基于PID溫控系統的加熱元件故障自動報警方案

王大煒，羅志孝

（廣東亨通光電科技有限公司，廣東東莞 523000）

0 引言

隨著制造業自動化、信息化程度的提高，通過PLC進行溫度控制的系統已成為不可或缺的一部分，凡是需要用到恒溫控制的地方，無論是溫控表控制還是基于PLC編程的溫度控制，都離不開PID調節的控制方法。對于擠出機上運用PLC進行PID溫控來說，加熱元件故障的排查是目前的首要任務，深入分析該系統的結構，探索出一種加熱元件故障自動檢測、自動報警、自動定位的方法。

1 PID溫控系統的特點

PID是一種比例、微分、積分控制方法，PID控制是根據設定值和實際值之間的偏差，將偏差按比例、積分、微分通過線性組合對被控制對象進行調節，調節力度時大時小、時有時無。溫控系統由溫度控制器（采用PLC編程）、加熱元件、被加熱對象、散熱風機組成，而PID溫控系統的最大特點是加熱信號是脈沖形式，時開時斷、時有時無。因此PID調節過程中的加熱電流并不是一直與加熱元件的額定電流相等，同樣是時大時小、時有時無。因此不能簡單的通過電流表去檢測加熱電流的大小來判斷加熱元件的好壞。

2 擠出機溫控的基本結構

擠出機溫控的基本結構如圖1所示，溫控部分是安裝在擠出機的螺膛上，根據螺膛的長短，加熱區有不同的數量，以5個區為例，每個區安裝有4塊鑄鋁加熱塊，一共20塊加熱塊，每個區安裝有1個熱電偶，安裝在4塊加熱塊的中間縫隙中，其中熱電偶探頭插入螺膛內，用于檢測該位置螺膛內的溫度。螺膛是圓柱形，每個區由4塊加熱塊環抱著螺膛進行加熱。

圖1 擠出機溫控的基本結構

3 現有溫控系統存在的缺陷

擠出機螺膛溫度對所擠出塑料的成型、光滑度、塑化等指標有著決定性的作用。但由于每個區僅有一個熱電偶、且監測點僅有一個，當出現某塊加熱塊故障時，由于其余3塊正常工作，所以熱電偶檢測到的溫度還是正常的，甚至壞了2塊加熱塊，熱電偶還是不能反映出來，因此，該溫控系統的缺陷是，無法及時發現加熱元件故障，同樣無法及時知道哪個區加熱元件出現故障。當出現某一塊加熱元件故障時，該區域就無法充分融化塑料，影響產品質量。

4 加熱元件故障自動報警方案

4.1 硬件連接

擠出機溫度控制的電氣連接如圖2所示，每個加熱區的4個加熱塊采用并聯方式連接，每個區安裝一個電流互感器，互感器信號接入智能電表中，由于一個智能電表可以接3路互感器，因此5個加熱區可以采用2個智能電表。

圖2 擠出機溫度控制的電氣連接

4.2 控制設計

4.2.1 通信設計

智能電表一般支持Modbus通信協議和PN通信協議，如果是Modbus通信協議，可以采用協議器經過協議轉換成PN通信，再與S7-300PLC進行通信。如果是PN通信，可以直接與西門子S7-300PLC通信。

4.2.2 程序設計思路

程序設計的總體思想是將智能電表通信過來的實時加熱電流，與加熱元件標準的額定電流進行比較，實際值比額定值小，則加熱元件出現故障，實際值≥額定值，則加熱元件工作正常。但由于PID系統的加熱電流，時大時小、時有時無，因此這是首要須解決的問題，解決方案是每隔2.5 h，關閉PID調節功能3 s，這3 s內采用持續加熱，為避免出現電流不穩定，取這3 s內第2 s的電流值與額定進行比較。

4.2.3 程序設計

基于西門子S7-300PLC和博圖編程軟件的基礎上進行說明，若采用其他控制器或者軟件，可以參照程序編寫思路進行開發。

（1）隔1 h檢測一次程序設計如圖3所示，每隔1 h，觸發一次檢測程序,之所以采用每隔1 h檢測一次主要有兩方面原因，一是檢測太過于頻繁，會影響PID溫度調節系統的穩定性，二是1 h檢測一次能及時的發現故障點，不會因時間太長導致故障擴大。

