對于PLC的模擬控制系統(tǒng)的研究

馬惠杰

摘 要：目前，廣泛應(yīng)用PLC這種自動(dòng)化設(shè)備模擬量對工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)控制，但這種方式在實(shí)踐于大滯后性系統(tǒng)時(shí)存在不少問題，文章從這種控制方式的缺點(diǎn)入手進(jìn)行分析與研究，通過不同的角度論述PID運(yùn)算模塊、A/D、D/A數(shù)據(jù)采集、I/O模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控等方法以便于解決PLC模擬控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提升整體性能。利用實(shí)驗(yàn)室鍋爐控制系統(tǒng)項(xiàng)目，有效地調(diào)試鍋爐液位和溫度，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，使工業(yè)過程控制往智能化、綜合化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：PLC；模擬控制；鍋爐過程控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）01-0175-03

Abstract： At present， PLC is widely used to control the industrial production， but there are many problems when it is applied to the large lag system. This paper analyzes and studies the disadvantages of this control method. In order to solve the disadvantages of PLC analog control system and improve the overall performance， the methods of PID operation module， A/D， D/A data acquisition， I/O module and remote monitoring are discussed from different angles. By using the project of laboratory boiler control system， the boiler liquid level and temperature can be debugged effectively， the design requirements can be realized， and the industrial process control will be developed intelligently and synthetically.

Keywords： PLC； analog control； boiler process control system

引言

本課題研究是閉環(huán)控制系統(tǒng)運(yùn)用PLC的A/D、D/A 模塊和PID控制功能指令實(shí)現(xiàn)模擬控制，F(xiàn)uzzy-PID則選用自編程完成控制算法，自定義IO模塊可利用CPLD來設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程監(jiān)控通過工業(yè)軟件——易控，組態(tài)顯示上位機(jī)系統(tǒng)。鍋爐過程控制系統(tǒng)是驗(yàn)證課題的實(shí)例展示，使改進(jìn)的系統(tǒng)能抑制大滯后性，讓處于系統(tǒng)的最優(yōu)化狀態(tài)。

應(yīng)用最廣泛的自動(dòng)化設(shè)備當(dāng)屬PLC，它在處理數(shù)據(jù)和模擬量等功能時(shí)，可靠性高，盡量減小誤差范圍，抵抗干擾的效果佳。在企業(yè)發(fā)展旅程中，技術(shù)人員怎樣改進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備的控制精度，企業(yè)追求經(jīng)濟(jì)效益，提升生產(chǎn)效益，是本課題研究的一個(gè)重要?jiǎng)恿?。從什么角度來改善PLC 模擬控制系統(tǒng)，是技術(shù)人員現(xiàn)階段需要攻克的難關(guān)。技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際需求，增強(qiáng)PLC在工業(yè)生產(chǎn)中的控制，針對溫度等大滯后性系統(tǒng)從軟件和硬件兩個(gè)方面進(jìn)行研討，采用模糊PID算法、單片機(jī)和CPLD等技術(shù)，綜合分析，盡量削減誤差，使控制精度達(dá)最佳狀態(tài)，并控制生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)效益的增值。

