基于西門子S7-200PLC的溫度控制

孫 靜

(黎明職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程系，福建 泉州 362000)

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中，溫度往往作為一個(gè)非常重要的物理量，需要準(zhǔn)確地加以控制調(diào)節(jié).隨著傳感器技術(shù)和各種控制方法的不斷發(fā)展，人們對(duì)控制的精度和速度也提出越來越高的要求[1].PID調(diào)節(jié)是經(jīng)典控制理論中常見的一種控制方式，對(duì)存在較大慣性環(huán)節(jié)或滯后環(huán)節(jié)的物理量(如溫度)具有較好的調(diào)節(jié)作用.而PID調(diào)節(jié)中至關(guān)重要的就是對(duì)控制器的參數(shù)整定.PID整定方法主要有兩種：一是理論計(jì)算整定法，主要依靠系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制參數(shù)，并通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整；二是工程整定法，依靠經(jīng)驗(yàn)，直接在試驗(yàn)中進(jìn)行整定.本文采用工程整定法，利用西門子S7-200PLC溫度控制模塊詳細(xì)介紹了PID參數(shù)進(jìn)行整定的過程，給出相應(yīng)整定過程曲線，達(dá)到最優(yōu)參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制.并通過WinCC flexible組態(tài)軟件建立友好人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控.

1 控制系統(tǒng)原理

系統(tǒng)采用S7-200PLC作為控制器，主機(jī)模塊選用CPU224XP.CPU224XP本體提供了兩路模擬量輸入端子A+和B+，對(duì)應(yīng)地址通道為AIW0和AIW2.這里采用AIW2作為信號(hào)輸入地址，輸入信號(hào)范圍-10～+10V電壓信號(hào).溫度信號(hào)的檢測(cè)傳感器采用鉑電阻PT100，其測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定可靠，測(cè)量范圍為0～100℃.傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成0～10V的電壓信號(hào)送至CPU224XP，再將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～32000的數(shù)字信號(hào).PLC將當(dāng)前測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較產(chǎn)生一個(gè)比較偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后發(fā)出控制信號(hào)，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，由PLC輸出端Q0.6控制加熱電阻加熱，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，由PLC輸出端Q0.7開啟風(fēng)扇(如圖1)，最終實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制.

圖1 控制原理示意圖

2 PID控制原理

PID控制即比例、積分、微分控制，是一種自動(dòng)控制方法，目的是使被控物理量追隨給定值并快速趨于穩(wěn)定，且能夠自動(dòng)消除各種因素對(duì)控制效果的擾動(dòng)[2].PID控制系統(tǒng)是典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖2所示，其中Sp(t)是設(shè)定值，Pv(t)為過程變量(反饋量)；c(t)為系統(tǒng)的輸出量，PID控制器的輸入輸出關(guān)系如式(1)所示：

圖2 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

(式1)

式1中，u(t)為控制器輸出；uo為回路輸出初始值；e(t)=sp(t)-pv(t)為誤差；Kc為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù).從該式可以看出，控制器的輸出量與比例系數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)成正比例關(guān)系，而與積分時(shí)間常數(shù)成反比例關(guān)系.采用PID調(diào)節(jié)其目的就是調(diào)節(jié)Kc、Ti和Td這三個(gè)參數(shù).比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，增大比例系數(shù)有利于減小靜差，加速系統(tǒng)的響應(yīng)，但比例系數(shù)過大會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生大的超調(diào)，甚至震蕩，使穩(wěn)定性變差.積分調(diào)節(jié)，其控制器輸出與偏差的積分成正比，隨著時(shí)間增大，推動(dòng)控制器輸出變大，使穩(wěn)態(tài)誤差減少，可消除靜差，但是降低了系統(tǒng)響應(yīng)速度.微分調(diào)節(jié)，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系，使系統(tǒng)對(duì)反饋?zhàn)兓厔?shì)預(yù)測(cè)調(diào)整，具有超前調(diào)節(jié)作用.

3 S7-200PLC溫度模塊參數(shù)整定

S7-200CPU提供了8路PID功能，通過PID指令功能塊實(shí)現(xiàn)控制.STEP7-Micro/WIN提供了PID指令向?qū)?，在向?qū)е刑顚憛?shù)，便可自動(dòng)生成PID子程序.這里我們將反饋的過程量輸入到模擬量輸入通道AIW2，加熱電阻由PLC的輸出端子Q0.6控制，風(fēng)扇由輸出端子Q0.7控制，生成的子程序PID0-INIT通過SM0.0調(diào)用，控制程序如圖3所示，其中PID子程序中Seption為設(shè)定值，這里設(shè)定理想溫度為45.0℃，I1.2為手動(dòng)模式控制按鈕，當(dāng)其為ON時(shí)為手動(dòng)模式，這里我們?cè)O(shè)置其為自動(dòng)模式，即通過PID參數(shù)整定進(jìn)行輸出控制.本系統(tǒng)中輸入的過程變量的范圍為0～32000，對(duì)應(yīng)溫度值為0～100℃，要顯示當(dāng)前溫度需將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成溫度值.Scale-I-to-R即是將過程變量(數(shù)字量)轉(zhuǎn)化成溫度值子程序.系統(tǒng)還設(shè)置了上下限報(bào)警，當(dāng)溫度超過55℃時(shí)，Q1.0控制的指示燈亮，低于35℃時(shí)，Q1.1控制的指示燈亮.

