利用PLC 進(jìn)行PID 退火爐溫度控制

陳蘭蘭 王勤昌

（1.山東三金玻璃機(jī)械有限公司，山東淄博255300；2.山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司，山東淄博255087）

0 前言

各種玻璃制品的退火爐和烤花爐是玻璃廠重要的熱工設(shè)備，對(duì)這些輔助設(shè)備的自動(dòng)控制工作正隨著工藝和設(shè)備本身的改進(jìn)而逐漸展開(kāi)。

溫度控制是退火爐的重要組成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的范圍內(nèi)，對(duì)玻璃瓶罐進(jìn)行退火或烤花。 現(xiàn)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的退火爐還是以傳統(tǒng)的手動(dòng)控制為主，山東三金玻璃機(jī)械股份有限公司近期開(kāi)發(fā)了利用 PLC 自身的PID 控制模塊和其內(nèi)部PID 控制程序， 對(duì)退火爐控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，結(jié)合觸摸屏畫面顯示操作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。 改造后的控制，在運(yùn)行和控制方面都更加符合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，節(jié)約人力，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

PID 控制系統(tǒng)，使用時(shí)只需要設(shè)置一些參數(shù)，非常方便，一個(gè)模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。

1 控制系統(tǒng)介紹

1.1 工藝概述

根據(jù)退火爐三區(qū)加熱的特點(diǎn)，退火爐自動(dòng)控制系統(tǒng)由觸摸屏按鈕控制各區(qū)電源，并顯示和調(diào)節(jié)溫度，調(diào)節(jié)輸出功率，加熱器用于爐內(nèi)或制品提供熱量，并且每區(qū)輸出電壓和三相運(yùn)行電流可通過(guò)觸摸屏隨時(shí)觀察。升溫過(guò)程，根據(jù)升溫曲線，手動(dòng)升溫，為保證機(jī)械結(jié)構(gòu)不受影響，通過(guò)調(diào)整各區(qū)電流，緩慢升溫，各區(qū)溫度曲線實(shí)時(shí)監(jiān)控并能打印輸出。配有遠(yuǎn)程監(jiān)控以太網(wǎng)接口和基于TCP/IP 的通訊。

1.2 PID 控制系統(tǒng)分析和調(diào)整

1.2.1 PID 系統(tǒng)概述

PID 控制器是比例-積分-微分控制的簡(jiǎn)稱，具有：

（1）不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

（2）有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性

（3）結(jié)構(gòu)典型、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工程上易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。 積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分、微分三者有效的結(jié)合可以滿足不同的控制要求。

1.2.2 PID 控制器的數(shù)字化性能指標(biāo)

PLC 的PID 控制器的設(shè)計(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)的PID 控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化寫成離散形式的PID 控制方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。

在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1 所示。 圖1 中sp(t)是給定值，pv(t)是反饋量，c(t)是系統(tǒng)的輸出量，PID 控制的輸入輸出關(guān)系式為：

式中：

M(t)——控制器的輸出量，M0為輸出的初始值;

e(t)=sp(t)-pv(t)——誤差信號(hào);

KC比例系數(shù);

TI——積分時(shí)間常數(shù);

TD——微分時(shí)間常數(shù)。

圖1 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

式(1)的右邊前3項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差，誤差的積分和微分成正比。 如果取其中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)，可以組成P、PD 或 PI 控制器。

假設(shè)采樣周期為TS，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)刻為t=0，用矩形積分來(lái)近似精確積分，用差分近似精確微分，將公式1 離散化，第n 次采樣時(shí)控制器的輸出為：

式中：

en-1——第n-1 次采樣時(shí)的誤差值;

KI——積分系數(shù);

KD——微分系數(shù)。

基于PLC 的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2 所示。 圖中的虛線部分在PLC內(nèi)。 其中 spn、pvn、en、Mn 分別為模擬量在 sp(t)、pv(t)、e(t)、M(t)在第 n次采樣時(shí)的數(shù)字量。

圖2 PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

在退火爐控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整中，可能只需要P、I、D 中的一種或兩種控制類型。 如可能只要求比例控制或比例與積分控制，通過(guò)設(shè)置參數(shù)可對(duì)回路控制類型進(jìn)行選擇。

1.3 輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換

PID 控制有兩個(gè)輸入量：給定值(sp)和過(guò)程變量(pv)。多數(shù)工藝要求給定值是固定的值，如退火爐溫度的給定值。 過(guò)程變量是經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測(cè)值，如退火爐溫度的測(cè)量值。 給定值與過(guò)程變量都是與被控對(duì)象有關(guān)的值。 應(yīng)用 PLC 的PID 指令對(duì)這些量進(jìn)行運(yùn)算之前，先將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的浮點(diǎn)數(shù)(實(shí)數(shù))。

同樣，對(duì)于PID 指令的輸出，在將其送給D/A 轉(zhuǎn)化器之前，也需進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.4 通訊協(xié)議

TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)是一種開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使不同硬件環(huán)境，不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)可以互連，真正達(dá)到資源共享，數(shù)據(jù)通信和分布處理的目標(biāo)。它具有高速、高可靠和高安全性；傳輸速度快，成本低，是連接HMI與 PLC，PLC 與 PLC，PLC 和 I/O 的通用和有效的傳輸媒介。 TCP/IP 協(xié)議適用于所有計(jì)算機(jī)需求的全球化網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，適用于多種平臺(tái)，并能作為HTTP、MODBUS、FTP 和許多其他協(xié)議的載體。

2 軟件設(shè)計(jì)與控制效果

2.1 系統(tǒng)控制示意圖

圖3 系統(tǒng)控制示意圖

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行效果

由于溫度控制環(huán)境下臺(tái)達(dá)PLC 的PID 指令提供了自動(dòng)調(diào)整功能，可不用調(diào)整PID 參數(shù)就能達(dá)到理想的溫度控制效果，本例中溫度自動(dòng)調(diào)整的過(guò)程：

1）初步調(diào)整，自動(dòng)計(jì)算最佳PID 溫度控制參數(shù)，其溫度響應(yīng)曲線如下：

圖4 PID 溫度控制初步調(diào)整曲線圖

2）使用自動(dòng)調(diào)整好的PID 參數(shù)做溫度控制，其溫度響應(yīng)曲線如下：

圖5 PID 溫度控制自動(dòng)調(diào)整曲線效果圖

由上圖可看出經(jīng)過(guò)自動(dòng)調(diào)整后，使用調(diào)整好的參數(shù)進(jìn)行溫度控制的效果還不錯(cuò)，而且控制時(shí)間大約只使用了20 分鐘。

PID 的取樣時(shí)間需與GPWM 的周期設(shè)置相同， 但兩個(gè)指令的時(shí)間單位不同，PID 單位為 10ms，GPWM 單位為 1ms。

現(xiàn)在值（PV）的取樣時(shí)間最好是PID 取樣時(shí)間2 倍以上，溫度控制時(shí)建議為2 秒～6 秒之間。

3 結(jié)語(yǔ)

用PLC 實(shí)現(xiàn)退火爐的PID 溫度控制， 很好的完成了各項(xiàng)控制功能，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，人機(jī)界面清晰可靠，操作靈活，便于操作人員掌握，因此直接應(yīng)用PID 指令來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC 的PID 控制， 是一種易于實(shí)現(xiàn)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。

［1］CHUNCHIN.WANG，等.DVP-PLC 101 samples[Z].中達(dá)電通股份有限公司.

［2］宋伯生，編.PLC 編程理論·算法及技巧[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005，2.