基于PLC的加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳貴州

（江蘇省宿遷經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，宿遷 223600）

本文的加熱爐主要是基于PLC的控制。傳統(tǒng)的PLC加熱爐的電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù)，由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制，控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的PLC控制技術(shù)所取代。而PLC本身優(yōu)異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變得經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)方便。這種溫度控制系統(tǒng)對改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。

1 加熱爐的概述

隨著生產(chǎn)力的不斷向前發(fā)展，溫度控制精度要求也大大提高，加熱爐的控制技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。本文通過串級系統(tǒng)思想和PLC技術(shù)的應(yīng)用，做好系統(tǒng)軟硬件及上位機(jī)的設(shè)計(jì)調(diào)試等工作，使加熱爐控制系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。主、副控制器均采用PID控制算法，使加熱爐內(nèi)溫度能夠穩(wěn)定在給定的溫度值附近，并且能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)的啟動(dòng)和停止，指示燈的運(yùn)行會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

2 加熱爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

本文設(shè)計(jì)的加熱爐控制系統(tǒng)包括可編程邏輯控制器PLC、兩溫度變送器、模擬量擴(kuò)展模塊、進(jìn)出料量控制閥門、進(jìn)出料通道、啟動(dòng)/停止按鈕和系統(tǒng)運(yùn)行指示燈。

運(yùn)行指示燈可顯示當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；啟動(dòng)按鈕和停止按鈕可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)及停止，啟動(dòng)按鈕按下，開始運(yùn)行的系統(tǒng)程序被點(diǎn)亮；按下停止按鈕，系統(tǒng)停止運(yùn)行，指示燈立即熄滅；檢測爐內(nèi)通道溫度指示燈，電壓的模擬量由溫度值轉(zhuǎn)換而來，及時(shí)發(fā)送給PLC模擬量的擴(kuò)展模塊；PLC對讀取到的溫度數(shù)字量進(jìn)行標(biāo)度變換處理，得到實(shí)際的溫度值；經(jīng)過標(biāo)度變換處理得到的實(shí)際溫度值，與給定的溫度值進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算采用PID控制算法；模擬量擴(kuò)展模塊可以在輸出口對從溫度變送器送來的電壓模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到與溫度對應(yīng)的數(shù)字量，儲(chǔ)存數(shù)字量的地址并且PLC可以讀取；在輸出口地址中PLC計(jì)算之后可以儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)化并輸出給進(jìn)出料的控制閥裝置，并控制閥門裝置的開閉合程度，以實(shí)現(xiàn)對爐內(nèi)溫度的自動(dòng)控制。

2.2 溫度變送器

溫度變送器采用熱電偶、熱電阻作為測溫的元件，送到變送器模塊由測溫元件輸出信號(hào)，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性的校正、V/I轉(zhuǎn)換、恒流和反向保護(hù)等電路處理后，標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)與溫度成線性關(guān)系被轉(zhuǎn)換出來并輸出。把溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的元件稱為溫度傳感器，本設(shè)計(jì)采用的是鉑熱電阻PT100，其是一種熱電阻式溫度傳感器，應(yīng)用極廣，它是把溫度變化換算成電阻變化的一種測溫元器件。

2.3 PLC及模擬量擴(kuò)展模塊

PLC是計(jì)算機(jī)家族中的一員，其是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造出來的，代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制是它主要的作用。

3 加熱爐控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

PLC采用的是S7-200系列CPU224，采用1個(gè)系統(tǒng)指示燈和2個(gè)按鈕來控制，并顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。檢測加熱爐中爐內(nèi)和通道的溫度由溫度變送器來負(fù)責(zé)，1～5V的電壓信號(hào)由此溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化而來，經(jīng)過PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行標(biāo)度變換，變成實(shí)際的溫度值，然后運(yùn)行PID雙閉環(huán)串級算法，根據(jù)PID的輸出值來控制進(jìn)出料量的閥門開度裝置的開閉程度來控制爐內(nèi)的溫度，實(shí)現(xiàn)對爐溫控制調(diào)節(jié)的目的。

3.2 主程序

主程序的主要任務(wù)：手動(dòng)控制完成系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止以及系統(tǒng)運(yùn)行的指示，并實(shí)現(xiàn)對其他子程序有效調(diào)用的任務(wù)。在主程序中沒有用到局部變量，主程序流程如圖1所示。

