基于S7-1200PLC與單相調(diào)壓模塊的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬志新

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院電氣工程系，甘肅 蘭州 730000）

1.溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念及組成

溫度與我們的日常生活息息相關(guān)，很多設(shè)備都需要控制溫度來(lái)維持正常生產(chǎn)或運(yùn)行。工業(yè)生產(chǎn)的工藝條件要求生產(chǎn)在一定的溫度、壓力、流量等條件下進(jìn)行，有時(shí)需在高溫、高壓、特低溫、真空的條件下，嚴(yán)格按照工藝流程操作使生產(chǎn)正常進(jìn)行。為了保證工業(yè)生產(chǎn)能夠安全、有序、高效地進(jìn)行，也為了減輕操作工作負(fù)擔(dān)，人們?cè)诠I(yè)現(xiàn)場(chǎng)配置了一些專門(mén)的裝置，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，使工業(yè)生產(chǎn)不同程度地自動(dòng)進(jìn)行。采用特定裝置代替人工直接勞動(dòng)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行有效控制的方法稱為工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化。為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，就要構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)。一個(gè)閉環(huán)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)由四個(gè)基本部分組成，即被控對(duì)象、變送器、控制器和執(zhí)行器；引起被控變量偏離給定值的一切干擾作用于被控對(duì)象，首先由測(cè)量與變送元件檢測(cè)出被控變量的變化，并把它轉(zhuǎn)換成與被控變量對(duì)應(yīng)的4-20mA DC電流信號(hào)送給控制器；控制器把測(cè)量值和給定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差按一定的控制規(guī)律運(yùn)算后輸出控制信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照控制器送來(lái)的控制信號(hào)執(zhí)行操作任務(wù)，改變操縱介質(zhì)的能量，使得被控變量溫度C(t)趨近于給定值SP(n)，整個(gè)工作過(guò)程見(jiàn)圖1。

2.基于S7-1200 PLC與單相調(diào)壓模塊的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成方案闡述

2.1 流程及工藝介紹

本案以安裝于蘭州新區(qū)職教園區(qū)的甘肅省公共技能實(shí)訓(xùn)中心，由西門(mén)子自動(dòng)化公司生產(chǎn)的SCE-IAI02工業(yè)自動(dòng)化裝置為例。該自動(dòng)化設(shè)備工藝流程方面主要以水的循環(huán)來(lái)完成物料的傳送，儲(chǔ)水的容器有3個(gè)，第一個(gè)是水槽，第二個(gè)是鐵罐，第三個(gè)是有機(jī)玻璃做成的透明罐，水槽的位置在下方，鐵罐和透明罐的位置在上方，他們之間本來(lái)有落差。這三個(gè)容器通過(guò)PPR管道連接在一起，構(gòu)成水循環(huán)的流動(dòng)的通路，介質(zhì)水通過(guò)水泵從水槽先加壓從鐵罐上方注入，從鐵罐下方利用水的落差自然流向透明罐，在透明罐中建立液位后再流向水槽，構(gòu)成回路。在水槽中安裝有上、下水位檢測(cè)開(kāi)關(guān)，管道上安裝有過(guò)濾器、電磁流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、旁路閥、回流閥。鐵罐中安裝有壓力變送器測(cè)量液位，熱電偶測(cè)量溫度。透明罐中安裝有測(cè)量液位的壓力變送器。通過(guò)這些檢測(cè)儀表的工作，可以測(cè)量四大熱工參數(shù)。通過(guò)配置其它儀表和PLC、變頻器、工控機(jī)、顯示器等設(shè)備，在這套裝置上可以組態(tài)出溫度、壓力、流量、液位的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和化工自動(dòng)化等專業(yè)的有關(guān)課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作。設(shè)備工藝流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)備工藝流程圖

2.2 實(shí)際溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成（被控變量、被控對(duì)象的選擇）

在SCE-IAI02工業(yè)自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)設(shè)備上，鐵罐中有電加熱管，加熱管通電后可以加熱水，通過(guò)PLC控制單相調(diào)壓模塊進(jìn)而控制加熱管的電壓和電流可以控制水的加熱速度進(jìn)而控制鐵罐溫度?？梢赃x擇鐵罐溫度為被控變量，鐵罐為被控對(duì)象，選擇單相調(diào)壓模塊為執(zhí)行器，PLC為控制器，就可以構(gòu)成一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。該自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它可以通過(guò)PLC和單相調(diào)壓模塊的自動(dòng)控制，把鐵罐中水的溫度控制在給定的恒溫值上。

2.3 主要硬件選型，選擇CPU型號(hào)

