一種基于PID電加熱溫度控制實(shí)訓(xùn)裝置的開發(fā)設(shè)計(jì)

路澤永，趙亞麗

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等?？茖W(xué)校工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

在高職高專院校中開展實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)是不斷提高學(xué)生職業(yè)素質(zhì)的有效教學(xué)手段，也完善了人才培養(yǎng)模式。為適應(yīng)新型教育和社會(huì)人才需求，越來(lái)越多的高職院校從理論教學(xué)逐步走向?qū)嵺`教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)已成為高職教育極其重要的環(huán)節(jié)［1］。

PLC是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，要求學(xué)生掌握PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作的基本步驟和開發(fā)方法，培養(yǎng)學(xué)生在電氣自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)崗位中的解決實(shí)際問(wèn)題的能力，突出實(shí)踐性、工程性和應(yīng)用性。在實(shí)施課程過(guò)程中，往往采取“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)模式［2］，學(xué)生可利用計(jì)算機(jī)、PLC設(shè)備、控制對(duì)象進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)。為充實(shí)該實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容，筆者設(shè)計(jì)了一種基于PID溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)裝置。該裝置集PLC編程、自動(dòng)控制理論、PID調(diào)節(jié)思想、自動(dòng)檢測(cè)與調(diào)節(jié)為一體，為提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力提供了良好的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

1 裝置的總體設(shè)計(jì)

該溫度控制裝置采用閉環(huán)控制方案，由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、溫度檢測(cè)與變送通道、電加熱控制通道三部分構(gòu)成。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

電加熱溫度控制裝置的工作原理是:首先溫度傳感器及變送器將被控對(duì)象的溫度轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓變換，將電流信號(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，并通過(guò)PLC的模擬量輸入端將送過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為西門子S7-200PLC可識(shí)別的數(shù)字量。然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來(lái)的溫度值進(jìn)行比較并經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算處理，得到相應(yīng)的輸出量來(lái)控制SSR固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與截止，進(jìn)而使加熱器供電電壓發(fā)生斷續(xù)變化，從而控制被控對(duì)象的溫度高低，完成對(duì)被控對(duì)象溫度的測(cè)量及控制。

2 裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型及配置

2.1.1 PLC 及模塊配置

S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一種小型PLC。S7-200 PLC功能強(qiáng)大，不論是獨(dú)立運(yùn)行，還是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)各種較復(fù)雜的控制功能［3］。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種。其中CUP224它有14輸入/10輸出，I/O共計(jì)24點(diǎn)，它可以有7個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘，內(nèi)置模擬量I/O，具有更強(qiáng)的模擬量處理能力，還具有PID自整定功能，是使用得最多S7-200產(chǎn)品。

本系統(tǒng)所需功能和技術(shù)要求S7-200完全能夠解決，所以從經(jīng)濟(jì)方面考慮選用西門子S7-200PLC系列產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)選用的是CPU224 XP。另外，PLC輸出控制電流變化時(shí)需要頻繁輸出，需采用一數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊EM222。

2.1.2 被控對(duì)象

考慮到設(shè)計(jì)成本，本次加熱裝置選用的被控對(duì)象為經(jīng)過(guò)改造后的家用電加熱水壺。這種家用熱水壺價(jià)格便宜，使用簡(jiǎn)單，且經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改造即可安裝溫度傳感器。在進(jìn)行實(shí)訓(xùn)時(shí)，只需控制電流的通斷即可完成溫度的控制，免去了專門設(shè)計(jì)硬件的麻煩。

同時(shí)，家用電水壺也具有慣性大，滯后大的特點(diǎn)，在實(shí)際控制過(guò)程的過(guò)程中會(huì)比較麻煩，而且該水壺是靠周邊環(huán)境自然降溫，所以降溫過(guò)程比較長(zhǎng)。不過(guò)通過(guò)改良PID調(diào)節(jié)的參數(shù)，能較好的控制水壺的溫度，使得穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差都能達(dá)到任務(wù)的要求，雖然不能達(dá)到很高的控制精度，作為實(shí)訓(xùn)裝置已經(jīng)夠用。

2.1.3 檢測(cè)及變送環(huán)節(jié)

在溫度檢測(cè)中測(cè)量的是水溫，屬于低溫區(qū)，因此可以選取Pt100鉑電阻作為傳感器。鉑電阻傳感器測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，其中Pt100鉑電阻的測(cè)量精度是最高的。

在本裝置中，由于采用CPU 224 XP，其自身帶2路模擬量輸入，1路模擬量輸出，因此不需要其他的擴(kuò)展模塊。在模擬量輸入端，能識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為0～10 V，因此鉑電阻溫度傳感器采集的溫度信號(hào)要經(jīng)過(guò)外圍電路的轉(zhuǎn)換與調(diào)理。本裝置采用的溫度變送器選擇XP系列熱電阻溫度變送器，采用的變換規(guī)格為0～200℃。該變送器接收現(xiàn)場(chǎng)熱電阻的電阻信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成與溫度成線性關(guān)系的4～20 mA電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)串電阻處理后，轉(zhuǎn)換為電壓輸入信號(hào)。

