一種基于PLC組態的溫控器應用研究

王首峰 盧宗遠

摘 要：金屬冶煉過程中，電弧爐冶煉技術得到了廣泛應用，電弧爐利用電極電弧產生的高溫進行熔煉。為了更好地控制電弧爐溫度，設計了一種基于PLC組態的溫控器，其溫控系統能夠精準地完成目標溫度值的控制輸出，加熱裝置可以快速響應PLC指令，有效提升溫度曲線的穩定性。

關鍵詞：PLC;電弧爐;溫控

中圖分類號：TP273;TM924.4? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）10-0062-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.016

0? ? 引言

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）廣泛應用于各個工業領域的控制環節，在溫度控制領域更是得到了廣泛應用[1-2]。在電弧爐冶煉過程中，需要將爐內溫度保持在特定區間[3-6]。工業中傳感量測得的溫度信號為模擬量，通過A/D轉換可以將溫度的模擬信號轉換為線性輸出的數字信號以供PLC處理，PLC也可以將處理好的數字信號再通過D/A轉換模塊轉換為模擬信號輸出，從而實現PLC與電弧爐之間的通信。電弧爐的熔煉過程是利用石墨電極與鐵液產生電弧所產生的熱能來熔化鐵料并使鐵液過熱。鐵液熔清后，爐內溫度進一步升高，調整化學成分的冶煉操作就是在熔渣覆蓋鐵液的條件下進行。其爐用變壓器可以單獨進行電流、電壓的調節，通過控制其功率就可以調節爐內溫度。使用PLC接收溫度信號并對變壓器發送指令，即可控制溫度。

1? ? 設計方案

1.1? ? 測溫裝置選型

測量鐵水及高溫熔融金屬的溫度時，通常選用快速熱電偶，它根據金屬的熱電效應可以測得當期鐵水的溫度。要做到實時檢測爐內溫度則需要預埋多個熱電偶，但爐內長期高溫，容易導致熱電偶故障。因此，溫控器選用紅外測溫儀對電弧爐的溫度進行實時監測，測得的溫度信號為模擬量，通過擴展模塊EM AM03進行模擬量的輸入與輸出，可與模擬量電壓信號相互轉換。

1.2? ? 配置方案

經過對比，溫控器使用西門子推出的S7-200 SMART PLC，其本體CPU為ST30，它是西門子公司經過大量調研，為自動化市場量身打造的一款PLC產品。編程軟件使用西門子官方提供的STEP7-Micro/WIN SMART，相比較而言，其不論是在界面布局還是基本環境設置上都更加美觀、簡潔，在保持強大功能的同時，使得初次接觸它的使用者可以快速入手。西門子S7-200 SMART PLC如圖1所示。

本溫控器設計有4種工作狀態，分別為加熱、停止、過熱報警以及正常運行，其中除停止外的3種狀態都對應一種顏色的指示燈。啟動電弧爐后，加熱裝置會持續運行，通過紅外測溫儀對溫度進行檢測。電弧爐構造原理圖如圖2所示[3-4]。

隨著溫度上升，通過EM AM03將其轉換為電壓信號并輸入PLC。PLC在溫控過程中調用PID指令，可使電弧爐溫度在加熱過程中快速上升到接近要求的溫度區間，而后又會降低增益防止超調，最后使溫度平穩保持在區間內。其控制系統的輸入、輸出I/O分配表定義如表1所示。

根據設計要求和硬件設備對PLC進行硬件接線，如圖3所示。

按照電弧爐的溫控要求和串口接線，接線完成后使用計算機編寫完整的PID智能溫控程序，以實現精準智能的溫度控制。設定電弧爐冶煉溫度需控制在1 500～1 750 ℃。首先對PID溫控系統進行建模，通過PLC梯形圖完成PID溫控參數主程序，內含Kp、Ki、Kd三個控制參數。PID控制器為PID（s）=Kp+Ki■+Kds，在預熱階段，按照加熱速率要求，可以計算得到Kp的大致取值范圍，然后根據這個Kp和振蕩周期來計算其余兩個參數的值。PID參數的調試是一個綜合的、各參數互相影響的過程，實際調試需要多次嘗試。通過多次實驗及調試使溫度曲線快速上升并保持，最終得到最佳PID控制參數。PLC溫控參數梯形圖如圖4所示，PID子程序的調用如圖5所示。

2? ? 測試

將所有程序通過網線用計算機上傳至PLC，檢查硬件之間接線情況，確保線路正確。確認無誤后通電進行測試，PID溫控參數主程序運行圖如圖6所示。

通過多次實驗驗證可以得出：設計的程序可使溫度上升曲線達到最優，溫度波動誤差始終控制在極小的范圍內。

3? ? 結語

本文通過測溫裝置的選型、配置方案的設定與測試，完成了基于PLC組態的溫控器的設計與應用，該溫控器不僅能將溫度控制在所需范圍內，還具有快速升溫和穩定控溫的優點。此外，其通用性強，通過更改初始數值便可實現其他溫度范圍的控制。

[參考文獻]

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[2] 郭俊，劉暢，姚峰林，等.基于PLC溫控系統的PID控制器的實現[J].機械工程與自動化，2005（3）：31-33.

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收稿日期：2022-03-03

作者簡介：王首峰（1979—），男，遼寧人，工程師，主要從事基于PLC控制類設備的現場維護與應用、電氣傳動自動化類設備的應用分析與研究等工作。