基于PLC技術的電熱毯遠程控制系統(tǒng)研究

陸希望， 王 權， 冉 旭， 李 陽， 蔣 芹， 丁 偉

（宿州學院，安徽 宿州 234000）

基于PLC技術的電熱毯遠程控制系統(tǒng)研究

陸希望， 王 權， 冉 旭， 李 陽， 蔣 芹， 丁 偉

（宿州學院，安徽 宿州 234000）

本文主要介紹了基于西門子公司S7-200系列的可編程控制器和亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王的溫度控制系統(tǒng)的設計方案.編程時調(diào)用了編程軟件STEP 7-M icro W IN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡潔，運行速度更為理想.利用組態(tài)軟件組態(tài)王設計實現(xiàn)GPRS無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實時采樣與處理.實驗證明，此系統(tǒng)具有快、準、穩(wěn)等優(yōu)點，在工業(yè)溫度控制領域可以進行廣泛應用.

溫度控制；可編程控制器；GPRS無線遠程通信；組態(tài)王

1 溫度控制系統(tǒng)簡介

1.1 課題的背景和意義

近年來，國內(nèi)外對溫度控制器領域進行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計算機技術的發(fā)展，溫度控制器的研究取得了巨大的進步，形成了一批商品化的溫度調(diào)節(jié)器，如:職能化PID、模糊控制、自適應控制等，其性能、控制效果好,可廣泛應用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關設備的技術改造服務.

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是最常見的過程參數(shù)之一.在冶金、化工、電力、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制.由于其具有工況復雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點，它對控制調(diào)節(jié)器要求極高.在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為PID控制.

PLC是一種應用非常廣泛的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合溫度控制的要求.

基于PLC的溫度控制系統(tǒng)以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、能耗低等優(yōu)點深受許多用戶的青睞，在工業(yè)溫度控制領域得到了廣泛的應用.

1.2 溫度控制系統(tǒng)涉及的內(nèi)容

本課題研究的是PLC技術在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應用，從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設計、程序設計，控制對象數(shù)學模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定，無線遠程監(jiān)控的設計等.

本設計研究通過PLC控制器，溫度傳感器將檢測到的實際溫度轉化為電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉換成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制電熱毯加熱的通斷來實現(xiàn)對溫度的控制.同時利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設計一個GPRS遠程控制，通過串行口與可編程控制器通信，對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便.總體上的技術路線包括：硬件設計，軟件編程，參數(shù)整定等.

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 硬件系統(tǒng)組成及工作原理

2.1.1 硬件系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由S7-200CPU226型PLC、EM231模擬量擴展模塊、熱電式傳感器、固態(tài)繼電器、發(fā)熱裝置及其他控制設備組成.系統(tǒng)框架圖如圖1所示.

圖1

2.1.2 硬件系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)選用PLC CPU226為控制器，K型熱電偶將檢測到的實際溫度轉化為電壓信號，經(jīng)過EM231模擬量輸入模塊轉換成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制加熱的通斷來實現(xiàn)對溫度的控制.組態(tài)王和PLC與GPRS無線遠程通信相連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控.

2.2 S7-200 CPU的選擇

S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型.此系統(tǒng)選用S7-200 CPU226，CPU226集成了24點輸入/16點輸出，共有40個數(shù)字量I/O.可連接7個擴展模塊，最大擴展至248點數(shù)字量或35點模擬量I/O.還有13KB的程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的30KHz高速計數(shù)器，兩路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器.配有2個RS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為38.4 kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng).

2.3 EM231模擬量輸入模塊

在此溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉換成0～41mv的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉換成數(shù)字信號再送入PLC中進行處理.在這里，我們選用了西門子EM231 4TC模擬量輸入模塊.EM231熱電偶模塊提供一個方便的隔離接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允許連接微小的模擬量信號(±80mV范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器.EM231模塊需要用戶通過DIP開關進行組態(tài)：SW1～SW3用于選擇熱電偶類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進行斷線檢測，SW 7用于選擇測量單位，SW8用于選擇是否進行冷端補償.本系統(tǒng)選用的是K型熱電偶，所以DIP開關SW1～SW8組態(tài)為00100000；EM231具體技術指標見表1.EM231校準和配置位置圖如圖2所示.

表1 EM231技術指標

圖2

2.4 熱電式傳感器的選擇

熱電式傳感器是一種將溫度變化轉化為電量變化的裝置.在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉換為電勢和電阻的方法最為普遍.其中最常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變化轉換為電勢變化,而熱電阻是將溫度變化轉換為電阻的變化.這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應用.

