一種基于PID電加熱溫度控制實訓裝置的開發設計

路澤永，趙亞麗

(1.承德石油高等專科學校電氣與電子工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等專科學校工業技術中心，河北 承德 067000)

在高職高專院校中開展實習實訓教學是不斷提高學生職業素質的有效教學手段，也完善了人才培養模式。為適應新型教育和社會人才需求，越來越多的高職院校從理論教學逐步走向實踐教學，實踐教學環節已成為高職教育極其重要的環節［1］。

PLC是一門實踐性較強的課程，要求學生掌握PLC的基本結構和工作原理，掌握PLC應用系統設計與制作的基本步驟和開發方法，培養學生在電氣自動化設備運行與維護崗位中的解決實際問題的能力，突出實踐性、工程性和應用性。在實施課程過程中，往往采取“教、學、做”一體化教學模式［2］，學生可利用計算機、PLC設備、控制對象進行交互式學習。為充實該實訓課程內容，筆者設計了一種基于PID溫度自動控制系統的實訓裝置。該裝置集PLC編程、自動控制理論、PID調節思想、自動檢測與調節為一體，為提高學生的綜合應用能力提供了良好的實訓平臺。

1 裝置的總體設計

該溫度控制裝置采用閉環控制方案，由監控計算機、溫度檢測與變送通道、電加熱控制通道三部分構成。控制系統結構框圖如圖1所示。

電加熱溫度控制裝置的工作原理是:首先溫度傳感器及變送器將被控對象的溫度轉化為標準的4～20 mA電流信號，經過電壓變換，將電流信號變換為標準的電壓信號，并通過PLC的模擬量輸入端將送過來的電壓信號轉化為西門子S7-200PLC可識別的數字量。然后PLC將系統給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行比較并經過PID運算處理，得到相應的輸出量來控制SSR固態繼電器的導通與截止，進而使加熱器供電電壓發生斷續變化，從而控制被控對象的溫度高低，完成對被控對象溫度的測量及控制。

2 裝置的硬件設計

2.1 硬件選型及配置

2.1.1 PLC 及模塊配置

S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一種小型PLC。S7-200 PLC功能強大，不論是獨立運行，還是構成網絡皆能實現各種較復雜的控制功能［3］。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種。其中CUP224它有14輸入/10輸出，I/O共計24點，它可以有7個擴展模塊，有內置時鐘，內置模擬量I/O，具有更強的模擬量處理能力，還具有PID自整定功能，是使用得最多S7-200產品。

本系統所需功能和技術要求S7-200完全能夠解決，所以從經濟方面考慮選用西門子S7-200PLC系列產品。本設計選用的是CPU224 XP。另外，PLC輸出控制電流變化時需要頻繁輸出，需采用一數字量輸出擴展模塊EM222。

2.1.2 被控對象

考慮到設計成本，本次加熱裝置選用的被控對象為經過改造后的家用電加熱水壺。這種家用熱水壺價格便宜，使用簡單，且經過簡單改造即可安裝溫度傳感器。在進行實訓時，只需控制電流的通斷即可完成溫度的控制，免去了專門設計硬件的麻煩。

同時，家用電水壺也具有慣性大，滯后大的特點，在實際控制過程的過程中會比較麻煩，而且該水壺是靠周邊環境自然降溫，所以降溫過程比較長。不過通過改良PID調節的參數，能較好的控制水壺的溫度，使得穩態誤差和動態誤差都能達到任務的要求，雖然不能達到很高的控制精度，作為實訓裝置已經夠用。

2.1.3 檢測及變送環節

在溫度檢測中測量的是水溫，屬于低溫區，因此可以選取Pt100鉑電阻作為傳感器。鉑電阻傳感器測量精度高，性能穩定，其中Pt100鉑電阻的測量精度是最高的。

在本裝置中，由于采用CPU 224 XP，其自身帶2路模擬量輸入，1路模擬量輸出，因此不需要其他的擴展模塊。在模擬量輸入端，能識別的標準信號為0～10 V，因此鉑電阻溫度傳感器采集的溫度信號要經過外圍電路的轉換與調理。本裝置采用的溫度變送器選擇XP系列熱電阻溫度變送器，采用的變換規格為0～200℃。該變送器接收現場熱電阻的電阻信號，將其轉換成與溫度成線性關系的4～20 mA電流信號，經過串電阻處理后，轉換為電壓輸入信號。

