基于PLC的智能溫度控制系統(tǒng)設計

丁艷玲

(南京機電職業(yè)技術學院,江蘇 南京 211135)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展,工業(yè)現(xiàn)場對溫度控制系統(tǒng)的要求不斷提高。智能化、數(shù)字化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是以后的發(fā)展趨勢。智能控制系統(tǒng)技術日益更新,溫濕度測控領域也在快速發(fā)展。在數(shù)字技術的創(chuàng)新引領下,溫濕度系統(tǒng)測控芯片也不斷更新,被廣泛應用于工業(yè)和農業(yè)等領域。

智能溫濕度控制系統(tǒng)以PLC或者單片機為核心,通過現(xiàn)場采集溫度與設定溫度的誤差對比,經過系統(tǒng)誤差校正,啟用相應的制熱或散熱系統(tǒng),進而實現(xiàn)溫濕度的恒定調節(jié),改善工業(yè)現(xiàn)場工作環(huán)境,提高設備使用壽命。

1 系統(tǒng)整體分析

1.1 設計思路

隨著微電子技術的快速發(fā)展,在自動控制理論和方法發(fā)展的引領下,溫度測控領域快速發(fā)展。我國溫度控制系統(tǒng)在數(shù)字化、自適應和參數(shù)自整定等方面已經取得一定成果,根據工業(yè)現(xiàn)場自動控制的需求,設計性能良好的溫度控制器及相關儀器儀表,被廣泛應用于工業(yè)和農業(yè)等領域。

硬件控制系統(tǒng)中,目前溫度控制系統(tǒng)比較成熟產品主要以溫控模塊及傳統(tǒng)PID控制器為主,其適應性有一定局限,較難用于控制存在滯后、比較復雜和時間變化的溫度系統(tǒng)。因此,智能化、數(shù)字化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是今后市場的發(fā)展趨勢。

1.2 技術說明

現(xiàn)代工業(yè)生產要根據市場需求做出快速反應,生產小批量、多規(guī)格、成本低和質量高的產品,為了滿足不同的生產需求,自動化生產線的控制系統(tǒng)要具有相當高的可靠性和靈活性。本文以西門子PLC為核心,通過溫度傳感器進行信號采集,PLC模擬量參數(shù)調整實現(xiàn)生產線鍋爐溫度的自動控制。

為實現(xiàn)智能化控制,溫度實時顯示根據需求調整,本系統(tǒng)開發(fā)的監(jiān)控軟件是性能穩(wěn)定的工業(yè)自動控制系統(tǒng),既可以使用靈活的組態(tài)方式,又具有適應性強、開放性好、界面友好、成本低等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)硬件設計

PLC是控制系統(tǒng)的核心,具有發(fā)送接收指令、數(shù)據存儲和模擬量處理等功能[1]。本設計以西門子PLC控制器為核心,使用西門子CPU226。該PLC使用24 V電源供電,硬件具有24/16數(shù)字量輸入輸出通道,共有40個數(shù)字量輸入輸出通道;該CPU具有26 K存儲空間,6個獨立的可靈活使用的高速計數(shù)器和2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出;CPU還具有PID參數(shù)控制功能,可供使用者靈活應用。

溫度控制系統(tǒng)硬件由溫度傳感器、溫度控制模塊、加熱管、運行指示燈組成。根據PLC主機輸入輸出分配,繪制PLC控制系統(tǒng)外部接線,如圖1所示。

圖1 PLC外部接線

在PLC擴展模塊中,EM235是最常用的模擬量擴展模塊,可以實現(xiàn)4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。模塊采用標準電壓和標準電流信號,變送器與模擬量模塊之間通過三線制接線[2]。通過EM235硬件組態(tài)參數(shù)設置,將變送器主回路交流電流轉換成按線性比例輸出電流信號控制系統(tǒng)的核心,具有發(fā)送接收指令等功能,輸出為直流4～20 mA標準電流信號,根據系統(tǒng)控制要求連接到電腦或外部設備。通過分辨率參數(shù)計算,本設計輸入設置成相同的模擬量輸入范圍和格式。

本設計使用EM235溫度檢測和控制模塊,將檢測到的溫度值進行轉換,轉換模塊將0～10 V模擬信號轉化為占空比,控制加熱系統(tǒng)進行鍋爐加熱。系統(tǒng)輸出的模擬信號也是0～10 V,對應溫度變化為60～100℃。由于加熱需要,鍋爐外接24 V直流電源,根據溫度檢測數(shù)據結果判斷是否啟用加熱電源。輸入輸出地址分配如表1所示。

