基于PACSystemsTMRx3i自動恒溫控制系統的設計

郭卉

（天津中德應用技術大學天津300350）

基于PACSystemsTMRx3i自動恒溫控制系統的設計

郭卉

（天津中德應用技術大學天津300350）

在工業生產中，恒溫控制應用非常廣泛。為了克服熱慣性和高溫散熱較快的影響，以GE智能平臺PACSystemTMRX3i作為控制器、組態軟件iFIX作為上位機監控、采用PID算法設計了一套恒溫控制系統，本文介紹了系統的硬件組成結構和軟件控制方案，詳述了Proficy ME軟件提供的PID指令塊，繪制出了iFIX實時監控的動態溫度曲線。實驗表明，該系統實現了溫度的精確測量和控制，其中靜態誤差小于0.4℃，恒溫控制的標準差小于1.1℃。方案具有工程借鑒參考意義。

PACSystemTMRX3i；iFIX；PID；恒溫控制

1　引言

在日常工業生產當中，恒溫控制應用非常廣泛[1]。電子、冶金、機械等領域控制精度不高的設備和生產線嚴重影響企業經濟效益，急需技術改造[2]。基于PAC的下位機和安裝iFIX軟件的上位機相結合構成的恒溫控制系統能夠很好地滿足工業設備改造的需求[3-7]。自動化領域內PAC（可編程控制器）以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點在現代工業中得到廣泛應用。PACSystemTMRX3i系統作為現場控制核心主要承擔數據采集與處理、邏輯判斷、輸出控制等功能；上位機利用iFIX軟件來完成工業控制狀態、流程和參數的顯示，實現監控、管理、分析和存儲等功能[8-9]。

2　控制系統方案

2.1系統構成

系統總體框架如圖1所示，PLC作為控制核心，溫度變量經溫度傳感器采集，A/D模塊轉后輸入PLC，PLC將反饋值與溫度設定值比較，誤差值經PID控制，輸出驅動執行機構，實現溫度的閉環控制。

圖1　系統總體框架圖

2.2系統硬件選型

2.2.1PACSystemTMRX3i系統

選用GE智能平臺ProficyME（PME）軟件，PACSystemTMRX3i系統作為控制核心，RX3i控制器采用PentiumRIII處理器，配置10Mbytes用戶內存，通用PCI總線背板總線速度高達27MHz，支持帶電熱插拔功能。比現有PLC具有更強大的處理速度、通信速度和編程能力，是中、高端過程和離散控制應用的新一代控制器。

2.2.2溫度傳感器及變送器

溫度傳感器選用PT100，溫度變送器XWP實現溫度信號采集、調理、模/數轉換的功能。主要以外接溫度傳感器PT100為采集主體，變送器輸出標準的電壓、電流信號供用戶使用。XWP溫度變送器是綜合型數字顯示儀，具有抗干擾能力強的特點，其輸出電流和溫度值成正比，而且軟件調零調滿度，消除溫漂和時漂引起的測量誤差，顯示精度優于0.2%FS。儀表采用數字濾波技術，能夠識別、抑制工況系統中測量信號伴隨的低頻擾動及不規則干擾源，從而提高了抗干擾能力。

2.2.3觸發板

AT2201可控硅單相移相調壓觸發板如圖2所示。

單相移相觸發板采用先進的電子觸發技術，專用于各類可控硅（SCR）的相位控制式觸發。用于AC220V或380V電量要求平滑調節場合，如：調壓、調功、調光、調速等；可與儀表、計算機等相連接實現精確自動化控制，也可用于電位器手動調節。其性能可靠，調節精細，是可控硅在工業控制使用中的最佳選擇。

圖2　觸發板外觀圖

其電源電壓為AC220V或380V；控制方式為標準電壓信號：DC 0～5V（1～5V）無特別說明為1～5V；標準電流信號：DC 0～10mA(4～20mA)無特別說明為4～20mA；手動調節：5kΩ或10kΩ電位器觸發容量：500A以下可控硅觸發方式：脈沖列觸發脈沖頻率：30kHz移相范圍：大于170度限幅控制范圍：0%～100%超限保護功能：當超限保護口（SF）短路時可關斷觸發端口輸出3、使用接線圖：有兩種接法：一是單向可控硅反并聯，二是雙向可控硅的接法。

