S7-200 PLC在換熱器傳熱性能測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐磊 陳緒兵 唐柳華

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）（武漢過(guò)控科技有限公司)

S7-200 PLC在換熱器傳熱性能測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐磊*陳緒兵 唐柳華

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）（武漢過(guò)控科技有限公司)

研究了可編程控制器 (PLC)在換熱器性能測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用。在測(cè)試系統(tǒng)中，PLC用于對(duì)加熱系統(tǒng)出口溫度的比例-積分-微分（PID）控制，并通過(guò)觸摸屏設(shè)置加熱系統(tǒng)出口溫度和顯示現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力以及流量等參數(shù)，使換熱器傳熱性能測(cè)試具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

可編程控制器 換熱器 傳熱性能 測(cè)試系統(tǒng) PID控制 溫度

0 序言

換熱器作為一種應(yīng)用非常廣泛的通用設(shè)備，其強(qiáng)化傳熱技術(shù)一直是節(jié)能新技術(shù)的重要課題[1]。隨著換熱器技術(shù)研究工作的進(jìn)展，測(cè)試技術(shù)作為其中的重要研究手段之一，也得到了相應(yīng)的發(fā)展。直接計(jì)量?jī)x表簡(jiǎn)便可靠，至今被大量應(yīng)用。由于研究課題向縱深發(fā)展和新興科技成果的擴(kuò)大應(yīng)用，各種新型非接觸式測(cè)量技術(shù)和儀表也逐漸得到了發(fā)展。測(cè)試技術(shù)朝著高精度、高靈敏度和自動(dòng)化的方向發(fā)展，同時(shí)還擔(dān)負(fù)著適應(yīng)特殊場(chǎng)合的測(cè)試任務(wù)[2]。

可編程控制器（PLC）是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工控機(jī)，不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種閉環(huán)控制功能。用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)控制，將會(huì)更加方便可靠[3]。S7-200 PLC采用整體式結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、拓展性良好、指令功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，已成為小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)理想的選擇。本文將西門子S7-200 PLC作為控制計(jì)算機(jī)，用于換熱器傳熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該P(yáng)LC穩(wěn)定可靠、功能強(qiáng)大，大大提高了自動(dòng)化程度。同時(shí)，其MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)并且及時(shí)作出反饋顯示，能讓其操作人員快速準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)信息。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 測(cè)試系統(tǒng)流程

換熱器傳熱性能測(cè)試系統(tǒng)流程如圖1所示。該測(cè)試系統(tǒng)主要包括換熱系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及測(cè)試儀表等。實(shí)驗(yàn)時(shí)冷水、熱水循環(huán)使用。熱水通過(guò)電加熱器加熱，由熱水泵輸送到換熱器管程；冷卻水經(jīng)涼水塔冷卻后由冷水泵輸送到換熱器殼程。冷、熱水泵均采用變頻器控制，其流量穩(wěn)定。熱水的加熱量通過(guò)可控硅控制電加熱器的加熱功率來(lái)實(shí)現(xiàn)；涼水塔的冷卻量通過(guò)改變冷卻水的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。在熱水循環(huán)管路和冷水循環(huán)管路各設(shè)置一個(gè)流量計(jì)F，在換熱器的管程、殼程進(jìn)出口各設(shè)置一個(gè)溫度傳感器T和一個(gè)壓力傳感器P，用于換熱器的傳熱性能測(cè)試。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)流程

1.2 控制目標(biāo)設(shè)計(jì)

采用S7-200 PLC可控硅控制電加熱器，使加熱系統(tǒng)出口溫度維持基本恒定。采集換熱器管程和殼程流體進(jìn)出口溫度、壓力以及冷熱水流量，并將其顯示在觸摸屏上。由觸摸屏設(shè)定加熱系統(tǒng)出口溫度控制目標(biāo)值。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由控制目標(biāo)設(shè)計(jì)可知，需要11個(gè)模擬量輸入端子、1個(gè)模擬量輸出端子，因此PLC選擇型號(hào)為CPU224XP，接入拓展模擬量輸入、輸出模塊EM231和EM232。

溫度變送器選擇型號(hào)為PT100 WZP-231，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)。

壓力變送器選擇型號(hào)為YB-131，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)。

流量計(jì)選擇型號(hào)為KXLWGY脈沖型渦輪流量計(jì)，將流量信號(hào)轉(zhuǎn)化成4～20 mA電流信號(hào)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

觸摸屏選擇型號(hào)為昆侖通態(tài)TPC1061Ti，通過(guò)RS-485接口與PLC連接，用于采集并顯示各個(gè)進(jìn)出口的溫度、壓力以及冷熱水的流量，同時(shí)由觸摸屏設(shè)定加熱系統(tǒng)出口溫度控制目標(biāo)值。設(shè)計(jì)的人機(jī)界面如圖3所示。

圖3 人機(jī)界面

換熱器傳熱性能測(cè)試系統(tǒng)采用典型的兩級(jí)監(jiān)控方式。下位機(jī)由西門子S7-200 PLC構(gòu)成，為基礎(chǔ)測(cè)控級(jí)，負(fù)責(zé)測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集及溫度控制等；上位機(jī)作為主要的人機(jī)界面，為測(cè)試管理級(jí)，通過(guò)MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)完成對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)顯示等。軟件系統(tǒng)包括下位機(jī)PLC控制軟件STEP7 V4.0和上位機(jī)人機(jī)界面軟件MCGS V7.6，其中STEP7 V4．0完成系統(tǒng)組態(tài)以及匯編程序，實(shí)現(xiàn)熱水加熱系統(tǒng)出口溫度的PID控制。MCGS V7.6用于調(diào)節(jié)并監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)各參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。換熱器傳熱性能測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。

