S7-200 PLC在換熱器傳熱性能測試系統中的應用

徐磊 陳緒兵 唐柳華

（武漢工程大學機電工程學院）（武漢過控科技有限公司)

S7-200 PLC在換熱器傳熱性能測試系統中的應用

徐磊*陳緒兵 唐柳華

（武漢工程大學機電工程學院）（武漢過控科技有限公司)

研究了可編程控制器 (PLC)在換熱器性能測試系統中的應用。在測試系統中，PLC用于對加熱系統出口溫度的比例-積分-微分（PID）控制，并通過觸摸屏設置加熱系統出口溫度和顯示現場的溫度、壓力以及流量等參數，使換熱器傳熱性能測試具有良好的穩定性和可重復性。

可編程控制器 換熱器 傳熱性能 測試系統 PID控制 溫度

0 序言

換熱器作為一種應用非常廣泛的通用設備，其強化傳熱技術一直是節能新技術的重要課題[1]。隨著換熱器技術研究工作的進展，測試技術作為其中的重要研究手段之一，也得到了相應的發展。直接計量儀表簡便可靠，至今被大量應用。由于研究課題向縱深發展和新興科技成果的擴大應用，各種新型非接觸式測量技術和儀表也逐漸得到了發展。測試技術朝著高精度、高靈敏度和自動化的方向發展，同時還擔負著適應特殊場合的測試任務[2]。

可編程控制器（PLC）是專為工業環境下應用而設計的工控機，不僅能實現復雜的邏輯控制，還能完成各種閉環控制功能。用PLC來實現對小區域的現場控制，將會更加方便可靠[3]。S7-200 PLC采用整體式結構，具有結構緊湊、拓展性良好、指令功能強大、價格低廉等特點，已成為小規模控制系統理想的選擇。本文將西門子S7-200 PLC作為控制計算機，用于換熱器傳熱性能測試實驗系統。該PLC穩定可靠、功能強大，大大提高了自動化程度。同時，其MCGS組態軟件系統在實際應用中，能夠實時監控運行狀態并且及時作出反饋顯示，能讓其操作人員快速準確地了解系統當前狀態信息。

1 系統構成

1.1 測試系統流程

換熱器傳熱性能測試系統流程如圖1所示。該測試系統主要包括換熱系統、加熱系統、冷卻系統及測試儀表等。實驗時冷水、熱水循環使用。熱水通過電加熱器加熱，由熱水泵輸送到換熱器管程；冷卻水經涼水塔冷卻后由冷水泵輸送到換熱器殼程。冷、熱水泵均采用變頻器控制，其流量穩定。熱水的加熱量通過可控硅控制電加熱器的加熱功率來實現；涼水塔的冷卻量通過改變冷卻水的流量來實現。在熱水循環管路和冷水循環管路各設置一個流量計F，在換熱器的管程、殼程進出口各設置一個溫度傳感器T和一個壓力傳感器P，用于換熱器的傳熱性能測試。

圖1 測試系統流程

1.2 控制目標設計

采用S7-200 PLC可控硅控制電加熱器，使加熱系統出口溫度維持基本恒定。采集換熱器管程和殼程流體進出口溫度、壓力以及冷熱水流量，并將其顯示在觸摸屏上。由觸摸屏設定加熱系統出口溫度控制目標值。

1.3 控制系統

控制系統結構如圖2所示。由控制目標設計可知，需要11個模擬量輸入端子、1個模擬量輸出端子，因此PLC選擇型號為CPU224XP，接入拓展模擬量輸入、輸出模塊EM231和EM232。

溫度變送器選擇型號為PT100 WZP-231，將溫度信號轉換成4～20 mA電流信號。

壓力變送器選擇型號為YB-131，將壓力信號轉換成4～20 mA電流信號。

流量計選擇型號為KXLWGY脈沖型渦輪流量計，將流量信號轉化成4～20 mA電流信號。

圖2 控制系統結構

觸摸屏選擇型號為昆侖通態TPC1061Ti，通過RS-485接口與PLC連接，用于采集并顯示各個進出口的溫度、壓力以及冷熱水的流量，同時由觸摸屏設定加熱系統出口溫度控制目標值。設計的人機界面如圖3所示。

圖3 人機界面

換熱器傳熱性能測試系統采用典型的兩級監控方式。下位機由西門子S7-200 PLC構成，為基礎測控級，負責測試系統現場的數據采集及溫度控制等；上位機作為主要的人機界面，為測試管理級，通過MCGS組態軟件系統完成對下位機的監控和數據顯示等。軟件系統包括下位機PLC控制軟件STEP7 V4.0和上位機人機界面軟件MCGS V7.6，其中STEP7 V4．0完成系統組態以及匯編程序，實現熱水加熱系統出口溫度的PID控制。MCGS V7.6用于調節并監控現場各參數，實現人機交互界面。換熱器傳熱性能測試系統如圖4所示。

