基于PLC的沸腾干燥机PID温度控制系统研究

(闽西职业技术学院，福建 龙岩 364021)

沸腾干燥机在药品生产领域应用十分广泛.因其温度控制精度决定了药品的质量，所以如何实现温度的精确控制对提高产品质量显得尤为重要.目前，可用于GFG120高效沸腾干燥机温度控制的方法很多，如专用温度控制模块、基于单片机控制及以PLC为核心的温度控制等[1].在产品生产过程中将粉料混合后，用沸腾干燥机进行干燥，干燥设备中通常采用加热管加热(通过有触点的继电接触器控制通电与断开).采用这种控制方式容易造成温度往上漂，易超出药品允许的温度范围，造成药品变质、分解、失效，同时现场噪音较大.

本文根据生产工艺要求，构建了以PLC为核心的GFG120高效沸腾干燥机温度控制系统，主要对由传统继电器组成的控制电路和仪表控制式GFG120高效沸腾干燥机温度控制系统进行了改造，采用PLC内置的PID 算法和伺服控制技术实现了温度的闭环控制.该系统可根据不同温度需要，调整运行状态，达到理想的温度，节能效果好，经济效益明显.

1 温度控制系统硬件设计

CPU224XPCN是西门子公司生产的小型PLC，通过扩展不同的输入输出智能控制模块可以构建不同的控制系统，不仅具有传统继电器控制系统的控制功能，而且融合模拟量输入输出，实现智能控制、闭环控制等多种控制功能.此外，利用S7-200PLC的串行通信功能，将PLC采集的数据传至上位机MCGS触摸屏，同时通过MCGS触摸屏设置控制参数并传给PLC，构成MCGSTPC嵌入式一体化触摸屏，实现上位机人机界面，同时，以PLC为下位机完成过程控制监控系统[2].沸腾干燥机结构图如图1所示.

图1 沸腾干燥机结构图

温度监控系统图如图2所示.PLC温度监控系统由PLC扩展专用热电偶温度模块构成，以CPU224XPCN作为主机，热电偶采集的热风温度数据由扩展智能温度数据采集模块EM231进行处理，然后送至PLC[3]，再通过PLC输出模拟信号给伺服控制器，实现对伺服电机转速的精准控制，提高系统控制的可靠性和精确度.同时在PLC中采用PID算法实现闭环温度控制，以MCGSTPC嵌入式一体化触摸屏作为上位机操作界面.

图2 温度监控系统图

在S7-200PLC的扩展模块中，将热电偶接到EM231的接线端子上，无需任何外部变送器或电路，就能完成数据采集及处理，EM231与PLC接线图如图3所示.通过扁平电缆构成数据通道将热电偶模块接至PLC.将PLC+24 V直流电源的输出端M、L+分别接到热电偶模块的L+、M接线端后，热电偶模块上的DC+24 V指示灯亮.3个未使用的热电偶输入通道必须短接，或者并接到其他通道上，否则模块上的SF指示灯闪烁，模块不能工作[2].PLC输出的控制信号应与外部电路所需要的触发信号相匹配，即高电平“1”为+5 V，低电平“0”为地.

图3 EM231与PLC接线图

西门子CPU224XPCN自身集成2个通信端口(PORT0PORT1)、2个模拟量输入端口和1个模拟量输出端口，支持无协议通信，即用户使用时仅对起始/停止码、传输速率、数据格式等进行设定，就可实现PLC控制器与外部设备间的数据读写.触摸屏是人机对话接口，指令信息可由触摸屏给定并经通信端口传至PLC，经PLC内部处理后输出相应信号，并发送到伺服控制器的信号输入端口.伺服控制器对接收到的控制信号进行内部转换后驱动伺服电机.

2 温度控制系统软件设计

GFG120高效沸腾干燥机温度监控系统是利用热电偶模块采集温度信号，再输出模拟量电压信号，然后经过EM231温度控制模块转换成数字量后送入PLC(将该数字量与原来设定的温度进行比较并计算)，再由PLC转换后输出模拟信号给伺服控制器，完成对伺服电机转速的精准控制，从而控制冷热空气调节阀的冷热进风口，调整沸腾干燥机的温度，以达到设定值.

