基于MCGS和PLC的炉温控制系统

北方民族大学电器工程学院 张凤雨 虎恩典 王佳梅

引言

温度是工业生产中最常见最基本的工艺参数之一，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛使用的各种加热炉、热处理、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制。至于温度控制系统，过去一般采用温控仪表等仪器来直接控制，自动化程度不高，运行稳定性较差，操作维护不方便，针对这些问题，本文提出以S7-2OO作为主控单元，配合外围电路、执行单元并通过上位机的组态软件进行监控，在控制算法上引入传统的PID控制，取得了良好的控制效果。

1.控制系统设计

系统采用S7-2OOPLC为控制单元（CPU型号为CPU224），经RS232/485串性总线与上位机相连，由于CPU224只有数字量的输入输出接口，而现场温度为模拟信号，因此本系统选取4输入1输出的EM235模拟量扩展模块进行模拟量扩展。执行机构为单向SCR可调压模块和变频器，其中调压模块通过调压加热器以升温，变频器调节水量以降温。上位机通过STEP7-Micro/WIN32编程软件设置通讯参数、编写控制程序并进行编译、调试、下载到PLC中去。此外，工控机还通过MCGS组态软件对控制系统进行了组态，实现实时数据采集、实时数据与历史数据的显示、实时曲线与历史曲线的绘制、实时控制参数的修改等。控制系统结构图如图1所示。

S7-2OOPLC与上位机的通信设置

S7-2OOPLC有很强的通信功能，有多重通信方式可供选择，如单主站方式、多主站方式和远程通讯方式等，基于实际需要及成本的考虑本设计采用单主站方式，PC作为单一主站，S7-2OO作为从站，两者之间通过PC/PPI电缆连接，通过STEP7-Micro/WIN32编程软件设定通信参数，如PLC地址、波特率等，如图2所示。

2.软件设计

2.1 PID控制器的设计

在工业生产中，常常需要闭环控制的方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量。无论是使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用PLC的数字控制系统，PID都得到了广泛的应用，之所以得到广泛的应用是因为它不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和实用性，且具有程序设计简单、工程上易于实现、，参数调整方便等的特点。PID闭环控制系统方框图如图3所示。

图中虚线部分在PLC内。设采样周期为T，PID控制器输出的离散化差分方程为：

图1 为控制系统结构图

式中kp、ki、kd分别是比例、积分、微分系数，en-1是第n-1次采样的误差值。Mn是PID控制器的输出。

2.2 输入、输出信号的数值整定

由于采集的数据都为工程中的实际数据，单位、幅值和范围也不同，必须将其转换成标准形式（O～O.1的无刚量实数），才能被PLC中的PID指令接受执行。

转换的第一步是将给定值或A/D转换后得到整数值由16位转换成浮点数。

转换后的下一步是将实数进一步转换成O.O～1.O之间的标准化实数，锅炉温度测量范围是O～1OO℃，模拟量的标准电信号是AO-Am（4-2OmA），A/D转换后数值为DO-Dm（64OO-32OOO），设RNorm（O.O～1.O）为转化后的标注化数值，其转换公式如下：

图2 通讯参数设置

图4 用户主控制窗口

图3 PID控制系统方框图

表1 数据库组态

表2 PLC开放给组态软件的变量

输出信号的整定是上述公式的逆过程，由于篇幅限制，在此不详述。

2.3 控制算法的实现

S7-2OOPLC有专门的PID指令，编程语言有梯形图和STL语言两种方式（可相互转换）。标准电信号（4～2OmA）由EM235模拟量扩展模块经A/D转换为16位数字量后，首先进行标准化数值转换，然后把数值送入PID指令回路表，经过PID运算后输出，程序分为主程序和中断子程序，主程序启动中断并传送控制参数，子程序进行数值转换并控制输出。其转换其程序如下：

主程序（STL语言）

3.MCGS组态软件的实现

MCGS建立的工程，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。MCGS用主控窗口、设备窗口、用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置不同类型和功能的对象构件，同时可以对实时数据进行可视化处理。

3.1 数据库组态

实时数据库是MCGS系统的核心，是应用系统的数据处理中心。系统每个个部分均以实时数据库为公用区交换数据，实现各个部分协调动作。设备窗口通过设备构件驱动外部设备，将采集的数据送入实时数据，由用户窗口组成的图形对象与实时数据库中的数据对象建立联系，然后以动画的形式实现数据的可视化；运行策略通过策略构件，对数据进行操作和处理；定义数据对象的过程就是构造实时数据库的过程，本系统定义的基本数据变量如表1所示。

3.2 设备窗口组态

设备窗口是MCGS与作为测控对象的外部设备建立联系的后台作业环境，负责驱动外部设备，控制外部设备的工作状态。系统通过设备与数据之间的通道，把外部设备的运行数据采集进来，送入实时数据库，供系统其它部分调用，并且把实时数据库中的数据输出到外部设备，实现对外部设备的操作与控制。进入设备窗口，从设备构件工具箱里选择相应的构件（本设计为S7-2OO），配置到窗口内，建立接口与通道的连接关系，设置相关的属性，即完成了设备窗口的组态工作。本设计PLC开放给组态软件的变量（亦即通道地址值）如下表2所示。

3.3 运行策略组态

运行策略是指对监控系统运行流程进行控制的方法和条件，它能够对系统执行某项操作和实现某种功能进行有条件的约束。运行策略由多个复杂的功能模块组成，称为“策略块”，用来完成对系统运行流程的自由控制，使系统能按照设定的顺序和条件，进行操作实时数据库，控制用户窗口的打开、关闭以及控制设备构件的工作状态等一系列工作，从而实现对系统工作过程的精确控制及有序的调度管理。MCGS运行策略窗口中“启动策略”、“退出策略”、“循环策略”为系统固有的三个策略块，其余的则由用户根据需要自行定义。

3.4 用户窗口组态

MCGS组态软件以窗口为单位来组建应用系统的图形界面，创建用户窗口后，通过放置各种类型的图形对象，定义相应的属性，为用户提供漂亮、生动、具有多种风格和类型的动画画面。本设计的主控制用户窗口如图4所示。图中为主控制系统画面，包括时间、各种参数和实时曲线等。画面的下半部分为子界面的选择，如历史曲线、数据浏览，手动、自动切换按钮等，点击相应的按钮即可进入具体的控制画面，为实施更准确的检测与控制提供了便利，实现了良好的人机对话界面。

结束语

设计的系统具有以下特点：

（1）智能化程度高。采用“上位机+下位机”的控制模式，下位机主要完成数据的采集和控制作用的执行，上位机主要完成组态与监控，工程人员只需在操作站即可完成系统的监控，包括数据参数的设置以及监控画面和图形报表的显示。

（2）可靠性安全性强。根据各层负责人的权限不同，利用软件设置了权限密码，防止第三方修改参数或越权使用。

（3）动态性能好。采用技术成熟的经典控制器作为系统的控制核心，实际运行表明超调量不大，调节时间在允许的范围内，抗干扰性强。

[1]高欣和.PLC应用开发案例精选(第2版)[M].北京:人民邮电出版社,2008:207-210.

[2]MCGS全中文工控组态软件用户指南[M].北京:北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.

[3]易江义,阳春华等.基于MCGS的工业锅炉恒温PID控制系统设计[J].微型计算机信息,2009,25(1):3-4.