基于嵌入版MCGS與西門子PLC的串級溫度控制系統設計

劉 鵬，郭 頌，劉冰琪，劉煥偉

(泰山科技學院，河北 衡水 271000)

0 引言

MCGS組態屏，DC24V供電，可視性好，分辨率高，通信穩定，通用性強。本次所選的西門子PLC S7-1200包含模擬量輸入輸出端口和數字量輸入輸出端口，便于溫度信號的采集、運算。PLC穩定性相對較好，工作頻率快，周期短，與單純的繼電器和接觸器等組成的硬件系統相比，體積小，可靠性好，穩定性強。溫度控制在冶金煉鋼、孵化、供暖、生物醫藥、化學化工都極為常見，溫度控制是否精準，直接關系到結果的成敗，關乎產品精度。溫度控制系統在現實中不可避免地包含多種擾動，設計為串級控制，將主要擾動和較多擾動包含在副回路中，可以有效地提高抗擾性能、調節速度和穩態精度。基于MCGS和PLC的溫度控制系統具有直觀方便可靠的控制性能。

1 搭建MCGS組態文件

MCGS以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領域有著廣泛的應用。

嵌入版MCGS包含主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略[1]。本次采用的組態屏是觸摸屏，考慮到工業中，參數修改頻繁，為保護觸摸屏，延長使用壽命，本系統設置了外置鍵盤，可以通過外置鍵盤在MCGS組態屏上設置相關參數。因為是外置鍵盤，這里需要在組態界面添加鍵盤移動光標，當光標移動到需改參量時，還需要啟用設置選中鍵才可以進行參數輸入或修改。因此每個可改參量不僅要有“輸入框”，在其下方還需設置光標鍵和設置選中鍵。

在運用嵌入版MCGS時，首先建立實時數據庫，點擊實時數據庫，新增對象，雙擊新增的對象進行屬性設置。光標鍵和設置選中鍵在實時數據庫中進行新增對象設置時，它們的基本屬性設置為開關型，數據對象名稱為了方便與MCGS自身的設備編輯窗口的通道名稱以及與PLC中的變量對應，在命名時盡量保持相近，方便后續檢查和修改。例如，副控制器的“比例參數”設置選中鍵在PLC變量窗口中的地址是“%M19.0”，那么在設備編輯窗口的通道名稱列起名為“M019.0”，實時數據庫中起名為“讀寫M019_0”。

在實時數據庫中建立的對象涉及比例、積分、微分系數、爐內溫度的設定和測量以及出料溫度的設定和測量值等對象時，設置為數值型對象。為了保障設備安全和產品的高利用率，這里部分數值型的參量設置了上下限報警，一旦溫度觸碰到報警值，就會自動報警，并記錄發生報警的時間和具體數值，如果長時間出現故障報警，系統便會自動斷電保護，允許故障存在的時間長短可以在PLC程序中用定時指令來設置。

在用戶窗口組建畫面，點開工具箱，選用輸入框，以“進料電動調節閥開度”為例進行說明。設置數據對象的名稱，打開與實時數據庫對應的“變量選擇”窗口，選擇相應的變量“進料電動調節閥開度”，為了方便明確，在用戶界面窗口和實時數據庫中采用了同樣的名字。因為是電動調節閥開度，所以單位為“%”，0～100%可調，四舍五入僅顯示整數位。

組態屏上的“進料閥屏設/現場切換”按鈕，直接用“標簽”工具來寫，為了表明是屏幕調節狀態還是現場調節狀態，可以填充顏色，通過切換顏色辨別。

在用戶窗口建立系統模型時，打開工具箱，找到插入元件，選中要插入的元件，點擊確定，元件便會出現在用戶窗口的左上角，可以自己調整大小和角度[2]。最終的用戶界面如圖1所示。