依据GFG120高效沸腾干燥机控制系统，列出PLC所有输入量和输出量的情况以进行I/O地址分配，I/O地址分配见表1.

表1 沸腾干燥机控制系统I/O地址分配

利用S7-200PLC可编程控制器的专用编程环境进行PLC 程序设计，它支持梯形图、指令表及功能图等编程方式，具有结构化程序设计的优点.这里主要以梯形图的方式进行编制[4]，程序流程如图4所示.

图4 程序流程图

3 PID调节温度控制系统实现

3.1 PID算法

PID 控制器的输出M是时间t的函数，可以看做是比例项、积分项、微分项和常数项4部分之和[4].即：

以上各量都是连续量，第一项为比例项，第二项为微分项，第三项为积分项，第四项为常数项.计算机进行周期性地采样和离散化PID(PID控制参数见表2)运算，算法为：

Mn=Kc·(SPn-PVn)+Kc·(Ts/Ti)·(SPn-PVn)+

MX+Kc·(Td/Ts)·(PVn-1-PVn)

3.2 PID控制系统

本系统主要由S7-200PLC、冷热空气调节阀、热电偶、EM231模块等组成，当温度偏高时，调节冷热空气调节阀，加大冷风量；当温度偏低时，加大热风量.恒温控制系统图如图5所示.

控制过程是将温度设定值直接输入至数字量SPn，来自热电偶测温装置的反馈输入PV(t)经EM231输入模块A/D 转换后,形成PLC内部数字量PVn，数字量SPn和数字量PVn两者经过PLC内部的“减”运算，得到调节器输入误差e(n),再经PLC内部的数字化PID运算，得到调节器数字化输出Mn，该输出作为触发电路和变频器工作的控制量，控制加热炉中的电阻丝和冷热进风口大小，从而达到调节沸腾干燥机内温度的目的.

表2 PID控制参数

图5 恒温控制系统图

3.3 Simulink仿真

为了验证所设计的温度控制系统，首先采用Simulink仿真软件对PID参数进行整定.常用的PID参数整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法、Z-N法等.本文结合控制对象的特点，采用基于稳定性分析的Z-N参数整定法.该方法的基本思想是“先比例，再积分，最后微分”.设定控制温度为100 ℃，对温度控制进行仿真试验，仿真模型、响应曲线分别如图6、图7所示.

由仿真结果可知，系统的响应速度得到了提高，且其超调量和稳态误差较小，跟随性能明显增强，精度较高.

图6 仿真模型

图7 响应曲线图

3.4 人机界面设计

触摸屏的控制由MCGS组态软件来完成，在设备编辑窗口添加驱动、选择PLC地址、添加通道及设置关联变量，把PLC相应的I/O接点、MCGS触摸屏和存储器之间联系起来[5].在PC机上完成所有系统功能设计后，将所设计的组态界面下载到MCGS触摸屏，通过通信电缆将PLC与MCGS触摸屏连接起来，每个按钮都有相应的动画效果.而且现场工作人员可很方便地观察到整个系统的运行状态.温度控制系统主界面和温度实时曲线分别如图8、图9所示.

图8 温度控制系统主界面

图9 温度实时曲线

4 结 语

基于PLC的沸腾干燥机采用PID控制技术、伺服闭环控制技术及人机界面技术，实现了沸腾干燥机中的恒温和自动化控制，避免了温度往上漂，同时减小了现场噪音，便于工艺流程监控和参数设置.(本课题为闽西职业技术学院自然科学与应用技术课题(MYKJ2012002))

参考文献：

[1] 马丽萍.基于PLC 的干燥箱温度控制系统[J].轻工机械，2011(8): 51-53.

[2] 徐国林.PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社，2012：8-12.

[3] 廖常初.S7-200PLC基础教程[M].北京：机械工业出版社，2012：25.

[4] 陈杨，郑才国，严寒冰.基于PLC 的反应釜模糊PID 温度控制系统[J].成都电子机械高等专科学校学报，2008(4)：22-25，68.

[5] 林福.生活用水太阳能供热的PLC控制系统设计[J].闽江学院学报，2011(5)：51-56.