PLC的PID控制在溫度控制系統(tǒng)中的應用

鄧國富

(廣東先導稀材股份有限公司，廣東 清遠511517)

1 溫度控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中加熱爐的溫度控制系統(tǒng)在實際應用中是相當廣泛的，而溫度參數(shù)是工業(yè)控制中的被控參數(shù)之一，對物料或產(chǎn)品的加熱處理，是工業(yè)生產(chǎn)當中的一個重要工序，對生產(chǎn)物料或加工產(chǎn)品進行實時的溫度控制與調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的加熱爐體的溫度控制系統(tǒng)，主要通過使用繼電器來控制加熱，其控制柜的接線比較復雜，而且系統(tǒng)的運行故障率比較高，再加上耗電量也比較大，在現(xiàn)代復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程，不能采用比較傳統(tǒng)的繼電器控制方式來控制溫度。

經(jīng)過工業(yè)革命的技術發(fā)展，可編程控制器PLC可以完美代替繼電器來控制工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度。PLC是一個集成的控制器，它本身就具有自動處理模擬信號、數(shù)字信號和工業(yè)網(wǎng)絡的處理能力，正因為這個優(yōu)點，PLC在我國的溫度控制系統(tǒng)加熱生產(chǎn)中得到大幅的應用與實現(xiàn)，所以PLC逐漸能夠在過程控制中得到應用。PLC能夠應用在遠程的控制系統(tǒng)與現(xiàn)地控制系統(tǒng)，同時具有應用面相當廣，可靠性也相當高，編程相當簡單的特點。PLC具有開關量控制輸出也就是具有繼電器控制功能的特點，同時具備各種模擬信號的采集，以及各種高功能模塊的數(shù)據(jù)輸入與控制，將開關量信號與模擬量信號綜合為一體，實現(xiàn)遠程控制，開環(huán)控制，閉環(huán)控制等控制能力，能夠適應各種復雜生產(chǎn)工藝與自動化生產(chǎn)線。PLC在配合人機界面的操作界面的應用，在實現(xiàn)工業(yè)自動化生產(chǎn)中加熱爐的溫度控制系統(tǒng)將起到關鍵的作用，實現(xiàn)與滿足加熱控制工藝的需要。

2 溫度控制系統(tǒng)設計

本文溫度控制系統(tǒng)設計的控制參數(shù)是溫度，溫度的采集是有時間滯后的因素。溫度會隨著爐體的加熱隨時發(fā)生改變，溫度變化通過溫度傳感器接入系統(tǒng)的控制器。本系統(tǒng)設計采用松下品牌PLC來控制系統(tǒng)的加熱與溫度采集，溫度傳感器接入到PLC控制器的輸入模塊，將溫度信號轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)過PLC數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并保持到PLC存儲器中，通過軟件編程與用戶在人機界面上設定的目標溫度值進行對比，數(shù)字量輸出模塊按一定方式輸出控制量，然后接通固態(tài)繼電器控制爐體加熱器的通斷，進而控制爐體的升溫加熱。系統(tǒng)的人機界面通過其串口可以與松FP2系列進行實時數(shù)據(jù)通信，能夠?qū)崟r顯示加熱控制系統(tǒng)的溫度數(shù)值。本文溫度控制系統(tǒng)設計包括以下幾個設計步驟：硬件選型設計、軟件編程設計、參數(shù)整定等。

2.1 硬件選型設計

溫度控制系統(tǒng)設計的硬件選型是設計控制系統(tǒng)的關鍵一步。在設計溫度控制之前要根據(jù)該系統(tǒng)的受控對象、參數(shù)和控制要求，選擇合適系統(tǒng)的控制器、控制方式、溫度傳感器和適合用戶的操作界面等等。本系統(tǒng)CPU型號選FP2-C2L作為系統(tǒng)的核心控制器模塊，與溫度輸入模塊進行數(shù)據(jù)交換。溫度的實時監(jiān)控則選用松下的模擬量輸入模塊FP2-AD8X，溫度傳感器選擇S型熱電偶輸入可以檢測加熱爐體1300度以內(nèi)的溫度，熱電偶傳感器接到模擬量輸入模塊，模擬量信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號傳輸?shù)絇LC，經(jīng)過處理后數(shù)據(jù)保存到CPU的數(shù)據(jù)存儲器WX通道中。固態(tài)繼電器選用臺灣陽明，型號為SSR-F40LA，溫度輸入模塊采集的溫度送到PLC后會與系統(tǒng)設計的目標值進行對比并進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器數(shù)字輸出轉(zhuǎn)化成占空比輸出，實現(xiàn)加熱器的加熱升溫。前面的數(shù)字量輸出模塊可以選用16個開關量輸出的FP2-Y16T。溫度控制系統(tǒng)中的人機界面選用經(jīng)濟實用的威綸7寸屏TK6070IP，松下PLC控制器與威綸人機界面的通訊方式采用串口無協(xié)議通訊自助完成數(shù)據(jù)交換，松下PLC能夠時刻讀取的加熱爐體的溫度數(shù)據(jù)，威綸人機界面將顯示加熱爐體的溫度數(shù)值。本系統(tǒng)的硬件設計架構(gòu)如圖1所示：