1 關(guān)于PLC的發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)的繼電邏輯控制需求量日益降低，現(xiàn)今，一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的PLC裝置獨(dú)占工業(yè)控制的主體地位，隨著它功能日益全面，越來越廣闊地運(yùn)用于各種復(fù)雜場合。在我國PLC發(fā)展相較于國外品牌來說，不論是速度還是規(guī)模遠(yuǎn)落后于美、德、法等發(fā)達(dá)國家，市場占有量偏高的當(dāng)屬美國的通用電氣、德國的西門子和法國的施耐德電氣等公司。從PLC誕生到現(xiàn)在，PLC控制功能也一直在不斷變化，一般來說，PLC的發(fā)展趨勢在以下三個(gè)方面有所體現(xiàn)。一是PLC模擬控制功能的發(fā)展。若是企業(yè)生產(chǎn)某工件，它在生產(chǎn)過程中，需要調(diào)控溫度、液位、壓力等模擬量參數(shù)的變化范圍，控制工件在固定的參數(shù)范圍內(nèi)生產(chǎn)，工件質(zhì)量過關(guān)，工件合格率最高。被控量為溫度、壓力、液位等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)過程控制系統(tǒng)被稱為模擬量控制系統(tǒng)。各個(gè)大公司技術(shù)人員致力于開發(fā)PLC模擬量控制技術(shù)，控制量從開關(guān)量逐步向模擬量轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步擴(kuò)展算術(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力，增加了各類模擬量控制模塊和自適應(yīng)參數(shù)控制，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)控制，應(yīng)用范圍更加廣。輸入/輸出模塊是指將外部采集和控制的模擬量處理與轉(zhuǎn)換后，形成PLC內(nèi)部能識(shí)讀的數(shù)字量。只需要通過套用指令進(jìn)行編程或設(shè)置參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能闡述的是PID 過程控制，它可以直接在程序中調(diào)用，相當(dāng)于子程序，閉環(huán)回路能實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制，這種方式大多數(shù)時(shí)候應(yīng)用于大型控制系統(tǒng)中。套用廠家固定的PID功能指令，使用方便，價(jià)格低廉，但固有的指令滿足不了實(shí)際生產(chǎn)需要，促使工程人員利用PLC自定義編程PID算法，提升PLC模擬控制性能。模擬量輸入/輸出和PID過程控制模塊是屬于PLC的特殊功能模塊的一部分，它還包含運(yùn)動(dòng)控制模塊、高速計(jì)數(shù)模塊和通信模塊等。二是PLC規(guī)模的發(fā)展。作為獨(dú)立控制器，它的結(jié)構(gòu)功能緊湊，覆蓋面廣，應(yīng)用更加分散和靈活多樣，適用于單臺(tái)設(shè)備控制。智能I/O模塊集成了模擬量I/O、高速計(jì)數(shù)和中斷輸入、模糊控制器、PID控制等模塊，采用并行工作方式，相當(dāng)于小的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，處理與控制部分信息，PLC的掃描速度加快。PLC小型化以及微型化又可以分為整體式和模塊式。大型化PLC的最顯著特點(diǎn)是模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、兼容性和冗余性，能高速處理大量地復(fù)雜數(shù)據(jù)，滿足控制點(diǎn)數(shù)的需要，集合多種控制功能，兼有強(qiáng)大的通訊能力，使得PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能更加綜合。在規(guī)模的發(fā)展方向上，呈現(xiàn)兩極化，一是小型化，另一個(gè)則是大型化。三是PLC網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展?？茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，閉門造車終究不是長久之計(jì)，只有廣泛地接納各種建議，加深工業(yè)控制系統(tǒng)研究的開放化和綜合化發(fā)展。PLC與PLC、計(jì)算機(jī)、智能設(shè)備之間存在著不同地通信組網(wǎng)形式，通信方式一般也分為串行和并行這兩類。endprint

2 研究PLC的模擬控制系統(tǒng)

在工業(yè)生產(chǎn)中，常需要對溫度、壓力、液位和流量等模擬量進(jìn)行控制，本文綜合PLC技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)、單片機(jī)與CPLD等技術(shù)組成一套完整的綜合性高性價(jià)比PLC模擬控制系統(tǒng)。

通常利用以下幾種方法，實(shí)現(xiàn)PLC對模擬量的PID控制。一是使用PID過程控制模塊。它是廠家提供的配套模塊，PID控制程序已設(shè)計(jì)好，只需修改參數(shù)值，便能直接用于采集模擬量，使用方便，控制方法固定，價(jià)格昂貴，適用于大型的控制系統(tǒng)，控制多達(dá)幾十路閉環(huán)回路。二是使用PID功能指令。它比第一種控制方式更加靈活，但對非線性、滯后性的復(fù)雜系統(tǒng)無法保證控制效果。同時(shí)，它需要配合PLC模擬量輸入輸出模塊，在程序中，選擇對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器，設(shè)置PID指令參數(shù)表初始化。三是自己編寫PID控制程序。由于實(shí)際生產(chǎn)中，具有非線性、時(shí)變性和大滯后性的復(fù)雜PLC模擬控制系統(tǒng)偏多，故常根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，自己編寫PLC程序，這種方式也需配合PLC模擬量輸入輸出模塊，靈活性是這三種方式里最強(qiáng)的，適用于各種復(fù)雜PLC模擬控制系統(tǒng)，成本偏低，實(shí)現(xiàn)效果最佳。儲(chǔ)水池、變頻器、水泵、高壓水箱、帶有冷卻水夾套的熱水鍋爐單元等構(gòu)成了鍋爐過程控制系統(tǒng)。

