基于PLC和PID的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張秀珍

（福建工程學(xué)院電子信息與電氣工程系，福建福州350108）

基于PLC和PID的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張秀珍

（福建工程學(xué)院電子信息與電氣工程系，福建福州350108）

本文分別以PID和可編程控制器(PLC)作為控制方法和實(shí)現(xiàn)工具，對(duì)爐溫控制系統(tǒng)的硬件、軟件組成和運(yùn)行流程進(jìn)行了完整的分析設(shè)計(jì).通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試表明：該系統(tǒng)不僅能較好地完成爐溫控制系統(tǒng)中重要參數(shù)的實(shí)時(shí)控制，而且具有顯示直觀、反應(yīng)速度快和性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

PLC；爐溫控制系統(tǒng)；PID控制；頻率轉(zhuǎn)換

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥、科研等方面，恒溫箱的應(yīng)用極為廣泛.精確、快速的控制溫度是很多對(duì)溫度有著苛刻要求生產(chǎn)場(chǎng)合的必要條件.隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，恒溫箱系統(tǒng)從早期的手動(dòng)加熱、測(cè)量發(fā)展到現(xiàn)在的單片機(jī)控制和智能控制.本文采用PLC控制變頻器組成的恒溫系統(tǒng)，成本低廉，控制精度高并能合理利用能源.特別適合那些高能耗和低產(chǎn)出的繼電器溫度控制系統(tǒng)的PLC改造，可以達(dá)到節(jié)能減排的目的.

2 爐溫控制系統(tǒng)硬件選擇和設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由三臺(tái)電機(jī)和一個(gè)加熱爐組成，從加熱爐取得爐內(nèi)溫度和壓力信號(hào)用于執(zhí)行PID控制.引風(fēng)機(jī)為送入燃料燃燒所需空氣，鼓風(fēng)機(jī)吹入燃料（煤粉），調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的功率比——風(fēng)煤比，其比值直接決定了煤粉的燃燒完全程度，也決定了能源的利用效率.排風(fēng)機(jī)要將二氧化碳等氣體排出并讓爐內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象以保證爐內(nèi)燃燒的速度和引風(fēng)機(jī)的工作效率.觸摸屏通過(guò)FBs-232P0-9F實(shí)現(xiàn)與主機(jī)通信，用于接收用戶(hù)的控制信息，如修改參數(shù)，啟動(dòng)停止等，并將信號(hào)送至PLC內(nèi)部，達(dá)到控制目的.系統(tǒng)控制原理圖如圖1所示.

2.1 系統(tǒng)核心硬件選擇

恒溫箱的核心是控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)能否發(fā)出快速、準(zhǔn)確的控制信號(hào)直接決定了試驗(yàn)箱的升溫速率，精度等重要指標(biāo).

系統(tǒng)選擇PLC型號(hào)為FBs-20MA，其CPU處理速度達(dá)到了0.33us/基本指令.內(nèi)置了20KWORD的大容量RAM存儲(chǔ)器.12點(diǎn)24VDC數(shù)字量輸入，8點(diǎn)數(shù)字量繼電器輸出，一個(gè)RS232（最大可擴(kuò)展到3個(gè)）.內(nèi)部中斷控制，4點(diǎn)中速脈沖輸出，4個(gè)計(jì)數(shù)頻率綜合為5KHz的軟件高速計(jì)數(shù)器，4路高速脈寬調(diào)制輸出PWM等基本功能.其輸入輸出點(diǎn)數(shù)滿(mǎn)足系統(tǒng)需要，既經(jīng)濟(jì)有實(shí)用.

模擬量模塊的選擇主要根據(jù)分辨率和信號(hào)類(lèi)型.現(xiàn)場(chǎng)有兩個(gè)模擬量輸入，分別為溫度信號(hào)(4～20mA)和壓力信號(hào)(4～20mA)，三路模擬量輸出，分別是三臺(tái)變頻器的模擬量控制輸入端.綜合經(jīng)濟(jì)性和精確度，采用FBs-B2A1D和FBs-2DA的模擬量輸入模塊.針對(duì)于電流信號(hào)輸入范圍不一樣的問(wèn)題可使用永宏FUN32(4～20mA)模擬量輸入讀值轉(zhuǎn)換指令，可獲得所需信號(hào).

2.2 I/O接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)有4個(gè)數(shù)字量輸入，5個(gè)數(shù)字量輸出，2個(gè)模擬量輸入，3個(gè)模擬量輸出.輸入輸出點(diǎn)數(shù)較少，其I/O分配表格如表1所示.

永宏P(guān)LC的FBs-20MA電源輸入為220V單相交流電，數(shù)字量輸入可耗用開(kāi)關(guān)電源的24V直流電，數(shù)字輸出方式為繼電器輸出方式，帶動(dòng)K1、K2等中間繼電器，通過(guò)中間繼電器控制變頻器的啟動(dòng)停止和報(bào)警燈的開(kāi)和關(guān).即Y0，Y1，Y2輸出控制的是三臺(tái)變頻器，三臺(tái)變頻器再驅(qū)動(dòng)三臺(tái)電機(jī).當(dāng)溫度、壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，Y3,Y4輸出，報(bào)警燈閃爍.其數(shù)字量I/O接線圖如圖2所示.

