基于ＰＬＣ的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉　瑞

摘要：在以PLC控制為核心、三相調(diào)壓模塊為基礎(chǔ)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，PLC將鍋爐內(nèi)膽溫度設(shè)定值與溫度傳感器的測(cè)量值之間的偏差經(jīng)PID運(yùn)算后得到的信號(hào)控制三相移相SCR調(diào)壓裝置，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制的目的。文章介紹了在實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中基于S7-200溫度控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：PLC；溫度控制；PID調(diào)節(jié)器；S7-200；三相移相SCR調(diào)壓裝置；溫度傳感器

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）15-0053-03

隨著人才培養(yǎng)模式的不斷完善，高職高專教育越來(lái)越注重實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)。為適應(yīng)新型教育和社會(huì)人才需求，越來(lái)越多的高職院校從理論教學(xué)逐步走向?qū)嵺`教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)已成為高職教育極其重要的環(huán)節(jié)。

為適應(yīng)這一要求，充實(shí)和加強(qiáng)安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式對(duì)鍋爐內(nèi)膽溫度進(jìn)行檢測(cè)控制，是集自動(dòng)控制、PLC和自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)為一體的綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力提供了良好的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

一、系統(tǒng)硬件組成及工作原理

（一）系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)由S7-200型PLC、三相移相SCR調(diào)壓裝置、鉑熱電阻溫度傳感器、AI-808變送器及其他控制設(shè)備組成。系統(tǒng)方框圖如圖1所示：

（二）工作原理

被控對(duì)象為鍋爐內(nèi)膽溫度，溫度傳感器檢測(cè)鍋爐內(nèi)膽的溫度信號(hào)，轉(zhuǎn)換成4～20mA電信號(hào)，經(jīng)AI-808變送器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓信號(hào)送入PLC模塊。PLC把這個(gè)測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后，發(fā)出控制信號(hào)，控制三相移相SCR調(diào)壓裝置。三相移相SCR調(diào)壓裝置采用三相可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來(lái)控制電加熱器的端電壓，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制。

（三）PID控制器的實(shí)現(xiàn)

德國(guó)西門子公司S7系列PLC有很強(qiáng)的模擬量處理能力和數(shù)字運(yùn)算功能，功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，并具有緊湊的、無(wú)槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)，因而在國(guó)內(nèi)工控現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。

在本裝置中采用了S7-200控制系統(tǒng)。 S7-200是一種疊裝式結(jié)構(gòu)的小型PLC。本控制系統(tǒng)包括一個(gè)CPU224主機(jī)模塊和一個(gè)EM235模擬量I/O模塊，以及一根PC/PPI連接線。其中CPU224模塊帶有14點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入和10點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出，EM235模擬量擴(kuò)展模塊帶有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出。

二、軟件設(shè)計(jì)

（一）PID算法

PID控制器是比例-積分-微分控制器的簡(jiǎn)稱。積分控制器可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制器可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。比例、積分、微分三者有效地結(jié)合可以滿足不同的控制要求。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，模擬信號(hào)PID調(diào)節(jié)是常見(jiàn)的一種控制方式。

（二）PID的數(shù)字化處理

PLC的PID控制器設(shè)計(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，經(jīng)采樣將其數(shù)字化寫成離散形式PID控制方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。典型的PID算法包括3項(xiàng)，比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)。即：輸出＝比例項(xiàng)＋積分項(xiàng)＋微分項(xiàng)。計(jì)算機(jī)在周期性地采樣并離散化后進(jìn)行PID運(yùn)算，算法如下：

Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）

比例項(xiàng)Kc*（SPn-PVn）：能及時(shí)地產(chǎn)生與偏差（SPn-PVn）成正比的調(diào)節(jié)作用，比例系數(shù)Kc越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定精度越高，但Kc過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。

積分項(xiàng)Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：與偏差有關(guān)，只要偏差不為0，PID控制的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以積分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但積分的動(dòng)作較慢，給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定帶來(lái)不良影響，很少單獨(dú)使用。積分時(shí)間常數(shù)Ti增大，積分作用越強(qiáng)，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。

微分項(xiàng)Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分）進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有超前和預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。微分時(shí)間常數(shù)Td增大時(shí)，超調(diào)量減少，動(dòng)態(tài)性能得到改善，但Td過(guò)大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)可能上升緩慢。

許多控制系統(tǒng)內(nèi)，可能只需要P、I、D中的一種或兩種控制類型。如可能只要求比例控制或比例與積分控制，通過(guò)設(shè)置參數(shù)可對(duì)回路進(jìn)行控制類型進(jìn)行選擇。

（三）程序設(shè)計(jì)

S7-200系列PLC提供了閉環(huán)控制PID的運(yùn)算指令，學(xué)生設(shè)計(jì)時(shí)只需要在PLC的內(nèi)存中填寫一張PID控制參數(shù)表再執(zhí)行“PID Table Loop”即可完成PID運(yùn)算，其中操作數(shù)Table表使用變量存儲(chǔ)器來(lái)指明控制參數(shù)表的表頭字節(jié)，操作數(shù)Loop只可選擇0～7號(hào)的整數(shù)，表示本次PID閉環(huán)控制所針對(duì)的環(huán)路編號(hào)，最多8路。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)在上位機(jī)監(jiān)控界面輸入不同的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，觀察在不同的調(diào)節(jié)參數(shù)下的自動(dòng)控制效果。記錄各個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分析比較，得出最佳的PID參數(shù)：

主程序

LDSM0.1

CALLSBR0

子程序（建立PID回路參數(shù)表，設(shè)置中斷以執(zhí)行PID指令）

LDSM0.0

MOVR VD204，VD104

MOVR VD212，VD112

MOVR 0.1，VD116

MOVR VD220，VD120

MOVR VD224，VD124

MOVB 100，SMB34

ATCHINT0，10

ENI

中斷程序（執(zhí)行PID指令）

LD SM0.0

ITDAIW0，AC0

DTRAC0，AC0

/R320000.0，AC0

MOVR AC0，VD100

LDI0.0

PID VB100，0

LDSM0.0

MOVR VD108，AC0

*R32000.0，AC0

ROUND AC0，AC0

DTIAC0，AC0

MOVW AC0，AQW0

三、結(jié)語(yǔ)

基于PLC的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了PLC內(nèi)置式PID運(yùn)算模塊的優(yōu)勢(shì)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)三相調(diào)壓模塊的輸出電流，控制電加熱器的加熱電壓，實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)控制。該溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)綜合應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中所涉及到的相關(guān)知識(shí)，在實(shí)訓(xùn)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，使學(xué)生通過(guò)設(shè)置調(diào)節(jié)PID參數(shù)能夠更好地理解PID控制的作用，實(shí)現(xiàn)的方法及具體實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。該系統(tǒng)直接與現(xiàn)場(chǎng)儀表連接，采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，模擬了實(shí)際自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，讓學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中能夠接觸到自動(dòng)控制在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中也收到了良好的效果。

參考文獻(xiàn)

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