PLC溫控系統中的PID算法應用淺析

郭峰

摘 要 本文結合目前國內溫控系統開發落后的現狀，設計了基于PLC的PID算法的溫控系統，首先，分析了PID控制算法的原理，其次，探討了PLC溫控系統的硬件與軟件系統，最后，研究了PID算法的實現及PLC系統的調試，旨在充分發揮PID算法的作用，不斷提高PLC溫控系統的質量。

【關鍵詞】PLC PID算法 溫控系統

在工業及實驗室中較為常見的加熱設備便是電加熱爐，對其溫度控制是典型的過程控制，由于電加熱爐具有一定的特殊性，如果僅采用常規的PID控制，為了達到控制精度，要求相關參數具有一定的準確性，并且系統也要保持一定的穩定性，但根據實踐可知，電加熱爐溫控系統難以滿足上述要求，因此，本文重點研究了PLC溫控系統中PID算法的應用，旨在為工業及實驗室提供更高質量的溫控系統。

1 PID控制算法原理分析

PID控制器的構成主要包括比例單元、積分單元與微分單元，它在控制系統中扮演著重要的角色，作為關鍵的反饋電路部件，其主要用于對系統輸出的預設值、實際輸出值之間的偏差進行比例、積分與微分運算，此后對運算結果進行線性組合，從而獲得控制量，最后控制被控對象，使輸出值迅速達到預設值，并保持穩定狀態。如果被控對象的變化規律難以準確掌握，對其他控制技術的使用難度較高，此時則要利用PID控制，此算法具有一定的簡便性與準確性。

現階段，常見的PID控制器有兩種，一種為模擬PID，另一種為數字PID，在計算技術支持下，控制系統的控制趨于先進化與數字化，因此，數字PID的類型日漸豐富，具體包括三種，分別為位置式數字PID、增量式數字PID與改進的PID算法，第一種主要是指模擬PID的積分與微分項，需要利用數字計算機，以此時間二者的離散化，此類型的缺點為較大的運算量，如果系統出現故障，則極易造成安全問題；第二種主要是將增質量的增量送給執行機構，此類型的優點為運算量較小，同時因計算誤差而出現的誤動作對系統所造成的影響較小；第三種主要是對數字PID而言的，它主要是借助計算機程序實現的，在實際運用過程中具有較強的靈活性，但對于不同控制系統而言，由于系統各異，其控制需求也有所不同，因此，在使用時，需要結合控制系統的具體需求，對其進行改進。

2 PLC溫控系統中PID算法的應用

2.1 硬件組成

本文以某工業PLC溫控系統為研究對象，其主控制單元為整體式小型PLC，它的應用具有普遍性，同時，性能較為穩定；輸入部分主要為各按鈕開關，輸出部分主要是由閥門、電機與指示燈等構成的。溫控系統選用蒸汽加熱，其測量是利用雙金屬溫度計實現的，其采集是借助4通道的FX2N-4AD模塊實現的，同時該模塊也是輸出對象，而被控對象為電動調節閥。

溫控系統的硬件主要有溫度變送器、電動調節閥、FX2N-4AD模塊等，第一個部件主要用于采集溫度值，并將其轉變為標準電流信號，此時該信號為第三個部件的輸入信號，在模數轉換后，送給PLC作為測量值，此后，PLC利用PID指令，對測量值和給定值展開處理，即：借助PID算法，從而獲得控制數據，再由第三個部件將控制數據轉換成模擬量，最終實現了對第二個部件的有效控制，在其開度得到調節后，以此保證了溫度的有效控制。

2.2 軟件組成

PLC溫控系統的程序主要是由主程序、初始化子程序、PID參數初始化子程序、故障報警及顯示子程序、中斷程序等構成的，該系統的控制程序是由STEP-Micro/win 32軟件利用梯形圖方式進行編寫的。

系統主程序在啟動后，主要是檢測水位，一旦水位偏低，則會停止，反之則正常運行，此后，對各個獨立的子程序進行調用。系統控制方法主要有兩種，一種為手動模式，另一種為自動模式，如果選用后者，只需按下系統啟動按鈕即可，此時PLC根據既有的程序，自動執行，以此保證了控制目標的達成；如果選用前者，需要按下手動按鈕，并向PLC發出控制輸入，此時根據輸入，PLC對外部設備進行操作，在各預先設定的動作完成后，進而保證了調試工作的有效開展，并且利于相關故障的及時排除。

PID參數初始化子程序包括溫控子程序與水位控制子程序，利用PID算法調節溫度與水位，從而減少了系統振蕩與超調，縮小了水溫及水位波動的范圍。

2.3 PID算法的改進

用PLC對模擬量進行PID控制時，其實現方法主要有四種：

（1）利用PID過程控制模塊；

（2）借助PID功能指令；

（3）采用自編的程序控制PID；

（4）使用變頻器的閉環實現控制。

第一種方法具有簡便性，通常一塊模塊便可實現對多路閉環回路的控制，但其缺點為不具備經濟性，模塊價格偏高；第二種方法在使用過程中與模擬量輸入/輸出模塊聯合，可以獲取第一種方法的效果，同時，與上述方法相比，其僅國際性較為明顯。對于FX系列PLC而言，其PID指令采用的是增量式PID算法，在處理過程中利用反饋量的一階慣性數字濾波、反饋微分及不完全微分等方法，從而控制了系統誤差機偶然誤差的發生幾率，因此，此方法擁有良好的控制效果。

本文研究中使用的PID控制算法，便是PID功能指令，它將當前過程值和設定值之差送達送PID環中計算，以此獲取了當前輸出控制值，并將其送至目標輸出值中，再由PID運算獲得參數表首地址。

2.4 PLC系統的調試

PLC系統調試主要包括兩部分，一部分為硬件調試，另一部分為PLC程序調試，前者主要是對溫控系統的硬件進行調試，如：硬件接線是否正確、PLC控制器及模塊等是否正常，此調試工作完成后，開展程序調試，后者主要是檢查程序的邏輯性與功能性。

3 結論

綜上所述，隨著社會經濟的穩定發展，PLC溫控系統的應用日漸廣泛，本文以工業中的PLC溫控系統為研究對象，為了提高系統的性能，本文介紹了PID控制算法的概況，并將其應用于PLC溫控系統，通過對其硬件系統、軟件系統的分析可知，該系統具有較高的性價比，其硬件搭配合理，便于日后維護，同時經過PID算法的改進及PIC系統的調試，進一步提高了系統運行的穩定性與可靠性，為工業領域提供了恒定的水位與溫度，因此，值得在日常生產中推廣。

參考文獻

[1]王偉，張曉海.基于PLC的PID算法在液態肥生產溫控系統中的應用[N].石河子大學學報（自然科學版），2012，01：116-119.

[2]王衍平.單神經元PID算法在包裝機溫控系統中的應用[J].包裝與食品機械，2013，03：69-72.

作者單位

西安鐵路職業技術學院 陜西省西安市 710014