圖2 數(shù)字量I/O接線圖

模擬量擴(kuò)展板直接插在主機(jī)上，耗用主機(jī)的電源；模擬量擴(kuò)展模塊耗用的是開(kāi)關(guān)電源的電源.模擬量有兩路輸入和三路輸出如圖3，用于接收模擬量信號(hào)的輸入并送到PLC內(nèi)部以供運(yùn)算，即PID運(yùn)算、頻率轉(zhuǎn)換均在PLC的內(nèi)存單元中完成，輸出模擬量信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后去控制外圍設(shè)備.

圖3 模擬量I/O接線圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

爐溫控制系統(tǒng)的程序包含幾部分：?jiǎn)?dòng)/停止；PID運(yùn)算部分；頻率轉(zhuǎn)換部分；手動(dòng)修改參數(shù)部分；壓力顯示；頻率輸出；溫度顯示；溫度設(shè)定；頻率顯示；報(bào)警部分.由于篇幅所限，系統(tǒng)主要部分介紹如下.

3.1 啟動(dòng)/停止部分

觸摸屏啟動(dòng)，輔助繼電器M0接通，啟動(dòng)三臺(tái)變頻器，變頻器由Y0、Y1、Y2輸出控制，當(dāng)按下急停或任何一臺(tái)變頻器報(bào)警時(shí),輔助繼電器M0復(fù)位，停止所有變頻器輸出，并需人工復(fù)位變頻器方能繼續(xù)運(yùn)行.控制程序梯形圖如圖4所示.

圖4 啟動(dòng)與停止控制梯形圖

3.2 PID運(yùn)算控制

3.2.1 PID控制原理

比例帶（Pb）調(diào)整越小，即增益越大，對(duì)輸出影響越大，可得到較快且靈敏的控制響應(yīng).但增益過(guò)大，會(huì)造成振蕩現(xiàn)象.因此，在不造成振蕩的前提下盡量調(diào)高增益，來(lái)增快程序反應(yīng)并減少穩(wěn)態(tài)誤差.

積分項(xiàng)可用來(lái)消除程控反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差.積分常數(shù)Ki(Ki=1/Ti，為積分時(shí)間常數(shù)的倒數(shù))調(diào)整越大，對(duì)輸出影響越大，當(dāng)有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，可調(diào)高積分常數(shù)，來(lái)減少穩(wěn)態(tài)誤差.積分常數(shù)=0時(shí)，積分項(xiàng)無(wú)作用.本系統(tǒng)如積分時(shí)間常數(shù)為5分鐘，則Ki=1/Ti=100/5=20也就是0.2Repeat/Minute.

微分項(xiàng)可用來(lái)讓程控反應(yīng)比較平順，不會(huì)造成超調(diào)量過(guò)大.微分時(shí)間常數(shù)（Td）調(diào)整越大，對(duì)輸出影響越大，當(dāng)超調(diào)量過(guò)大時(shí)，可調(diào)高微分時(shí)間常數(shù)，來(lái)減少超調(diào)量.微分項(xiàng)對(duì)程控反應(yīng)相當(dāng)靈敏，大部分的應(yīng)用不必使用微分項(xiàng)，當(dāng)微分時(shí)間常數(shù)=0時(shí)，微分項(xiàng)無(wú)作用.系統(tǒng)中當(dāng)微分時(shí)間常數(shù)為1分鐘，則Td=100；當(dāng)微分時(shí)間常數(shù)為2分鐘，則Td=200.

3.2.2 PID控制數(shù)字化處理

永宏P(guān)ID泛用指令，適用于多種PID控制模式.泛用PID指令(FUN30)是將外界檢測(cè)到的模擬量輸入值當(dāng)作程控變量（ProcessVariable，簡(jiǎn)稱(chēng)PV），與用戶(hù)所設(shè)定的設(shè)定值（Setpoint，簡(jiǎn)稱(chēng)SP），經(jīng)由軟件PID數(shù)學(xué)式(1)運(yùn)算后，得到適宜的輸出控制值驅(qū)動(dòng)與之匹配的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制被控對(duì)象.控制框圖如圖5所示.

數(shù)字化PID表達(dá)式如(1)所示.