2.3工作原理

系統以水溫作為測量媒介，GE智能平臺PACSystemsTMRx3i控制器作為核心控制單元，采用iFIX軟件作為人機交互界面（HMI），溫度傳感器熱電阻Pt100作為通過數字顯示控制儀變換成4～20mA標準電流信號，送至Rx3i模擬量輸入模塊中，Rx3i讀入溫度數據后采用PID算法進行運算，計算后輸出的控制信號經過模擬量輸出模塊變換成4～20mA電流信號控制晶閘管觸發電路，觸發電路通過控制晶閘管的導通角來調節輸出功率，最終達到恒溫的目的。電氣原理圖如圖3所示。

圖3　溫度控制系統的電氣原理圖

3　下位機設計

3.1硬件組態

下位機選用GE智能平臺的PACSystemTMRX3i控制器，用來采集現場信號數據(如溫度、液位、壓力等)和控制現場設備。其中，電源模塊為IC695PSD040，主控制器模塊為IC695CPU315，工業以太網通訊模塊為IC695ETM001，模擬量輸入模塊為IC695ALG600，模擬量輸出模塊為IC695ALG704，數字量輸入模塊為IC694MDL655，數字量輸出模塊為IC694MDL754。

3.2PID參數整定

PID控制框圖如圖4所示。其中E是設定值與被控變量的偏差，U是PID計算結果，作為控制量控制對象由于本系統采用軟件實現的數字式PID，它是根據采樣時刻的偏差值E計算控制量U的。其公式為：

圖4　PID控制框架圖

本文用PLC實現PID控制，須用數字式PID，其表達式為：

其中Kp為調節器的比例放大系數，Ki為積分常數，Kd為微分常數，T為采樣周期。由公式（2）可見，數字式PID控制器有三個需設定參數，它們是Kp、Ki和Kd。對一個控制系統而言，控制質量的好壞取決于參數整定是否合理。PID參數整定概括起來有兩大類，理論整定法（主要是根據系統的數學模型，經理論計算確定控制參數。這種方法計算得到的理論數據不能直接使用，還必須通過實驗進行調整和修改）和工程整定法（主要依靠控制經驗，記下此時的比例系數Km和振蕩角頻率ω。然后按照以下公式計算PID參數：Kp=0.6×Km；Kd=Kp×π/4×ω；Ki=Kp× ω/π。把得到的數據寫入指令運行程序觀察得到的曲線。然后根據曲線再對各個參數進行適當的調節，最后得到最終的參數值：Kp=0.3854；Ki=0.713；Kd=2。

4　上位機設計

4.1過程數據庫構建立

過程數據庫是iFIX系統的核心，從硬件中獲取或給硬件發送過程數據。過程數據庫由標簽（塊）組成。自動恒溫控制系統的過程數據庫如圖5所示。

圖5　過程數據庫

4.2組態畫面

系統開發了豐富的人機交互接口，分為本地管理和遠程管理，最大程度上簡化了操作的復雜度和方便度。在本地端，設有三個功能塊，分別為：啟動/停止開關、實時溫度曲線、模擬量輸出顯示。系統通過以太網，實現上位機和下位機的通信。上位機作為遠程管理端，實現了顯示溫度變化曲線、顯示當前溫度、顯示設定溫度、顯示最大正負誤差、放大或縮小曲線、修改系統參數設置、保存曲線超限報警等功能。

5　系統實驗和誤差分析

圖6　自動恒溫實驗裝置

實驗裝置如圖6所示，實驗對象：1 L自來水；加熱容器為電熱水壺；考慮大氣壓和環境溫度的影響，水溫測試范圍設定為50℃、60℃和70℃。當系統達到設定溫度3min后，隨機進行一次靜態數據測量如表1所示；在此后60 min內，每隔5 min進行一次數據采集如表2所示。60℃恒溫控制時上位機曲線如圖7所示。

表1　實驗測試靜態誤差的測試數據

表2　實驗測試的控制數據

圖7　60℃時恒溫控制曲線圖

由表1可知，系統的靜態誤差為±0.4℃。對表2中每組數據進行標準差計算，結果如表3所示，可知其平均誤差小于±1.1℃。

表3　恒溫控制的標準差

6　結語

溫度的控制有著廣泛的意義，本文成功設計了一個具有普遍適用意義的恒溫控制系統，該系統采用GE智能平臺PAC SystemTMRX3i控制器和iFIX組態軟件結合應用，采用PID塊命令，溫度變化曲線可視、遠程可控等特點非常適合工業遠程管理要求。實驗表明:本系統能夠將水溫恒定的控制在50℃～70℃范圍內，控制誤差小于1.1℃，靜態誤差小于0.4℃，可廣泛的推廣和移植到工業當中。

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郭卉（1984-），女，漢族，河北石家莊人，助理工程師，工學碩士，天津中德應用技術大學教師，研究方向為自動化技術應用。