圖1 溫度串級控制MCGS的用戶窗口界面

因為是串級控制，所以副被控對象熱交換爐的溫度設定值是由主控制器輸出的，這里只能顯示，不能調整。出料溫度的測量值和爐內溫度的測量值是由溫度傳感器傳回的，所以也只能顯示，不能修改。進料閥開度可以在屏幕中設置，也可以現場調節。燃料閥開度可以在屏幕中強制設置，此時稱為人工調整；也可以由PID調節器自動調整。當燃料閥開度設置為人工調整時，相關的主副控制器的PID參數此時是不起作用的。

2 PLC程序的建立

本設計的主要目的是加熱并控制好出料口的物料溫度，首先在MCGS界面輸入物料加熱后的期望溫度值R，圖2中R1表示與設定值R相對應的電信號。設定溫度轉換后的電信號R1與出料的實際溫度Y1采集變換后的值Z1比較后，得到偏差E1，并將其傳送給主控制器——出口物料溫度控制器。主控制器的輸出作為副回路爐溫控制的設定值R2[3]，在自動狀態下，副環可以快速調整進入副環的擾動，比如鍋爐外界溫度的擾動、氧氣含量的擾動、燃氣純度的擾動等，這里針對副被控對象的擾動用F2來表示，針對主被控對象物料的擾動用F1來表示，例如物料的進料溫度、進料流量等。該溫度串級控制系統的結構如圖2所示。

圖2 溫度串級控制系統結構

本項目選用S7-1200系列PLC，利用博圖V16版軟件進行編程，主要用到PID控制算法，S7-1200的PID指令采用了不完全微分PID和抗積分飽和等改進的控制算法。

模擬量與數字量之間的相互轉換和PID程序的執行都是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期Ts。博圖指令列表的“工藝”窗格的PID控制“Compact PID”文件夾中，有3條指令，這里采用PID Compact，該指令具有抗積分飽和功能，并且能夠對比例作用和微分作用進行加權運算。其計算公式為：

式中，y為PID算法的輸出值；Kp為比例增益；b為比例作用權重；w為設定值；x為過程值；s為自動控制理論中的拉普拉斯運算符號；TI為積分作用時間；TD為微分作用時間；a為微分延遲系數；微分延遲為aTD；c為微分作用權重[4]。

本設計采用1215C 型號PLC，定時間間隔執行PID指令，設置其循環時間為100 ms，在組態屏中設置好理想的出口物料溫度值。

在構建PLC的PID控制器程序時，首先建立“組織塊”，在程序塊中選擇添加新塊，選擇組織塊,在左側列中，找到工藝對象，選擇新增工藝對象，打開新增對象窗口，選擇PID，選擇PID_Compact。打開組態窗口，在基本設置中，控制器類型選擇“溫度”，單位“℃”。“Input/Output參數”中均選擇模擬量形式。

為適應工程實際的需要，在現場或者緊急情況中，為快速有效地調節或者實驗，有可能需要手動調節的情況，所以在PID模塊組態的高級設置中要勾選“啟用手動輸入”。當勾選“啟用手動輸入”后，可以用“MOVE”指令直接給PID參數進行設置。

主控制器的設定值“Setpoint”對應MCGS界面中設定的“出料溫度設定值”，“Input_PER”對應實際的出料溫度反饋值，如圖3所示。

圖3 主控制器設定和反饋值

在本程序中，利用ManualEnable，ModeActivate和Mode配合設置了手動調節和自動調節兩種模式，同時設置了設定值的上下限報警和輸出值的上下限報警。當設定值不合理時，無法進行有效輸入；當偏差較大，且偏差時間較長時，不會讓控制器的輸出持續長時間增大，在保證快速性的同時，確保爐膛及物料溫度在正常范圍內。

3 結語

基于MCGS和西門子PLC的溫度串級控制系統，融合了MCGS組態設計，PLC程序的編寫，MCGS與PLC的通信以及變量連接。為保護組態屏，本系統設置了外置鍵盤，通過移動光標找到對應的參數，并進行設置。串級控制能快速調節燃氣閥的開度，能夠快速克服大部分進入副回路的擾動，比如氧氣含量的擾動、燃氣純度的擾動等，外置PID參數在組態屏界面可調，能夠實現手動自動控制。PLC控制性能穩定，方便實用。