2.2 裝置連接圖

本實(shí)訓(xùn)裝置的硬件連接圖如圖2所示。

溫度傳感器接線:溫度傳感器采用三線制接線的方法。按照產(chǎn)品接線圖，分別將RTD三根線按照溫度變送器的接線要求接到1、2、3號(hào)端子上。

溫度傳變送器接線:由于溫度變送器產(chǎn)生的信號(hào)位4～20 mA的電流信號(hào)，接入S7-200的模擬量輸入端AIW0，接線采用電壓輸入接線方式，即需要串聯(lián)一電阻R，電阻值R=500 Ω。變送器的供電端接入24 V DC電源。

PLC接線:PLC的數(shù)字量輸出I/0端口Q2.0接固態(tài)繼電器輸入端子3;PLC的數(shù)字量輸入端口10.0接PID參數(shù)調(diào)節(jié)方式選擇按鈕SA;PLC模擬量輸入端口AIW0接熱水壺溫度變送器信號(hào)。

3 裝置的軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度控制方案的選擇

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便［4］。

CPU 224 XP自身?yè)碛蠵ID指令模塊，編程時(shí)只需按照PID指令向?qū)гO(shè)置相關(guān)參數(shù)即可，使用方便，而且使用PID控制溫度比使用開關(guān)量控溫方法精度有很大提高，因此本實(shí)訓(xùn)采用PID控溫方法。

3.2 程序設(shè)計(jì)

本程序采用模塊化編程方式，主要包括主程序、工程量變換子程序及PID調(diào)節(jié)子程序三部分。主程序?qū)⑼ㄟ^(guò)AIW0通道采集變送器信號(hào);工程量變換又稱為標(biāo)度變換，模擬量輸入模塊將模擬量0～10 V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～32 000的數(shù)字量信號(hào)傳送給CPU，所以工程量變換子程序的主要任務(wù)是將0～32 000的參數(shù)轉(zhuǎn)換為0～100的實(shí)際溫度參數(shù)，以便于后面計(jì)算和顯示;PID調(diào)節(jié)主要是根據(jù)設(shè)定值及實(shí)際溫度之差控制輸出量的變化。

主程序結(jié)構(gòu)如圖3所示:

3.2.1 工程量變換子程序設(shè)計(jì)

變送器經(jīng)變換電阻輸出給PLC的電壓值為2～10 V，對(duì)應(yīng)于模擬量擴(kuò)展模塊傳送給CPU的數(shù)字量為6 400～32 000，具有20%的偏移量。所代表的是實(shí)際溫度的0～200℃，如果用N表示傳送的數(shù)字量信號(hào)，E表示實(shí)際的溫度值，那么檢測(cè)值與實(shí)際值的關(guān)系如圖4所示。

設(shè)溫度變送器溫度變換的最小值為Emin，最大值Emax;數(shù)字量信號(hào)最大值Nmax，數(shù)字量最小值Nmin，用公式表示，可以表示為(N－Nmin)/(Nmax－Nmin)=(E－Emin)/(Emax－Emin)，得知這個(gè)公式則可進(jìn)行程序編輯，求出實(shí)際溫度的顯示值(程序略)。

3.2.2 PID 調(diào)節(jié)子程序設(shè)計(jì)

S7-200系列PLC提供了PID閉環(huán)控制指令，為了便于使用，還提供了PID指令向?qū)В鐖D5所示。通過(guò)PID指令向?qū)В瑢W(xué)生可以通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)定即可完成PID運(yùn)算。

學(xué)生在整定PID參數(shù)時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)按鈕SA選擇讓PLC自動(dòng)整定，還可以根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)整定。在程序運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)PID調(diào)節(jié)控制面板選擇PID參數(shù)，查看PID調(diào)節(jié)過(guò)程曲線。因此可以增加學(xué)生對(duì)PID控制的感性認(rèn)識(shí)，很好的與前期課程《自動(dòng)控制原理》相結(jié)合。

4 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

本PID溫度控制裝置可以完成以下PLC實(shí)訓(xùn)內(nèi)容:溫度模擬量信號(hào)的采集與處理、PID程序調(diào)節(jié)、子程序編程與調(diào)用、SSR固態(tài)繼電器的控制等。如果計(jì)算機(jī)上安裝了上位監(jiān)控軟件，本裝置還可完成組態(tài)監(jiān)控實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。

本實(shí)訓(xùn)裝置采用了S7-200可編程控制器，很好的實(shí)現(xiàn)了電加熱溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，涉及到的方法簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)便捷有效，精度好，工作可靠，易于拓展。學(xué)生通過(guò)利用集成在PLC內(nèi)部的PID指令設(shè)置PID參數(shù)、觀察調(diào)節(jié)面板可以更好的理解PID控制的作用、實(shí)現(xiàn)方法和過(guò)程，且在實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中取得了良好的效果。該裝置采用實(shí)際的檢測(cè)元件和輸出控制器件，真實(shí)模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，使學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中了解自動(dòng)控制在工程中的應(yīng)用。本裝置可以應(yīng)用于日常實(shí)訓(xùn)教學(xué)、培訓(xùn)及科研等工作領(lǐng)域。

［1］劉瑞.基于PLC的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2009(15):53－55.

［2］龔少軍.“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)模式的研究與實(shí)踐［J］.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，10(2):98－101.

［3］李長(zhǎng)久.PLC原理及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2009.

［4］S7-200PLC可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)［M］.西門子公司，2004.