基于MCGS和PLC的爐溫控制系統(tǒng)

北方民族大學(xué)電器工程學(xué)院 張鳳雨 虎恩典 王佳梅

引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中最常見最基本的工藝參數(shù)之一，例如機械、電子、石油、化工等各類工業(yè)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理、反應(yīng)爐等，對工件的處理溫度要求嚴格控制。至于溫度控制系統(tǒng)，過去一般采用溫控儀表等儀器來直接控制，自動化程度不高，運行穩(wěn)定性較差，操作維護不方便，針對這些問題，本文提出以S7-2OO作為主控單元，配合外圍電路、執(zhí)行單元并通過上位機的組態(tài)軟件進行監(jiān)控，在控制算法上引入傳統(tǒng)的PID控制，取得了良好的控制效果。

1.控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用S7-2OOPLC為控制單元（CPU型號為CPU224），經(jīng)RS232/485串性總線與上位機相連，由于CPU224只有數(shù)字量的輸入輸出接口，而現(xiàn)場溫度為模擬信號，因此本系統(tǒng)選取4輸入1輸出的EM235模擬量擴展模塊進行模擬量擴展。執(zhí)行機構(gòu)為單向SCR可調(diào)壓模塊和變頻器，其中調(diào)壓模塊通過調(diào)壓加熱器以升溫，變頻器調(diào)節(jié)水量以降溫。上位機通過STEP7-Micro/WIN32編程軟件設(shè)置通訊參數(shù)、編寫控制程序并進行編譯、調(diào)試、下載到PLC中去。此外，工控機還通過MCGS組態(tài)軟件對控制系統(tǒng)進行了組態(tài)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的顯示、實時曲線與歷史曲線的繪制、實時控制參數(shù)的修改等。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

S7-2OOPLC與上位機的通信設(shè)置

S7-2OOPLC有很強的通信功能，有多重通信方式可供選擇，如單主站方式、多主站方式和遠程通訊方式等，基于實際需要及成本的考慮本設(shè)計采用單主站方式，PC作為單一主站，S7-2OO作為從站，兩者之間通過PC/PPI電纜連接，通過STEP7-Micro/WIN32編程軟件設(shè)定通信參數(shù)，如PLC地址、波特率等，如圖2所示。

2.軟件設(shè)計

2.1 PID控制器的設(shè)計

在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要閉環(huán)控制的方式來控制溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。無論是使用模擬控制器的模擬控制系統(tǒng)，還是使用PLC的數(shù)字控制系統(tǒng)，PID都得到了廣泛的應(yīng)用，之所以得到廣泛的應(yīng)用是因為它不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，有較強的靈活性和實用性，且具有程序設(shè)計簡單、工程上易于實現(xiàn)、，參數(shù)調(diào)整方便等的特點。PID閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖如圖3所示。

圖中虛線部分在PLC內(nèi)。設(shè)采樣周期為T，PID控制器輸出的離散化差分方程為：

圖1 為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

式中kp、ki、kd分別是比例、積分、微分系數(shù)，en-1是第n-1次采樣的誤差值。Mn是PID控制器的輸出。

2.2 輸入、輸出信號的數(shù)值整定

由于采集的數(shù)據(jù)都為工程中的實際數(shù)據(jù)，單位、幅值和范圍也不同，必須將其轉(zhuǎn)換成標準形式（O～O.1的無剛量實數(shù)），才能被PLC中的PID指令接受執(zhí)行。

轉(zhuǎn)換的第一步是將給定值或A/D轉(zhuǎn)換后得到整數(shù)值由16位轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)。

轉(zhuǎn)換后的下一步是將實數(shù)進一步轉(zhuǎn)換成O.O～1.O之間的標準化實數(shù)，鍋爐溫度測量范圍是O～1OO℃，模擬量的標準電信號是AO-Am（4-2OmA），A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)值為DO-Dm（64OO-32OOO），設(shè)RNorm（O.O～1.O）為轉(zhuǎn)化后的標注化數(shù)值，其轉(zhuǎn)換公式如下：

圖2 通訊參數(shù)設(shè)置

圖4 用戶主控制窗口

圖3 PID控制系統(tǒng)方框圖

表1 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

表2 PLC開放給組態(tài)軟件的變量

輸出信號的整定是上述公式的逆過程，由于篇幅限制，在此不詳述。

2.3 控制算法的實現(xiàn)

S7-2OOPLC有專門的PID指令，編程語言有梯形圖和STL語言兩種方式（可相互轉(zhuǎn)換）。標準電信號（4～2OmA）由EM235模擬量擴展模塊經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字量后，首先進行標準化數(shù)值轉(zhuǎn)換，然后把數(shù)值送入PID指令回路表，經(jīng)過PID運算后輸出，程序分為主程序和中斷子程序，主程序啟動中斷并傳送控制參數(shù)，子程序進行數(shù)值轉(zhuǎn)換并控制輸出。其轉(zhuǎn)換其程序如下：

主程序（STL語言）

3.MCGS組態(tài)軟件的實現(xiàn)

