基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹建軍 李 洋 胡 明 張 建 王紅美

（天津市天波科達(dá)科技有限公司，天津 300072）

1 概述

溫度控制在電子、冶金、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)溫度控制的要求也越來越趨向于智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整控制等方向發(fā)展。

可編程控制器是一種應(yīng)用很廣泛的自動(dòng)控制裝置，PLC不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴(kuò)展輸入輸出模塊，特別是可以擴(kuò)展一些智能控制模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體，實(shí)現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制。具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用，尤其適合溫度控制的要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模型建立

本論文通過德國西門子公司的S7-200系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子溫度的控制。同時(shí)利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設(shè)計(jì)一個(gè)人機(jī)界面（HMI），通過串行口與可編程控制器通信，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便。總體上包括的技術(shù)路線：硬件設(shè)計(jì)、軟件編程、參數(shù)整定等。

控制器的設(shè)計(jì)是基于模型控制設(shè)計(jì)過程中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對(duì)象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能指標(biāo)確定控制器的參數(shù)值。

本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器（電熱偶）將檢測(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)經(jīng)過溫度模塊后，與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法進(jìn)行修正，返回對(duì)應(yīng)工況下的固態(tài)繼電器導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子的溫度控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用PLC CPU226為控制器，K型熱電偶將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過EM231模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子溫度的控制。PLC和HMI相連接，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)硬件框架圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

4 程序設(shè)計(jì)

PLC運(yùn)行時(shí)，通過特殊繼電器SM0.0產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行初始化，將溫度設(shè)定值，PID參數(shù)值等，存入有關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器，使定時(shí)器復(fù)位；按啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始溫度采樣，采樣周期為10秒；K型熱電偶傳感器把所測(cè)量的溫度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)換（0-41毫伏）；模擬量輸入通道AIW0通過讀入0-41毫伏的模擬電壓量送入PLC；經(jīng)過程序計(jì)算后得出實(shí)際測(cè)量的溫度T，將T和溫度設(shè)定值比較，根據(jù)偏差計(jì)算調(diào)整量，發(fā)出調(diào)節(jié)命令?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖3所示。

PLC程序如圖4：

5界面設(shè)計(jì)及運(yùn)行結(jié)果

HMI監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應(yīng)的功能子畫面組成，在本溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。

完成了PLC程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)之后，進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試階段。打開主界面，點(diǎn)擊“開始”按鈕，則開關(guān)變綠色，系統(tǒng)開始運(yùn)行，目前溫度值開始有數(shù)據(jù)顯示，溫度儀表上也顯示了當(dāng)前溫度值，如圖 4（a）所示。其中設(shè)定溫度為100度。

打開主界面，點(diǎn)擊“設(shè)定畫面”按鈕，則切換到設(shè)定畫面。增益Kc、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td、采樣時(shí)間、設(shè)定溫度這幾個(gè)變量的值也顯示在畫面上。如圖4（b）所示。

打開主界面，點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線”和“歷史趨勢(shì)曲線”按鈕，可切換到實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線畫面和歷史趨勢(shì)曲線畫面，如圖5(a)和(b)所示。

圖3 控制程序流程圖

圖4

結(jié)語

在西門子S7-200系列PLC和組態(tài)軟件組態(tài)王的基礎(chǔ)上，我們成功設(shè)計(jì)出了溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)達(dá)到了快、準(zhǔn)、穩(wěn)的效果，也達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。再加上由組態(tài)王設(shè)計(jì)的人機(jī)界面，整個(gè)系統(tǒng)操作簡單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。

圖4 控制系統(tǒng)界面

圖5 溫度控制的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線

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