基于PLC技術(shù)的電熱毯遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究

陸希望， 王 權(quán)， 冉 旭， 李 陽， 蔣 芹， 丁 偉

（宿州學(xué)院，安徽 宿州 234000）

基于PLC技術(shù)的電熱毯遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究

陸希望， 王 權(quán)， 冉 旭， 李 陽， 蔣 芹， 丁 偉

（宿州學(xué)院，安徽 宿州 234000）

本文主要介紹了基于西門子公司S7-200系列的可編程控制器和亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方案.編程時調(diào)用了編程軟件STEP 7-M icro W IN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡潔，運行速度更為理想.利用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計實現(xiàn)GPRS無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實時采樣與處理.實驗證明，此系統(tǒng)具有快、準(zhǔn)、穩(wěn)等優(yōu)點，在工業(yè)溫度控制領(lǐng)域可以進行廣泛應(yīng)用.

溫度控制；可編程控制器；GPRS無線遠(yuǎn)程通信；組態(tài)王

1 溫度控制系統(tǒng)簡介

1.1 課題的背景和意義

近年來，國內(nèi)外對溫度控制器領(lǐng)域進行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，溫度控制器的研究取得了巨大的進步，形成了一批商品化的溫度調(diào)節(jié)器，如:職能化PID、模糊控制、自適應(yīng)控制等，其性能、控制效果好,可廣泛應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關(guān)設(shè)備的技術(shù)改造服務(wù).

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是最常見的過程參數(shù)之一.在冶金、化工、電力、機械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制.由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點，它對控制調(diào)節(jié)器要求極高.在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為PID控制.

PLC是一種應(yīng)用非常廣泛的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合溫度控制的要求.

基于PLC的溫度控制系統(tǒng)以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、能耗低等優(yōu)點深受許多用戶的青睞，在工業(yè)溫度控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.

1.2 溫度控制系統(tǒng)涉及的內(nèi)容

本課題研究的是PLC技術(shù)在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用，從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設(shè)計、程序設(shè)計，控制對象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定，無線遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計等.

本設(shè)計研究通過PLC控制器，溫度傳感器將檢測到的實際溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制電熱毯加熱的通斷來實現(xiàn)對溫度的控制.同時利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設(shè)計一個GPRS遠(yuǎn)程控制，通過串行口與可編程控制器通信，對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便.總體上的技術(shù)路線包括：硬件設(shè)計，軟件編程，參數(shù)整定等.

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)組成及工作原理

2.1.1 硬件系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由S7-200CPU226型PLC、EM231模擬量擴展模塊、熱電式傳感器、固態(tài)繼電器、發(fā)熱裝置及其他控制設(shè)備組成.系統(tǒng)框架圖如圖1所示.

圖1

2.1.2 硬件系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)選用PLC CPU226為控制器，K型熱電偶將檢測到的實際溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過EM231模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制加熱的通斷來實現(xiàn)對溫度的控制.組態(tài)王和PLC與GPRS無線遠(yuǎn)程通信相連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控.

2.2 S7-200 CPU的選擇

S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型.此系統(tǒng)選用S7-200 CPU226，CPU226集成了24點輸入/16點輸出，共有40個數(shù)字量I/O.可連接7個擴展模塊，最大擴展至248點數(shù)字量或35點模擬量I/O.還有13KB的程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的30KHz高速計數(shù)器，兩路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器.配有2個RS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為38.4 kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng).

2.3 EM231模擬量輸入模塊

在此溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉(zhuǎn)換成0～41mv的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入PLC中進行處理.在這里，我們選用了西門子EM231 4TC模擬量輸入模塊.EM231熱電偶模塊提供一個方便的隔離接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允許連接微小的模擬量信號(±80mV范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器.EM231模塊需要用戶通過DIP開關(guān)進行組態(tài)：SW1～SW3用于選擇熱電偶類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進行斷線檢測，SW 7用于選擇測量單位，SW8用于選擇是否進行冷端補償.本系統(tǒng)選用的是K型熱電偶，所以DIP開關(guān)SW1～SW8組態(tài)為00100000；EM231具體技術(shù)指標(biāo)見表1.EM231校準(zhǔn)和配置位置圖如圖2所示.

表1 EM231技術(shù)指標(biāo)

圖2

2.4 熱電式傳感器的選擇

熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置.在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢和電阻的方法最為普遍.其中最常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化,而熱電阻是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化.這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用.

