利用PLC 進行PID 退火爐溫度控制

陳蘭蘭 王勤昌

（1.山東三金玻璃機械有限公司，山東淄博255300；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東淄博255087）

0 前言

各種玻璃制品的退火爐和烤花爐是玻璃廠重要的熱工設備，對這些輔助設備的自動控制工作正隨著工藝和設備本身的改進而逐漸展開。

溫度控制是退火爐的重要組成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的范圍內，對玻璃瓶罐進行退火或烤花。 現在國內生產的退火爐還是以傳統的手動控制為主，山東三金玻璃機械股份有限公司近期開發了利用 PLC 自身的PID 控制模塊和其內部PID 控制程序， 對退火爐控制系統進行技術改造，結合觸摸屏畫面顯示操作，實現整個系統的自動控制。 改造后的控制，在運行和控制方面都更加符合自動化生產的需要，節約人力，提高了經濟效益。

PID 控制系統，使用時只需要設置一些參數，非常方便，一個模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環回路。

1 控制系統介紹

1.1 工藝概述

根據退火爐三區加熱的特點，退火爐自動控制系統由觸摸屏按鈕控制各區電源，并顯示和調節溫度，調節輸出功率，加熱器用于爐內或制品提供熱量，并且每區輸出電壓和三相運行電流可通過觸摸屏隨時觀察。升溫過程，根據升溫曲線，手動升溫，為保證機械結構不受影響，通過調整各區電流，緩慢升溫，各區溫度曲線實時監控并能打印輸出。配有遠程監控以太網接口和基于TCP/IP 的通訊。

1.2 PID 控制系統分析和調整

1.2.1 PID 系統概述

PID 控制器是比例-積分-微分控制的簡稱，具有：

（1）不需要精確的控制系統數學模型

（2）有較強的靈活性和適應性

（3）結構典型、程序設計簡單，工程上易于實現，參數調整方便等優點。 積分控制可以消除系統的靜差，微分控制可以改善系統的動態響應速度，比例、積分、微分三者有效的結合可以滿足不同的控制要求。

1.2.2 PID 控制器的數字化性能指標

PLC 的PID 控制器的設計是以連續系統的PID 控制規律為基礎，將其數字化寫成離散形式的PID 控制方程，再根據離散方程進行控制程序設計。

在連續系統中，典型的PID 閉環控制系統如圖1 所示。 圖1 中sp(t)是給定值，pv(t)是反饋量，c(t)是系統的輸出量，PID 控制的輸入輸出關系式為：

式中：

M(t)——控制器的輸出量，M0為輸出的初始值;

e(t)=sp(t)-pv(t)——誤差信號;

KC比例系數;

TI——積分時間常數;

TD——微分時間常數。

圖1 連續閉環控制系統方框圖

式(1)的右邊前3項分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差，誤差的積分和微分成正比。 如果取其中的一項或兩項，可以組成P、PD 或 PI 控制器。

假設采樣周期為TS，系統開始運行的時刻為t=0，用矩形積分來近似精確積分，用差分近似精確微分，將公式1 離散化，第n 次采樣時控制器的輸出為：

式中：

en-1——第n-1 次采樣時的誤差值;

KI——積分系數;

KD——微分系數。

基于PLC 的閉環控制系統如圖2 所示。 圖中的虛線部分在PLC內。 其中 spn、pvn、en、Mn 分別為模擬量在 sp(t)、pv(t)、e(t)、M(t)在第 n次采樣時的數字量。

圖2 PLC 閉環控制系統方框圖

在退火爐控制系統的參數調整中，可能只需要P、I、D 中的一種或兩種控制類型。 如可能只要求比例控制或比例與積分控制，通過設置參數可對回路控制類型進行選擇。

1.3 輸入輸出變量的轉換

PID 控制有兩個輸入量：給定值(sp)和過程變量(pv)。多數工藝要求給定值是固定的值，如退火爐溫度的給定值。 過程變量是經A/D 轉換和計算后得到的被控量的實測值，如退火爐溫度的測量值。 給定值與過程變量都是與被控對象有關的值。 應用 PLC 的PID 指令對這些量進行運算之前，先將其轉換成標準化的浮點數(實數)。

同樣，對于PID 指令的輸出，在將其送給D/A 轉化器之前，也需進行轉換。

1.4 通訊協議

TCP/IP 網絡是一種開放式的網絡結構，使不同硬件環境，不同網絡協議的網可以互連，真正達到資源共享，數據通信和分布處理的目標。它具有高速、高可靠和高安全性；傳輸速度快，成本低，是連接HMI與 PLC，PLC 與 PLC，PLC 和 I/O 的通用和有效的傳輸媒介。 TCP/IP 協議適用于所有計算機需求的全球化網絡標準，適用于多種平臺，并能作為HTTP、MODBUS、FTP 和許多其他協議的載體。

2 軟件設計與控制效果

2.1 系統控制示意圖

圖3 系統控制示意圖

2.2 系統運行效果

由于溫度控制環境下臺達PLC 的PID 指令提供了自動調整功能，可不用調整PID 參數就能達到理想的溫度控制效果，本例中溫度自動調整的過程：

1）初步調整，自動計算最佳PID 溫度控制參數，其溫度響應曲線如下：

圖4 PID 溫度控制初步調整曲線圖

2）使用自動調整好的PID 參數做溫度控制，其溫度響應曲線如下：

圖5 PID 溫度控制自動調整曲線效果圖

由上圖可看出經過自動調整后，使用調整好的參數進行溫度控制的效果還不錯，而且控制時間大約只使用了20 分鐘。

PID 的取樣時間需與GPWM 的周期設置相同， 但兩個指令的時間單位不同，PID 單位為 10ms，GPWM 單位為 1ms。

現在值（PV）的取樣時間最好是PID 取樣時間2 倍以上，溫度控制時建議為2 秒～6 秒之間。

3 結語

用PLC 實現退火爐的PID 溫度控制， 很好的完成了各項控制功能，運行穩定可靠，人機界面清晰可靠，操作靈活，便于操作人員掌握，因此直接應用PID 指令來實現PLC 的PID 控制， 是一種易于實現且經濟實用的方法。

［1］CHUNCHIN.WANG，等.DVP-PLC 101 samples[Z].中達電通股份有限公司.

［2］宋伯生，編.PLC 編程理論·算法及技巧[M].機械工業出版社，2005，2.