制器执行。
6、 如权利要求5所述的一种PLC系统，其特征在于，所述主控制器用于设 定PLC的温度测量与控制扩展模块的PID调节器参数，并获取所述PID温度输 出值，执行对被控对象的温度控制。
7、 一种利用PLC的温度测量与控制扩展模块实现温度测量与控制的方法， 其特征在于，包括在PLC的主控制器的用户程序中设定PLC的温度测量与控制扩展模块的 PID调节器参数；对被控对象的温度信号进行测量，经处理后得到实测温度值；将所述PID调节器参数和所述实测温度值输入孩i处理控制器进行PID运算， 并将PID温度输出值写入PID调节器输出寄存器；PLC的主控制器获取所述PID温度输出值，执行对被控对象的温度控制。
8、 如权利要求7所述的利用PLC的温度测量与控制扩展模块实现温度测量 与控制的方法，其特征在于，所述PLC的主控制器通过扩展总线接口获取PID 调节器输出寄存器中的值。
全文摘要
本发明公开了一种PLC的温度测量与控制扩展模块，包括连接到主控制器的扩展总线接口，所述扩展总线接口中还设置有至少一个PID调节器参数寄存器，用于使PLC的主控制器通过扩展总线随时设定PID调节器参数；所述扩展总线接口中还设置有至少一个PID调节器输出值寄存器，用于存储通过测量所得的温度以及经PID调节器计算所得的PID温度输出值，并将其提供给PLC的主控制器执行。本发明还公开了一种PLC系统，以及利用PLC的温度测量与控制扩展模块实现对温度的测量与控制的方法。采用本发明，具有简化PLC用户的控制程序，降低其应用复杂性，提高系统稳定性的优点。
文档编号G01K1/02GK101105412SQ200710028150
公开日2008年1月16日 申请日期2007年5月23日 优先权日2007年5月23日
发明者周云宇, 戎思吉, 陈海峰 申请人:深圳市合信自动化技术有限公司