基于PLC和觸摸屏的干燥窯控制系統(tǒng)＊

季廣港,劉建磊,林 立

（山東交通學(xué)院軌道交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000）

1 引言

回轉(zhuǎn)干燥窯是生產(chǎn)稀土拋光粉的重要設(shè)備，目前國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)都是通過現(xiàn)場的智能儀表實現(xiàn)對回轉(zhuǎn)干燥窯的控制，然而智能儀表在現(xiàn)場占地面積大、價格昂貴、操作復(fù)雜，越來越不能滿足高效率生產(chǎn)的需要。

隨著科技的飛速發(fā)展，越來越多的機(jī)器與現(xiàn)場操作都趨向于使用人機(jī)界面，而PLC控制器強(qiáng)大的功能及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理也要求有一種功能與之相匹配而操作簡單的人機(jī)界面。觸摸屏的出現(xiàn)無疑是21 世紀(jì)自動化領(lǐng)域一個巨大革新[1]。可編程控制器（PLC）和觸摸屏結(jié)合在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中，其穩(wěn)定性及抗干擾性較智能儀表有明顯的優(yōu)勢[2]。所以觸摸屏和PLC結(jié)合使用將會實現(xiàn)一個雙贏的效果。

觸摸屏是一種十分方便的人機(jī)交互方式，其操作速度快、節(jié)約空間，同時能夠減少開關(guān)、儀表等數(shù)量，對于實現(xiàn)PLC應(yīng)用的可視化、靈活化有著重要的意義[3]。

2 系統(tǒng)的組成

采用S7 1200 CPU 1215 DC/DC/DC和西門子觸摸屏組成的系統(tǒng)控制回轉(zhuǎn)干燥窯的溫度和流量。用K 型熱電偶作為溫度傳感器測出干燥窯的溫度信號（熱電偶測出信號為mV 級的電壓信號），然后將這個較小的溫度信號送入溫度變送器將其轉(zhuǎn)換為4-20mA的電流信號；用流量計測出干燥窯的流量信號并將其轉(zhuǎn)換為4-20mA電流信號；將這兩個電流信號分別送入PLC 的模擬量輸入端，經(jīng)過PLC 的處理，PLC 會輸出兩個4-20mA 的電流信號來分別控制燃?xì)忾y門和流量閥門的開度大小，系統(tǒng)通過控制燃?xì)忾y門和流量閥門開度分別控制通入干燥窯中天然氣和相關(guān)介質(zhì)的數(shù)量，從而實現(xiàn)對干燥窯溫度和流量的控制。在控制閥門開度的同時，還要將閥門開度信號送入PLC 模擬量輸入通道，以便檢測燃?xì)忾y門和流量閥門的實際開度。在PLC數(shù)字量輸入端子上要分別設(shè)置變頻器通電、運行、故障指示等端子以及系統(tǒng)啟動模式（手動/自動）的設(shè)置；在PLC數(shù)字量輸出端子上要設(shè)置報警功能?？刂葡到y(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

西門子觸摸屏選用KTP600 Basic 型號，是用于中小型S7-1200 PLC控制器系統(tǒng)的理想HMI組件，可以用于Profibus 或Pronet 環(huán)境的HMI 功能，是一款170 系列界面的低價格替代品，可以提供500個變量的HMI基本功能性（記錄、報警、趨勢曲線）。人性化的交互界面，方便操作人員集中觀察[4]。觸摸屏以其易于操作、堅固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間等優(yōu)點，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。

干燥窯的回轉(zhuǎn)速率由變頻器調(diào)速實現(xiàn)，分為高速、中速和低速三個速率等級，變頻器為三菱FR-E740型變頻器，方向設(shè)置為正轉(zhuǎn)（STF），通過變頻器上的頻率設(shè)定端子4（電流）設(shè)定變頻器運行頻率，通過變頻器端子5（電壓）輸出變頻器檢測頻率，同時將檢測頻率送入PLC對其進(jìn)行檢測。

在配電室離現(xiàn)場操作設(shè)備比較近的情況下（大約100米的距離），通過網(wǎng)線建立PLC 和觸摸屏的通信，由于企業(yè)中PLC大多放置在配電室中，在現(xiàn)場是通過觸摸屏實現(xiàn)對設(shè)備的控制。觸摸屏用來顯示設(shè)備的運行狀態(tài)、設(shè)定工作參數(shù)、提供設(shè)備的運行方案切換信號和手動操作信號[7]。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本次設(shè)計的控制系統(tǒng)選用可編程控制器S7 1200 CPU 1215 DC/DC/DC作為控制器，S7 1200系列的PLC是介于西門子S7 200和S7 300系列之間的獨具一定特色的緊湊型PLC，其主要面向簡單而精度比較高的自動化任務(wù)。由于需要對干燥窯溫度信號和流量信號進(jìn)行采集、檢測及控制，所以要求有模擬量/數(shù)字量的輸入/輸出通道。S7 1200的CPU模塊選擇為1215DC/DC/DC，這個模塊有2 路模擬量輸入通道，14個數(shù)字量輸入點和10個數(shù)字量輸出點，其中2路模擬量輸入通道可接收信號類型為電壓/電流可選型，用于輸入變頻器的頻率設(shè)定和頻率檢測信號；數(shù)字量輸入/輸出點主要用于模式切換、報警功能以及變頻器的通電、運行、故障的顯示設(shè)置。擴(kuò)展模塊為SM1234，具有4 路模擬量輸入通道和2 路模擬量輸出通道，其輸入/輸出通道均可接收信號類型為電壓電流（差動）可選型，電流信號接收范圍為0-20mA，可以滿足工藝要求。其中4 路模擬量輸入通道可以接收4-20mA 電流信號用于采集溫度信號和流量信號以及對燃?xì)忾y門和流量閥門開度信號的檢測，2路模擬量輸出通道可以輸出4-20mA 電流信號用于控制燃?xì)忾y門和流量閥門的開度。