該系統(tǒng)中需要用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，我們選擇了熱電偶作為傳感器.熱電偶也是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一.國際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有S、B、E、K、R、J、T七種類型.

2.5 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

在此溫度控制系統(tǒng)中，電熱偶將檢測到的溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號經(jīng)過溫度模塊后，與設(shè)定溫度值進行比較，得到偏差，再把此偏差送入PLC控制器按PID算法進行修正，返回對應(yīng)情況下的固態(tài)繼電器導(dǎo)通時間，調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率，從而實現(xiàn)對溫度控制.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，方框圖如圖4所示.

圖4

圖4中，R(s)為設(shè)定溫度的拉氏變換式；E(s)為偏差的拉氏變換式；Gc(s)為控制器的傳遞函數(shù)；Go (s)為廣義對象，即控制閥、對象控制通道、測量變送裝置三個環(huán)節(jié)的合并.

該溫度控制系統(tǒng)是具有時滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為

式1-1中，K0為對象放大系數(shù)；T0為對象時間常數(shù)；τ為對象時滯.

由階躍響應(yīng)法求得，K0=0.5；T0=2.5分鐘；τ=1.2分鐘.

3 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PID調(diào)節(jié)及參數(shù)整定

比例、積分、微分三種控制方式各有獨特的作用.本溫度控制系統(tǒng)將這三種方式組合在一起，即采用比例積分微分（PID）控制,其數(shù)學(xué)表達式為

式1-3中：Kp為比例系數(shù)，T1為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù).

完成了上述內(nèi)容后，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)確定了.在系統(tǒng)投運之前，還需要進行控制器的參數(shù)整定.控制器參數(shù)整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法.

理論計算整定法是在已知被控對象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，通過理論計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來求得最佳的整定參數(shù).由于整定結(jié)果的精度不高，因而未能在工程上得到廣泛推廣.

對于工程整定法，工程技術(shù)人員無需知道對象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計算所需的理論知識，就可以在控制系統(tǒng)中直接進行整定，因而簡單、實用，在實際工程中被廣泛使用.常用的工程整定法有經(jīng)驗整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應(yīng)曲線法、自整定法等.在這里，我們采用經(jīng)驗整定法來整定控制器的參數(shù)值.

經(jīng)驗整定法實質(zhì)上是一種經(jīng)驗湊試法，是工程技術(shù)人員在長期生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的.它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運行，通過觀察人為加入干擾（改變設(shè)定值）后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應(yīng)的控制參數(shù)值，進行反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止.

由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗整定法主要通過調(diào)整比例度δ的大小來滿足質(zhì)量指標(biāo).整定途徑有以下兩條：

（1）先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的比例度δ，將人為加入干擾后的過渡過程調(diào)整為4：1的衰減振蕩過程.然后再加入積分(I)作用，一般先取積分時間T1為衰減振蕩周期的一半左右.由于積分作用將使振蕩加劇，在加入積分作用之前，要先衰減比例作用，通常把比例度增大10%-20%.調(diào)整積分時間的大小，直到出現(xiàn)4：1的衰減振蕩.需要時，最后加入微分（D）作用，即從零開始，逐漸加大微分時間Td，由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可以把積分時間也縮短一些.通過微分時間的湊試，使過渡時間最短，超調(diào)量最小.

（2）先根據(jù)表選取積分時間Ti和Td，通常取Td=(1/3-1/4)Ti，然后對比例度δ進行反復(fù)湊試，直至得到滿意的結(jié)果.如果開始時Ti和Td設(shè)置的不合理，則有可能得不到要求的理想曲線.這時應(yīng)適當(dāng)調(diào)整Ti和Td，再重復(fù)湊試，使曲線最終符合控制要求，采用表2數(shù)據(jù).

通過經(jīng)驗整定法的整定，PID控制器整定參數(shù)值為：比例系數(shù)Kc=120，積分時間Ti=3分鐘，微分時間Td=1分鐘.

表2 控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)

3.2 相關(guān)程序的設(shè)計

3.2.1 設(shè)計思路

PLC運行時，通過特殊繼電器SM0.0產(chǎn)生初始化脈沖進行初始化，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，使定時器復(fù)位；按啟動按鈕，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量的溫度進行標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)換（0-41毫伏）；模擬量輸入通道AIW 0通過讀入0-41毫伏的模擬電壓量送入PLC；經(jīng)過程序計算后得出實際測量的溫度T,將T和溫度設(shè)定值比較，根據(jù)偏差計算調(diào)整量，發(fā)出調(diào)節(jié)命令.