對單一的線性系統(tǒng)采用PID功能指令控制，但難以滿足具有非線性、時(shí)變性和滯后性特點(diǎn)工業(yè)生產(chǎn)，為解決這個(gè)難題，通常采用模擬控制，它是查德教授在美國加利福尼亞大學(xué)提出的，從它誕生到現(xiàn)在已有四十多年了，對于溫度等大滯后性系統(tǒng)而言，這種算法更先進(jìn)，控制原理簡單，易于通過編程實(shí)現(xiàn)。模糊控制作為智能控制分支之一，它的控制策略一般是指人類自然語言表達(dá)的知識(shí)和規(guī)則，再利用模糊集合論、模糊關(guān)系、模糊語言和模糊邏輯推理的方式，將控制策略轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，這就是模糊控制的基本原理。模糊化、知識(shí)庫和解模糊這三部分構(gòu)成了模糊控制器，它是模糊控制系統(tǒng)的核心，Mamdani型和T-S型是常用兩種模糊控制器。本文以Mamdani型模糊控制器為例，解析各部分的特點(diǎn)。模糊化過程是指選擇系統(tǒng)的偏差作為輸入變量，依據(jù)實(shí)際情況，確定取值范圍，利用量化因子，按比例把輸入變量的精確值變換對應(yīng)的模糊值，確定模糊子集數(shù)量，分別確定歸屬的函數(shù)。數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫是組成知識(shí)庫的兩部分。為推理機(jī)提供數(shù)據(jù)，是用來存放函數(shù)的數(shù)據(jù)庫。模糊控制規(guī)則是用規(guī)則庫來存放的。劃分模糊子集越細(xì)，規(guī)則的數(shù)量就越多，對模糊量進(jìn)行模糊推理和決策，模糊輸出量是利用推理機(jī)進(jìn)行推理算法，這就被稱為模糊推理過程。由于模糊輸出量得出的是模糊集合的形式，解模糊是將由推理得到的模糊輸出量轉(zhuǎn)化為實(shí)際精確的控制量。本文針對溫度、壓力、流量等模擬量，一是輸入量的模糊化程序，利用MATLAB模糊工具箱，對鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行模糊推理。二是模糊控制查詢表程序，用離線計(jì)算查詢表的方法能增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，在PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，依次將模糊控制表按順序存放，得出不同輸入當(dāng)前時(shí)刻的輸出控制量。三是PID參數(shù)輸出程序，根據(jù)實(shí)時(shí)的PID整定參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)運(yùn)算，輸出參數(shù)，有效控制被控量。

本文采用一款通用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控軟件來實(shí)現(xiàn)PLC模擬控制系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)，對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，它能實(shí)現(xiàn)上下位之間的互聯(lián)通信。易控優(yōu)勢突出，第一是具有系統(tǒng)的監(jiān)控、管理和報(bào)警功能，能讀寫各種儀器儀表、PLC和集散控制系統(tǒng)，修改參數(shù)指令干預(yù)系統(tǒng)工作流程。第二是當(dāng)達(dá)到報(bào)警狀態(tài)時(shí)，多途徑通知操作人員，如短信、警示界面等，及時(shí)解除報(bào)警。第三是各類信息的記錄與存儲(chǔ)，用戶程序的編寫，數(shù)據(jù)處理，組成大的監(jiān)控系統(tǒng)是將多個(gè)易控連接，單獨(dú)與其他控制系統(tǒng)同時(shí)通信。開發(fā)環(huán)境是構(gòu)建和配置工程，實(shí)現(xiàn)易控工程和下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互功能，在設(shè)備通信的配置過程中，建立通道，選擇需要的設(shè)備，配置參數(shù)，定義設(shè)備變量。一般設(shè)備變量涵蓋數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)庫變量、當(dāng)前值等，易控工程中的變量與易控對設(shè)備的讀寫信息一一對應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)易控對下位設(shè)備的監(jiān)控。當(dāng)配置好的工程，實(shí)際運(yùn)作時(shí)，并結(jié)合各部分功能達(dá)到預(yù)期效果，這說的是運(yùn)行環(huán)境。開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境這兩個(gè)基本子系統(tǒng)組成易控軟件。