圖1

2.2 軟件編程設計

PLC的軟件編程設計，首先PLC上電后應該執(zhí)行初始化內(nèi)存寄存器，通過R9013特殊繼電器初次上電掃描執(zhí)行產(chǎn)生初始化脈沖進行程序初始化。實時將溫度通道WX的溫度值寫入到DT寄存器中，同時PID控制指令F355各PID參數(shù)設定值指定給DT寄存器，寫入相應的寄存器，使程序啟動后系統(tǒng)開始對加熱爐體進行溫度PID采集控制。溫度傳感器即本系統(tǒng)使用S型熱電偶傳感器將爐體測量的實際溫度經(jīng)過接入溫度模塊AD8X單元后產(chǎn)生一個電信號，溫度模塊經(jīng)過模擬量輸入通道CH0的模數(shù)轉(zhuǎn)換后成為對應的數(shù)字量，PLC內(nèi)存會得到實際的溫度值為寄存器通道WX除以10的商。這樣PLC內(nèi)部的PID過程控制會自動計算出實際溫度值與溫度目標值的偏差值在一定周期內(nèi)輸出一定占空比通斷固態(tài)繼電器，接通爐體的加熱器，實現(xiàn)PLC系統(tǒng)自動進行內(nèi)部PID過程控制和自動加熱控制溫度。

3 PID的參數(shù)整定

軟件編程中PLC內(nèi)部的PID參數(shù)整定也是溫度控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容。PLC的PID參數(shù)包括溫度過程控制中的比例P參數(shù)，積分I時間參數(shù)，微分D時間參數(shù)的數(shù)值。在廣泛的PID調(diào)節(jié)器工程應用中，PID參數(shù)整定方法主要有兩類，一類是理論計算法，一類是工程整定法。理論計算法當然是通過理論計算得出被控對象的PID參數(shù)值，而工程整定法則是通過實際工程控制調(diào)節(jié)各參數(shù)。從而我們就利用了工程整定法進行PID現(xiàn)場自動整定方式，對本加熱爐體進行一次PLC內(nèi)部過程控制的自整定PID參數(shù)。

本系統(tǒng)能夠通過PLC自身的PID運算指令F355進行完成PID參數(shù)自整定控制。這種控制方式是根據(jù)加熱爐體的實際溫度、溫度傳感器的響應速度及系統(tǒng)的滯后特性等工藝特性曲線，由PLC自動計算出與加熱器匹配的調(diào)節(jié)參數(shù)，自動約束加熱器的加熱功率，進而對加熱爐體進行溫度工藝調(diào)節(jié)，并能夠在升溫過程進行優(yōu)化。首次使用加熱系統(tǒng)前需要對系統(tǒng)進行一次PID參數(shù)自整定升溫過程，根據(jù)此系列的PLC參數(shù)設置方法，需要將F355參數(shù)控制模式改成H8000自整定控制模式，進行升溫控制，達到穩(wěn)定狀態(tài)后，完成整個自整定過程后參數(shù)會自動反映到PID參數(shù)區(qū)域，通過修改這三個參數(shù)后直接寫入到溫度控制系統(tǒng)的實際加熱中，系統(tǒng)實現(xiàn)在用戶設定溫度目標值的準確控溫。

經(jīng)過系統(tǒng)進一步的參數(shù)測試，溫度控制系統(tǒng)的可能會因為加熱器或者熱電偶的原因會產(chǎn)生系統(tǒng)一定溫度波動，這種情況需要更進一步進行參數(shù)調(diào)整，再對系統(tǒng)重新進行一次PID參數(shù)自整定。

［1］努爾哈孜·朱瑪力.可編程序控制器在電爐溫度控制系統(tǒng)中應用的研究[J].新疆大學學報,2006,13(2):267-268.

［2］宋樂鵬.基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)[J].可編程控制器與工廠自動化,2007(5):70-71、76.

［3］倪濤.基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2011(20):75-76.

［4］張英壽,朱紅梅.基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)[J].電子技術,2012(7):73-75.