基于PLC的采暖爐系統的自動控制

武冬梅

WU Dong-mei

（內蒙古建筑職業技術學院 市政與路橋學院，呼和浩特 010070）

0 引言

在中國，采用鍋爐取暖主要以煤為燃料，不僅是鍋爐取暖，我國能源的供應也是以煤為主。燃氣代替燃煤采暖是改善北方地區冬季環境質量的重要措施。我國北方城市多年來一直采用集中供熱方式，國內外的運行情況說明，這種供熱方式技術上成熟[1]，也是比較經濟的。但近年來隨著經濟的發展和體制的改革，使集中供熱面臨著一些社會矛盾，主要是包燒費收繳困難及因此帶來的供熱質量得不到保證。因此，家庭燃氣采暖方式越來越受到家庭用戶的青睞而得到發展。

在鍋爐汽包燃燒系統中安全是首要指標，在安全體現中溫度是核心因素，溫度過高或者過低都不利于鍋爐汽包燃燒系統的正常運行。溫度過高則會引起管壁結垢從而傳熱量效率變低，過低則會影響部分水冷壁的水循環，嚴重時還會引起爆炸，所以在鍋爐運行中，保證溫度在正常范圍是非常重要的。

1 系統邏輯設計

1.1 采暖系統邏輯結構設計

如圖1中主要加熱系統主要有：電暖器、電鍋爐、大型熱泵、家用熱泵。

1.2 溫度控制系統

圖1 各種形式的采暖供熱系統

系統結構如圖2所示。溫度采集器中爐出口溫度調節器輸出的溫度值傳給爐膛溫度調節器，爐膛溫度調節器把把該輸入值作為把本省調節器溫度設定值值[2]，同時在這個系統架構中爐出口溫度為主被控參數，爐膛溫度為副被控參數。溫度信號可輸入溫度信號采集電路，進入到計算機控制系統，其系統內部設置有A/D和 D/A轉換器。系統采用溫度串聯控制結構以及在材料上采用了高精度的鉑電阻傳感器進行溫度測量與控制，且以單片機作為核心進行溫度控制，在軟件控制中采用通用PID算法，由PID運算進行數字信號和模擬信號的轉換。最有通過模型信號進行可控硅控制，最終實現對爐溫的高精度控制[3]。

圖2 溫度控制系統邏輯框圖

溫度控制部分采用數字式溫度傳感器DS18B20，它能夠將溫度直接轉換成數字信號，可以通過一根數據線與單片機進行通信，而且它不需要外部元件，在-10℃～85℃范圍內可以精確到+0.5℃。完全滿足設計要求。這樣設計就可以不使用A/D轉換器，從而使系統的精度得以提高，也能夠大大節省單片機得系統資源，所以我又加了DS1302時鐘模塊電路，使時間能夠實時顯示。

2 系統硬件設計

2.1 總體電路框圖

本設計以STC89C52RC單片機為主控核心設計的一個溫度控制系統，低溫時可控制加熱設備，高溫時控制風扇，超出設定最高溫度值時蜂鳴器發出聲響報警。

STC89C52RC單片機為40引腳雙列直插芯片,有四個I/O口P0,P1,P2,P3, MCS-51單片機共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一條I/O線都能獨立地作輸出或輸入。

2.2 溫度采集設計

DS18B20在惡劣環境中具有抗干擾性的特點，其主要原因是支持一線總線，該技術比較適合在惡劣的環境溫度測量.它具有體積小等特點，在微小體積重集成了各類型傳感器和各種轉換電路。同時DS18B20的測量溫度范圍為-55℃～+125℃,在-10℃～+85℃范圍內，精度為±0.5℃，9～12位分辨率設置，精度為±0.5℃。以及報警溫度值設置固化入EEPROM。

DS18B20的主要特點：

1）電源：電源接入方式以及電源范圍更靈活與寬，支持數據線電源供電。

2）微處理器與DS18B20通信通信更加方便:支持通過單線鏈接實現雙向通信的功能；

3）組網方式更加靈活:支持多點組網，可以實現對點監控與測溫度。在網絡結構上只需要采用多個設備并聯在三線上即可。

4）高度集成：DS18B20體積小，但其內部已經集成了各類型的傳感器和轉換器。在于外界鏈接時候，不在需要單獨加入其它轉換器設備。

在溫度控制范圍以及可編程分別率范圍更寬，可以滿足高精度測溫的要求。

在可編程分別率中9位分別率和12位分別率在溫度轉換為數字速率可以達到93.75ms和75ms就可以實現溫度值轉換為數字。

結果顯示更直觀和在抗干擾、糾錯能力上更強勁。直接進行數字溫度信號輸出與CRC校驗碼。

5）負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發熱而燒毀，但不能正常工作[5]。

DS18B20中的VDD引腳可以解決電源電流不足的問題，可以保證設備的轉換精度，但需要注意的是在這種模式下GND引腳不能為空，負責會影響到設備的轉換。

在溫度數據采集過程中，設備間數據傳輸分為并行傳輸和串行傳輸，在本系統設計中主要采用并行數據傳輸，以字或字節為單位，這樣可以保證數據傳輸的速度。

3 系統軟件設計

3.1 總體軟件框圖

總體軟件框圖如圖3所示。

圖3 總體軟件框圖

3.2 溫度數據采集

單片機控制DS18B20完成溫度轉換需要進行三個操作，第一個是復位操作，然后是發出ROM指令，最后進行RAM指令。當設備發出60～240微秒低脈沖后表示復位成功。

