基于PLC的智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁艷玲

(南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 211135)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求不斷提高。智能化、數(shù)字化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是以后的發(fā)展趨勢(shì)。智能控制系統(tǒng)技術(shù)日益更新,溫濕度測(cè)控領(lǐng)域也在快速發(fā)展。在數(shù)字技術(shù)的創(chuàng)新引領(lǐng)下,溫濕度系統(tǒng)測(cè)控芯片也不斷更新,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

智能溫濕度控制系統(tǒng)以PLC或者單片機(jī)為核心,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集溫度與設(shè)定溫度的誤差對(duì)比,經(jīng)過(guò)系統(tǒng)誤差校正,啟用相應(yīng)的制熱或散熱系統(tǒng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫濕度的恒定調(diào)節(jié),改善工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境,提高設(shè)備使用壽命。

1 系統(tǒng)整體分析

1.1 設(shè)計(jì)思路

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展,在自動(dòng)控制理論和方法發(fā)展的引領(lǐng)下,溫度測(cè)控領(lǐng)域快速發(fā)展。我國(guó)溫度控制系統(tǒng)在數(shù)字化、自適應(yīng)和參數(shù)自整定等方面已經(jīng)取得一定成果,根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制的需求,設(shè)計(jì)性能良好的溫度控制器及相關(guān)儀器儀表,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

硬件控制系統(tǒng)中,目前溫度控制系統(tǒng)比較成熟產(chǎn)品主要以溫控模塊及傳統(tǒng)PID控制器為主,其適應(yīng)性有一定局限,較難用于控制存在滯后、比較復(fù)雜和時(shí)間變化的溫度系統(tǒng)。因此,智能化、數(shù)字化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是今后市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 技術(shù)說(shuō)明

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)要根據(jù)市場(chǎng)需求做出快速反應(yīng),生產(chǎn)小批量、多規(guī)格、成本低和質(zhì)量高的產(chǎn)品,為了滿足不同的生產(chǎn)需求,自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)要具有相當(dāng)高的可靠性和靈活性。本文以西門子PLC為核心,通過(guò)溫度傳感器進(jìn)行信號(hào)采集,PLC模擬量參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線鍋爐溫度的自動(dòng)控制。

為實(shí)現(xiàn)智能化控制,溫度實(shí)時(shí)顯示根據(jù)需求調(diào)整,本系統(tǒng)開發(fā)的監(jiān)控軟件是性能穩(wěn)定的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng),既可以使用靈活的組態(tài)方式,又具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、界面友好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC是控制系統(tǒng)的核心,具有發(fā)送接收指令、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和模擬量處理等功能[1]。本設(shè)計(jì)以西門子PLC控制器為核心,使用西門子CPU226。該P(yáng)LC使用24 V電源供電,硬件具有24/16數(shù)字量輸入輸出通道,共有40個(gè)數(shù)字量輸入輸出通道;該CPU具有26 K存儲(chǔ)空間,6個(gè)獨(dú)立的可靈活使用的高速計(jì)數(shù)器和2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出;CPU還具有PID參數(shù)控制功能,可供使用者靈活應(yīng)用。

溫度控制系統(tǒng)硬件由溫度傳感器、溫度控制模塊、加熱管、運(yùn)行指示燈組成。根據(jù)PLC主機(jī)輸入輸出分配,繪制PLC控制系統(tǒng)外部接線,如圖1所示。

圖1 PLC外部接線

在PLC擴(kuò)展模塊中,EM235是最常用的模擬量擴(kuò)展模塊,可以實(shí)現(xiàn)4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。模塊采用標(biāo)準(zhǔn)電壓和標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),變送器與模擬量模塊之間通過(guò)三線制接線[2]。通過(guò)EM235硬件組態(tài)參數(shù)設(shè)置,將變送器主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出電流信號(hào)控制系統(tǒng)的核心,具有發(fā)送接收指令等功能,輸出為直流4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),根據(jù)系統(tǒng)控制要求連接到電腦或外部設(shè)備。通過(guò)分辨率參數(shù)計(jì)算,本設(shè)計(jì)輸入設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍和格式。

本設(shè)計(jì)使用EM235溫度檢測(cè)和控制模塊,將檢測(cè)到的溫度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換模塊將0～10 V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為占空比,控制加熱系統(tǒng)進(jìn)行鍋爐加熱。系統(tǒng)輸出的模擬信號(hào)也是0～10 V,對(duì)應(yīng)溫度變化為60～100℃。由于加熱需要,鍋爐外接24 V直流電源,根據(jù)溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果判斷是否啟用加熱電源。輸入輸出地址分配如表1所示。