Mn=:〝n〞時(shí)的控制輸出量

D4005:增益常數(shù)，默認(rèn)值為1000；可設(shè)定范圍為1～5000

Pb:比例帶（范圍：2~5000，單位為0.1%；Kc（增益）=1000/Pb）

Ti:積分時(shí)間常數(shù)（范圍：0~9999，相當(dāng)于0.00~99.99Repeats/Minute）

Td:微分時(shí)間常數(shù)（范圍：0~9999，相當(dāng)于0.00~99.99Minutes）

PVn:“n”時(shí)的程控變數(shù)值

PVn-1:“n”的上一次的程控變數(shù)值

En:“n”時(shí)的誤差=設(shè)定值（SP）-“n”時(shí)的程控變數(shù)值（PVn）

Bias:偏置輸出量（范圍：0~16380）

Ts:PID運(yùn)算的間隔時(shí)間（范圍：1~3000，單位：0.01S）

3.2.3 PID參數(shù)整定

由于溫度控制沒(méi)有確定的傳遞函數(shù)，在實(shí)際調(diào)試中，先大致設(shè)定經(jīng)驗(yàn)值，如溫度系統(tǒng)：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3；壓力系統(tǒng)：P（%）30-70，I（分）0.4-3.然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果，采用臨界比例法整定PID控制器參數(shù).步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù).經(jīng)過(guò)調(diào)試，保留能達(dá)到預(yù)期精度要求的那組參數(shù)，如圖6所示.

圖6 PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)參數(shù)整定監(jiān)視圖

3.3 頻率轉(zhuǎn)換

頻率轉(zhuǎn)換采用適合溫度控制系統(tǒng)的兩點(diǎn)校正法.利用PLC轉(zhuǎn)換指令將外界模擬量讀值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的工程讀值，當(dāng)所測(cè)量的溫度或工程讀值與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)儀表所測(cè)量的結(jié)果有偏差時(shí)，也可利用轉(zhuǎn)換指令作線性修正,實(shí)現(xiàn)實(shí)際測(cè)量值的校正.轉(zhuǎn)換曲線如圖7所示.

圖7 轉(zhuǎn)換曲線圖

在轉(zhuǎn)換表格內(nèi)填入低點(diǎn)測(cè)量值(VML)、高點(diǎn)測(cè)量值(VMH)及對(duì)應(yīng)的低點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值(VSL)與高點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值(VSH)；該系統(tǒng)中，VML=模擬量輸入最小值、VMH=模擬量輸入最大值，VSL=工程最小值，VSH=工程最大值.執(zhí)行線性轉(zhuǎn)換時(shí)，由來(lái)源數(shù)據(jù)(Sn)經(jīng)(2)、(3)、(4)運(yùn)算產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值(Dn).并將運(yùn)算結(jié)果存放到以D為起始的緩存器群中.所有操作數(shù)(VSL、VSH、VML、VMH、Sn、Dn)的值范圍為-32768～32767.

系統(tǒng)只有一個(gè)運(yùn)算輸出值前提下，將PID輸出通過(guò)線性轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成3個(gè)運(yùn)算值分別控制三臺(tái)變頻器，3個(gè)運(yùn)算之間的頻率比控制值由觸摸屏輸入，可根據(jù)不同的燃料調(diào)整不同比例，讓其完全燃燒，達(dá)到節(jié)省能源的目的.其控制梯形圖如圖8所示.

4 調(diào)試結(jié)果分析

系統(tǒng)燃料為煤粉，因?yàn)轱L(fēng)煤頻率比、出風(fēng)進(jìn)風(fēng)頻率比對(duì)溫度都有影響，調(diào)試時(shí)先調(diào)整其中一個(gè)達(dá)到最高溫度，再調(diào)另外一個(gè)，反復(fù)調(diào)幾次才能達(dá)到最佳效率.頻率比與溫度的關(guān)系如圖9和圖10所示：風(fēng)煤頻率比a點(diǎn)為頻率比最佳點(diǎn)，出風(fēng)進(jìn)風(fēng)頻率比b點(diǎn)為頻率比最佳點(diǎn).

調(diào)好頻率比后，再確定PID的參數(shù)，即比例帶，積分常數(shù)，微分時(shí)間.關(guān)掉參數(shù)修改，PID運(yùn)算開(kāi)始執(zhí)行，進(jìn)入溫度設(shè)定頁(yè)面，設(shè)定溫度值，觀察溫度變化的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差.該系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)態(tài)誤差要求比較高，但對(duì)于超調(diào)量要求則不是很高，所以調(diào)試過(guò)程考慮增加積分常數(shù)，增大比例帶（數(shù)值為增益的倒數(shù)），微分時(shí)間設(shè)為1.當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度一直升到超過(guò)預(yù)定溫度很大范圍并回復(fù)慢或不回，則同時(shí)調(diào)小比例項(xiàng)和積分項(xiàng)，如果溫度變化范圍超過(guò)正負(fù)5攝氏度，則增大積分項(xiàng)，如此反復(fù)調(diào)整，直到穩(wěn)態(tài)誤差小于正負(fù)5攝氏度.溫度控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖11所示.

圖11 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖

5 結(jié)論

基于PLC的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了PLC內(nèi)置式PID運(yùn)算模塊的優(yōu)勢(shì)，以及嚴(yán)密的參數(shù)修改、頻率轉(zhuǎn)換等控制功能，實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)控制.對(duì)不同的燃料整定不同的參數(shù)，讓燃料能充分燃燒，不造成燃料的浪費(fèi).

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A

1673-260X（2011）01-0007-04