基于PLC的沸騰干燥機PID溫度控制系統(tǒng)研究

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021)

沸騰干燥機在藥品生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛.因其溫度控制精度決定了藥品的質(zhì)量，所以如何實現(xiàn)溫度的精確控制對提高產(chǎn)品質(zhì)量顯得尤為重要.目前，可用于GFG120高效沸騰干燥機溫度控制的方法很多，如專用溫度控制模塊、基于單片機控制及以PLC為核心的溫度控制等[1].在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中將粉料混合后，用沸騰干燥機進行干燥，干燥設(shè)備中通常采用加熱管加熱(通過有觸點的繼電接觸器控制通電與斷開).采用這種控制方式容易造成溫度往上漂，易超出藥品允許的溫度范圍，造成藥品變質(zhì)、分解、失效，同時現(xiàn)場噪音較大.

本文根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，構(gòu)建了以PLC為核心的GFG120高效沸騰干燥機溫度控制系統(tǒng)，主要對由傳統(tǒng)繼電器組成的控制電路和儀表控制式GFG120高效沸騰干燥機溫度控制系統(tǒng)進行了改造，采用PLC內(nèi)置的PID 算法和伺服控制技術(shù)實現(xiàn)了溫度的閉環(huán)控制.該系統(tǒng)可根據(jù)不同溫度需要，調(diào)整運行狀態(tài)，達到理想的溫度，節(jié)能效果好，經(jīng)濟效益明顯.

1 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

CPU224XPCN是西門子公司生產(chǎn)的小型PLC，通過擴展不同的輸入輸出智能控制模塊可以構(gòu)建不同的控制系統(tǒng)，不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且融合模擬量輸入輸出，實現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制等多種控制功能.此外，利用S7-200PLC的串行通信功能，將PLC采集的數(shù)據(jù)傳至上位機MCGS觸摸屏，同時通過MCGS觸摸屏設(shè)置控制參數(shù)并傳給PLC，構(gòu)成MCGSTPC嵌入式一體化觸摸屏，實現(xiàn)上位機人機界面，同時，以PLC為下位機完成過程控制監(jiān)控系統(tǒng)[2].沸騰干燥機結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 沸騰干燥機結(jié)構(gòu)圖

溫度監(jiān)控系統(tǒng)圖如圖2所示.PLC溫度監(jiān)控系統(tǒng)由PLC擴展專用熱電偶溫度模塊構(gòu)成，以CPU224XPCN作為主機，熱電偶采集的熱風(fēng)溫度數(shù)據(jù)由擴展智能溫度數(shù)據(jù)采集模塊EM231進行處理，然后送至PLC[3]，再通過PLC輸出模擬信號給伺服控制器，實現(xiàn)對伺服電機轉(zhuǎn)速的精準控制，提高系統(tǒng)控制的可靠性和精確度.同時在PLC中采用PID算法實現(xiàn)閉環(huán)溫度控制，以MCGSTPC嵌入式一體化觸摸屏作為上位機操作界面.

圖2 溫度監(jiān)控系統(tǒng)圖

在S7-200PLC的擴展模塊中，將熱電偶接到EM231的接線端子上，無需任何外部變送器或電路，就能完成數(shù)據(jù)采集及處理，EM231與PLC接線圖如圖3所示.通過扁平電纜構(gòu)成數(shù)據(jù)通道將熱電偶模塊接至PLC.將PLC+24 V直流電源的輸出端M、L+分別接到熱電偶模塊的L+、M接線端后，熱電偶模塊上的DC+24 V指示燈亮.3個未使用的熱電偶輸入通道必須短接，或者并接到其他通道上，否則模塊上的SF指示燈閃爍，模塊不能工作[2].PLC輸出的控制信號應(yīng)與外部電路所需要的觸發(fā)信號相匹配，即高電平“1”為+5 V，低電平“0”為地.

圖3 EM231與PLC接線圖

西門子CPU224XPCN自身集成2個通信端口(PORT0PORT1)、2個模擬量輸入端口和1個模擬量輸出端口，支持無協(xié)議通信，即用戶使用時僅對起始/停止碼、傳輸速率、數(shù)據(jù)格式等進行設(shè)定，就可實現(xiàn)PLC控制器與外部設(shè)備間的數(shù)據(jù)讀寫.觸摸屏是人機對話接口，指令信息可由觸摸屏給定并經(jīng)通信端口傳至PLC，經(jīng)PLC內(nèi)部處理后輸出相應(yīng)信號，并發(fā)送到伺服控制器的信號輸入端口.伺服控制器對接收到的控制信號進行內(nèi)部轉(zhuǎn)換后驅(qū)動伺服電機.

2 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

GFG120高效沸騰干燥機溫度監(jiān)控系統(tǒng)是利用熱電偶模塊采集溫度信號，再輸出模擬量電壓信號，然后經(jīng)過EM231溫度控制模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入PLC(將該數(shù)字量與原來設(shè)定的溫度進行比較并計算)，再由PLC轉(zhuǎn)換后輸出模擬信號給伺服控制器，完成對伺服電機轉(zhuǎn)速的精準控制，從而控制冷熱空氣調(diào)節(jié)閥的冷熱進風(fēng)口，調(diào)整沸騰干燥機的溫度，以達到設(shè)定值.