表1 溫控系統(tǒng)I/O分配

3 系統(tǒng)軟件設計

在PID控制中,P比例控制是一種比較簡單的控制方式。比例控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。其使用特點是具有快速響應,控制及時,缺點是很難消除余差。I是積分控制,該控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。積分控制和比例控制相比優(yōu)點是可以消除余差,缺點是滯后,不能快速對輸入誤差進行有效的抑制。

微分控制優(yōu)于前兩種控制方法,其輸出與輸入誤差信號的變化率成正比關系,在一定程度上減小誤差。微分控制具有超前預判功能,能根據反饋結果預測誤差變化的趨勢。該控制可以避免較大誤差出現(xiàn),但不能消除誤差。綜合上述,在控制系統(tǒng)中控制器要合理使用。

西門子S7-200系列PLC軟件使用的PID回路指令格式。該指令EN端為驅動條件,當EN端口執(zhí)行條件滿足,就可進行PID運算。該指令有兩個操作數(shù)TBL和LOOP。TBL端是回路表的起始數(shù)據地址,本文采用的是VB100。根據指令使用說明,一個PID回路需使用32個字節(jié)空間,地址范圍是VB100～VB131。LOOP端是回路號,本文使用4,可以是0～7,不可以重復使用[4]。

溫度傳感器輸入的電壓信號經過EM235進行數(shù)據轉換后,得到一個整數(shù)值,而PID指令能夠執(zhí)行的數(shù)據必須是實數(shù)型,所以需要在PID指令前把整數(shù)轉化成實數(shù)[3]。使用指令DTR實現(xiàn)轉換功能,對應轉換程序如下:

MOVW AIW0 AC0

DTR AC0 AC0

MOVR AC0 VD100

PID參數(shù)整定方法是確定調節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時間Ti和微分時間Td,改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性,使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質量指標要求[5]。經驗法又叫現(xiàn)場湊試法,它不需要進行事先的計算和實驗,而是根據運行經驗,利用一組經驗參數(shù),根據反應曲線的效果不斷地改變參數(shù),對于溫度控制系統(tǒng),工程上已經有大量的經驗,其規(guī)律如表2所示。

表2 溫度控制器參數(shù)經驗數(shù)據

根據反復的試湊,調處比較好的結果是P=15,I=2.0,D=0.5。

本設計中PID模塊除了采樣時間和PID的3個設定參數(shù)外,其余幾個參數(shù)都要求輸入或輸出值為0.0～1.0。為滿足參數(shù)輸出值范圍,在PID指令使用之前,需要把PV和SP的值作歸一化處理[6]。

智能溫度控制系統(tǒng)中溫度控制子程序,如圖2所示。智能溫度控制系統(tǒng)中模擬量程序處理部分程序,如圖3所示。

圖2 溫度控制子程序

圖3 模擬量信號處理程序

組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件,具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層3個層次結構。其中,監(jiān)控層對下連接控制層,對上連接管理層,它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制,而且可以在系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。系統(tǒng)考慮3方面問題:畫面、數(shù)據、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析,采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。組態(tài)軟件提供了可視化監(jiān)控畫面,有利于實時現(xiàn)場監(jiān)控。

本文研究的溫度控制系統(tǒng)中,PLC變量中內存VD0地址存放當前實際溫度,并規(guī)定105 ℃為溫度上限。當超過上限值時,監(jiān)控系統(tǒng)要作出相應告警信號,操作人員要做出相關的告警處理。

4 結語

本文使用西門子S7-200PLC和組態(tài)軟件組態(tài)王的基礎上設計智能溫度控制系統(tǒng),實現(xiàn)恒溫控制,該系統(tǒng)測量準備、報警快速、性能穩(wěn)定。系統(tǒng)使用組態(tài)王人機界面進行監(jiān)控與報警,系統(tǒng)操作簡便,性能穩(wěn)定,可進一步在原有監(jiān)控界面開發(fā)新功能。編程時使用編程軟件自帶的PID指令向導模塊,這樣雖然方便,但會導致控制系統(tǒng)超調量和調節(jié)時間都稍微偏大,如果編寫PID控制子程序,控制效果可能會更好。

智能溫度控制系統(tǒng)在溫度檢測精度和報警實時性方面還有一定的不足,需進一步優(yōu)化程序、提高系統(tǒng)采集信號的準確性、通信傳輸?shù)膶崟r性,保證系統(tǒng)應用穩(wěn)定性。系統(tǒng)輸出將進一步擴展到多種電壓輸出,應用到不同工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。