基于PLC的智能温度控制系统设计

丁艳玲

(南京机电职业技术学院,江苏 南京 211135)

0 引言

随着现代科学技术的迅猛发展,工业现场对温度控制系统的要求不断提高。智能化、数字化、人性化的温度控制系统是以后的发展趋势。智能控制系统技术日益更新,温湿度测控领域也在快速发展。在数字技术的创新引领下,温湿度系统测控芯片也不断更新,被广泛应用于工业和农业等领域。

智能温湿度控制系统以PLC或者单片机为核心,通过现场采集温度与设定温度的误差对比,经过系统误差校正,启用相应的制热或散热系统,进而实现温湿度的恒定调节,改善工业现场工作环境,提高设备使用寿命。

1 系统整体分析

1.1 设计思路

随着微电子技术的快速发展,在自动控制理论和方法发展的引领下,温度测控领域快速发展。我国温度控制系统在数字化、自适应和参数自整定等方面已经取得一定成果,根据工业现场自动控制的需求,设计性能良好的温度控制器及相关仪器仪表,被广泛应用于工业和农业等领域。

硬件控制系统中,目前温度控制系统比较成熟产品主要以温控模块及传统PID控制器为主,其适应性有一定局限,较难用于控制存在滞后、比较复杂和时间变化的温度系统。因此,智能化、数字化、人性化的温度控制系统是今后市场的发展趋势。

1.2 技术说明

现代工业生产要根据市场需求做出快速反应,生产小批量、多规格、成本低和质量高的产品,为了满足不同的生产需求,自动化生产线的控制系统要具有相当高的可靠性和灵活性。本文以西门子PLC为核心,通过温度传感器进行信号采集,PLC模拟量参数调整实现生产线锅炉温度的自动控制。

为实现智能化控制,温度实时显示根据需求调整,本系统开发的监控软件是性能稳定的工业自动控制系统,既可以使用灵活的组态方式,又具有适应性强、开放性好、界面友好、成本低等优点。

2 系统硬件设计

PLC是控制系统的核心,具有发送接收指令、数据存储和模拟量处理等功能[1]。本设计以西门子PLC控制器为核心,使用西门子CPU226。该PLC使用24 V电源供电,硬件具有24/16数字量输入输出通道,共有40个数字量输入输出通道;该CPU具有26 K存储空间,6个独立的可灵活使用的高速计数器和2路独立的20 kHz高速脉冲输出;CPU还具有PID参数控制功能,可供使用者灵活应用。

温度控制系统硬件由温度传感器、温度控制模块、加热管、运行指示灯组成。根据PLC主机输入输出分配,绘制PLC控制系统外部接线,如图1所示。

图1 PLC外部接线

在PLC扩展模块中,EM235是最常用的模拟量扩展模块,可以实现4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。模块采用标准电压和标准电流信号,变送器与模拟量模块之间通过三线制接线[2]。通过EM235硬件组态参数设置,将变送器主回路交流电流转换成按线性比例输出电流信号控制系统的核心,具有发送接收指令等功能,输出为直流4～20 mA标准电流信号,根据系统控制要求连接到电脑或外部设备。通过分辨率参数计算,本设计输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。

本设计使用EM235温度检测和控制模块,将检测到的温度值进行转换,转换模块将0～10 V模拟信号转化为占空比,控制加热系统进行锅炉加热。系统输出的模拟信号也是0～10 V,对应温度变化为60～100℃。由于加热需要,锅炉外接24 V直流电源,根据温度检测数据结果判断是否启用加热电源。输入输出地址分配如表1所示。

表1 温控系统I/O分配

3 系统软件设计

在PID控制中,P比例控制是一种比较简单的控制方式。比例控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其使用特点是具有快速响应,控制及时,缺点是很难消除余差。I是积分控制,该控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制和比例控制相比优点是可以消除余差,缺点是滞后,不能快速对输入误差进行有效的抑制。

微分控制优于前两种控制方法,其输出与输入误差信号的变化率成正比关系,在一定程度上减小误差。微分控制具有超前预判功能,能根据反馈结果预测误差变化的趋势。该控制可以避免较大误差出现,但不能消除误差。综合上述,在控制系统中控制器要合理使用。

西门子S7-200系列PLC软件使用的PID回路指令格式。该指令EN端为驱动条件,当EN端口执行条件满足,就可进行PID运算。该指令有两个操作数TBL和LOOP。TBL端是回路表的起始数据地址,本文采用的是VB100。根据指令使用说明,一个PID回路需使用32个字节空间,地址范围是VB100～VB131。LOOP端是回路号,本文使用4,可以是0～7,不可以重复使用[4]。

温度传感器输入的电压信号经过EM235进行数据转换后,得到一个整数值,而PID指令能够执行的数据必须是实数型,所以需要在PID指令前把整数转化成实数[3]。使用指令DTR实现转换功能,对应转换程序如下:

MOVW AIW0 AC0

DTR AC0 AC0

MOVR AC0 VD100

PID参数整定方法是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和微分时间Td,改善系统的静态和动态特性,使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求[5]。经验法又叫现场凑试法,它不需要进行事先的计算和实验,而是根据运行经验,利用一组经验参数,根据反应曲线的效果不断地改变参数,对于温度控制系统,工程上已经有大量的经验,其规律如表2所示。

表2 温度控制器参数经验数据

根据反复的试凑,调处比较好的结果是P=15,I=2.0,D=0.5。

本设计中PID模块除了采样时间和PID的3个设定参数外,其余几个参数都要求输入或输出值为0.0～1.0。为满足参数输出值范围,在PID指令使用之前,需要把PV和SP的值作归一化处理[6]。

智能温度控制系统中温度控制子程序,如图2所示。智能温度控制系统中模拟量程序处理部分程序,如图3所示。

图2 温度控制子程序

图3 模拟量信号处理程序

组态王开发监控系统软件,具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层3个层次结构。其中,监控层对下连接控制层,对上连接管理层,它不但实现对现场的实时监测与控制,而且可以在系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。系统考虑3方面问题:画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析,采用组态王对监控系统进行设计。组态软件提供了可视化监控画面,有利于实时现场监控。

本文研究的温度控制系统中,PLC变量中内存VD0地址存放当前实际温度,并规定105 ℃为温度上限。当超过上限值时,监控系统要作出相应告警信号,操作人员要做出相关的告警处理。

4 结语

本文使用西门子S7-200PLC和组态软件组态王的基础上设计智能温度控制系统,实现恒温控制,该系统测量准备、报警快速、性能稳定。系统使用组态王人机界面进行监控与报警,系统操作简便,性能稳定,可进一步在原有监控界面开发新功能。编程时使用编程软件自带的PID指令向导模块,这样虽然方便,但会导致控制系统超调量和调节时间都稍微偏大,如果编写PID控制子程序,控制效果可能会更好。

智能温度控制系统在温度检测精度和报警实时性方面还有一定的不足,需进一步优化程序、提高系统采集信号的准确性、通信传输的实时性,保证系统应用稳定性。系统输出将进一步扩展到多种电压输出,应用到不同工业现场环境。