依據(jù)GFG120高效沸騰干燥機控制系統(tǒng)，列出PLC所有輸入量和輸出量的情況以進行I/O地址分配，I/O地址分配見表1.

表1 沸騰干燥機控制系統(tǒng)I/O地址分配

利用S7-200PLC可編程控制器的專用編程環(huán)境進行PLC 程序設(shè)計，它支持梯形圖、指令表及功能圖等編程方式，具有結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的優(yōu)點.這里主要以梯形圖的方式進行編制[4]，程序流程如圖4所示.

圖4 程序流程圖

3 PID調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 PID算法

PID 控制器的輸出M是時間t的函數(shù)，可以看做是比例項、積分項、微分項和常數(shù)項4部分之和[4].即：

以上各量都是連續(xù)量，第一項為比例項，第二項為微分項，第三項為積分項，第四項為常數(shù)項.計算機進行周期性地采樣和離散化PID(PID控制參數(shù)見表2)運算，算法為：

Mn=Kc·(SPn-PVn)+Kc·(Ts/Ti)·(SPn-PVn)+

MX+Kc·(Td/Ts)·(PVn-1-PVn)

3.2 PID控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要由S7-200PLC、冷熱空氣調(diào)節(jié)閥、熱電偶、EM231模塊等組成，當(dāng)溫度偏高時，調(diào)節(jié)冷熱空氣調(diào)節(jié)閥，加大冷風(fēng)量；當(dāng)溫度偏低時，加大熱風(fēng)量.恒溫控制系統(tǒng)圖如圖5所示.

控制過程是將溫度設(shè)定值直接輸入至數(shù)字量SPn，來自熱電偶測溫裝置的反饋輸入PV(t)經(jīng)EM231輸入模塊A/D 轉(zhuǎn)換后,形成PLC內(nèi)部數(shù)字量PVn，數(shù)字量SPn和數(shù)字量PVn兩者經(jīng)過PLC內(nèi)部的“減”運算，得到調(diào)節(jié)器輸入誤差e(n),再經(jīng)PLC內(nèi)部的數(shù)字化PID運算，得到調(diào)節(jié)器數(shù)字化輸出Mn，該輸出作為觸發(fā)電路和變頻器工作的控制量，控制加熱爐中的電阻絲和冷熱進風(fēng)口大小，從而達到調(diào)節(jié)沸騰干燥機內(nèi)溫度的目的.

表2 PID控制參數(shù)

圖5 恒溫控制系統(tǒng)圖

3.3 Simulink仿真

為了驗證所設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)，首先采用Simulink仿真軟件對PID參數(shù)進行整定.常用的PID參數(shù)整定法有經(jīng)驗整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法、Z-N法等.本文結(jié)合控制對象的特點，采用基于穩(wěn)定性分析的Z-N參數(shù)整定法.該方法的基本思想是“先比例，再積分，最后微分”.設(shè)定控制溫度為100 ℃，對溫度控制進行仿真試驗，仿真模型、響應(yīng)曲線分別如圖6、圖7所示.

由仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到了提高，且其超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差較小，跟隨性能明顯增強，精度較高.

圖6 仿真模型

圖7 響應(yīng)曲線圖

3.4 人機界面設(shè)計

觸摸屏的控制由MCGS組態(tài)軟件來完成，在設(shè)備編輯窗口添加驅(qū)動、選擇PLC地址、添加通道及設(shè)置關(guān)聯(lián)變量，把PLC相應(yīng)的I/O接點、MCGS觸摸屏和存儲器之間聯(lián)系起來[5].在PC機上完成所有系統(tǒng)功能設(shè)計后，將所設(shè)計的組態(tài)界面下載到MCGS觸摸屏，通過通信電纜將PLC與MCGS觸摸屏連接起來，每個按鈕都有相應(yīng)的動畫效果.而且現(xiàn)場工作人員可很方便地觀察到整個系統(tǒng)的運行狀態(tài).溫度控制系統(tǒng)主界面和溫度實時曲線分別如圖8、圖9所示.

圖8 溫度控制系統(tǒng)主界面

圖9 溫度實時曲線

4 結(jié) 語

基于PLC的沸騰干燥機采用PID控制技術(shù)、伺服閉環(huán)控制技術(shù)及人機界面技術(shù)，實現(xiàn)了沸騰干燥機中的恒溫和自動化控制，避免了溫度往上漂，同時減小了現(xiàn)場噪音，便于工藝流程監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置.(本課題為閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)課題(MYKJ2012002))

參考文獻：

[1] 馬麗萍.基于PLC 的干燥箱溫度控制系統(tǒng)[J].輕工機械，2011(8): 51-53.

[2] 徐國林.PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2012：8-12.

[3] 廖常初.S7-200PLC基礎(chǔ)教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：25.

[4] 陳楊，鄭才國，嚴寒冰.基于PLC 的反應(yīng)釜模糊PID 溫度控制系統(tǒng)[J].成都電子機械高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2008(4)：22-25，68.

[5] 林福.生活用水太陽能供熱的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[J].閩江學(xué)院學(xué)報，2011(5)：51-56.