圖3 隔1 h檢測一次程序設計

（2）隔1 h強制加熱3 s程序設計如圖4所示，每隔1 h，觸發一次檢測程序，每檢測一次強制加熱3 s。此次強制加熱3 s，主要是在實際測試過程中，若時間太短，沒法采集到穩定電流，若時間太長，會出現加熱溫度超過限制值的情況，測試過程中3 s正好在合理范圍之內。

圖4 隔1 h強制加熱3 s程序設計

（3）強制加熱3 s取第2 s程序設計如圖5所示，取強制加熱3 s中的第2 s的電流值作為穩定的實際電流值。持續加熱3 s，第1 s時加熱突然啟動，此處的電流不穩定，因此不能采集，第3 s是已經在加熱結束，電流偏小，此處電流也不能采集，而第2 s的電流更加接近所需值，因此采用第2 s電流。

圖5 強制加熱3 s取第2 s程序設計

（4）實際電流與額定電流比較程序設計如圖6所示，采用條件判斷語句，比較實際電流與額定電流大小，實際電流小于額定電流，則PLC輸出報警信號，由于每個區的加熱電流均有檢測，因此，可以精準的報警到是哪個加熱區出現報警。每個區間的實際加熱電流與額定電流相比較，判斷是否觸發報警。

圖6 實際電流與額定電流比較程序設計

4.2.4 應用實例

（1）硬件架構。65型擠出機共有5個加熱溫區，每個溫區包含有2個2.5 kW的鑄鋁加熱塊，合計5 kW/區，鑄鋁加熱塊的工作電源是采用220 V的交流電，互感器采用穿孔式電量互感器霍爾傳感器0～200 A，單項交流電流變送器4～20 mA輸出。智能電表采用科陸CL7390N型，支持Modbus485通信，為增加該系統的時效性和穩定性，在智能電表與S7-300PLC通信時，采用協議轉換器，將智能電表的485Modbus通信協議轉換為TCP/IP通信，實例采用beijer的BoX2 base型協議轉換器。

（2）軟件配置。協議轉換器采用iX Developer軟件進行配置，打開軟件，點擊控制器，選擇添加一路西門子PLC通信協議，名稱改為PLC300，點擊設定配置300PLC的通信IP地址。選擇添加兩路Modbus通信協議，分別命名為智能電表1和智能電表2，并點擊設定配置Modbus通信地址和波特率和數據格式。通信協議轉換配置如圖7所示：

圖7 通信協議轉換配置

通信配置完成，開始配置變量，按智能電表的通信協議進行配置。點擊變量，在變量一列按5個區的名稱輸入變量名稱，在智能電表1列分別輸入400 016、400 018、400 020（智能電表通信協議，16代表A向檢測電流，18代表B向檢測電流，20代表C向檢測電流），在智能電表2列，分別輸入400 016、400 018，代表四區、五區電流，在方向一列，勾選從智能電表1到PLC300和從智能電表2到PLC300，此處代表通信數據的流量是由智能電表流向PLC300。變量配置如圖8所示。

圖8 變量配置

（3）運行監測。設備運行即開始啟動加熱監測系統，經過模擬測試，當系統出現一區加熱器故障報警時，對加熱器電流進行人工復驗，結果數據見表1。

表1 結果數據

若出現其中一個加熱元件壞，則實際檢測電流將會與額定電流出現較大差距，通過程序數據比較，便能判斷出加熱元件是否損壞。同時也驗證了該系統的準確性和可靠性。

5 結束語

該方案采用間歇性關閉PID調節功能，采用短時間內持續加熱的方法，以提取出在額定功率、額定電壓下的實際電流，同時配合智能電表、互感器和協議轉換器采集實際加熱電流，再通過PLC運算比較，若出現實際電流小于額定電流，PLC則自動輸出報警信號，同時可以明確報警故障加熱區。為不影響PID溫控系統的穩定性，在程序設計上，可以采用半天一次或者一天一次的循環檢測方法，既能及時檢測故障現象又不影響PID控制系統。該方案可以實現加熱元件的故障自動報警，不僅可以運用在擠出機加熱控制上，也可以運用在其他PID溫度控制系統上。