混合仿真法在PLC實習教學中的應用

一、混合仿真法的實踐運用

在PLC實習教學中，當學生設計好帶有PID控制的PLC程序后，通過什么方法來讓學生實現(xiàn)程序調(diào)試，從而使學生掌握PID控制參數(shù)整定的工程方法，是實習教師必須解決的問題。如果購買實際生產(chǎn)設備來讓學生進行程序調(diào)試，往往不太現(xiàn)實，原因有三:實際系統(tǒng)的控制模式固定，不能夠靈活開展教學;生產(chǎn)設備成本高，設備占地面積大，不能夠開展規(guī)模教學;在實操過程中，可能會增加人身及設備的危險性。如果采用計算機純軟件仿真的方法來讓學生進行程序調(diào)試，又難以貼近實際生產(chǎn)應用效果，學生掌握不到實際的操作技能。為解決上述問題，筆者在PLC實習教學中采用了混合仿真法。

混合仿真法首先在實驗條件下組成以實際控制系統(tǒng)為原型的仿真系統(tǒng)，此仿真系統(tǒng)是一種“半真半假”的系統(tǒng)，即控制部分的硬件和軟件與實際控制系統(tǒng)基本一致，而現(xiàn)場的被控對象可以用合適的模擬電路來代替，然后對所組成的仿真系統(tǒng)進行調(diào)試。工程上常采用此法來進行仿真調(diào)試，以便及時發(fā)現(xiàn)實際控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計中存在的一些問題和隱患，而且還可以通過對控制參數(shù)進行初步整定，作為實際控制系統(tǒng)控制參數(shù)整定值的參考。

下面通過一個爐溫自動控制系統(tǒng)的實習教學項目來介紹混合仿真法在教學中的應用。該系統(tǒng)的控制要求是:由PLC執(zhí)行PID運算指令并控制電爐絲開始向爐膛中的工件加熱，當爐溫到達設定值1000℃時，進行保溫。

二、混合仿真系統(tǒng)的構成

根據(jù)混合仿真法，教師可以以實際的爐溫自動控制系統(tǒng)(參見附件1)為原型構成混合仿真系統(tǒng)，解決實習器材的問題。本仿真系統(tǒng)由兩部分構成:

1.仿真系統(tǒng)的硬件

(1)仿真系統(tǒng)的“真”硬件(參見附件2)

這部分硬件是根據(jù)實際控制系統(tǒng)進行配置的。

①PLC控制器——選用型號為FX2N-16MR的三菱PLC。

②模擬量輸入、輸出模塊——選用FX2N-4AD輸入模塊以及FX2N-4DA輸出模塊。

③其他器件——啟動按鈕、停止按鈕。

(2)仿真系統(tǒng)的“假”硬件(參見附件3)

用合適的模擬電路代替現(xiàn)場被控對象——爐膛。除此之外，電爐絲、溫度傳感器、驅動電路及放大電路也都由模擬電路代替。

2.仿真系統(tǒng)的軟件

仿真系統(tǒng)的軟件在這里指的是帶有PID控制作用的PLC程序。在教學過程中，程序設計是學生需要完成的作業(yè)。本文為說明問題，附有PLC程序(參見附件5)以及相對應的I/O接線圖(參見附件2)。

3.仿真系統(tǒng)的工作過程

這套爐溫自動控制仿真系統(tǒng)能夠模擬實際加熱系統(tǒng)的變化，可以實現(xiàn)PID控制，其工作過程如下:

當PLC開始執(zhí)行PID控制程序時，模擬電路中(參見附件3)由R5、R6、R7、R8構成的橋式溫度檢測電路進行溫度檢測，得到一個電壓信號Uab，此電壓經(jīng)差動放大處理后，再由V5放大，從ST端子輸出一個反映溫度變化的電壓。該電壓通過模擬量輸入模塊FX2N-4AD，變換為反映PV值的數(shù)字量傳送給PLC主機，在PLC內(nèi)部與溫度設定值SV進行比較并進行PID運算，然后將運算結果再通過模擬量輸出模塊FX2N-4DA變換為0～10V的直流電壓，通過VC端子作為電爐絲驅動電路的控制量，V2受控驅動R4發(fā)熱，較為形象地模擬爐膛加熱的過程。

在加熱過程中，利用溫度傳感器R6(熱敏電阻)具有負的溫度系數(shù)的特點來實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制。當溫度檢測電路處于平衡狀態(tài)，此時運算放大器的輸入電壓Uab≈0，那么ST端子輸出電壓也幾乎為0，通過PLC-PID比較和運算后，VC將輸出較高的電壓，電爐絲R4相應有較大的發(fā)熱量;當爐溫越接近設定值時，由于爐溫的不斷升高R6的阻值將逐漸減小，此時ST端子輸出電壓將逐漸上升，通過PLC-PID比較和運算后，VC端子的輸出電壓將逐漸減小，電爐絲R4的發(fā)熱量也相應減小;當爐溫到達設定值時進行保溫，通過PLC-PID比較和運算后，VC端子的輸出電壓將在較小的范圍內(nèi)進行變動，電爐絲R4的發(fā)熱量也相應在較小的范圍內(nèi)變動，從而準確的補償系統(tǒng)熱量的流失，最終達到恒溫的目的。