2 模擬量PID控制算法實(shí)現(xiàn)

在工程實(shí)踐中，調(diào)節(jié)器控制規(guī)律中應(yīng)用最為廣泛的是比例、積分、微分（PID）控制，被稱為PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。由于PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明易懂、穩(wěn)定性好、可靠性高、調(diào)整方便，因此已成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)不能完全掌握被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí)，或者得不到精確數(shù)學(xué)模型時(shí)，其他的控制理論技術(shù)難以被采用，必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，此時(shí)選擇PID控制技術(shù)最為方便。PID控制器根據(jù)系統(tǒng)的誤差，通過(guò)PID計(jì)算來(lái)進(jìn)行控制。

圖4 換熱器傳熱性能測(cè)試系統(tǒng)

PID運(yùn)算由比例運(yùn)算（P）、積分運(yùn)算（I）和微分運(yùn)算（D）組成。P運(yùn)算是按比例將偏差信號(hào)e（t）進(jìn)行放大，以此提高控制的靈敏度；I運(yùn)算是進(jìn)行偏差信號(hào)的積分運(yùn)算，其優(yōu)點(diǎn)是可消除P運(yùn)算比例引起的誤差，同時(shí)使控制精度提高，缺點(diǎn)是控制具有滯后性；D運(yùn)算是進(jìn)行偏差信號(hào)的微分運(yùn)算，使得控制具備預(yù)測(cè)性和超前性。PID運(yùn)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，u（t）是調(diào)節(jié)器輸出，Kp、 Ki=Kp/Ti、 Kd=KpTd分別是PID控制器的比例、積分和微分增益。

增大比例增益Kp，可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，穩(wěn)態(tài)誤差減小，但Kp過(guò)大時(shí)，容易產(chǎn)生超調(diào)，會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分增益Ki能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，Ki越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除也越快，但Ki過(guò)大時(shí)，容易產(chǎn)生較大超調(diào)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。微分增益Kd只對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程有影響，主要作用是抑制響應(yīng)過(guò)程中偏差的變化，能提高系統(tǒng)的阻尼程度，減小響應(yīng)過(guò)程的超調(diào)。但Kd過(guò)大會(huì)使響應(yīng)過(guò)分提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，降低系統(tǒng)的抗干擾性能。

PLC控制加熱系統(tǒng)出口溫度的基本原理：根據(jù)觸摸屏輸入的目標(biāo)控制溫度和實(shí)際測(cè)得的溫度進(jìn)行比較計(jì)算后得到一個(gè)控制量，由此來(lái)進(jìn)行輸出調(diào)節(jié)。PLC中PID控制器的設(shè)計(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)的，先將其數(shù)字化并寫成離散形式的PID控制方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)[4]。基于PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖5所示，圖中虛線框部分在PLC內(nèi)。

圖5 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖5中，t0為設(shè)定的目標(biāo)溫度轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)值，T為實(shí)際測(cè)得的溫度，t為實(shí)際測(cè)得的溫度轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)值，en為偏差。

部分PID控制程序如圖6所示。網(wǎng)絡(luò)1用于將模擬量輸入單元AIW0中的16位整數(shù)值轉(zhuǎn)換成32位實(shí)數(shù)（浮點(diǎn)數(shù)），再將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成0.0～1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值存入VD100單元，AIW0單元中的整數(shù)值由溫度傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換而來(lái)。網(wǎng)絡(luò)2用于啟動(dòng)PID運(yùn)算，運(yùn)算輸出值存入VD108單元。網(wǎng)絡(luò)3用于將VD108中的標(biāo)準(zhǔn)化輸出值（0.0～1.0）按比例轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù)值（0～32 000），再存入模擬量輸出單元AQW0，AQW0單元中的整數(shù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，控制可控硅交流調(diào)壓器的輸出電壓，進(jìn)而控

圖6 部分PID控制程序梯形圖

制電加熱器的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。

可控硅交流調(diào)壓器由可控整流電路和觸發(fā)電路兩部分組成。PLC將溫度設(shè)定值和加熱系統(tǒng)出口測(cè)定反饋值進(jìn)行比較并進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出4～20 mA電流，改變可控硅調(diào)壓器觸發(fā)電路的觸發(fā)角，達(dá)到調(diào)整可控硅輸出電壓的目的，以此來(lái)增加或減少電加熱器的功率進(jìn)行恒溫控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文將西門子S7-200 PLC應(yīng)用于換熱器傳熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)踐證明，PLC的應(yīng)用使該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，同時(shí)比常規(guī)的儀表讀數(shù)具有更高的可靠性，測(cè)試的結(jié)果更加精確。

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Application of S7-200 and PLC in Heat Transfer Performance Test System

Xu LeiChen Xubing Tang Liuhua

The application of programmable logic controller (PLC)in the performance test system of heat exchangers is studied.In the test system,the PLC is used to control the outlet temperature of the heating system by PID.The temperature of the heating system and the temperature,pressure and flow of the display site are set by the touch screen,so that the heat transfer performance of the heat exchanger is tested with good stability and repeatability.

PLC;Heat exchanger;Heat transfer performance;Test system;PID control;Temperature

TM 571

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.004

2016-10-10）

*徐磊，男，1992年生，碩士研究生。武漢市，430205。