在工業(yè)控制中，為滿足生產(chǎn)需要，從不同角度分析，選擇系統(tǒng)控制最優(yōu)化的方式。一是PLC廠家有配套的A/D、D/A模塊實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，選擇直接購買成品，但價(jià)格太過昂貴。二是在現(xiàn)有老設(shè)備的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改造，擴(kuò)展能力受限，模塊性能相對固定，靈活性差。自定義模擬I/O模塊能實(shí)現(xiàn)模擬量的輸入/輸出、鍵盤輸入和數(shù)據(jù)顯示等功能，因此，在PLC的模擬控制系統(tǒng)中，選取這一模塊替代傳統(tǒng)的A/D、D/A模塊，它靈活地改變I/O點(diǎn)數(shù)，最大限度地削減成本，且保障了擴(kuò)展需求。通過自編程實(shí)現(xiàn)自定義邏輯功能的一種專用集成電路，它被稱為復(fù)雜可編程邏輯器件，適用范圍寬，靈活度大，集成度高，兼容性好，易于移植。這類集成電路與分立元件實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展單元相比，能達(dá)到一定速度運(yùn)行，減輕了單片機(jī)的運(yùn)行壓力。它的電路設(shè)計(jì)過程有設(shè)計(jì)輸入、布局布線、仿真和芯片制作這四大步。

本文按照課題進(jìn)行思路設(shè)計(jì)，針對鍋爐液位控制和溫度控制的特點(diǎn)，應(yīng)用改進(jìn)后的模擬控制系統(tǒng)，對整個(gè)鍋爐控制進(jìn)行調(diào)試，使之達(dá)到項(xiàng)目要求。具體調(diào)試過程，一是依據(jù)不同模塊調(diào)試，二是依據(jù)硬件設(shè)備和軟件程序兩個(gè)角度調(diào)試，三是依據(jù)被控對象不同調(diào)試。由于鍋爐過程控制系統(tǒng)的PLC程序比較復(fù)雜，調(diào)試時(shí)間較長，不便于查找問題出現(xiàn)點(diǎn)，故采用分步調(diào)試的方法，降低調(diào)試難度，更有利于驗(yàn)證PLC模擬控制系統(tǒng)的合理性和實(shí)用性。

3 結(jié)束語

一種標(biāo)準(zhǔn)的PLC模擬控制系統(tǒng)存在著許多局限性，難以滿足復(fù)雜的生產(chǎn)需求，本文以鍋爐過程控制系統(tǒng)作為實(shí)例，以對鍋爐的液位和溫度控制為目標(biāo)，從模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)、PID控制算法、上位監(jiān)控和自定義I/O口的模入模出單元這四個(gè)方面展開分析與研究。在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對大滯后性系統(tǒng)的特點(diǎn)，從下述四點(diǎn)解析問題點(diǎn)。第一點(diǎn)是PLC對模擬量的采集和控制輸出通過模擬量輸入輸出模塊實(shí)現(xiàn)。第二點(diǎn)是模糊PID控制編程方法則是先深究模糊控制的原理和模糊PID控制實(shí)現(xiàn)方法，利用MATLAB軟件，建立模糊控制系統(tǒng)，自行研發(fā)出算法程序，優(yōu)化控制精度，提升工件質(zhì)量。第三點(diǎn)是開發(fā)上位機(jī)界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，引入局域網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。第四點(diǎn)是對I/O口進(jìn)行自定義替代A/D、D/A模塊，降低了生產(chǎn)成本，擴(kuò)展了端口。本文的研究為模擬控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的思路，但受限于現(xiàn)有條件，在研究時(shí)，存在著不足之處。若是采用不同的PLC，由于其編程方法和實(shí)現(xiàn)過程不同，在各方面也有不同的特點(diǎn)，會(huì)可能出現(xiàn)大相徑庭地結(jié)論。自定義I/O的模入模出單元性價(jià)比高且便捷，但現(xiàn)場影響因素過多，它的抗干擾性弱。由于實(shí)驗(yàn)裝置年久損耗，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)較為單一，故測量和控制誤差明顯，效果不夠理想。液位和溫度兩個(gè)被控量，它們之間的變化會(huì)互相影響，采用模糊PID控制解決不了這個(gè)問題，進(jìn)而影響控制精度。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了PLC的模擬控制系統(tǒng)預(yù)想控制效果，能有一定的實(shí)用性，PLC在各個(gè)領(lǐng)域中都將發(fā)揮其作用。

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