圖1 主程序流程

3.3 PID子程序

STEP 7-Micro/WIN是S7-200下的編程軟件，其提供PID Wizard，可用來幫助用戶快捷地產(chǎn)生一個(gè)閉環(huán)控制過程PID控制算法。經(jīng)此向?qū)Э赏瓿山^大多數(shù)的PID運(yùn)算自動(dòng)編程工作，調(diào)用PID向?qū)傻淖映绦颍@一工作用戶只需在主程序中進(jìn)行調(diào)用，PID控制任務(wù)便可順利完成。

PID子程序在指令樹中的位置如圖2所示，將PID子程序從指令樹中直接拖放到主程序的相應(yīng)梯級中，并且應(yīng)使子程序EN位由SM0.0無條件使能，否則不能調(diào)用PID子程序，如圖3所示?；芈愤^程的變量值地址用PV位表示，也可以說是采集系統(tǒng)爐內(nèi)和管道內(nèi)部溫度值的數(shù)字量地址?；芈方o定值的地址用SP位表示，即系統(tǒng)想要達(dá)到的溫度值地址。Output位是回路輸出值的地址。

圖2 PID子程序在指令樹中的位置

圖3 調(diào)用PID子程序

4 上位機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試

4.1 上位機(jī)與下位機(jī)的通信連接

雙擊“新建”，在此設(shè)備中，設(shè)備配置向?qū)?huì)顯現(xiàn)。第一步單擊PLC，選擇西門子項(xiàng)目下的S7-200系列，選擇PPI的通信協(xié)議，而后點(diǎn)擊“下一步”。邏輯名稱PLC224的文件被創(chuàng)建，之后點(diǎn)下一步。COM4是本設(shè)計(jì)中所選用的串口，之后點(diǎn)下一步。地址被配置為2:0，其中，2代表了PLC的地址；通信波特率9.6kbps被0表示，在STEP 7-Micro/WIN系統(tǒng)塊里的通信端口中，其具體項(xiàng)目可以找到，包括當(dāng)前波特率he PLC地址。之后點(diǎn)下一步直至完成向?qū)В@樣以來就成功設(shè)置通信連接。其中，配置向?qū)У倪^程如圖4所示。

4.2 組態(tài)王工程的建立和調(diào)試

本設(shè)計(jì)主要是在計(jì)算機(jī)的組態(tài)王軟件上設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，人們需要學(xué)會(huì)利用組態(tài)王軟件，其主要的設(shè)計(jì)過程如下。

4.2.1 創(chuàng)建項(xiàng)目

在組態(tài)王軟件中新建一個(gè)工程項(xiàng)目，將其命名為“PIDXiangDao”。

4.2.2 建立新畫面

打開新建的項(xiàng)目，在其“畫面”中建一個(gè)新的畫面“ShiShiJianKong”，在畫面中將各個(gè)需求的組件添加進(jìn)來，如加熱爐、管道、電泵、進(jìn)出料池、啟停開關(guān)、指示燈、溫度值、實(shí)時(shí)曲線等，圖5是其完成后的畫面。

5 結(jié)論

筆者成功地運(yùn)用西門子公司的S7-200系列PLC和組態(tài)王設(shè)計(jì)了一個(gè)可以開展上位機(jī)監(jiān)控的加熱爐控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用串級PID控制，運(yùn)用粗調(diào)及細(xì)調(diào)得到一個(gè)反應(yīng)比較迅速、控制精度較高的溫度控制系統(tǒng)。組態(tài)王操作方便，有利于人們直觀地觀察溫度變化曲線和控制溫度。本設(shè)計(jì)在理論上能夠滿足實(shí)時(shí)顯示與自動(dòng)控溫的項(xiàng)目需求，所以它可以說是成功的。

圖4 設(shè)備配置向?qū)н^程

圖5 組態(tài)王顯示控制界面

當(dāng)然，本控制系統(tǒng)還有不足的地方：人機(jī)界面內(nèi)容不夠豐富，例如，不能在人機(jī)界面中設(shè)定其PID參數(shù)，沒有報(bào)警與報(bào)表界面等。在未來的研究過程中，人們可以深入分析更加先進(jìn)的控制算法，獨(dú)立使用或者和本此設(shè)計(jì)的PID算法結(jié)合使用，以期達(dá)到更佳的控制效果。