基于西門子PLC實現的發泡爐溫控系統設計

顧光

摘 要：本文介紹了以西門子PLC S7-400為核心，以發泡爐爐溫為被控對象的溫控系統，重點分析了實現爐溫控制的原理和PID控制的程序設計方法。

關鍵詞：PLC；PID ；爐溫控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.005

在當今的工業生產過程中，溫度是一個再熟悉不過的受控量了，在建材、冶金、醫藥、化工以及食品等行業中，溫度控制有著舉足輕重的作用，甚至直接決定了產品質量的好壞。由于我國工業起步晚，溫度控制系統的總體發展水平還不夠高，與歐美先進國家相比仍有不小的差距。目前，我國在這方面的成熟產品主要以常規的PID控制器為主，對于溫度控制要求不高的場合，這類產品完全能夠勝任，但是對于控制滯后、復雜的場合，這些儀器儀表就不能滿足要求了，而適應于較高控制場合的智能化控制就需要借助PLC系統來完成了。

可編程控制器PLC是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構與微機大致相同，基本構成為：電源、CPU、存儲器、輸入輸出接口以及通信模塊。 由于PLC具有功能強、可靠性高、使用方便等一系列特點，因此被廣泛的用于工業控制領域。

1 爐溫控制系統結構及原理

本系統設計目的是控制PVC彈性地板通過發泡爐進行背面發泡的溫度，設定溫度為185℃。控制系統由電動閥、Pt100熱電阻、ET200S、模擬量模塊2AI RTD、數字量輸出模塊及PLC控制器等組成。

工作原理：首先這個系統是一個閉環反饋控制系統，它通過PT100熱電阻進行采集回油溫度，將4-20ma或0-10V信號傳送給模擬量輸入模塊進行A/D轉換。在程序中，CPU將實際測量值與設定值進行比較，并按PID控算法對誤差進行計算，并且通過運算結果產生一系列的脈沖信號來控制電動閥的開度，開度直接決定了導熱油的循環量以及回油量，以達到控溫的目的。

2 爐溫控制系統硬件設計

本控制系統采用S7-400系列PLC CPU414，同時采用分布式IO ET200S，模擬量輸入模塊2AI RTD，數字量輸出模塊2DO AC24～230V。確定了PLC外部硬件組成后，對PLC進行硬件組態。

3 爐溫控制系統PID程序設計

在工業生產中，對溫度、壓力等連續變化的模擬量控制就需要閉環反饋控制。在實際生產過程中，壓力，溫度、張力等被控對象如果不能被完全掌握或是數學模型化，這時應用PID控制技術能較為方便的解決控制問題。雖然很多工業過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性的系統，這樣PID就可控制了。 PID控制的基礎是比例控制，積分控制可用來消除穩態誤差，微分控制用來調節系統響應速度。閉環控制結構圖如圖2所示。

在S7-400系統中，我們使用Step 7編程軟件實現PID控制。Step7自帶的功能塊包括連續控制功能塊CONT_C，步進控制功能塊CONT_S以及具有脈沖調制功能的PULSEGEN。CPU中斷程序中可以調用FB41、FB42和FB43，來實現PID的控制。

編程軟件STEP7內置了一個PIDControl面板。該調試面板上可以修改比例系數、積分時間、設定值等一系列參數，并通過設定監控時間等參數來觀察所行成的波形。通過波形，我們可以很清楚的知道比例系數的不合適是否引起了曲線的震蕩頻繁，積分時間的不合適是否引起了曲線變化的周期長等狀況。

本系統設計中使用比例積分控制，其比例系數和積分時間可以通過工程計算初步確定，初步確定的增益和積分時間常數為gain是1.5， Ti是80s。

系統程序由OB1、OB34、FB42程序構成。在OB34中調用FB42，同時讀入背景數據塊DB163即"DB_Temp_oven_z_1"，全部程序由step 7編寫完整傳人PLC400中。部分PID控制程序如圖3，PID控制爐溫仿真曲線如圖4。

CALL "CONT_S" ， "DB_Temp_oven_z_1"

COM_RST ：="M 0.7"

LMNS_ON ：="M 12.5"

LMNDN ：="M 12.5"

PVPER_ON：=TRUE

CYCLE ：=#CYCLE_TIME

SP_INT ：="DB400_Sollwerte".DBD72

PV_PER ：="=53+ET26-X：PIW750.1"

GAIN ：=1.500000e+000

TI ：=T#1M20S

DEADB_W ：=0.000000e+000

PV_FAC ：=2.764800e+001

PULSE_TM：=T#500MS

BREAK_TM：=T#500MS

MTR_TM ：=T#1M

QLMNUP ：="=53+ET26-K17"

QLMNDN ：="M 12.6"

PV ：=#IW_Temp

4 結語

本系統主要采用PT100熱電阻、模擬量模塊2AI RTD和step 7自帶的FB42，實現了發泡爐內溫度的PID控制。通過PID Control面板在線監測，其溫度誤差不超過1%，滿足設計需求（在鍋爐、導熱油系統穩定的前提下）。

參考文獻：

[1]邊春元等編著.S7-300/400PLC實用開發指南[M].北京：機械工業出版社，2007（01）.

[2]廖常初.s7-300/400 PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]Siemens AG.Step 7 編程手冊[K].2007.