3.2.2 控制程序流程圖

圖5

3.2.3 調(diào)用PID子程序

調(diào)用編程軟件自帶的PID子程序，即利用PID指令向?qū)Ь幊?上面的指令中，PV_I為反饋值，也就是熱電偶將檢測到的當(dāng)前溫度值送入溫度模塊后輸出的模擬電壓值A(chǔ)IW0；Setpoint_R為設(shè)定值.

每個PID回路都有兩個輸入變量，給定值SP和過程變量PV.執(zhí)行PID指令前必須把它們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點型實數(shù).即先把整數(shù)值轉(zhuǎn)換成浮點型實數(shù)值，再把實數(shù)值進行歸一化處理，使其為0.0-1.0之間的實數(shù).歸一化公式為：

式中，R1為標(biāo)準(zhǔn)化的實數(shù)值；R為未標(biāo)準(zhǔn)化的實數(shù)值；M為偏置，單極性為0.0，雙極性為0.5；S為值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32000，雙極性為64000.

在本課題中R=40,即設(shè)定溫度40度；S=32000, M=0.0,所以按照歸一化公式R1=40/32000+0.0= 0.00125，即Setpoint_R為0.00125.

3.3 GPRS無線遠(yuǎn)程通信

采用一種非透傳模式的GPRS遠(yuǎn)程通信方案，以消除透傳模式的各種缺點.用戶無需掌握編程知識，無需搭建中心服務(wù)器，只需簡單配置即可實現(xiàn)GPRS遠(yuǎn)程通信.

設(shè)備端需安裝GRM200G，GRM200G支持西門子PPI、三菱、歐姆龍、ABB和MODUBUS等多種協(xié)議.GRM200G通過RS485接口與多臺PLC相連，周期性采集PLC寄存器值并緩存.

客戶端（監(jiān)控端）安裝GRM OPC Server，任何支持OPC接口的組態(tài)軟件（如WINCC、INTOUCH、組態(tài)王、力控、易控和MCGS等）可以通過GRM OPC Server與GRM200G建立通訊連接，讀寫PLC寄存器.如下圖所示:

4 系統(tǒng)的運行結(jié)果

完成了PLC程序設(shè)計和遠(yuǎn)程控制設(shè)計之后，進入系統(tǒng)運行測試階段.首先在STEP7-Micro/Win編程軟件中將設(shè)計好的程序下載到PLC中，然后打開組態(tài)王，切換到運行模式.

4.1 配置GRM200G

運行GRM200開發(fā)系統(tǒng)GRM Developer，新建工程，如下圖所示.

4.2 溫度趨勢曲線分析

打開組態(tài)軟件點擊“實時趨勢曲線”按鈕，則切換到實時趨勢曲線畫面.畫面中紅色曲線表示設(shè)定溫度，藍色曲線表示當(dāng)前溫度.由實時趨勢曲線圖（圖略）可知，系統(tǒng)運行后當(dāng)前溫度快速上升到15度，然后緩慢上升到40度左右，最后下降到30度左右穩(wěn)定下來.其中，當(dāng)前溫度值最大為40度，穩(wěn)定后在25度到35度之間，與設(shè)定溫度極為接近.可見，該溫控系統(tǒng)超調(diào)量很小.

注：該溫度控制系統(tǒng)也有一些有不足的地方需要改進，編程時我們用了編程軟件自帶的PID指令向?qū)K，這樣雖然方便，但是使得控制系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都稍微偏大，若不直接調(diào)用該模塊，而是自己編寫PID控制子程序的話，控制效果可能會更好.還有GPRS無線遠(yuǎn)程控制內(nèi)容不夠豐富.

〔1〕徐亞飛，劉官敏，高國章[J].溫箱溫度PID與預(yù)測控制.武漢理工大學(xué)學(xué)報 (交通科學(xué)與工程版)，2004.

〔2〕曾貴娥,邱麗,朱學(xué)峰[J].PID控制器參數(shù)整定方法的仿真與實驗研究.石油化工自動化,2005.

〔3〕張偉林.電氣控制與PLC綜合應(yīng)用技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

TP273

A

1673-260X（2014）10-0021-04

安徽省宿州學(xué)院第七屆大學(xué)生科研立項：基于PLC電熱毯遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究（KYLXLKZD13-15）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（201210379037）