圖3 PID控制程序

將程序下載至PLC，并切換到運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)利用STEP7-Micro/WIN4.0提供的PID控制面板對(duì)參數(shù)進(jìn)行自整定[3].在系統(tǒng)自整定之前，先進(jìn)行手動(dòng)整定，當(dāng)參數(shù)接近系統(tǒng)自整定參數(shù)時(shí)再選擇自動(dòng)整定，提高整定的成功率.下面將整定過程介紹如下：

首先整定比例增益，這時(shí)先不設(shè)置積分和微分環(huán)節(jié)，即將積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置為無窮大，微分時(shí)間設(shè)置為0，采用臨界值震蕩法進(jìn)行整定.先給Kc設(shè)定一個(gè)大值，這里設(shè)置20，將這幾個(gè)參數(shù)下載到PLC中，觀測(cè)控制效果圖如圖4，此時(shí)可以看出圖中產(chǎn)生了大的震蕩，且過程量PV迅速增大并超過設(shè)定值Sp，說明比例系數(shù)太大，出現(xiàn)超調(diào).因?yàn)楸壤c輸出成正比關(guān)系，因此需要慢慢減小Kc，當(dāng)Kc值降低到13時(shí)，系統(tǒng)震蕩幾乎消失，如圖5所示，PV趨于穩(wěn)定且接近設(shè)定值，當(dāng)前Kc值即為我們手動(dòng)調(diào)整的比例增益.

圖4 整定Kc=20.0的控制曲線

圖5 整定Kc=13.0的控制曲線

從圖5中看出，Kc調(diào)整后，雖然PV已經(jīng)很接近Sp，但是仍然存在靜差，為消除系統(tǒng)靜差，我們引入積分環(huán)節(jié).調(diào)節(jié)時(shí)依然使用臨界值震蕩法.因?yàn)榉e分時(shí)間常數(shù)與系統(tǒng)輸出成反比例關(guān)系，我們先取一個(gè)較小的積分時(shí)間常數(shù)Ti=0.01，比例系數(shù)保持不變，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)再次出現(xiàn)震蕩，需要慢慢增大積分時(shí)間，當(dāng)增大到Ti=0.03時(shí)，系統(tǒng)震蕩慢慢消除，且過程量PV更趨近甚至基本等于設(shè)定值Sp，如圖6所示，這時(shí)Kc、Ti值即為系統(tǒng)手動(dòng)整定參數(shù)值.

圖6 整定Kc和Ti后的控制曲線

微分環(huán)節(jié)能夠提前預(yù)測(cè)趨勢(shì)變化，實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，適用于像溫度這樣的大慣性對(duì)象.這里在采用PI調(diào)節(jié)后，再引入微分調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度.微分調(diào)節(jié)與上述調(diào)節(jié)方法一樣，先給Td一個(gè)大參數(shù)，使其產(chǎn)生震蕩，然后慢慢減小參數(shù)值，直到震蕩基本消除，取此時(shí)的Td為手動(dòng)整定值，Td=0.02，如圖7所示.

圖7 整定Kc=13.0，Ti=0.03，Td=0.02后的控制曲線

手動(dòng)整定后，選擇自動(dòng)調(diào)節(jié)，這樣系統(tǒng)就根據(jù)我們已經(jīng)整定好的參數(shù)進(jìn)行自整定，以得到PID調(diào)節(jié)的最優(yōu)參數(shù)值.最后將自整定好的參數(shù)下載到PLC中，系統(tǒng)將保留當(dāng)前參數(shù)作為PID調(diào)整的最終參數(shù).

4 組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，使控制系統(tǒng)的界面更加直觀，采用WinCC flexible2007組態(tài)軟件對(duì)畫面進(jìn)行組態(tài)，利用變量編輯器創(chuàng)建PLC連接變量，將畫面中各對(duì)象地址與PLC地址相對(duì)應(yīng)[4].組態(tài)的溫度控制主畫面如圖8所示.畫面中顯示出PID整定的最優(yōu)參數(shù)值，當(dāng)前溫度可以通過棒圖顯示，當(dāng)超過溫度上限或者低于溫度下限時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈進(jìn)行閃爍顯示，點(diǎn)擊風(fēng)扇按鈕啟動(dòng)風(fēng)扇，系統(tǒng)能夠快速調(diào)整并迅速達(dá)到設(shè)定值.

5 結(jié)論

本文利用西門子S7-200PLC，結(jié)合PID溫度控制模塊對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，并使用WinCC flexible2007設(shè)計(jì)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控.調(diào)節(jié)最佳系統(tǒng)參數(shù)后，溫度可以控制在目標(biāo)溫度-0.3℃～+0.3℃范圍內(nèi)，而且加入擾動(dòng)，系統(tǒng)也可以快速接近目標(biāo)值[5].

圖8 溫度控制組態(tài)畫面

參考文獻(xiàn)：

[1]李國(guó)萍.基于PLC的溫度控制系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010(7).

[2]蔡行健，黃文鈺.深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[3]曾喜娟，莊其仁，吳志華.基于S7-200PLC的PID參數(shù)自整定方法[J].控制與檢測(cè)，2010(1).

[4]劉偉，房奎竹，蘭波.基于西門子WinCC flexible和STEP7的虛擬電梯設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2009(13).

[5]俞海珍，張維山，史旭華.基于PLC和WinCC的溫度控制系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009(12).