基于西門(mén)子PLC溫控調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李成春、郭瓊

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫，214121）

前言

隨著現(xiàn)代化程度的加快，工業(yè)控制會(huì)變得越來(lái)越復(fù)雜，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也會(huì)成為必然，對(duì)核心控制器的要求也會(huì)越來(lái)越高。S7-300適用于較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其模塊化的設(shè)計(jì)理念既便于系統(tǒng)的升級(jí)換代，又不會(huì)額外增加較多成本。

溫度控制技術(shù)應(yīng)用廣泛。如，紡織、電纜、冶金、塑料制品等行業(yè)都用到溫度控制技術(shù)。學(xué)習(xí)和運(yùn)用好溫度控制技術(shù)非常重要，尤其是經(jīng)典的PID控制。

人機(jī)界面的應(yīng)用。人機(jī)界面能夠把眾多的輸入、輸出、顯示、報(bào)警等集成到一個(gè)屏幕上，而且畫(huà)面形象生動(dòng)，更能有效的反映現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀況。

本文以S7-300PLC為控制核心，結(jié)合觸摸屏、溫度傳感器、變頻器和風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)溫度控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)

S7-300，CPU313C-2DP為本系統(tǒng)的控制中心。模塊334-0ke-0ab0作為模擬量輸入輸出通道的接口。其中，溫度傳感器，熱敏電阻Pt100將采集溫度模擬信號(hào)輸送到334-0ke-0ab0的輸入引腳。經(jīng)S7-300中PID處理后，輸出的模擬量信號(hào)接到三晶變頻器的模擬電壓控制端，通過(guò)輸出的模擬電壓對(duì)應(yīng)了0～50Hz的頻率，這樣便可以驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇以達(dá)到溫度控制風(fēng)速的功能。

設(shè)計(jì)中利用昆侖通態(tài)MCGS的觸摸屏可以顯示設(shè)定的溫度值，同時(shí)顯示當(dāng)前的溫度值。利用適配器將S7-300的MPI通信口與觸摸屏的DB9通信口相連接便可實(shí)時(shí)顯示了。通過(guò)實(shí)際操作，其界面友好、運(yùn)行穩(wěn)定。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫控調(diào)速示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括：S7-300與MCGS觸摸屏的連接，溫度傳感器Pt100與模擬量模塊的連接，模擬量模塊與三晶變頻器的連接。其他的如西門(mén)子PLC的CPU313C-2DP與模擬量模塊的連接，變頻器與風(fēng)扇的連接比較基本，在此不再詳細(xì)描述。

2.1 S7-300與MCGS的連接

由于MCGS不是西門(mén)子同系列的產(chǎn)品，因此連接時(shí)要特別注意。由于西門(mén)子相關(guān)的說(shuō)明書(shū)沒(méi)有介紹S7-300與MCGS的連接的相關(guān)說(shuō)明。其次，MCGS的相關(guān)說(shuō)明也找不到與西門(mén)子產(chǎn)品連接的說(shuō)明。如果直接拿普通的DB9電纜相連，有可能燒壞器件。必須用西門(mén)子的MPI適配器專用電纜連接S7-300與MCGS，這樣才能保證通訊的穩(wěn)定、可靠。

2.2 Pt100與模擬量模塊的連接

根據(jù)334-0ke00-0ab0端口連接圖，電阻測(cè)量須是四線制。通常情況下，購(gòu)買(mǎi)的Pt100是兩線制的，必須設(shè)計(jì)成四線制形式的，否則就測(cè)量不出電阻。設(shè)計(jì)方法是，在兩線制Pt100的每一端分別接出兩股屏蔽線，以滿足334-0ke00-0ab0模擬量四線制測(cè)量電阻的要求。

另外，屏蔽線與Pt100連接時(shí)，連接端的螺母要擰緊，有條件的情況下應(yīng)將屏蔽線焊接到Pt100的引腳上。其次，四根屏蔽線的長(zhǎng)度盡量等長(zhǎng)且不宜過(guò)長(zhǎng)。

