利用PLC 進行PID 退火爐溫度控制

陳蘭蘭 王勤昌

（1.山東三金玻璃機械有限公司，山東淄博255300；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東淄博255087）

0 前言

各種玻璃制品的退火爐和烤花爐是玻璃廠重要的熱工設備，對這些輔助設備的自動控制工作正隨著工藝和設備本身的改進而逐漸展開。

溫度控制是退火爐的重要組成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的范圍內(nèi)，對玻璃瓶罐進行退火或烤花。 現(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)的退火爐還是以傳統(tǒng)的手動控制為主，山東三金玻璃機械股份有限公司近期開發(fā)了利用 PLC 自身的PID 控制模塊和其內(nèi)部PID 控制程序， 對退火爐控制系統(tǒng)進行技術(shù)改造，結(jié)合觸摸屏畫面顯示操作，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動控制。 改造后的控制，在運行和控制方面都更加符合自動化生產(chǎn)的需要，節(jié)約人力，提高了經(jīng)濟效益。

PID 控制系統(tǒng)，使用時只需要設置一些參數(shù)，非常方便，一個模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。

1 控制系統(tǒng)介紹

1.1 工藝概述

根據(jù)退火爐三區(qū)加熱的特點，退火爐自動控制系統(tǒng)由觸摸屏按鈕控制各區(qū)電源，并顯示和調(diào)節(jié)溫度，調(diào)節(jié)輸出功率，加熱器用于爐內(nèi)或制品提供熱量，并且每區(qū)輸出電壓和三相運行電流可通過觸摸屏隨時觀察。升溫過程，根據(jù)升溫曲線，手動升溫，為保證機械結(jié)構(gòu)不受影響，通過調(diào)整各區(qū)電流，緩慢升溫，各區(qū)溫度曲線實時監(jiān)控并能打印輸出。配有遠程監(jiān)控以太網(wǎng)接口和基于TCP/IP 的通訊。

1.2 PID 控制系統(tǒng)分析和調(diào)整

1.2.1 PID 系統(tǒng)概述

PID 控制器是比例-積分-微分控制的簡稱，具有：

（1）不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學模型

（2）有較強的靈活性和適應性

（3）結(jié)構(gòu)典型、程序設計簡單，工程上易于實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點。 積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，比例、積分、微分三者有效的結(jié)合可以滿足不同的控制要求。

1.2.2 PID 控制器的數(shù)字化性能指標

PLC 的PID 控制器的設計是以連續(xù)系統(tǒng)的PID 控制規(guī)律為基礎，將其數(shù)字化寫成離散形式的PID 控制方程，再根據(jù)離散方程進行控制程序設計。

在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1 所示。 圖1 中sp(t)是給定值，pv(t)是反饋量，c(t)是系統(tǒng)的輸出量，PID 控制的輸入輸出關(guān)系式為：

式中：

M(t)——控制器的輸出量，M0為輸出的初始值;

e(t)=sp(t)-pv(t)——誤差信號;

KC比例系數(shù);

TI——積分時間常數(shù);

TD——微分時間常數(shù)。

圖1 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

式(1)的右邊前3項分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差，誤差的積分和微分成正比。 如果取其中的一項或兩項，可以組成P、PD 或 PI 控制器。

假設采樣周期為TS，系統(tǒng)開始運行的時刻為t=0，用矩形積分來近似精確積分，用差分近似精確微分，將公式1 離散化，第n 次采樣時控制器的輸出為：

式中：

en-1——第n-1 次采樣時的誤差值;

KI——積分系數(shù);

KD——微分系數(shù)。

基于PLC 的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2 所示。 圖中的虛線部分在PLC內(nèi)。 其中 spn、pvn、en、Mn 分別為模擬量在 sp(t)、pv(t)、e(t)、M(t)在第 n次采樣時的數(shù)字量。

圖2 PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

在退火爐控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整中，可能只需要P、I、D 中的一種或兩種控制類型。 如可能只要求比例控制或比例與積分控制，通過設置參數(shù)可對回路控制類型進行選擇。

1.3 輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換

PID 控制有兩個輸入量：給定值(sp)和過程變量(pv)。多數(shù)工藝要求給定值是固定的值，如退火爐溫度的給定值。 過程變量是經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換和計算后得到的被控量的實測值，如退火爐溫度的測量值。 給定值與過程變量都是與被控對象有關(guān)的值。 應用 PLC 的PID 指令對這些量進行運算之前，先將其轉(zhuǎn)換成標準化的浮點數(shù)(實數(shù))。

同樣，對于PID 指令的輸出，在將其送給D/A 轉(zhuǎn)化器之前，也需進行轉(zhuǎn)換。

1.4 通訊協(xié)議

TCP/IP 網(wǎng)絡是一種開放式的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使不同硬件環(huán)境，不同網(wǎng)絡協(xié)議的網(wǎng)可以互連，真正達到資源共享，數(shù)據(jù)通信和分布處理的目標。它具有高速、高可靠和高安全性；傳輸速度快，成本低，是連接HMI與 PLC，PLC 與 PLC，PLC 和 I/O 的通用和有效的傳輸媒介。 TCP/IP 協(xié)議適用于所有計算機需求的全球化網(wǎng)絡標準，適用于多種平臺，并能作為HTTP、MODBUS、FTP 和許多其他協(xié)議的載體。

2 軟件設計與控制效果

2.1 系統(tǒng)控制示意圖

圖3 系統(tǒng)控制示意圖

2.2 系統(tǒng)運行效果

由于溫度控制環(huán)境下臺達PLC 的PID 指令提供了自動調(diào)整功能，可不用調(diào)整PID 參數(shù)就能達到理想的溫度控制效果，本例中溫度自動調(diào)整的過程：

1）初步調(diào)整，自動計算最佳PID 溫度控制參數(shù)，其溫度響應曲線如下：

圖4 PID 溫度控制初步調(diào)整曲線圖

2）使用自動調(diào)整好的PID 參數(shù)做溫度控制，其溫度響應曲線如下：

圖5 PID 溫度控制自動調(diào)整曲線效果圖

由上圖可看出經(jīng)過自動調(diào)整后，使用調(diào)整好的參數(shù)進行溫度控制的效果還不錯，而且控制時間大約只使用了20 分鐘。

PID 的取樣時間需與GPWM 的周期設置相同， 但兩個指令的時間單位不同，PID 單位為 10ms，GPWM 單位為 1ms。

現(xiàn)在值（PV）的取樣時間最好是PID 取樣時間2 倍以上，溫度控制時建議為2 秒～6 秒之間。

3 結(jié)語

用PLC 實現(xiàn)退火爐的PID 溫度控制， 很好的完成了各項控制功能，運行穩(wěn)定可靠，人機界面清晰可靠，操作靈活，便于操作人員掌握，因此直接應用PID 指令來實現(xiàn)PLC 的PID 控制， 是一種易于實現(xiàn)且經(jīng)濟實用的方法。

［1］CHUNCHIN.WANG，等.DVP-PLC 101 samples[Z].中達電通股份有限公司.

［2］宋伯生，編.PLC 編程理論·算法及技巧[M].機械工業(yè)出版社，2005，2.