由于主要設(shè)備PLC、變頻器、工控電腦通過(guò)網(wǎng)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)物理連接，所以一開(kāi)始就要在組態(tài)軟件中進(jìn)行硬件組態(tài)，這套裝置的工控機(jī)中有2個(gè)網(wǎng)卡，通過(guò)設(shè)置PG/PC接口，就可以確定具體的網(wǎng)卡接口是1還是2。先查看工控機(jī)網(wǎng)卡用的是哪一個(gè)，然后設(shè)PG/PC接口，選定一個(gè)網(wǎng)卡為工作網(wǎng)卡。打開(kāi)工控機(jī)TIA PORTAL平臺(tái)，創(chuàng)建新項(xiàng)目改名并保存在預(yù)先新建的文件夾中，在PORTAL軟件中，選擇所用的S7-1200的CPU型號(hào)并確定訂貨號(hào)，此訂貨號(hào)和設(shè)備上面安裝的CPU訂貨號(hào)要保持一致，否則會(huì)報(bào)錯(cuò)，后面的所有工作都進(jìn)行不下去，選好CPU之后，在CPU屬性窗口設(shè)置它的名稱和IP地址，在一些特定場(chǎng)合還可以修改CPU的I/O地址編號(hào)，然后編譯下載至PLC中。在下載時(shí)，還要選擇好所用的網(wǎng)卡。

2.4 ADD擴(kuò)展模塊，并組態(tài)模塊I/O信號(hào)地址、類型和范圍

在設(shè)備完成溫度自動(dòng)控制的過(guò)渡過(guò)程中，CPU處理的是數(shù)字信號(hào)，但檢測(cè)儀表的輸出信號(hào)是模擬信號(hào)，執(zhí)行器的動(dòng)作信號(hào)也是模擬信號(hào)，所以此系統(tǒng)中會(huì)有模擬信號(hào)至數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)至模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，這個(gè)對(duì)向的轉(zhuǎn)換過(guò)程需要AI和AQ模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，AI模塊配合變送器主要完成模擬量采集和A/D轉(zhuǎn)換，AQ模塊主要完成D/A轉(zhuǎn)換工作。在TIA PORTAL 組態(tài)平臺(tái)，對(duì)照硬件設(shè)施的配置增加1個(gè)擴(kuò)展模塊AI/AQ，AI模塊做A/D轉(zhuǎn)換用，AQ模塊做D/A轉(zhuǎn)換用。還需要對(duì)AI/AQ模塊進(jìn)行I/O通道設(shè)置，I/O的起始地址設(shè)為10，4個(gè)模擬量輸入通道IW10、IW12、IW14、IW16信號(hào)類型均為4-20mA電流信號(hào)，2個(gè)模擬量輸出通道之一的QW12信號(hào)類型設(shè)為4-20mA電流，并且用QW12控制單相調(diào)壓模塊，組態(tài)好后，編譯下載至PLC中。

2.5 操作站的組態(tài)和聯(lián)網(wǎng)

這套裝置中由于沒(méi)有配置觸模屏顯示采集到的模擬量和其他一些參數(shù)，因此可以將工控電腦組態(tài)為工程師站，此站點(diǎn)還可以完成操作員站和上位機(jī)的工作。整套設(shè)備采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，對(duì)工程師站的組態(tài)，可以在在TIA PORTAL平臺(tái)的設(shè)備視圖中，點(diǎn)擊增加PC -STATION，設(shè)置IP地址，此IP地址一定要和工控電腦主機(jī)的IP地址一致，因此有必要一開(kāi)始就查看工控機(jī)的IP地址并記錄下來(lái)。PC -STATION和PLC的聯(lián)網(wǎng)，具體可以通過(guò)拖網(wǎng)口的方式完成2臺(tái)設(shè)備的組態(tài)聯(lián)網(wǎng)，這時(shí)的PC-STATION已經(jīng)具備上位機(jī)的功能了，再給上位機(jī)添加新畫(huà)面，在新畫(huà)面增加顯示單元，顯示單元和有關(guān)需要顯示的變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)就可以顯示有關(guān)的模擬量、趨勢(shì)畫(huà)面、總貌畫(huà)面。新畫(huà)面中增加按鈕控制加熱管啟、停。增加文字可以使畫(huà)面更具豐富性。

2.6 ADD變量表并組態(tài)

在整個(gè)組態(tài)和編程調(diào)試過(guò)程中會(huì)用到好多變量，有模擬量采集前后的變量，還有經(jīng)過(guò)換算之后的中間變量，為了同一個(gè)變量在不同場(chǎng)合多次引用，可以在本組態(tài)工作流程中通過(guò)TIA PORTAL平臺(tái)增加一個(gè)變量表，通過(guò)變量表設(shè)置各個(gè)參與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變量的“名稱”“數(shù)據(jù)類型”“地址”，并做到“名稱”“數(shù)據(jù)類型”“地址”的唯一性和對(duì)稱性，比如通過(guò)調(diào)用地址就可以知道此變量的名稱和數(shù)據(jù)類型。此變量表組態(tài)好后自覺(jué)的配合程序，并且和程序中出現(xiàn)的所有變量一一對(duì)應(yīng)，并互為表里。

