一种基于PLC组态的温控器应用研究

王首峰 卢宗远

摘 要：金属冶炼过程中，电弧炉冶炼技术得到了广泛应用，电弧炉利用电极电弧产生的高温进行熔炼。为了更好地控制电弧炉温度，设计了一种基于PLC组态的温控器，其温控系统能够精准地完成目标温度值的控制输出，加热装置可以快速响应PLC指令，有效提升温度曲线的稳定性。

关键词：PLC;电弧炉;温控

中图分类号：TP273;TM924.4    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）10-0062-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.016

0    引言

可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）广泛应用于各个工业领域的控制环节，在温度控制领域更是得到了广泛应用[1-2]。在电弧炉冶炼过程中，需要将炉内温度保持在特定区间[3-6]。工业中传感量测得的温度信号为模拟量，通过A/D转换可以将温度的模拟信号转换为线性输出的数字信号以供PLC处理，PLC也可以将处理好的数字信号再通过D/A转换模块转换为模拟信号输出，从而实现PLC与电弧炉之间的通信。电弧炉的熔炼过程是利用石墨电极与铁液产生电弧所产生的热能来熔化铁料并使铁液过热。铁液熔清后，炉内温度进一步升高，调整化学成分的冶炼操作就是在熔渣覆盖铁液的条件下进行。其炉用变压器可以单独进行电流、电压的调节，通过控制其功率就可以调节炉内温度。使用PLC接收温度信号并对变压器发送指令，即可控制温度。

1    设计方案

1.1    测温装置选型

测量铁水及高温熔融金属的温度时，通常选用快速热电偶，它根据金属的熱电效应可以测得当期铁水的温度。要做到实时检测炉内温度则需要预埋多个热电偶，但炉内长期高温，容易导致热电偶故障。因此，温控器选用红外测温仪对电弧炉的温度进行实时监测，测得的温度信号为模拟量，通过扩展模块EM AM03进行模拟量的输入与输出，可与模拟量电压信号相互转换。

1.2    配置方案

经过对比，温控器使用西门子推出的S7-200 SMART PLC，其本体CPU为ST30，它是西门子公司经过大量调研，为自动化市场量身打造的一款PLC产品。编程软件使用西门子官方提供的STEP7-Micro/WIN SMART，相比较而言，其不论是在界面布局还是基本环境设置上都更加美观、简洁，在保持强大功能的同时，使得初次接触它的使用者可以快速入手。西门子S7-200 SMART PLC如图1所示。

本温控器设计有4种工作状态，分别为加热、停止、过热报警以及正常运行，其中除停止外的3种状态都对应一种颜色的指示灯。启动电弧炉后，加热装置会持续运行，通过红外测温仪对温度进行检测。电弧炉构造原理图如图2所示[3-4]。

随着温度上升，通过EM AM03将其转换为电压信号并输入PLC。PLC在温控过程中调用PID指令，可使电弧炉温度在加热过程中快速上升到接近要求的温度区间，而后又会降低增益防止超调，最后使温度平稳保持在区间内。其控制系统的输入、输出I/O分配表定义如表1所示。

根据设计要求和硬件设备对PLC进行硬件接线，如图3所示。

按照电弧炉的温控要求和串口接线，接线完成后使用计算机编写完整的PID智能温控程序，以实现精准智能的温度控制。设定电弧炉冶炼温度需控制在1 500～1 750 ℃。首先对PID温控系统进行建模，通过PLC梯形图完成PID温控参数主程序，内含Kp、Ki、Kd三个控制参数。PID控制器为PID（s）=Kp+Ki■+Kds，在预热阶段，按照加热速率要求，可以计算得到Kp的大致取值范围，然后根据这个Kp和振荡周期来计算其余两个参数的值。PID参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程，实际调试需要多次尝试。通过多次实验及调试使温度曲线快速上升并保持，最终得到最佳PID控制参数。PLC温控参数梯形图如图4所示，PID子程序的调用如图5所示。

2    测试

将所有程序通过网线用计算机上传至PLC，检查硬件之间接线情况，确保线路正确。确认无误后通电进行测试，PID温控参数主程序运行图如图6所示。

通过多次实验验证可以得出：设计的程序可使温度上升曲线达到最优，温度波动误差始终控制在极小的范围内。

3    结语

本文通过测温装置的选型、配置方案的设定与测试，完成了基于PLC组态的温控器的设计与应用，该温控器不仅能将温度控制在所需范围内，还具有快速升温和稳定控温的优点。此外，其通用性强，通过更改初始数值便可实现其他温度范围的控制。

[参考文献]

[1] 杜静，王娟平，田晓娟，等.基于S7-200的温度控制系统设计[J].机电信息，2019（21）：144-145.

[2] 郭俊，刘畅，姚峰林，等.基于PLC温控系统的PID控制器的实现[J].机械工程与自动化，2005（3）：31-33.

[3] 徐立军.电弧炼钢炉实用工程技术[M].北京：冶金工业出版社，2013.

[4] 王丰华.电弧炉建模研究及其应用[D].上海：上海交通大学，2006.

[5] 范才河.粉末冶金电炉及设计[M].北京：冶金工业出版社，2013.

[6] 李士琦，郁健，李京社.电弧炉炼钢技术进展[J].中国冶金，2010，20（4）：1-7.

收稿日期：2022-03-03

作者简介：王首峰（1979—），男，辽宁人，工程师，主要从事基于PLC控制类设备的现场维护与应用、电气传动自动化类设备的应用分析与研究等工作。