基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設計

曹建軍 李 洋 胡 明 張 建 王紅美

（天津市天波科達科技有限公司，天津 300072）

1 概述

溫度控制在電子、冶金、機械等工業(yè)領(lǐng)域應用非常廣泛。特別是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，對溫度控制的要求也越來越趨向于智能化、自適應、參數(shù)自整控制等方向發(fā)展。

可編程控制器是一種應用很廣泛的自動控制裝置，PLC不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴展輸入輸出模塊，特別是可以擴展一些智能控制模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體，實現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制。具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用，尤其適合溫度控制的要求。

2 系統(tǒng)設計及模型建立

本論文通過德國西門子公司的S7-200系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測到的實際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實現(xiàn)對爐子溫度的控制。同時利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設計一個人機界面（HMI），通過串行口與可編程控制器通信，對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便。總體上包括的技術(shù)路線：硬件設計、軟件編程、參數(shù)整定等。

控制器的設計是基于模型控制設計過程中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對象的數(shù)學模型和它的各特性以及設計要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能指標確定控制器的參數(shù)值。

本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器（電熱偶）將檢測到的溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號經(jīng)過溫度模塊后，與設定溫度值進行比較，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法進行修正，返回對應工況下的固態(tài)繼電器導通時間，調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率，從而實現(xiàn)對爐子的溫度控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設計

系統(tǒng)選用PLC CPU226為控制器，K型熱電偶將檢測到的實際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過EM231模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實現(xiàn)對爐子溫度的控制。PLC和HMI相連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控。整個系統(tǒng)硬件框架圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

4 程序設計

PLC運行時，通過特殊繼電器SM0.0產(chǎn)生初始化脈沖進行初始化，將溫度設定值，PID參數(shù)值等，存入有關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器，使定時器復位；按啟動按鈕，系統(tǒng)開始溫度采樣，采樣周期為10秒；K型熱電偶傳感器把所測量的溫度進行標準量轉(zhuǎn)換（0-41毫伏）；模擬量輸入通道AIW0通過讀入0-41毫伏的模擬電壓量送入PLC；經(jīng)過程序計算后得出實際測量的溫度T，將T和溫度設定值比較，根據(jù)偏差計算調(diào)整量，發(fā)出調(diào)節(jié)命令。控制程序流程圖如圖3所示。

PLC程序如圖4：

5界面設計及運行結(jié)果

HMI監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應的功能子畫面組成，在本溫度控制系統(tǒng)設計中，我們選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設計。

完成了PLC程序設計和人機界面設計之后，進入系統(tǒng)運行測試階段。打開主界面，點擊“開始”按鈕，則開關(guān)變綠色，系統(tǒng)開始運行，目前溫度值開始有數(shù)據(jù)顯示，溫度儀表上也顯示了當前溫度值，如圖 4（a）所示。其中設定溫度為100度。

打開主界面，點擊“設定畫面”按鈕，則切換到設定畫面。增益Kc、積分時間Ti、微分時間Td、采樣時間、設定溫度這幾個變量的值也顯示在畫面上。如圖4（b）所示。

打開主界面，點擊“實時趨勢曲線”和“歷史趨勢曲線”按鈕，可切換到實時趨勢曲線畫面和歷史趨勢曲線畫面，如圖5(a)和(b)所示。

圖3 控制程序流程圖

圖4

結(jié)語

在西門子S7-200系列PLC和組態(tài)軟件組態(tài)王的基礎上，我們成功設計出了溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)達到了快、準、穩(wěn)的效果，也達到了預期的目標。再加上由組態(tài)王設計的人機界面，整個系統(tǒng)操作簡單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度和實用性。

圖4 控制系統(tǒng)界面

圖5 溫度控制的實時曲線和歷史曲線

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