2.7 主程序編程

主程序主要做模擬量采集和電加熱管啟動(dòng)、停止控制，在樹(shù)目錄下Main主程序界面中，先增加幾個(gè)Real型的臨時(shí)數(shù)據(jù)temp，采集幾個(gè)模擬量就增加幾個(gè)臨時(shí)數(shù)據(jù)temp,溫度等諸多模擬量采集在梯形圖中可以通過(guò)不同的指令實(shí)現(xiàn)，本案中采用除法DIV指令，使儀表的測(cè)量下限、輸出下限4mA和0對(duì)應(yīng)，儀表的測(cè)量上限、輸出上限20mA和27648對(duì)應(yīng)，并有一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系。通過(guò)除法指令完成模擬量采集的換算工作。主程序編寫(xiě)完畢，編譯下載到CPU中。將變頻器設(shè)為手動(dòng)狀態(tài)，給一個(gè)轉(zhuǎn)速值，使水路循環(huán)，給單相調(diào)壓模塊的控制端QW12 MOVE一個(gè)初始值，在鐵罐中水位大于一定值時(shí)加熱管開(kāi)始工作，啟動(dòng)程序監(jiān)視，進(jìn)入在線模式后，在DIV模塊的OUT端會(huì)出現(xiàn)各模擬量的實(shí)時(shí)測(cè)量值。

2.8 在控制系統(tǒng)中加入PID模塊，對(duì)鐵罐溫度進(jìn)行自動(dòng)控制

在項(xiàng)目樹(shù)工藝對(duì)象下，新增PID_Compact模塊，并對(duì)該模塊進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置控制器類型及Input和Output參數(shù)。然后調(diào)用PID_Compact指令。在樹(shù)目錄下添加一個(gè)循環(huán)中斷組織塊，從工藝指令中將PID_Compact背景數(shù)據(jù)塊拖入子程序，設(shè)置Set point的具體溫度數(shù)值，將Input和溫度反饋值關(guān)聯(lián)，將Output per和QW 12關(guān)聯(lián)，模式激活上連一常開(kāi)觸點(diǎn)，模式開(kāi)關(guān)Mode關(guān)聯(lián)一個(gè)中間寄存器。工作時(shí)，PID控制器連續(xù)的采集溫度的實(shí)際值，并與設(shè)定值比較，根據(jù)偏差，PID控制器進(jìn)行運(yùn)算，輸出信號(hào)給單相調(diào)壓器,使單相調(diào)壓器動(dòng)作，輸出電壓和頻率可調(diào)的交流電控制加熱管的功率和加熱速度，進(jìn)而控制鐵罐溫度。

2.9 調(diào)試

程序下載完成后，將變頻器G120的工作狀態(tài)設(shè)為手動(dòng)狀態(tài)，手動(dòng)輸出一個(gè)電壓值，使電機(jī)和泵運(yùn)轉(zhuǎn)。直到水路循環(huán)并且鐵罐的液位超過(guò)下限值后，再設(shè)置循環(huán)中斷子程序處于運(yùn)行狀態(tài)，模式激活方式開(kāi)關(guān)外接的常開(kāi)觸點(diǎn)接通一次，模式開(kāi)關(guān)Mode修改操作數(shù)為3，使PID模塊工作于自動(dòng)狀態(tài)，主程序和子程序同時(shí)工作，這時(shí)整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始工作。通過(guò)程序啟動(dòng)單相調(diào)壓器，使單相調(diào)壓器接收PLC的輸出信號(hào)，完成溫度的調(diào)節(jié)和控制，通過(guò)加熱管的可控的工作，循環(huán)系統(tǒng)中的水溫靠近于Set point值上。以單相調(diào)壓器為執(zhí)行器，PLC為控制器的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)組態(tài)調(diào)試完畢。

3.結(jié)語(yǔ)

此類控制方案由于采用智能變送器、智能控制器和現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)，降低了儀表工的體力勞動(dòng)強(qiáng)度，還提高了被控變量的控制精度。由于以PLC為核心的工業(yè)生產(chǎn)裝置綜合采用控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，配合其他智能設(shè)備可以構(gòu)成各種規(guī)模的集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，使網(wǎng)絡(luò)型工業(yè)控制方案在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域獲得了更多的應(yīng)用，相信在不久的將來(lái)，這一技術(shù)在各種工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域會(huì)遍地開(kāi)花。