PLC的PID控制在温度控制系统中的应用

邓国富

(广东先导稀材股份有限公司，广东 清远511517)

1 温度控制系统研究现状

工业自动化生产过程中加热炉的温度控制系统在实际应用中是相当广泛的，而温度参数是工业控制中的被控参数之一，对物料或产品的加热处理，是工业生产当中的一个重要工序，对生产物料或加工产品进行实时的温度控制与调节。传统的加热炉体的温度控制系统，主要通过使用继电器来控制加热，其控制柜的接线比较复杂，而且系统的运行故障率比较高，再加上耗电量也比较大，在现代复杂的工业生产过程，不能采用比较传统的继电器控制方式来控制温度。

经过工业革命的技术发展，可编程控制器PLC可以完美代替继电器来控制工业生产过程中的温度。PLC是一个集成的控制器，它本身就具有自动处理模拟信号、数字信号和工业网络的处理能力，正因为这个优点，PLC在我国的温度控制系统加热生产中得到大幅的应用与实现，所以PLC逐渐能够在过程控制中得到应用。PLC能够应用在远程的控制系统与现地控制系统，同时具有应用面相当广，可靠性也相当高，编程相当简单的特点。PLC具有开关量控制输出也就是具有继电器控制功能的特点，同时具备各种模拟信号的采集，以及各种高功能模块的数据输入与控制，将开关量信号与模拟量信号综合为一体，实现远程控制，开环控制，闭环控制等控制能力，能够适应各种复杂生产工艺与自动化生产线。PLC在配合人机界面的操作界面的应用，在实现工业自动化生产中加热炉的温度控制系统将起到关键的作用，实现与满足加热控制工艺的需要。

2 温度控制系统设计

本文温度控制系统设计的控制参数是温度，温度的采集是有时间滞后的因素。温度会随着炉体的加热随时发生改变，温度变化通过温度传感器接入系统的控制器。本系统设计采用松下品牌PLC来控制系统的加热与温度采集，温度传感器接入到PLC控制器的输入模块，将温度信号转化成电信号，再经过PLC数据信号转化成数字信号，并保持到PLC存储器中，通过软件编程与用户在人机界面上设定的目标温度值进行对比，数字量输出模块按一定方式输出控制量，然后接通固态继电器控制炉体加热器的通断，进而控制炉体的升温加热。系统的人机界面通过其串口可以与松FP2系列进行实时数据通信，能够实时显示加热控制系统的温度数值。本文温度控制系统设计包括以下几个设计步骤：硬件选型设计、软件编程设计、参数整定等。

2.1 硬件选型设计

温度控制系统设计的硬件选型是设计控制系统的关键一步。在设计温度控制之前要根据该系统的受控对象、参数和控制要求，选择合适系统的控制器、控制方式、温度传感器和适合用户的操作界面等等。本系统CPU型号选FP2-C2L作为系统的核心控制器模块，与温度输入模块进行数据交换。温度的实时监控则选用松下的模拟量输入模块FP2-AD8X，温度传感器选择S型热电偶输入可以检测加热炉体1300度以内的温度，热电偶传感器接到模拟量输入模块，模拟量信号转化成数字量信号传输到PLC，经过处理后数据保存到CPU的数据存储器WX通道中。固态继电器选用台湾阳明，型号为SSR-F40LA，温度输入模块采集的温度送到PLC后会与系统设计的目标值进行对比并进行PID调节，PID控制器数字输出转化成占空比输出，实现加热器的加热升温。前面的数字量输出模块可以选用16个开关量输出的FP2-Y16T。温度控制系统中的人机界面选用经济实用的威纶7寸屏TK6070IP，松下PLC控制器与威纶人机界面的通讯方式采用串口无协议通讯自助完成数据交换，松下PLC能够时刻读取的加热炉体的温度数据，威纶人机界面将显示加热炉体的温度数值。本系统的硬件设计架构如图1所示：

图1

2.2 软件编程设计

PLC的软件编程设计，首先PLC上电后应该执行初始化内存寄存器，通过R9013特殊继电器初次上电扫描执行产生初始化脉冲进行程序初始化。实时将温度通道WX的温度值写入到DT寄存器中，同时PID控制指令F355各PID参数设定值指定给DT寄存器，写入相应的寄存器，使程序启动后系统开始对加热炉体进行温度PID采集控制。温度传感器即本系统使用S型热电偶传感器将炉体测量的实际温度经过接入温度模块AD8X单元后产生一个电信号，温度模块经过模拟量输入通道CH0的模数转换后成为对应的数字量，PLC内存会得到实际的温度值为寄存器通道WX除以10的商。这样PLC内部的PID过程控制会自动计算出实际温度值与温度目标值的偏差值在一定周期内输出一定占空比通断固态继电器，接通炉体的加热器，实现PLC系统自动进行内部PID过程控制和自动加热控制温度。

3 PID的参数整定

软件编程中PLC内部的PID参数整定也是温度控制系统的重要内容。PLC的PID参数包括温度过程控制中的比例P参数，积分I时间参数，微分D时间参数的数值。在广泛的PID调节器工程应用中，PID参数整定方法主要有两类，一类是理论计算法，一类是工程整定法。理论计算法当然是通过理论计算得出被控对象的PID参数值，而工程整定法则是通过实际工程控制调节各参数。从而我们就利用了工程整定法进行PID现场自动整定方式，对本加热炉体进行一次PLC内部过程控制的自整定PID参数。

本系统能够通过PLC自身的PID运算指令F355进行完成PID参数自整定控制。这种控制方式是根据加热炉体的实际温度、温度传感器的响应速度及系统的滞后特性等工艺特性曲线，由PLC自动计算出与加热器匹配的调节参数，自动约束加热器的加热功率，进而对加热炉体进行温度工艺调节，并能够在升温过程进行优化。首次使用加热系统前需要对系统进行一次PID参数自整定升温过程，根据此系列的PLC参数设置方法，需要将F355参数控制模式改成H8000自整定控制模式，进行升温控制，达到稳定状态后，完成整个自整定过程后参数会自动反映到PID参数区域，通过修改这三个参数后直接写入到温度控制系统的实际加热中，系统实现在用户设定温度目标值的准确控温。

经过系统进一步的参数测试，温度控制系统的可能会因为加热器或者热电偶的原因会产生系统一定温度波动，这种情况需要更进一步进行参数调整，再对系统重新进行一次PID参数自整定。

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