由于系統(tǒng)中的CPU 1215 DC/DC/DC、觸摸屏、流量計等都需要24V 直流電源對其進(jìn)行供電，然而電源電壓為220V 交流電，所以需要一個220/24V 的電壓控制器經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等過程將220V 的交流電源轉(zhuǎn)換為24V的直流電源。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 PLC程序設(shè)計

PLC軟件程序設(shè)計是在西門子博途組態(tài)軟件中完成的，TIA 博途是西門子工業(yè)自動化集團(tuán)發(fā)布的一款全新的全集成自動化軟件，它是業(yè)內(nèi)首個采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境的自動化軟件，幾乎適用于所有的自動化任務(wù)，與傳統(tǒng)的方法相比無需花費大量的實間集成各個軟件包，同時也顯著降低了成本[8-9]。PLC 軟件程序采用功能模塊化設(shè)計，以溫度模塊控制為例，首先在在循環(huán)中斷塊中調(diào)用PID自動調(diào)節(jié)模塊，對PID自動調(diào)節(jié)模塊的變量類型、輸入/輸出通道地址及初始溫度值進(jìn)行設(shè)置。PLC程序如圖2所示。

圖2 PLC梯形圖

在博途軟件中建立好程序功能塊以后，要對PLC和PC機(jī)的IP 地址進(jìn)行一定的設(shè)置，使PLC 和PC 機(jī)的IP 地址要處于同一網(wǎng)段中，子網(wǎng)掩碼相同，例如PC 機(jī)的IP 地址為192．168．10．7，子網(wǎng)掩碼為255．255．255．0，那么PLC 的IP地址應(yīng)該為192．168．10．X(X 為除了7 之外的另一個數(shù)字，保證PLC 與PC 機(jī)的IP 地址處于同一網(wǎng)段中)，子網(wǎng)掩碼為255．255．255．0。設(shè)置完成后將程序功能塊在線下載到S7 1200 PLC中，給被控制設(shè)備一個溫度設(shè)定值，這時PID溫度自動調(diào)節(jié)模塊就開始自動進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)。整個調(diào)節(jié)過程分為預(yù)調(diào)節(jié)和精確調(diào)節(jié)，經(jīng)過精確調(diào)節(jié)過程以后，系統(tǒng)溫度的超調(diào)量很小，調(diào)節(jié)效果良好。

4.2 不同設(shè)定溫度下的PID參數(shù)

PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例(P)、積分（I）、微分（D）計算出控制量進(jìn)行控制的[10-11]。比例（P）控制是一種比較簡單的控制方式，其控制效果就是輸出與輸入的誤差信號成比例關(guān)系，同時還會使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分（I）控制中，輸出與輸入的誤差信號的積分成正比關(guān)系，同時積分作用還會使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，因此對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)引入積分作用是十分必要的。在微分（D）控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（誤差的變化率）成正比關(guān)系[12]，微分作用可以有效的改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。模擬PID控制器的原理圖如圖3所示，其中r（t）為系統(tǒng)的溫度給定值，c（t）為系統(tǒng)溫度的實際輸出值，u（t）為控制量（溫度）。

圖3 模擬PID控制結(jié)構(gòu)圖

在實驗室進(jìn)行整個設(shè)計過程的模擬實驗，用電阻式加熱爐（溫度可以加熱到2800攝氏度以下）代替現(xiàn)場的回轉(zhuǎn)干燥窯設(shè)備，將電阻式加熱爐分別加熱到200、400、600 攝氏度，觀測不同溫度下的PID參數(shù)值，其PID參數(shù)值如表1所示。

表1 PID參數(shù)表

由表1可以看出系統(tǒng)在不同設(shè)定溫度下，各設(shè)定溫度的PID 調(diào)節(jié)參數(shù)趨于穩(wěn)定，上下波動幅度很小，且博途軟件中的溫度調(diào)節(jié)曲線比較平穩(wěn)，經(jīng)過精確調(diào)節(jié)，最終系統(tǒng)超調(diào)量大概在0．1左右變化，系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定，調(diào)節(jié)效果良好。

4.3 博途中遇到的問題及解決方法

①選用PLC的CPU時要選用V4．0以上的版本，V4．0以下的版本不能進(jìn)行下載操作。

②博途軟件不支持S7-1200 系列PID 模塊的在線仿真，僅支持S7-300以上系列PID模塊的在線仿真。

③在CPU選型過程中一定要查看所選CPU的模擬量輸入/輸出通道分別支持什么信號以及信號的范圍值。

④PLC 在于其他設(shè)備進(jìn)行以太網(wǎng)通訊時，應(yīng)保證通訊伙伴的設(shè)備的IP地址在同一網(wǎng)段，子網(wǎng)掩碼相同。

5 結(jié)束語

PLC 和觸摸屏組成的干燥窯控制系統(tǒng)將具有強(qiáng)大控制功能的PLC和具有友好人機(jī)交互界面的觸摸屏進(jìn)行了結(jié)合使用，大大減少了開關(guān)數(shù)量及復(fù)雜的電氣接線，提高了系統(tǒng)的安全可靠性，投入生產(chǎn)后即可以降低操作人員的勞動強(qiáng)度、改善工作環(huán)境，又在一定程度上提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。本文研究了PLC 和觸摸屏組成的干燥窯控制系統(tǒng)，旨在通過PLC和觸摸屏的組合控制來促進(jìn)工控領(lǐng)域的發(fā)展。