該系統(tǒng)中需要用傳感器將溫度轉換成電壓，我們選擇了熱電偶作為傳感器.熱電偶也是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一.國際標準熱電偶有S、B、E、K、R、J、T七種類型.

2.5 控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

在此溫度控制系統(tǒng)中，電熱偶將檢測到的溫度信號轉換成電壓信號經(jīng)過溫度模塊后，與設定溫度值進行比較，得到偏差，再把此偏差送入PLC控制器按PID算法進行修正，返回對應情況下的固態(tài)繼電器導通時間，調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率，從而實現(xiàn)對溫度控制.控制系統(tǒng)結構圖如圖3所示，方框圖如圖4所示.

圖4

圖4中，R(s)為設定溫度的拉氏變換式；E(s)為偏差的拉氏變換式；Gc(s)為控制器的傳遞函數(shù)；Go (s)為廣義對象，即控制閥、對象控制通道、測量變送裝置三個環(huán)節(jié)的合并.

該溫度控制系統(tǒng)是具有時滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為

式1-1中，K0為對象放大系數(shù)；T0為對象時間常數(shù)；τ為對象時滯.

由階躍響應法求得，K0=0.5；T0=2.5分鐘；τ=1.2分鐘.

3 PLC控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 PID調(diào)節(jié)及參數(shù)整定

比例、積分、微分三種控制方式各有獨特的作用.本溫度控制系統(tǒng)將這三種方式組合在一起，即采用比例積分微分（PID）控制,其數(shù)學表達式為

式1-3中：Kp為比例系數(shù)，T1為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù).

完成了上述內(nèi)容后，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)確定了.在系統(tǒng)投運之前，還需要進行控制器的參數(shù)整定.控制器參數(shù)整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法.

理論計算整定法是在已知被控對象的數(shù)學模型的基礎上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標，通過理論計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來求得最佳的整定參數(shù).由于整定結果的精度不高，因而未能在工程上得到廣泛推廣.

對于工程整定法，工程技術人員無需知道對象的數(shù)學模型，無需具備理論計算所需的理論知識，就可以在控制系統(tǒng)中直接進行整定，因而簡單、實用，在實際工程中被廣泛使用.常用的工程整定法有經(jīng)驗整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應曲線法、自整定法等.在這里，我們采用經(jīng)驗整定法來整定控制器的參數(shù)值.

經(jīng)驗整定法實質(zhì)上是一種經(jīng)驗湊試法，是工程技術人員在長期生產(chǎn)實踐中總結出來的.它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運行，通過觀察人為加入干擾（改變設定值）后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應的控制參數(shù)值，進行反復湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止.

由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗整定法主要通過調(diào)整比例度δ的大小來滿足質(zhì)量指標.整定途徑有以下兩條：

（1）先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的比例度δ，將人為加入干擾后的過渡過程調(diào)整為4：1的衰減振蕩過程.然后再加入積分(I)作用，一般先取積分時間T1為衰減振蕩周期的一半左右.由于積分作用將使振蕩加劇，在加入積分作用之前，要先衰減比例作用，通常把比例度增大10%-20%.調(diào)整積分時間的大小，直到出現(xiàn)4：1的衰減振蕩.需要時，最后加入微分（D）作用，即從零開始，逐漸加大微分時間Td，由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可以把積分時間也縮短一些.通過微分時間的湊試，使過渡時間最短，超調(diào)量最小.

（2）先根據(jù)表選取積分時間Ti和Td，通常取Td=(1/3-1/4)Ti，然后對比例度δ進行反復湊試，直至得到滿意的結果.如果開始時Ti和Td設置的不合理，則有可能得不到要求的理想曲線.這時應適當調(diào)整Ti和Td，再重復湊試，使曲線最終符合控制要求，采用表2數(shù)據(jù).

通過經(jīng)驗整定法的整定，PID控制器整定參數(shù)值為：比例系數(shù)Kc=120，積分時間Ti=3分鐘，微分時間Td=1分鐘.