三、教學應用實例

在此混合仿真系統(tǒng)硬件的基礎上，學生可以練習編程，可以把設計好的帶有PID控制的PLC程序進行調(diào)試。在教學過程中，可以讓學生根據(jù)仿真系統(tǒng)中模擬爐膛的溫度變化特點，運用工程整定法，通過反復調(diào)試來整定PID控制參數(shù)。

工程整定法主要有試湊法、臨界比例法、響應曲線法。試湊法是在模擬環(huán)境或實機環(huán)境下，通過閉環(huán)運行觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應的大致影響，反復試湊參數(shù)，以達到滿意的系統(tǒng)響應，從而確定PID參數(shù)的大小。

現(xiàn)配合具體的PLC程序，介紹運用試湊法在混合仿真系統(tǒng)中進行PID參數(shù)整定的實操過程。在PLC程序中(參見附件5)，需要整定的PID控制參數(shù)存放在PLC的數(shù)據(jù)寄存器D103～D106中，在試湊時，學生依次按比例、比例-積分、比例-積分-微分的反復調(diào)整過程進行操作。

1.整定比例系數(shù)KP

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)(參見附件4)先確定比例系數(shù)KP=3000%，然后通過觀察仿真系統(tǒng)的運行情況，記錄數(shù)據(jù)，繪出P參數(shù)調(diào)節(jié)時的溫度調(diào)節(jié)特性曲線，分析測量值PV的趨勢曲線，再根據(jù)P參數(shù)調(diào)節(jié)變化規(guī)律，改變KP參數(shù)，直至能夠得到反應快、超調(diào)小的響應曲線，才確定KP值。

2.整定積分時間TI

比例系數(shù)KP初步確定后，觀察到系統(tǒng)存在靜差，決定加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)(參見附件4)置積分時間TI=180s，并將比例系數(shù)略縮小，然后通過觀察仿真系統(tǒng)的運行情況，記錄數(shù)據(jù)，繪出PI調(diào)節(jié)時的溫度調(diào)節(jié)特性曲線，分析測量值PV的趨勢曲線，再根據(jù)PI參數(shù)調(diào)節(jié)變化規(guī)律，反復修改KP、TI參數(shù)，直到在保持系統(tǒng)較好動態(tài)性能的情況下，能夠消除靜差，才確定KP及TI值。

3.整定微分時間TD及微分增益KD

采用PI調(diào)節(jié)之后，能消除靜差，但經(jīng)過觀察對系統(tǒng)的運行效果感覺還不太滿意，因此，決定加入微分環(huán)節(jié)。在整定時，先置微分時間TD及微分增益KD為零，然后逐步增大TD及KD，接著通過觀察仿真系統(tǒng)的運行情況，記錄數(shù)據(jù)，繪出PID調(diào)節(jié)時的溫度調(diào)節(jié)特性曲線，分析測量值PV的趨勢曲線，再根據(jù)PID參數(shù)調(diào)節(jié)變化規(guī)律，相應地改變KP和TI的大小。總之，根據(jù)現(xiàn)場情況反復修改KP、TI、TD、KD參數(shù)，獲得相對滿意的調(diào)節(jié)效果，才確定KP、TI、TD、KD值。在所附的PLC程序中(參見附件五)，KP=1500%、TI=50s、KD=50%、TD=1.5s。

在合理的設置PID參數(shù)后，混合仿真系統(tǒng)獲得了良好的控制效果。

四、教學特點歸納

通過以上的實例，我們可以看到該仿真調(diào)試過程是貼近實際操作的，它可以使學生通過仿真系統(tǒng)的調(diào)試探索PID的控制規(guī)律，從而掌握PID控制參數(shù)整定的工程方法，這就是混合仿真法應用于PLC實習教學的獨到之處。

此外，混合仿真法在PLC實習教學中的應用還有以下特點:

一是可以在保證人身安全及設備安全的前提下，讓學生動手實操。

二是混合仿真系統(tǒng)的硬件構成容易實現(xiàn)，可根據(jù)教學項目的需要，靈活配置仿真系統(tǒng)的“真”硬件及設計、制作“假”硬件，便于開展規(guī)模教學。

三是可以使學生掌握PLC模擬量輸入/輸出模塊的原理及應用。

四是可以讓學生了解PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的構成，使學生能夠舉一反三，牢固掌握用PLC實現(xiàn)各種PID控制的相關理論和操作技能。

混合仿真法的教學特點使其具有較高的教學推廣價值。上述爐溫自動控制系統(tǒng)的實習教學項目一直作為本校高技能人才培訓的教學項目，培訓效果得到學生和用人單位的一致肯定。

需要指出的是，仿真系統(tǒng)中所用的“假”硬件——模擬電路，是不能夠完全模擬實際加熱系統(tǒng)的熱慣性現(xiàn)象，所調(diào)節(jié)出來的PID參數(shù)與實際還是有些差距的。不過，在實施教學的過程中，只要作些簡單的說明，并不影響學生掌握用PLC實現(xiàn)PID控制的操作技能。

附錄圖表5個

附件1爐溫自動控制系統(tǒng)方框圖

附件2仿真系統(tǒng)硬件的I/O接線圖

附件3模擬電路

附件4常見被控對象的PID參數(shù)經(jīng)驗選擇范圍