2 模擬量PID控制算法實現

在工程實踐中，調節器控制規律中應用最為廣泛的是比例、積分、微分（PID）控制，被稱為PID控制，又稱PID調節。由于PID控制結構簡明易懂、穩定性好、可靠性高、調整方便，因此已成為工業控制的主要技術之一。當不能完全掌握被控對象的結構和參數時，或者得不到精確數學模型時，其他的控制理論技術難以被采用，必須依靠經驗和現場調試來確定系統控制器的結構和參數，此時選擇PID控制技術最為方便。PID控制器根據系統的誤差，通過PID計算來進行控制。

圖4 換熱器傳熱性能測試系統

PID運算由比例運算（P）、積分運算（I）和微分運算（D）組成。P運算是按比例將偏差信號e（t）進行放大，以此提高控制的靈敏度；I運算是進行偏差信號的積分運算，其優點是可消除P運算比例引起的誤差，同時使控制精度提高，缺點是控制具有滯后性；D運算是進行偏差信號的微分運算，使得控制具備預測性和超前性。PID運算的數學表達式為：

式中，u（t）是調節器輸出，Kp、 Ki=Kp/Ti、 Kd=KpTd分別是PID控制器的比例、積分和微分增益。

增大比例增益Kp，可以加快系統的響應速度，穩態誤差減小，但Kp過大時，容易產生超調，會降低系統的相對穩定性，甚至會導致閉環系統不穩定。積分增益Ki能夠消除系統的穩態誤差，Ki越大，系統的穩態誤差消除也越快，但Ki過大時，容易產生較大超調，對系統的穩定性不利。微分增益Kd只對動態過程有影響，主要作用是抑制響應過程中偏差的變化，能提高系統的阻尼程度，減小響應過程的超調。但Kd過大會使響應過分提前制動，從而延長調節時間，降低系統的抗干擾性能。

PLC控制加熱系統出口溫度的基本原理：根據觸摸屏輸入的目標控制溫度和實際測得的溫度進行比較計算后得到一個控制量，由此來進行輸出調節。PLC中PID控制器的設計是以連續系統的PID控制規律為基礎的，先將其數字化并寫成離散形式的PID控制方程，再根據離散方程進行控制程序設計[4]。基于PLC的閉環控制系統如圖5所示，圖中虛線框部分在PLC內。

圖5 PLC閉環控制系統

圖5中，t0為設定的目標溫度轉換的標準值，T為實際測得的溫度，t為實際測得的溫度轉換的標準值，en為偏差。

部分PID控制程序如圖6所示。網絡1用于將模擬量輸入單元AIW0中的16位整數值轉換成32位實數（浮點數），再將實數轉換成0.0～1.0之間的標準化數值存入VD100單元，AIW0單元中的整數值由溫度傳感器產生的模擬信號經PLC的A/D轉換模塊轉換而來。網絡2用于啟動PID運算，運算輸出值存入VD108單元。網絡3用于將VD108中的標準化輸出值（0.0～1.0）按比例轉換成相應的整數值（0～32 000），再存入模擬量輸出單元AQW0，AQW0單元中的整數經D/A轉換模塊轉換成模擬信號，控制可控硅交流調壓器的輸出電壓，進而控

圖6 部分PID控制程序梯形圖

制電加熱器的功率來實現溫度控制。

可控硅交流調壓器由可控整流電路和觸發電路兩部分組成。PLC將溫度設定值和加熱系統出口測定反饋值進行比較并進行PID運算，輸出4～20 mA電流，改變可控硅調壓器觸發電路的觸發角，達到調整可控硅輸出電壓的目的，以此來增加或減少電加熱器的功率進行恒溫控制。

3 結束語

本文將西門子S7-200 PLC應用于換熱器傳熱性能測試實驗系統。實踐證明，PLC的應用使該系統具有良好的穩定性和可重復性，同時比常規的儀表讀數具有更高的可靠性，測試的結果更加精確。

[1]齊洪洋,高磊,張瑩瑩,等.管殼式換熱器強化傳熱技術概述 [J].壓力容器,2012,29(7):73-78.

[2]張海泉.板式換熱器熱工與阻力性能測試及計算方法研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2006.

[3]王恒強.S7-300 PLC在換熱器溫度控制系統中的應用[J].黑龍江科技信息,2010(19):38,110.

[4]彭慶紅.擠出機溫度控制系統中PID控制器的應用[J].現代機械,2010（1）:73-75.

[5]楊六順.基于PLC的通用高精度恒溫控制系統設計[J].鑄造技術,2006,27(3):224-226.

[6]強寶民,肖晟.S7-200 PLC在PID閉環控制系統中的應用 [J].現代電子技術,2008,31(14):173-175.

[7]樊鐳,張天開,葉冬.加熱爐溫度控制系統的設計 [J].微型機與應用,2013,32(16):85-86.

Application of S7-200 and PLC in Heat Transfer Performance Test System

Xu LeiChen Xubing Tang Liuhua

The application of programmable logic controller (PLC)in the performance test system of heat exchangers is studied.In the test system,the PLC is used to control the outlet temperature of the heating system by PID.The temperature of the heating system and the temperature,pressure and flow of the display site are set by the touch screen,so that the heat transfer performance of the heat exchanger is tested with good stability and repeatability.

PLC;Heat exchanger;Heat transfer performance;Test system;PID control;Temperature

TM 571

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.004

2016-10-10）

*徐磊，男，1992年生，碩士研究生。武漢市，430205。