對于PLC的模擬控制系統的研究

馬惠杰

摘 要：目前，廣泛應用PLC這種自動化設備模擬量對工業生產實現控制，但這種方式在實踐于大滯后性系統時存在不少問題，文章從這種控制方式的缺點入手進行分析與研究，通過不同的角度論述PID運算模塊、A/D、D/A數據采集、I/O模塊和遠程監控等方法以便于解決PLC模擬控制系統的缺點，提升整體性能。利用實驗室鍋爐控制系統項目，有效地調試鍋爐液位和溫度，實現設計要求，使工業過程控制往智能化、綜合化方向發展。

關鍵詞：PLC；模擬控制；鍋爐過程控制系統

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0175-03

Abstract： At present， PLC is widely used to control the industrial production， but there are many problems when it is applied to the large lag system. This paper analyzes and studies the disadvantages of this control method. In order to solve the disadvantages of PLC analog control system and improve the overall performance， the methods of PID operation module， A/D， D/A data acquisition， I/O module and remote monitoring are discussed from different angles. By using the project of laboratory boiler control system， the boiler liquid level and temperature can be debugged effectively， the design requirements can be realized， and the industrial process control will be developed intelligently and synthetically.

Keywords： PLC； analog control； boiler process control system

引言

本課題研究是閉環控制系統運用PLC的A/D、D/A 模塊和PID控制功能指令實現模擬控制，Fuzzy-PID則選用自編程完成控制算法，自定義IO模塊可利用CPLD來設計，遠程監控通過工業軟件——易控，組態顯示上位機系統。鍋爐過程控制系統是驗證課題的實例展示，使改進的系統能抑制大滯后性，讓處于系統的最優化狀態。

應用最廣泛的自動化設備當屬PLC，它在處理數據和模擬量等功能時，可靠性高，盡量減小誤差范圍，抵抗干擾的效果佳。在企業發展旅程中，技術人員怎樣改進自動化設備的控制精度，企業追求經濟效益，提升生產效益，是本課題研究的一個重要動力。從什么角度來改善PLC 模擬控制系統，是技術人員現階段需要攻克的難關。技術人員根據實際需求，增強PLC在工業生產中的控制，針對溫度等大滯后性系統從軟件和硬件兩個方面進行研討，采用模糊PID算法、單片機和CPLD等技術，綜合分析，盡量削減誤差，使控制精度達最佳狀態，并控制生產成本，實現效益的增值。

1 關于PLC的發展趨勢

傳統的繼電邏輯控制需求量日益降低，現今，一種以計算機技術為基礎的PLC裝置獨占工業控制的主體地位，隨著它功能日益全面，越來越廣闊地運用于各種復雜場合。在我國PLC發展相較于國外品牌來說，不論是速度還是規模遠落后于美、德、法等發達國家，市場占有量偏高的當屬美國的通用電氣、德國的西門子和法國的施耐德電氣等公司。從PLC誕生到現在，PLC控制功能也一直在不斷變化，一般來說，PLC的發展趨勢在以下三個方面有所體現。一是PLC模擬控制功能的發展。若是企業生產某工件，它在生產過程中，需要調控溫度、液位、壓力等模擬量參數的變化范圍，控制工件在固定的參數范圍內生產，工件質量過關，工件合格率最高。被控量為溫度、壓力、液位等連續變化的模擬量的閉環過程控制系統被稱為模擬量控制系統。各個大公司技術人員致力于開發PLC模擬量控制技術，控制量從開關量逐步向模擬量轉變，進一步擴展算術運算和數據處理能力，增加了各類模擬量控制模塊和自適應參數控制，實現了現代工業控制，應用范圍更加廣。輸入/輸出模塊是指將外部采集和控制的模擬量處理與轉換后，形成PLC內部能識讀的數字量。只需要通過套用指令進行編程或設置參數就可以實現閉環控制功能闡述的是PID 過程控制，它可以直接在程序中調用，相當于子程序，閉環回路能實現多個控制，這種方式大多數時候應用于大型控制系統中。套用廠家固定的PID功能指令，使用方便，價格低廉，但固有的指令滿足不了實際生產需要，促使工程人員利用PLC自定義編程PID算法，提升PLC模擬控制性能。模擬量輸入/輸出和PID過程控制模塊是屬于PLC的特殊功能模塊的一部分，它還包含運動控制模塊、高速計數模塊和通信模塊等。二是PLC規模的發展。作為獨立控制器，它的結構功能緊湊，覆蓋面廣，應用更加分散和靈活多樣，適用于單臺設備控制。智能I/O模塊集成了模擬量I/O、高速計數和中斷輸入、模糊控制器、PID控制等模塊，采用并行工作方式，相當于小的微型計算機系統，處理與控制部分信息，PLC的掃描速度加快。PLC小型化以及微型化又可以分為整體式和模塊式。大型化PLC的最顯著特點是模塊化、網絡化、兼容性和冗余性，能高速處理大量地復雜數據，滿足控制點數的需要，集合多種控制功能，兼有強大的通訊能力，使得PLC自動化控制系統功能更加綜合。在規模的發展方向上，呈現兩極化，一是小型化，另一個則是大型化。三是PLC網絡通信技術的發展。科學技術是第一生產力，閉門造車終究不是長久之計，只有廣泛地接納各種建議，加深工業控制系統研究的開放化和綜合化發展。PLC與PLC、計算機、智能設備之間存在著不同地通信組網形式，通信方式一般也分為串行和并行這兩類。endprint

