- 基于PLC的智能溫度控制器的研究
- 選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作
- 加入比例控制環節, 直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩
- 在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數
因為PLC具有控制能力強、可靠性高、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴展等優點, 成為了當今及今后工業控制領域的主要手段和自動化控制設備．在許多行業的工業控制系統中, 溫度控制都是要解決的問題之一．在一些熱處理行業, 由于使用簡單的溫控儀表和溫控電路進行控制, 存在控制精度低、超調量大等缺點, 這樣就造成了產品質量不高, 能源浪費等問題．
基于PLC在工業控制領域的普及性和溫度控制的重要性, 設計了一個基于PLC的智能溫度控制系統,具有很廣的應用空間．同時, 由于PLC具有自身的一些缺點, 即數據的計算處理和管理能力較弱, 不能提供良好的用戶界面, 因此妨礙了對現場溫度變化的跟蹤與監控, 而計算機可以很好的彌補的這一缺點．用計算機與PLC 組成的主從式實時監控系統, 能夠充分發揮各自在工業控制中的優勢, 實現分散控制、集中監控等全新功能．本系統采用西門子公司S7-200系列PLC, 通過PLC串口通訊與計算機連接, 監控界面友好, 運行穩定．
1 PLC溫度控制系統
在鍋爐溫度控制系統中, 電加熱鍋爐是過程控制工業中常用的設備, 其溫度控制也是過程控制的一個重點．PLC溫度控制系統的結構如圖1所示, PLC 通過加熱棒及風扇分別控制爐子的加熱及降溫．計算機則實現目標溫度的設定、動態顯示、參數的設定等功能, 從而實現實時溫度監控．
2 系統構成
信號處理、溫度調節等功能．在, 溫一個溫度控制系統一般具有溫度信號采集、PLC的溫度控制系統中度信號的采集可以使用常用的溫度傳感器(熱電偶、熱電阻)．由溫度傳感器檢測來的信號不是標準的電壓(電流)信號, 不能直接送給A/D轉換模塊．因此溫度傳感器采集到的溫度信號要經過變送器的處理后才能被A/D轉換器識別并轉換為相應的數字信號．根據所使用的溫度傳感器選用對應的溫度變送器．S7-200系列PLC常用的模擬量輸入輸出混合模塊為EM235, EM235為4路模擬量輸入, 1路模擬量輸出．PLC對溫度信號進行處理后, 通過模擬量模塊輸出電流信號, 電流信號可以通過調壓器來控制電源的開度(即一周期內的導通比率), 從而控制電源的輸出功率．加熱器根據電源輸出功率調節加熱強度, 從而達到溫度調節的效果．其系統如圖2所示．
對于模擬量信號的控制PID(比例+積分+微分)算法控制．S7-200 系列PLC有專門的PID回路指令, 對模擬量進行PID控制十分方便．PID指令使用的算法:( n SP 為第n個采樣時刻的給定值, n為過程變量值, MX 為積分項值)
PID 指令根據表格(TBL)中的輸入和配置信息對引用LOOP執行PID 循環計算．在執行PID 指令前, 要建立一個參數表, 一般要對表1 中的參數進行初始化處理．
PID 參數表
在實際控制過程中, 無論是給定量還是過程量都是工程實際值, 它們的取值范圍都是不相同的．因此在進行PID運算前, 必須將工程實際值標準化．PLC 在對模擬量進行PID運算后, 對輸出產生的控制作用是在[0.0,1]范圍的標準值, 不能驅動實際的驅動裝置, 必須將其轉換成工程實際值．
由于電加熱爐具有較大的延時性, 所以采輸出值, 0.0～1.012 Kc數正數雙字, 實數I 回路增益, 正、負常數16 Ts I 采樣時間, 單位為s, 正20 Ti I 積分時間常數, 單位為min,24 Td I 微分時間常數, 單位為min, 正數式控制．大致采用三段控制: 第一段, 開始階段置電源為滿開度, 以最大的功率輸出克服熱慣性; 第二段, 等到溫度達到一定值轉為PID控制; 第三段, 接近設定點時置電源開度為0, 提供一個保溫階段, 以適應溫度的滯后溫升．程序流程圖如圖3 所示, 圖中X,Y根據實際設定．
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PID參數的調節是很重要的, 調節方法有很多, 概括起來有兩大類：一是理論計算整定法.它主要是依據系統的數學模型, 經過理論計算確定控制器參數．二是工程整定方法, 它主要依賴工程經驗, 直接在控制系統的試驗中進行, 且方法簡單、易于掌握．在工程實際中, 控制系統難以建立起精確的數學模型, 所以一般采用工程整定法．PID參數的工程整定法主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法．在這里選用臨界比例度法, 整定步驟如下: (1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作; (2)僅加入比例控制環節, 直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩, 記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期; (3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數．
4 PLC 與計算機通訊的設計
由于VB具有強大的圖形處理功能,界面可視化性強, 而且操作簡單, 容易實現, 故采用VB來實現上位機和下位機的通信 .其下位急是S7-200系列PLC, 上位機是通過RS-232 串行口與PLC 相連的計算機.
4.1 PLC程序部分
S7-200 支持多種通訊模式, 其中在自由口通訊方式下, 用戶可以利用梯形圖程序中的接收完成中斷、發送完成中斷、發送指令和接收指令完成S7-200 系列PLC 與上位機的通訊．
PLC 的CPU 處于STOP 模式時,自由口通訊被禁止, 只有當CPU 處于RUN 模式時, 才可使用自由口通訊．SMB30(這里選擇端口0)是自由口模式控制字節, 用來設定校驗方式、通訊協議、波特率等通訊參數．發送指令XMT 啟動自由端口模式下數據緩沖區中的數據發送, 它可以方便地發送1~255 個字符,如果有中斷程序連接到發送結束事件上, 在發送完成后, 端口0 會產生中斷事件9, 也可以監視發送完成狀態位SM45 的變化．接收指令RCV 可以初始化接收信息服務, 通過指定的通訊端口接收信息并存儲在數據緩沖區內．在接收完最后一個字符時, 端口0 產生中斷事件23. PLC 初始化程序如下:
4.2上位機程序部分
VB 帶有專門管理串行通訊的MSComm 控件，利用它只需設置幾個主要參數就可以實現PLC與計算機串行通訊．計算機采用VB編程, 主要有監控界面、當前溫度顯示、動態溫度曲線顯示、參數設置以及與PLC通信等方面的設計．通信參數設置程序如下:
MSComm1.CommPort = 1// 設置通訊口為COM1
MSComm1.Settings = "9600, n, 8, 1"//波特率9600bps, 無奇偶校驗,8位數據, 1 位停止
MSComm1.InputLen = 8//一次讀取8 個字節
MSComm1.PortOpen= True//打開通信端口．計算機端的VB程序利用MSComm 控件與S7-200交換數據,通過自由口通訊程序從現場采集溫度信號．并且上位機程序可以設定初始溫度和PID參數、顯示動態溫度曲線．程序運行界面如圖4所示.
5 結束語
本文介紹了基于S7-200系列PLC的智能溫度控制器系統．闡述了溫度控制的實現方法．介紹了VB環境下實現上位機和PLC溫度監控系統的串行通信的技術．經過現場調試表明, 本系統具有可靠性高, 監控方便等優點．由于PLC在工業領域使用的普遍性, 該系統有很大的使用范圍．
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