表1 溫控系統(tǒng)I/O分配

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在PID控制中,P比例控制是一種比較簡(jiǎn)單的控制方式。比例控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。其使用特點(diǎn)是具有快速響應(yīng),控制及時(shí),缺點(diǎn)是很難消除余差。I是積分控制,該控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。積分控制和比例控制相比優(yōu)點(diǎn)是可以消除余差,缺點(diǎn)是滯后,不能快速對(duì)輸入誤差進(jìn)行有效的抑制。

微分控制優(yōu)于前兩種控制方法,其輸出與輸入誤差信號(hào)的變化率成正比關(guān)系,在一定程度上減小誤差。微分控制具有超前預(yù)判功能,能根據(jù)反饋結(jié)果預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。該控制可以避免較大誤差出現(xiàn),但不能消除誤差。綜合上述,在控制系統(tǒng)中控制器要合理使用。

西門子S7-200系列PLC軟件使用的PID回路指令格式。該指令EN端為驅(qū)動(dòng)條件,當(dāng)EN端口執(zhí)行條件滿足,就可進(jìn)行PID運(yùn)算。該指令有兩個(gè)操作數(shù)TBL和LOOP。TBL端是回路表的起始數(shù)據(jù)地址,本文采用的是VB100。根據(jù)指令使用說(shuō)明,一個(gè)PID回路需使用32個(gè)字節(jié)空間,地址范圍是VB100～VB131。LOOP端是回路號(hào),本文使用4,可以是0～7,不可以重復(fù)使用[4]。

溫度傳感器輸入的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)EM235進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后,得到一個(gè)整數(shù)值,而PID指令能夠執(zhí)行的數(shù)據(jù)必須是實(shí)數(shù)型,所以需要在PID指令前把整數(shù)轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)[3]。使用指令DTR實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換程序如下:

MOVW AIW0 AC0

DTR AC0 AC0

MOVR AC0 VD100

PID參數(shù)整定方法是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td,改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求[5]。經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法,它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn),而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),利用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù),根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù),對(duì)于溫度控制系統(tǒng),工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn),其規(guī)律如表2所示。

表2 溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)反復(fù)的試湊,調(diào)處比較好的結(jié)果是P=15,I=2.0,D=0.5。

本設(shè)計(jì)中PID模塊除了采樣時(shí)間和PID的3個(gè)設(shè)定參數(shù)外,其余幾個(gè)參數(shù)都要求輸入或輸出值為0.0～1.0。為滿足參數(shù)輸出值范圍,在PID指令使用之前,需要把PV和SP的值作歸一化處理[6]。

智能溫度控制系統(tǒng)中溫度控制子程序,如圖2所示。智能溫度控制系統(tǒng)中模擬量程序處理部分程序,如圖3所示。

圖2 溫度控制子程序

圖3 模擬量信號(hào)處理程序

組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件,具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層3個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中,監(jiān)控層對(duì)下連接控制層,對(duì)上連接管理層,它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制,而且可以在系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。系統(tǒng)考慮3方面問(wèn)題:畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析,采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件提供了可視化監(jiān)控畫面,有利于實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

本文研究的溫度控制系統(tǒng)中,PLC變量中內(nèi)存VD0地址存放當(dāng)前實(shí)際溫度,并規(guī)定105 ℃為溫度上限。當(dāng)超過(guò)上限值時(shí),監(jiān)控系統(tǒng)要作出相應(yīng)告警信號(hào),操作人員要做出相關(guān)的告警處理。

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用西門子S7-200PLC和組態(tài)軟件組態(tài)王的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)智能溫度控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)恒溫控制,該系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)備、報(bào)警快速、性能穩(wěn)定。系統(tǒng)使用組態(tài)王人機(jī)界面進(jìn)行監(jiān)控與報(bào)警,系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便,性能穩(wěn)定,可進(jìn)一步在原有監(jiān)控界面開發(fā)新功能。編程時(shí)使用編程軟件自帶的PID指令向?qū)K,這樣雖然方便,但會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都稍微偏大,如果編寫PID控制子程序,控制效果可能會(huì)更好。

智能溫度控制系統(tǒng)在溫度檢測(cè)精度和報(bào)警實(shí)時(shí)性方面還有一定的不足,需進(jìn)一步優(yōu)化程序、提高系統(tǒng)采集信號(hào)的準(zhǔn)確性、通信傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,保證系統(tǒng)應(yīng)用穩(wěn)定性。系統(tǒng)輸出將進(jìn)一步擴(kuò)展到多種電壓輸出,應(yīng)用到不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。