基于PLC的溫度控制仿真試驗平臺設計

祁 鯤 厲 虹

（北京信息科技大學自動化學院，北京 100192）

工業生產過程中，溫度控制十分常見，特別是在鋼鐵冶煉、化工精餾、生物發酵、藥品生產等工業生產中占有非常重要的地位[1-4]，然而溫度控制具有非線性、純滯后、大慣性、難以準確控制的特點，傳統控制方法調節時間長、超調大、控制精度低，在溫度控制精度要求較高的場合無法達到理想的控制效果；同時一些較為復雜的先進控制算法，如遺傳算法、預測控制、模糊控制、神經網絡控制等，能夠獲得較好的控制效果[4-11]，但內容抽象，理論性強，缺乏相應的試驗研究平臺。為此本文設計了基于PLC（可編程控制器）的溫度控制仿真試驗平臺，并在Visual Basic編程環境下建立了監控界面。

1 試驗平臺基本結構

基于PLC的溫度控制系統原理如圖1所示，包括PLC、輸出控制電路、加熱爐、溫度檢測電路等部分；在自動化程度較高的場合，設置了上位計算機進行系統監控。其中，輸出控制電路根據PLC輸出值實現對燃氣閥開度或燃料輸送量的控制；溫度檢測部分一般為溫度傳感器及其轉換電路，將檢測到的實際溫度值傳送給PLC。在本試驗平臺中，采用OMRON CP1E型PLC實現控制算法；作為被控對象的加熱爐則由上位機在 Visual Basic編程環境下仿真實現，參數可以根據實際情況設定；相應的輸出控制電路和溫度檢測電路則由PLC和上位機之間的直接數據交換替代。

圖1 溫度控制系統原理圖

2 監控界面設計

考慮對各類PLC的兼容性，試驗平臺基于Visual Basic編程環境設計了上位機監控界面。該界面提供友好的人機交互功能，如參數設定、數據顯示、曲線繪制、數據存儲等。如圖2所示，整個界面分為圖像區、參數設置與數據顯示區、命令發布區、系統說明區四個部分。界面的最上方是圖像區，包括溫度曲線實時繪制、加熱爐模型示意、溫度計動畫顯示等。在界面中部的參數設置與數據顯示區可進行加熱爐模型參數（K、TD、τ）和控制系統參數（TC、T）的設定，并可以實現設定溫度、當前溫度、誤差溫度的實時顯示。命令發布區可發布不同的命令以實現相應的控制：“加熱爐模型階躍響應”鍵將自動繪制系統所設定加熱爐模型的階躍響應曲線，可作為控制器設計的參考；“仿真控制”鍵可調用平臺自身基于Visual Basic實現的控制程序進行仿真控制（這里預設了大林算法控制程序，用戶可自行修改），可對比驗證控制器設計效果；“PLC控制”鍵將調用在PLC控制器中所設計控制程序的運行數據進行顯示。系統說明區在界面的下方，對系統信息如加熱爐模型的傳遞函數、期望的閉環控制系統傳遞函數以及上位機與PLC的數據交換地址等進行說明。該界面力求形象生動、信息完整，具有良好的可視性、操作性、通用性。

圖2 監控界面

3 加熱爐對象模擬

其差分方程為

式（2）即為加熱爐的差分模型。根據此方程可在 Visual Basic編程環境下實現對加熱爐模型的仿真模擬。試驗平臺計算子程序流程圖如圖3所示。

圖3 計算子程序流程圖

4 控制范例

如文獻[1-3，10-11]所述，基于PLC的溫度控制算法有很多，本文以大林算法為例實現溫度控制。1968年Dahlin針對工業生產過程中遇到的含純滯后控制對象提出了一種具有消除余差和對純滯后有補償作用的算法。大林算法的設計準則是，以大林算法為核心的數字控制器，使閉環系統的特性為具有時間滯后的一階慣性環節，且滯后時間與被控對象的滯后時間相同[12]。

大林算法在PLC中實現的流程如圖4所示。需要注意的是，為實現精確控制，應在PLC中采用浮點運算，但是在PLC與上位機的參數傳遞中整型數據較為方便和快捷，因此數據發送方可以將含有小數的數值在數據傳遞前擴大一定的倍數，然后作為整型數據傳遞，數據接收方收到數據后再將數據縮小相同的倍數以恢復原值。

圖4 基于PLC的大林算法流程圖

在試驗平臺中設置系統參數如下：加熱爐模型純滯后時間常數τ=5s，比例系數K=100，慣性時間常數TD=10s；期望的閉環控制系統慣性時間常數TC=2s；系統采樣周期T=0.1s。將設定溫度分別設置為200℃、360℃時運行PLC大林算法控制程序，得到的溫度曲線截圖如圖5（a）、（b）所示，其超調量分別為 0.8℃和 1.3℃，溫度調節穩態誤差均為0.0℃。從運行結果可以看出，將大林算法應用于基于PLC的加熱爐溫度控制系統中，響應速度快，超調量小，穩態溫差??；并且其控制系統結構簡單，根據需要可以很好的應用到工業控制中。

圖5 大林算法溫度控制響應曲線

5 結論

該試驗平臺充分利用 Visual Basic的軟件優勢開發了基于PLC的溫度控制系統監控界面，使之具有良好的可視性、操作性；并且Visual Basic語言具有較好的通用性，能夠很方便的實現與其他類型PLC或其他控制器的兼容。本文給出了大林算法溫度控制范例，達到了較好的控制效果；同時該平臺還可以用來實現其他先進控制算法如模糊控制、神經網絡控制等，具有一定的開放性。

[1] 劉增環,王利珍,何廣祥.加熱爐爐溫 PLC模糊控制系統的設計[J].自動化與儀表,2011,26(10)：27-30.

[2] 陳曦,趙德瑞,呂湘曄.S7-300 PLC在精餾塔溫度控制系統中的應用[J].自動化儀表,2011,32(3)：39-41.

[3] 楊德,暢福善,沈俊霞.基于 PLC的發酵罐溫度控制系統[J].自動化與儀表,2012,27（5）：33-35.

[4] KELIANG ZH, HONGYAN Y.Application of fuzzy predictive-PID control in temperature control system of freeze-dryer for medicine material[C]//2011 Second International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering (MACE),2011： 7200 -7203.

[5] PENG X H, MO ZH,XIAO L SH.Research and application on GA-Based Two-Stage fuzzy temperature control system for a type of industrial furnace[C]// 2010 International Conference on Electrical and Control Engineering (ICECE),2010：1558-1561.

[6] ZANG H Q,LI Q.The automatic temperature system with fuzzy self-adaptive PID control in semiconductor laser[C]//IEEE International Conference on Automation and Logistics(ICAL),2009：1691-1694.

[7] 陳東升,高俊俠,胡科堂.一種遠程溫度控制系統的設計及應用[J].實驗技術與管理,2011,28(7)：72-74.

[8] 宋云霞,朱學峰.大時滯過程控制方法及應用[J].化工自動化及儀表,2001,28(4)：9-15.

[9] 王春亮,李茜.Fuzzy-smith 控制器在溫度控制中的應用[J].自動化與儀表,2011,26(12)：41-43.

[10] 李碩,李鵬陽.基于PLC的退火爐溫度控制系統[J].計算機工程,2010,36(5)：245-247.

[11] 鄭華,方赟,楊曉梅.基于單神經元與 PLC的溫度控制系統設計[J].自動化與儀表,2011,26(9)：31-35.

[12] 賴壽宏.微型計算機控制技術[M].北京：機械工業出版社,2012.