基于西門子PLC實現(xiàn)的發(fā)泡爐溫控系統(tǒng)設(shè)計

顧光

摘 要：本文介紹了以西門子PLC S7-400為核心，以發(fā)泡爐爐溫為被控對象的溫控系統(tǒng)，重點分析了實現(xiàn)爐溫控制的原理和PID控制的程序設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：PLC；PID ；爐溫控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.005

在當今的工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是一個再熟悉不過的受控量了，在建材、冶金、醫(yī)藥、化工以及食品等行業(yè)中，溫度控制有著舉足輕重的作用，甚至直接決定了產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。由于我國工業(yè)起步晚，溫度控制系統(tǒng)的總體發(fā)展水平還不夠高，與歐美先進國家相比仍有不小的差距。目前，我國在這方面的成熟產(chǎn)品主要以常規(guī)的PID控制器為主，對于溫度控制要求不高的場合，這類產(chǎn)品完全能夠勝任，但是對于控制滯后、復(fù)雜的場合，這些儀器儀表就不能滿足要求了，而適應(yīng)于較高控制場合的智能化控制就需要借助PLC系統(tǒng)來完成了。

可編程控制器PLC是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)與微機大致相同，基本構(gòu)成為：電源、CPU、存儲器、輸入輸出接口以及通信模塊。 由于PLC具有功能強、可靠性高、使用方便等一系列特點，因此被廣泛的用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

1 爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本系統(tǒng)設(shè)計目的是控制PVC彈性地板通過發(fā)泡爐進行背面發(fā)泡的溫度，設(shè)定溫度為185℃。控制系統(tǒng)由電動閥、Pt100熱電阻、ET200S、模擬量模塊2AI RTD、數(shù)字量輸出模塊及PLC控制器等組成。

工作原理：首先這個系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它通過PT100熱電阻進行采集回油溫度，將4-20ma或0-10V信號傳送給模擬量輸入模塊進行A/D轉(zhuǎn)換。在程序中，CPU將實際測量值與設(shè)定值進行比較，并按PID控算法對誤差進行計算，并且通過運算結(jié)果產(chǎn)生一系列的脈沖信號來控制電動閥的開度，開度直接決定了導(dǎo)熱油的循環(huán)量以及回油量，以達到控溫的目的。

2 爐溫控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本控制系統(tǒng)采用S7-400系列PLC CPU414，同時采用分布式IO ET200S，模擬量輸入模塊2AI RTD，數(shù)字量輸出模塊2DO AC24～230V。確定了PLC外部硬件組成后，對PLC進行硬件組態(tài)。

3 爐溫控制系統(tǒng)PID程序設(shè)計

在工業(yè)生產(chǎn)中，對溫度、壓力等連續(xù)變化的模擬量控制就需要閉環(huán)反饋控制。在實際生產(chǎn)過程中，壓力，溫度、張力等被控對象如果不能被完全掌握或是數(shù)學(xué)模型化，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)能較為方便的解決控制問題。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。 PID控制的基礎(chǔ)是比例控制，積分控制可用來消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分控制用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度。閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

在S7-400系統(tǒng)中，我們使用Step 7編程軟件實現(xiàn)PID控制。Step7自帶的功能塊包括連續(xù)控制功能塊CONT_C，步進控制功能塊CONT_S以及具有脈沖調(diào)制功能的PULSEGEN。CPU中斷程序中可以調(diào)用FB41、FB42和FB43，來實現(xiàn)PID的控制。

編程軟件STEP7內(nèi)置了一個PIDControl面板。該調(diào)試面板上可以修改比例系數(shù)、積分時間、設(shè)定值等一系列參數(shù)，并通過設(shè)定監(jiān)控時間等參數(shù)來觀察所行成的波形。通過波形，我們可以很清楚的知道比例系數(shù)的不合適是否引起了曲線的震蕩頻繁，積分時間的不合適是否引起了曲線變化的周期長等狀況。

本系統(tǒng)設(shè)計中使用比例積分控制，其比例系數(shù)和積分時間可以通過工程計算初步確定，初步確定的增益和積分時間常數(shù)為gain是1.5， Ti是80s。

系統(tǒng)程序由OB1、OB34、FB42程序構(gòu)成。在OB34中調(diào)用FB42，同時讀入背景數(shù)據(jù)塊DB163即"DB_Temp_oven_z_1"，全部程序由step 7編寫完整傳人PLC400中。部分PID控制程序如圖3，PID控制爐溫仿真曲線如圖4。

CALL "CONT_S" ， "DB_Temp_oven_z_1"

COM_RST ：="M 0.7"

LMNS_ON ：="M 12.5"

LMNDN ：="M 12.5"

PVPER_ON：=TRUE

CYCLE ：=#CYCLE_TIME

SP_INT ：="DB400_Sollwerte".DBD72

PV_PER ：="=53+ET26-X：PIW750.1"

GAIN ：=1.500000e+000

TI ：=T#1M20S

DEADB_W ：=0.000000e+000

PV_FAC ：=2.764800e+001

PULSE_TM：=T#500MS

BREAK_TM：=T#500MS

MTR_TM ：=T#1M

QLMNUP ：="=53+ET26-K17"

QLMNDN ：="M 12.6"

PV ：=#IW_Temp

4 結(jié)語

本系統(tǒng)主要采用PT100熱電阻、模擬量模塊2AI RTD和step 7自帶的FB42，實現(xiàn)了發(fā)泡爐內(nèi)溫度的PID控制。通過PID Control面板在線監(jiān)測，其溫度誤差不超過1%，滿足設(shè)計需求（在鍋爐、導(dǎo)熱油系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下）。

參考文獻：

[1]邊春元等編著.S7-300/400PLC實用開發(fā)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007（01）.

[2]廖常初.s7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

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