2 研究PLC的模擬控制系統

在工業生產中，常需要對溫度、壓力、液位和流量等模擬量進行控制，本文綜合PLC技術、組態軟件技術、單片機與CPLD等技術組成一套完整的綜合性高性價比PLC模擬控制系統。

通常利用以下幾種方法，實現PLC對模擬量的PID控制。一是使用PID過程控制模塊。它是廠家提供的配套模塊，PID控制程序已設計好，只需修改參數值，便能直接用于采集模擬量，使用方便，控制方法固定，價格昂貴，適用于大型的控制系統，控制多達幾十路閉環回路。二是使用PID功能指令。它比第一種控制方式更加靈活，但對非線性、滯后性的復雜系統無法保證控制效果。同時，它需要配合PLC模擬量輸入輸出模塊，在程序中，選擇對應的數據寄存器，設置PID指令參數表初始化。三是自己編寫PID控制程序。由于實際生產中，具有非線性、時變性和大滯后性的復雜PLC模擬控制系統偏多，故常根據系統的特點，自己編寫PLC程序，這種方式也需配合PLC模擬量輸入輸出模塊，靈活性是這三種方式里最強的，適用于各種復雜PLC模擬控制系統，成本偏低，實現效果最佳。儲水池、變頻器、水泵、高壓水箱、帶有冷卻水夾套的熱水鍋爐單元等構成了鍋爐過程控制系統。

對單一的線性系統采用PID功能指令控制，但難以滿足具有非線性、時變性和滯后性特點工業生產，為解決這個難題，通常采用模擬控制，它是查德教授在美國加利福尼亞大學提出的，從它誕生到現在已有四十多年了，對于溫度等大滯后性系統而言，這種算法更先進，控制原理簡單，易于通過編程實現。模糊控制作為智能控制分支之一，它的控制策略一般是指人類自然語言表達的知識和規則，再利用模糊集合論、模糊關系、模糊語言和模糊邏輯推理的方式，將控制策略轉化成數字量，這就是模糊控制的基本原理。模糊化、知識庫和解模糊這三部分構成了模糊控制器，它是模糊控制系統的核心，Mamdani型和T-S型是常用兩種模糊控制器。本文以Mamdani型模糊控制器為例，解析各部分的特點。模糊化過程是指選擇系統的偏差作為輸入變量，依據實際情況，確定取值范圍，利用量化因子，按比例把輸入變量的精確值變換對應的模糊值，確定模糊子集數量，分別確定歸屬的函數。數據庫和規則庫是組成知識庫的兩部分。為推理機提供數據，是用來存放函數的數據庫。模糊控制規則是用規則庫來存放的。劃分模糊子集越細，規則的數量就越多，對模糊量進行模糊推理和決策，模糊輸出量是利用推理機進行推理算法，這就被稱為模糊推理過程。由于模糊輸出量得出的是模糊集合的形式，解模糊是將由推理得到的模糊輸出量轉化為實際精確的控制量。本文針對溫度、壓力、流量等模擬量，一是輸入量的模糊化程序，利用MATLAB模糊工具箱，對鍋爐系統進行模糊推理。二是模糊控制查詢表程序，用離線計算查詢表的方法能增強系統的實時性，在PLC的數據寄存器中，依次將模糊控制表按順序存放，得出不同輸入當前時刻的輸出控制量。三是PID參數輸出程序，根據實時的PID整定參數，進行參數運算，輸出參數，有效控制被控量。