表2 控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)

3.2 相關程序的設計

3.2.1 設計思路

PLC運行時，通過特殊繼電器SM0.0產(chǎn)生初始化脈沖進行初始化，將溫度設定值，PID參數(shù)值等，存入有關的數(shù)據(jù)寄存器，使定時器復位；按啟動按鈕，系統(tǒng)開始溫度采樣，采樣周期為10秒；K型熱電偶傳感器把所測量的溫度進行標準量轉換（0-41毫伏）；模擬量輸入通道AIW 0通過讀入0-41毫伏的模擬電壓量送入PLC；經(jīng)過程序計算后得出實際測量的溫度T,將T和溫度設定值比較，根據(jù)偏差計算調(diào)整量，發(fā)出調(diào)節(jié)命令.

3.2.2 控制程序流程圖

圖5

3.2.3 調(diào)用PID子程序

調(diào)用編程軟件自帶的PID子程序，即利用PID指令向?qū)Ь幊?上面的指令中，PV_I為反饋值，也就是熱電偶將檢測到的當前溫度值送入溫度模塊后輸出的模擬電壓值AIW0；Setpoint_R為設定值.

每個PID回路都有兩個輸入變量，給定值SP和過程變量PV.執(zhí)行PID指令前必須把它們轉換成標準的浮點型實數(shù).即先把整數(shù)值轉換成浮點型實數(shù)值，再把實數(shù)值進行歸一化處理，使其為0.0-1.0之間的實數(shù).歸一化公式為：

式中，R1為標準化的實數(shù)值；R為未標準化的實數(shù)值；M為偏置，單極性為0.0，雙極性為0.5；S為值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32000，雙極性為64000.

在本課題中R=40,即設定溫度40度；S=32000, M=0.0,所以按照歸一化公式R1=40/32000+0.0= 0.00125，即Setpoint_R為0.00125.

3.3 GPRS無線遠程通信

采用一種非透傳模式的GPRS遠程通信方案，以消除透傳模式的各種缺點.用戶無需掌握編程知識，無需搭建中心服務器，只需簡單配置即可實現(xiàn)GPRS遠程通信.

設備端需安裝GRM200G，GRM200G支持西門子PPI、三菱、歐姆龍、ABB和MODUBUS等多種協(xié)議.GRM200G通過RS485接口與多臺PLC相連，周期性采集PLC寄存器值并緩存.

客戶端（監(jiān)控端）安裝GRM OPC Server，任何支持OPC接口的組態(tài)軟件（如WINCC、INTOUCH、組態(tài)王、力控、易控和MCGS等）可以通過GRM OPC Server與GRM200G建立通訊連接，讀寫PLC寄存器.如下圖所示:

4 系統(tǒng)的運行結果

完成了PLC程序設計和遠程控制設計之后，進入系統(tǒng)運行測試階段.首先在STEP7-Micro/Win編程軟件中將設計好的程序下載到PLC中，然后打開組態(tài)王，切換到運行模式.

4.1 配置GRM200G

運行GRM200開發(fā)系統(tǒng)GRM Developer，新建工程，如下圖所示.

4.2 溫度趨勢曲線分析

打開組態(tài)軟件點擊“實時趨勢曲線”按鈕，則切換到實時趨勢曲線畫面.畫面中紅色曲線表示設定溫度，藍色曲線表示當前溫度.由實時趨勢曲線圖（圖略）可知，系統(tǒng)運行后當前溫度快速上升到15度，然后緩慢上升到40度左右，最后下降到30度左右穩(wěn)定下來.其中，當前溫度值最大為40度，穩(wěn)定后在25度到35度之間，與設定溫度極為接近.可見，該溫控系統(tǒng)超調(diào)量很小.

注：該溫度控制系統(tǒng)也有一些有不足的地方需要改進，編程時我們用了編程軟件自帶的PID指令向?qū)K，這樣雖然方便，但是使得控制系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都稍微偏大，若不直接調(diào)用該模塊，而是自己編寫PID控制子程序的話，控制效果可能會更好.還有GPRS無線遠程控制內(nèi)容不夠豐富.

〔1〕徐亞飛，劉官敏，高國章[J].溫箱溫度PID與預測控制.武漢理工大學學報 (交通科學與工程版)，2004.

〔2〕曾貴娥,邱麗,朱學峰[J].PID控制器參數(shù)整定方法的仿真與實驗研究.石油化工自動化,2005.

〔3〕張偉林.電氣控制與PLC綜合應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2009.

TP273

A

1673-260X（2014）10-0021-04

安徽省宿州學院第七屆大學生科研立項：基于PLC電熱毯遠程控制系統(tǒng)的研究（KYLXLKZD13-15）；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（201210379037）