2.3 模擬量模塊與變頻器的連接

模擬量模塊與變頻器的連接要注意的是，模擬量的輸出值與變頻器的輸入值形式必須一致，大小必須符合各自的范圍。首先，模擬量輸出的是電壓值，其范圍是0～10VDC，所有選擇的變頻控制輸入端必須也是電壓形式，范圍須大于或等于0～10VDC的范圍。設(shè)計(jì)中選擇三晶SAJ800-M型變頻器，滿足條件。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，核心是PID對(duì)Pt100采集的溫度進(jìn)行控制，以及將控制的結(jié)果輸出到變頻器。其它的還有模擬量輸入輸出通道的設(shè)計(jì)以及MCGS觸摸屏組態(tài)畫(huà)面的設(shè)計(jì)。另外，對(duì)于加熱和制冷，不能同時(shí)作用。因此，需要給PID的比例增益參數(shù)GAIN賦上不同的數(shù)值。如果是制冷作用，那么，GAIN參數(shù)須是大于0的數(shù)值；如果是加熱作用，那么，GAIN參數(shù)須是小于0的數(shù)值。

3.1 PID參數(shù)原則的原則

工程上，CYCLE時(shí)間不能超過(guò)積分時(shí)間TI的10%。為了保證控制精度，脈沖周期時(shí)間PER_TM至少是CYCLE_P的50倍。脈沖周期時(shí)間CYCLE不超過(guò)積分時(shí)間TI的5%。設(shè)計(jì)中調(diào)用的是OB35，其中斷時(shí)間 50mS，則 CYCLE_P須為 0.05S，CYCLE須 1S，PER_TM須3S。

3.2 FB58和DB58中參數(shù)的選擇

PID控制的核心是在OB35中調(diào)用FB58，同時(shí)生存DB58。在FB58的引腳PV_PER中輸入PIW 256，在LMN_PER中輸入PQW256。在DB58中，將PV_PER的實(shí)際值輸入1，將 CYCLE的實(shí)際值輸入 1，將CYCLE_P的實(shí)際值輸入0.05，將SP_INT的實(shí)際值輸入 25，將 MAN_ON的實(shí)際值輸入 FALSE，將PER_MODE的實(shí)際值輸入1，將PVPER_ON的實(shí)際值輸入TRUE，將GAIN的實(shí)際值輸入-2，其部分參數(shù)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 PID部分參數(shù)

3.3 模擬量輸入?yún)?shù)的設(shè)定

334-0ke00-0ab0模塊輸入選擇有deactivated型，即封閉輸入通道；有R-4L型，即4線制輸入電阻型；有RTD-4L，即4線制輸入溫度電阻型，如圖3所示。

圖3 輸入通道的設(shè)計(jì)

其輸入要根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況加以選擇。用不到的輸入通道應(yīng)封閉起來(lái)，否則有可能影響測(cè)試的輸入結(jié)果。本設(shè)計(jì)中，輸入通道選擇RTD-4L，即Pt100型輸入，其他還有3個(gè)輸入通道用不到應(yīng)將其封閉起來(lái)。

3.4 模擬量輸出參數(shù)的設(shè)定

334-0ke00-0ab0模塊的輸出選擇有deactivated型，即封閉輸出通道；有E型，即電壓輸出型，如圖4所示。

圖4 輸出通道的設(shè)計(jì)

其輸出要根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況加以選擇。用不到的輸出通道應(yīng)封閉起來(lái)，否則有可能影響測(cè)試的輸出結(jié)果。本設(shè)計(jì)中的輸出通道選擇E，即0～10V電壓型輸出，其他還有一個(gè)輸出通道用不到也應(yīng)將其封閉起來(lái)。

4 總結(jié)

設(shè)計(jì)到這里，基本解決了基于西門(mén)子PLC的溫控調(diào)速系統(tǒng)的大部分內(nèi)容，該系統(tǒng)也能在實(shí)際項(xiàng)目中使用。然而，對(duì)于PID的控制還須結(jié)合實(shí)際使用情況，進(jìn)一步微調(diào)。還要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能更好地利用PID控制方法。并在此基礎(chǔ)上，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為以后進(jìn)一步研究復(fù)雜控制打下基礎(chǔ)，如自抗擾控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

[1] 廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù) [M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 郭瓊.PLC應(yīng)用技術(shù)[M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 劉楷.深入淺出西門(mén)子S7-300PLC[M] .北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[4] 張運(yùn)剛.從入門(mén)到精通——西門(mén)子S7-300/400PLC技術(shù)與應(yīng)用[M] .北京：人民郵電出版社，2007.

[5] 王美波，李成春.基于S7-300的溫度調(diào)速裝置[N] .北京：科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014-02-01：128-129.