本文采用一款通用數據采集和監控軟件來實現PLC模擬控制系統的監控設計，對現場進行實時監控，它能實現上下位之間的互聯通信。易控優勢突出，第一是具有系統的監控、管理和報警功能，能讀寫各種儀器儀表、PLC和集散控制系統，修改參數指令干預系統工作流程。第二是當達到報警狀態時，多途徑通知操作人員，如短信、警示界面等，及時解除報警。第三是各類信息的記錄與存儲，用戶程序的編寫，數據處理，組成大的監控系統是將多個易控連接，單獨與其他控制系統同時通信。開發環境是構建和配置工程，實現易控工程和下位機的數據交互功能，在設備通信的配置過程中，建立通道，選擇需要的設備，配置參數，定義設備變量。一般設備變量涵蓋數據類型、數據庫變量、當前值等，易控工程中的變量與易控對設備的讀寫信息一一對應，從而實現易控對下位設備的監控。當配置好的工程，實際運作時，并結合各部分功能達到預期效果，這說的是運行環境。開發環境和運行環境這兩個基本子系統組成易控軟件。

在工業控制中，為滿足生產需要，從不同角度分析，選擇系統控制最優化的方式。一是PLC廠家有配套的A/D、D/A模塊實現模擬量和數字量之間的轉換，選擇直接購買成品，但價格太過昂貴。二是在現有老設備的基礎上，進行改造，擴展能力受限，模塊性能相對固定，靈活性差。自定義模擬I/O模塊能實現模擬量的輸入/輸出、鍵盤輸入和數據顯示等功能，因此，在PLC的模擬控制系統中，選取這一模塊替代傳統的A/D、D/A模塊，它靈活地改變I/O點數，最大限度地削減成本，且保障了擴展需求。通過自編程實現自定義邏輯功能的一種專用集成電路，它被稱為復雜可編程邏輯器件，適用范圍寬，靈活度大，集成度高，兼容性好，易于移植。這類集成電路與分立元件實現擴展單元相比，能達到一定速度運行，減輕了單片機的運行壓力。它的電路設計過程有設計輸入、布局布線、仿真和芯片制作這四大步。

本文按照課題進行思路設計，針對鍋爐液位控制和溫度控制的特點，應用改進后的模擬控制系統，對整個鍋爐控制進行調試，使之達到項目要求。具體調試過程，一是依據不同模塊調試，二是依據硬件設備和軟件程序兩個角度調試，三是依據被控對象不同調試。由于鍋爐過程控制系統的PLC程序比較復雜，調試時間較長，不便于查找問題出現點，故采用分步調試的方法，降低調試難度，更有利于驗證PLC模擬控制系統的合理性和實用性。

3 結束語

一種標準的PLC模擬控制系統存在著許多局限性，難以滿足復雜的生產需求，本文以鍋爐過程控制系統作為實例，以對鍋爐的液位和溫度控制為目標，從模擬閉環控制系統、PID控制算法、上位監控和自定義I/O口的模入模出單元這四個方面展開分析與研究。在標準的基礎上，針對大滯后性系統的特點，從下述四點解析問題點。第一點是PLC對模擬量的采集和控制輸出通過模擬量輸入輸出模塊實現。第二點是模糊PID控制編程方法則是先深究模糊控制的原理和模糊PID控制實現方法，利用MATLAB軟件，建立模糊控制系統，自行研發出算法程序，優化控制精度，提升工件質量。第三點是開發上位機界面，實時監控設備運行狀況，引入局域網，進而實現遠程控制。第四點是對I/O口進行自定義替代A/D、D/A模塊，降低了生產成本，擴展了端口。本文的研究為模擬控制系統的發展提供了新的思路，但受限于現有條件，在研究時，存在著不足之處。若是采用不同的PLC，由于其編程方法和實現過程不同，在各方面也有不同的特點，會可能出現大相徑庭地結論。自定義I/O的模入模出單元性價比高且便捷，但現場影響因素過多，它的抗干擾性弱。由于實驗裝置年久損耗，傳感器和執行機構較為單一，故測量和控制誤差明顯，效果不夠理想。液位和溫度兩個被控量，它們之間的變化會互相影響，采用模糊PID控制解決不了這個問題，進而影響控制精度。本文設計實現了PLC的模擬控制系統預想控制效果，能有一定的實用性，PLC在各個領域中都將發揮其作用。

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