基于PLC的加熱爐控制系統設計

陳貴州

（江蘇省宿遷經貿高等職業技術學校，宿遷 223600）

本文的加熱爐主要是基于PLC的控制。傳統的PLC加熱爐的電氣控制系統普遍采用繼電器控制技術，由于采用固定接線的硬件實現邏輯控制，控制系統的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業生產。隨著計算機控制技術的發展，傳統繼電器控制技術必然被基于計算機技術而產生的PLC控制技術所取代。而PLC本身優異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統變得經濟高效穩定且維護方便。這種溫度控制系統對改造傳統的繼電器控制系統有普遍性意義。

1 加熱爐的概述

隨著生產力的不斷向前發展，溫度控制精度要求也大大提高，加熱爐的控制技術也得到了迅速發展。本文通過串級系統思想和PLC技術的應用，做好系統軟硬件及上位機的設計調試等工作，使加熱爐控制系統達到預期的目標。主、副控制器均采用PID控制算法，使加熱爐內溫度能夠穩定在給定的溫度值附近，并且能夠實現手動的啟動和停止，指示燈的運行會實時監測控制系統的運行情況。

2 加熱爐控制系統硬件設計

2.1 系統硬件組成

本文設計的加熱爐控制系統包括可編程邏輯控制器PLC、兩溫度變送器、模擬量擴展模塊、進出料量控制閥門、進出料通道、啟動/停止按鈕和系統運行指示燈。

運行指示燈可顯示當前系統的運行狀態；啟動按鈕和停止按鈕可實現控制系統的啟動及停止，啟動按鈕按下，開始運行的系統程序被點亮；按下停止按鈕，系統停止運行，指示燈立即熄滅；檢測爐內通道溫度指示燈，電壓的模擬量由溫度值轉換而來，及時發送給PLC模擬量的擴展模塊；PLC對讀取到的溫度數字量進行標度變換處理，得到實際的溫度值；經過標度變換處理得到的實際溫度值，與給定的溫度值進行計算處理，計算采用PID控制算法；模擬量擴展模塊可以在輸出口對從溫度變送器送來的電壓模擬信號進行A/D轉換，得到與溫度對應的數字量，儲存數字量的地址并且PLC可以讀取；在輸出口地址中PLC計算之后可以儲存數據，模擬量擴展模塊進行D/A轉化并輸出給進出料的控制閥裝置，并控制閥門裝置的開閉合程度，以實現對爐內溫度的自動控制。

2.2 溫度變送器

溫度變送器采用熱電偶、熱電阻作為測溫的元件，送到變送器模塊由測溫元件輸出信號，經過穩壓濾波、運算放大、非線性的校正、V/I轉換、恒流和反向保護等電路處理后，標準電信號與溫度成線性關系被轉換出來并輸出。把溫度的變化轉換為電量變化的元件稱為溫度傳感器，本設計采用的是鉑熱電阻PT100，其是一種熱電阻式溫度傳感器，應用極廣，它是把溫度變化換算成電阻變化的一種測溫元器件。

2.3 PLC及模擬量擴展模塊

PLC是計算機家族中的一員，其是為工業控制應用而設計制造出來的，代替繼電器實現邏輯控制是它主要的作用。

3 加熱爐控制系統軟件設計

3.1 設計思路

PLC采用的是S7-200系列CPU224，采用1個系統指示燈和2個按鈕來控制，并顯示系統的運行狀態。檢測加熱爐中爐內和通道的溫度由溫度變送器來負責，1～5V的電壓信號由此溫度信號轉化而來，經過PLC模數轉換后進行標度變換，變成實際的溫度值，然后運行PID雙閉環串級算法，根據PID的輸出值來控制進出料量的閥門開度裝置的開閉程度來控制爐內的溫度，實現對爐溫控制調節的目的。

3.2 主程序

主程序的主要任務：手動控制完成系統的啟動與停止以及系統運行的指示，并實現對其他子程序有效調用的任務。在主程序中沒有用到局部變量，主程序流程如圖1所示。

圖1 主程序流程

3.3 PID子程序

STEP 7-Micro/WIN是S7-200下的編程軟件，其提供PID Wizard，可用來幫助用戶快捷地產生一個閉環控制過程PID控制算法。經此向導可完成絕大多數的PID運算自動編程工作，調用PID向導生成的子程序，這一工作用戶只需在主程序中進行調用，PID控制任務便可順利完成。

PID子程序在指令樹中的位置如圖2所示，將PID子程序從指令樹中直接拖放到主程序的相應梯級中，并且應使子程序EN位由SM0.0無條件使能，否則不能調用PID子程序，如圖3所示。回路過程的變量值地址用PV位表示，也可以說是采集系統爐內和管道內部溫度值的數字量地址。回路給定值的地址用SP位表示，即系統想要達到的溫度值地址。Output位是回路輸出值的地址。

圖2 PID子程序在指令樹中的位置

圖3 調用PID子程序

4 上位機設計與調試

4.1 上位機與下位機的通信連接

雙擊“新建”，在此設備中，設備配置向導會顯現。第一步單擊PLC，選擇西門子項目下的S7-200系列，選擇PPI的通信協議，而后點擊“下一步”。邏輯名稱PLC224的文件被創建，之后點下一步。COM4是本設計中所選用的串口，之后點下一步。地址被配置為2:0，其中，2代表了PLC的地址；通信波特率9.6kbps被0表示，在STEP 7-Micro/WIN系統塊里的通信端口中，其具體項目可以找到，包括當前波特率he PLC地址。之后點下一步直至完成向導，這樣以來就成功設置通信連接。其中，配置向導的過程如圖4所示。

4.2 組態王工程的建立和調試

本設計主要是在計算機的組態王軟件上設計上位機界面，人們需要學會利用組態王軟件，其主要的設計過程如下。

4.2.1 創建項目

在組態王軟件中新建一個工程項目，將其命名為“PIDXiangDao”。

4.2.2 建立新畫面

打開新建的項目，在其“畫面”中建一個新的畫面“ShiShiJianKong”，在畫面中將各個需求的組件添加進來，如加熱爐、管道、電泵、進出料池、啟停開關、指示燈、溫度值、實時曲線等，圖5是其完成后的畫面。

5 結論

筆者成功地運用西門子公司的S7-200系列PLC和組態王設計了一個可以開展上位機監控的加熱爐控制系統。系統采用串級PID控制，運用粗調及細調得到一個反應比較迅速、控制精度較高的溫度控制系統。組態王操作方便，有利于人們直觀地觀察溫度變化曲線和控制溫度。本設計在理論上能夠滿足實時顯示與自動控溫的項目需求，所以它可以說是成功的。

圖4 設備配置向導過程

圖5 組態王顯示控制界面

當然，本控制系統還有不足的地方：人機界面內容不夠豐富，例如，不能在人機界面中設定其PID參數，沒有報警與報表界面等。在未來的研究過程中，人們可以深入分析更加先進的控制算法，獨立使用或者和本此設計的PID算法結合使用，以期達到更佳的控制效果。