3.3 PID控制程序設計

PID控制技術是在模擬量閉環控制工業領域中是最歷史悠久，最成熟的技術。其內容包含：P(比例控制)、I(在積分控制)、D(微分控制)。

1）比例控制(P)：其具有能快速反應的特點,雖誤差不能消除，但可以減少到最低，在內容上控制器的輸出誤差與輸入誤差信號成正比。

2）在積分控制(I)：它具有消除余差的功能，但同時具有滯后性。其在控制關系上控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比。

3）在微分控制(D)中，具有誤差預測功能，但無法消除余差，其控制關系與輸入、輸出誤差信號微分成正比。

PID控制，中P,I,D 三者相互作用，只有當找到P,I,D合理的平衡點，才可以發揮其最好搞的質量控制。

3.3.1 PID控制算法

在本控制系統中，出口溫度傳感器的出口水溫度信號轉化為電流信號提供給爐膛溫度傳感器，同時爐膛溫度傳感器的溫度傳輸給DS18B20進行相關轉換。然后將兩路模擬信號經通過PID模塊進行PID調節控制。

PID控制器通過回路輸出控制使系統達到穩定值。偏差e和輸入量r、輸出量c的關系:

控制器的輸出為：

u(t )為PID回路輸出；

Kp為比例系數P；

Ti為積分系數I；

Td為微分系數D。

PID調節的傳輸函數為：

系統在處理這類函數時候，首先必須做到先把連續函數進行離散化，然后進行對離散化結果偏差進行周期性采樣，最后得出其結果。所以PID輸出經過離散化后，它的輸出方程為:

式中，

up(n)=Kpe(n)為比例項；

從上面的式子可以看出積分項已經包含了所有采樣周期的誤差累積值，所以當進行計算時，所有誤差項不再使用，只需要保留積分累積項即可。所以在本系統中可以利用單片機中的PID指令實現位置式PID控制算法量。

3.3.2 回路輸入輸出變量的數值轉換方法

在本自動控制中，由于溫度信號和標準溫度信號不是一個級別，所以首先要先將測量的穩定信號轉換為標準溫度值，這一個過程叫PV過程變量，過程變量主要和PID回路輸出有直接關系。所以溫度傳感器輸入電壓信號后經過A/D,D/A轉換器后轉換為整數值。以此同時由于PID執行指令需要的是實數值，所以還需要通過DTR吧這個整數值轉換為實數型，在本設計中主要通過IW0讀入溫度讀入改實數值，其轉換程序如下:

3.3.3 實數歸一化處理

由于PID對參數輸入值范圍要求很嚴格，除了PID中采用時間和P，I，D參數外，其他輸入參數必須在0.0～1.0之間，必須對PV、SP結果值進行歸一化數據處理。其單極性的歸一化的公式：

3.3.4 PID參數整定

PID參數整定是指確定調節器的比例系數P、積分時間Ti和和微分時間Td三者指標的調整。其P,I,D數學表達式為：

在顯示生活中一般采用，經驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應曲線法進行參數整定。

在本論文系統設計中采用經驗法，其原理就是根據對具體控制對象的具體要求，從典型控制電路程序的總結經驗中進行選擇、調試、修改梯形圖，以及通過反應曲線進行參數調整，并總結出新規律。此種方法最大優點就是不需要預先計算。

3.3.5 整定結果及分析

當鍋爐鋼啟動加熱時，處于常溫，此時sppv=ΔU值很大，此時PID模塊就會采用P模式進行控制。使鍋爐不斷加熱，當溫度超過30℃時由于sp-pv=ΔU變為負數，通過PID調節器進行對鍋爐減壓，使爐溫降低，最終實現sp-pv=ΔU為零時系統就達到穩定狀態。

4 結束語

本論文中單片機按照一定的控制算法對采集的溫度數據進行處理，得到控制量，以控制電機的功率以及PID控制算法，從而實現風扇轉速的控制。當傳感器檢測出的環境溫度偏低時,控制繼電器,實現電暖爐的開與關的狀態；當傳感器檢測出的環境溫度偏高時,隨著溫度的改變,控制電機的轉速作出相應的改變；通過時鐘芯片DS1302自動控制電機,使其在某個時間段不工作。當環境溫度超出了設定值時,蜂鳴器發出聲響報警。

[1]辛廣路. 鍋爐運行與操作指南[M]. 機械工業出版社,2006年.

[2]邵欲森. 帶先中. 過程控制工程[M]. 機械工業出版社,2000年.

[3]劉春勝. 王邵伯. 川籍PID控制在鍋爐主蒸汽溫度控制中的應用[J]. 工業控制計算機, 2006年.

[4]張鳳珊, 祖龍起.電氣控制及可編程控制器[M]. 中國輕工業出版社, 2003年.

[5]宋伯生. PLC變成理論·算法及技巧[M]. 機械工業出版社, 2006年.

[6]陶永華, 葛蘆生. 新型PID控制及其應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 1998年.

[7]丁鎮生. 傳感器及傳感技術應用[M]. 北京: 電子工業出版社, 1998.

[8]王永華. 現代電氣控制及PLC應用技術[M]. 北京: 北京航天航空大學出版.