PLC在加熱系統中的應用研究

林松

摘 要：PLC邏輯運算和模塊控制功能越來越成熟精確，不僅設計簡單方便，運算功能靈活，而且可以實現系統的集成控制。根據溫度控制工藝要求，設計一種通過PLC程序編程運算實時輸出，控制溫控器設定值和PID模塊溫度控制系統，實現對控制對象精確控溫的目的，系統運行穩定，控制方法簡單，方便調試和使用，在實際工程運用取得相當好的控制效果。

關鍵詞：PLC；溫度控制；PID

1 引言

溫控表與熱電偶、加熱元件、執行元件組成獨立完整的溫度控制系統，這種溫控方式應用普及，但修改參數麻煩。另一種建立溫控表與上位機之間的通訊連接，目前使用也非常普遍，但是通訊編程復雜，特別是不同溫控和上位機，通信協議有所不同，對于技術人員編程知識要求高。所以設計一種程序簡單、應用靈活、成本合理和通用性強的溫控系統是現場工程技術人員需要考慮的事情。基于上述情況本文應用溫控表+PLC輸入輸出模塊實現溫度控制，介紹了特殊情況下應用PID控制輸出控制接觸器的方式。

2 控制方式的實現

2.1 建立PLC與溫度儀表模擬通道的連接，PLC就可以實現控制溫控儀表過程值和設定值的任何運算，可以按照工藝要求進行升溫曲線程序段控制系統的設計，但溫度控制準確性由溫控儀表執行。

圖1

（如圖1）溫控設備中的溫度器配置有模擬量輸入、輸出模塊電壓信號均為0-10V，輸入、輸出模塊接點與PLC模擬量模塊連接，被控對象由溫控設備控制。系統通過PLC輸出設定值到溫控器上并讀取實際值，按照實際工藝要求PLC內部運算后輸出設定值到溫控設備控制加熱溫度和時間。

（如圖2）工藝要求第1步加熱時間t1、溫度到達T1后經過t3時間從T1溫度下降至T2。

從溫控設備來的0-10v信號轉入PLC系統后要經過數值轉換，需將0-10V電壓值轉換為工程量才能進行運算，假設溫控器模擬量模塊0-10V對應的溫控范圍0-Ta。PLC模擬量輸入輸出模塊0-10V的電壓對應程序的工程量0-青年Ka。溫控設備儀表實際值Tc，PLC程序中的值應該是Tc/C （Ta/Ka=C常數），同樣道理PLC設定值T1、T2則程序運算后輸出到溫控儀表的設定值是T1*C、T2*C。

首先計算出溫度上升/下降斜率值Ks，開始第一段加熱程序掃描T1>Tc/C，啟動后應為升溫過程，上升斜率Ks=（T1-Tc/C）/t1。第二段程序掃描Tc/C>T2則為降溫過程，下降斜率Ks=（Tc/C-T2）/t3。而后按照計算斜率來控制溫控器每分鐘掃描設定溫度To=To±Ks，To為每分鐘掃描一次，To值逐漸增加或減小一次Ks值，理論上時間溫度到達時剛好完成斜率的上升/下降任務。

圖3為部分升溫斜率控制程序。啟動觸發時，系統后將實際值讀入做為斜率計算的開始設定值，整個控溫過程中保持實時設定值與實際值一致，說明控溫精度準確。具體還是根據實際情況來實現需要的控制功能。

2.2 在工業控制中 PID（比例+微分+積分）得到廣泛應用，由于實際工程控制系統很難建立精確的數學模型，大都依賴工程經驗直接在系統中調試參數整定。現在的PLC廠家大都在編程軟件中引入PID控制模塊，它跟其它PLC指令程序指令模塊一樣，可以離線或在線修改參數。用戶只需要設置合適的參數，通過對PID指令的參數修改就可以控制執行元件控制溫度。圖4為PID在PLC控制的實現原理，控制界面清晰、簡潔、無需復雜編程，使用起來方便簡單。

圖4 圖5

PID指令模塊（圖5）中有兩個重要的表述Process variable為過程變量的輸入源也就是溫度反饋值。圖中加熱實際溫度為Ta，溫度最小最大標定范圍0-1500℃，則對應PLC的工程量0-16383，需要進行線性轉換后才能輸入到PID模塊中Control_Process Value=Ta*16383/1500。

另一個Control variable是最為關鍵的控制參數，這個變量直接傳到執行元件上，但是由于PID計算后得到的是百分比數值，無法直接輸出到執行元件，所以需要將此數值轉換（例如OUTPUT%=0，CV=0；OUTPUT=100%，CV=10000）后才能進行其它運算。

圖6

（圖6）控制動作E=SP-PV，SV>PV時控制器輸出增大，PV>SV時控制器輸出減少。Deadband value是防止過程值在設定的附近進行微調，導致系統來回振蕩，是否設定或設定值大小根據工藝需要。Kp、Ki、Kd分別為比例增益、積分增益和微分時間參數。

如果特殊情況下執行元件采用普通接觸器來實現溫控器的分段和斜率加熱功能，由于接觸器線圈的吸合斷開不宜太頻繁，又要解決控制精度和時間問題。所以利用PID模塊和引入定時功能相結合來實現PID控制。

PID模塊設置啟動和暫停開關，啟動觸點同時開始運行PID模塊運算并開始定時器計時，加熱時間達到后開始加熱。由于此例選擇independent（獨立增益）和E=SP-PV（偏差），根據PLC模塊PID的計算公式CV=KpE+Ki，計算出控制變量值的數值后經過輸出轉換得到循環時間比例值，利用循環時間比例值與過程值比較結果來控制加熱停止。下面為軟件編程：

3 結束語

采用PLC來控制溫度方法非常多，基于現場條件的限制，以實際需要為準則。本文主要介紹了在溫控設備與PLC無法采用通訊連接和利用PID模塊來控制加熱溫度和時間的方法，系統運行穩定，控制方法簡單，在實際工程運用取得相當好的控制效果。當然上述方法編程可以是整個控制系統中的一環節控制點，PLC可以與HMI結合設計出非常友好的界面，方便人員修改數值和完成控制任務。

參考文獻

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