2.2 裝置連接圖

本實訓裝置的硬件連接圖如圖2所示。

溫度傳感器接線:溫度傳感器采用三線制接線的方法。按照產品接線圖，分別將RTD三根線按照溫度變送器的接線要求接到1、2、3號端子上。

溫度傳變送器接線:由于溫度變送器產生的信號位4～20 mA的電流信號，接入S7-200的模擬量輸入端AIW0，接線采用電壓輸入接線方式，即需要串聯一電阻R，電阻值R=500 Ω。變送器的供電端接入24 V DC電源。

PLC接線:PLC的數字量輸出I/0端口Q2.0接固態繼電器輸入端子3;PLC的數字量輸入端口10.0接PID參數調節方式選擇按鈕SA;PLC模擬量輸入端口AIW0接熱水壺溫度變送器信號。

3 裝置的軟件設計

3.1 溫度控制方案的選擇

在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便［4］。

CPU 224 XP自身擁有PID指令模塊，編程時只需按照PID指令向導設置相關參數即可，使用方便，而且使用PID控制溫度比使用開關量控溫方法精度有很大提高，因此本實訓采用PID控溫方法。

3.2 程序設計

本程序采用模塊化編程方式，主要包括主程序、工程量變換子程序及PID調節子程序三部分。主程序將通過AIW0通道采集變送器信號;工程量變換又稱為標度變換，模擬量輸入模塊將模擬量0～10 V的電壓信號轉換為0～32 000的數字量信號傳送給CPU，所以工程量變換子程序的主要任務是將0～32 000的參數轉換為0～100的實際溫度參數，以便于后面計算和顯示;PID調節主要是根據設定值及實際溫度之差控制輸出量的變化。

主程序結構如圖3所示:

3.2.1 工程量變換子程序設計

變送器經變換電阻輸出給PLC的電壓值為2～10 V，對應于模擬量擴展模塊傳送給CPU的數字量為6 400～32 000，具有20%的偏移量。所代表的是實際溫度的0～200℃，如果用N表示傳送的數字量信號，E表示實際的溫度值，那么檢測值與實際值的關系如圖4所示。

設溫度變送器溫度變換的最小值為Emin，最大值Emax;數字量信號最大值Nmax，數字量最小值Nmin，用公式表示，可以表示為(N－Nmin)/(Nmax－Nmin)=(E－Emin)/(Emax－Emin)，得知這個公式則可進行程序編輯，求出實際溫度的顯示值(程序略)。

3.2.2 PID 調節子程序設計

S7-200系列PLC提供了PID閉環控制指令，為了便于使用，還提供了PID指令向導，如圖5所示。通過PID指令向導，學生可以通過簡單的參數設定即可完成PID運算。

學生在整定PID參數時可以通過手動按鈕SA選擇讓PLC自動整定，還可以根據實際情況手動整定。在程序運行過程中，通過PID調節控制面板選擇PID參數，查看PID調節過程曲線。因此可以增加學生對PID控制的感性認識，很好的與前期課程《自動控制原理》相結合。

4 實訓內容

本PID溫度控制裝置可以完成以下PLC實訓內容:溫度模擬量信號的采集與處理、PID程序調節、子程序編程與調用、SSR固態繼電器的控制等。如果計算機上安裝了上位監控軟件，本裝置還可完成組態監控實訓內容。

本實訓裝置采用了S7-200可編程控制器，很好的實現了電加熱溫度的自動調節，涉及到的方法簡單，設計便捷有效，精度好，工作可靠，易于拓展。學生通過利用集成在PLC內部的PID指令設置PID參數、觀察調節面板可以更好的理解PID控制的作用、實現方法和過程，且在實訓教學環節中取得了良好的效果。該裝置采用實際的檢測元件和輸出控制器件，真實模擬工業現場，使學生在實訓過程中了解自動控制在工程中的應用。本裝置可以應用于日常實訓教學、培訓及科研等工作領域。

［1］劉瑞.基于PLC的溫度控制系統的設計及其在實訓教學中的應用［J］.中國高新技術企業，2009(15):53－55.

［2］龔少軍.“教、學、做”一體化教學模式的研究與實踐［J］.南通航運職業技術學院學報，2011，10(2):98－101.

［3］李長久.PLC原理及應用［M］.北京:機械工業出版社.2009.

［4］S7-200PLC可編程控制器系統手冊［M］.西門子公司，2004.