MCGS建立的工程，其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五個部分構(gòu)成。MCGS用主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口來構(gòu)成一個應(yīng)用系統(tǒng)的人機交互圖形界面，組態(tài)配置不同類型和功能的對象構(gòu)件，同時可以對實時數(shù)據(jù)進行可視化處理。

3.1 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

實時數(shù)據(jù)庫是MCGS系統(tǒng)的核心，是應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。系統(tǒng)每個個部分均以實時數(shù)據(jù)庫為公用區(qū)交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各個部分協(xié)調(diào)動作。設(shè)備窗口通過設(shè)備構(gòu)件驅(qū)動外部設(shè)備，將采集的數(shù)據(jù)送入實時數(shù)據(jù)，由用戶窗口組成的圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立聯(lián)系，然后以動畫的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化；運行策略通過策略構(gòu)件，對數(shù)據(jù)進行操作和處理；定義數(shù)據(jù)對象的過程就是構(gòu)造實時數(shù)據(jù)庫的過程，本系統(tǒng)定義的基本數(shù)據(jù)變量如表1所示。

3.2 設(shè)備窗口組態(tài)

設(shè)備窗口是MCGS與作為測控對象的外部設(shè)備建立聯(lián)系的后臺作業(yè)環(huán)境，負責(zé)驅(qū)動外部設(shè)備，控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)。系統(tǒng)通過設(shè)備與數(shù)據(jù)之間的通道，把外部設(shè)備的運行數(shù)據(jù)采集進來，送入實時數(shù)據(jù)庫，供系統(tǒng)其它部分調(diào)用，并且把實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)輸出到外部設(shè)備，實現(xiàn)對外部設(shè)備的操作與控制。進入設(shè)備窗口，從設(shè)備構(gòu)件工具箱里選擇相應(yīng)的構(gòu)件（本設(shè)計為S7-2OO），配置到窗口內(nèi)，建立接口與通道的連接關(guān)系，設(shè)置相關(guān)的屬性，即完成了設(shè)備窗口的組態(tài)工作。本設(shè)計PLC開放給組態(tài)軟件的變量（亦即通道地址值）如下表2所示。

3.3 運行策略組態(tài)

運行策略是指對監(jiān)控系統(tǒng)運行流程進行控制的方法和條件，它能夠?qū)ο到y(tǒng)執(zhí)行某項操作和實現(xiàn)某種功能進行有條件的約束。運行策略由多個復(fù)雜的功能模塊組成，稱為“策略塊”，用來完成對系統(tǒng)運行流程的自由控制，使系統(tǒng)能按照設(shè)定的順序和條件，進行操作實時數(shù)據(jù)庫，控制用戶窗口的打開、關(guān)閉以及控制設(shè)備構(gòu)件的工作狀態(tài)等一系列工作，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)工作過程的精確控制及有序的調(diào)度管理。MCGS運行策略窗口中“啟動策略”、“退出策略”、“循環(huán)策略”為系統(tǒng)固有的三個策略塊，其余的則由用戶根據(jù)需要自行定義。

3.4 用戶窗口組態(tài)

MCGS組態(tài)軟件以窗口為單位來組建應(yīng)用系統(tǒng)的圖形界面，創(chuàng)建用戶窗口后，通過放置各種類型的圖形對象，定義相應(yīng)的屬性，為用戶提供漂亮、生動、具有多種風(fēng)格和類型的動畫畫面。本設(shè)計的主控制用戶窗口如圖4所示。圖中為主控制系統(tǒng)畫面，包括時間、各種參數(shù)和實時曲線等。畫面的下半部分為子界面的選擇，如歷史曲線、數(shù)據(jù)瀏覽，手動、自動切換按鈕等，點擊相應(yīng)的按鈕即可進入具體的控制畫面，為實施更準確的檢測與控制提供了便利，實現(xiàn)了良好的人機對話界面。

結(jié)束語

設(shè)計的系統(tǒng)具有以下特點：

（1）智能化程度高。采用“上位機+下位機”的控制模式，下位機主要完成數(shù)據(jù)的采集和控制作用的執(zhí)行，上位機主要完成組態(tài)與監(jiān)控，工程人員只需在操作站即可完成系統(tǒng)的監(jiān)控，包括數(shù)據(jù)參數(shù)的設(shè)置以及監(jiān)控畫面和圖形報表的顯示。

（2）可靠性安全性強。根據(jù)各層負責(zé)人的權(quán)限不同，利用軟件設(shè)置了權(quán)限密碼，防止第三方修改參數(shù)或越權(quán)使用。

（3）動態(tài)性能好。采用技術(shù)成熟的經(jīng)典控制器作為系統(tǒng)的控制核心，實際運行表明超調(diào)量不大，調(diào)節(jié)時間在允許的范圍內(nèi)，抗干擾性強。

[1]高欣和.PLC應(yīng)用開發(fā)案例精選(第2版)[M].北京:人民郵電出版社,2008:207-210.

[2]MCGS全中文工控組態(tài)軟件用戶指南[M].北京:北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.

[3]易江義,陽春華等.基于MCGS的工業(yè)鍋爐恒溫PID控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微型計算機信息,2009,25(1):3-4.