劉　瑞

摘要：在以PLC控制為核心、三相調(diào)壓模塊為基礎(chǔ)的溫度自動控制系統(tǒng)中，PLC將鍋爐內(nèi)膽溫度設(shè)定值與溫度傳感器的測量值之間的偏差經(jīng)PID運算后得到的信號控制三相移相SCR調(diào)壓裝置，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實現(xiàn)溫度自動控制的目的。文章介紹了在實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中基于S7-200溫度控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：PLC；溫度控制；PID調(diào)節(jié)器；S7-200；三相移相SCR調(diào)壓裝置；溫度傳感器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）15-0053-03

隨著人才培養(yǎng)模式的不斷完善，高職高專教育越來越注重實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)。為適應(yīng)新型教育和社會人才需求，越來越多的高職院校從理論教學(xué)逐步走向?qū)嵺`教學(xué)，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)已成為高職教育極其重要的環(huán)節(jié)。

為適應(yīng)這一要求，充實和加強安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院生產(chǎn)過程自動化專業(yè)的實訓(xùn)環(huán)節(jié)，筆者設(shè)計了一個基于PLC的溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式對鍋爐內(nèi)膽溫度進行檢測控制，是集自動控制、PLC和自動檢測技術(shù)為一體的綜合應(yīng)用實驗系統(tǒng)，為提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力提供了良好的實驗實訓(xùn)平臺。

一、系統(tǒng)硬件組成及工作原理

（一）系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)由S7-200型PLC、三相移相SCR調(diào)壓裝置、鉑熱電阻溫度傳感器、AI-808變送器及其他控制設(shè)備組成。系統(tǒng)方框圖如圖1所示：

（二）工作原理

被控對象為鍋爐內(nèi)膽溫度，溫度傳感器檢測鍋爐內(nèi)膽的溫度信號，轉(zhuǎn)換成4～20mA電信號，經(jīng)AI-808變送器將電流信號轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓信號送入PLC模塊。PLC把這個測量信號與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運算后，發(fā)出控制信號，控制三相移相SCR調(diào)壓裝置。三相移相SCR調(diào)壓裝置采用三相可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為4～20mA標準電流信號，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電壓，從而實現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制。

（三）PID控制器的實現(xiàn)

德國西門子公司S7系列PLC有很強的模擬量處理能力和數(shù)字運算功能，功能強、速度快、擴展靈活，并具有緊湊的、無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)，因而在國內(nèi)工控現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。

在本裝置中采用了S7-200控制系統(tǒng)。 S7-200是一種疊裝式結(jié)構(gòu)的小型PLC。本控制系統(tǒng)包括一個CPU224主機模塊和一個EM235模擬量I/O模塊，以及一根PC/PPI連接線。其中CPU224模塊帶有14點開關(guān)量輸入和10點開關(guān)量輸出，EM235模擬量擴展模塊帶有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出。

二、軟件設(shè)計

（一）PID算法

PID控制器是比例-積分-微分控制器的簡稱。積分控制器可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制器可以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。比例、積分、微分三者有效地結(jié)合可以滿足不同的控制要求。在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，模擬信號PID調(diào)節(jié)是常見的一種控制方式。

（二）PID的數(shù)字化處理

PLC的PID控制器設(shè)計是以連續(xù)系統(tǒng)PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，經(jīng)采樣將其數(shù)字化寫成離散形式PID控制方程，再根據(jù)離散方程進行控制程序設(shè)計。典型的PID算法包括3項，比例項、積分項和微分項。即：輸出＝比例項＋積分項＋微分項。計算機在周期性地采樣并離散化后進行PID運算，算法如下：

Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）

比例項Kc*（SPn-PVn）：能及時地產(chǎn)生與偏差（SPn-PVn）成正比的調(diào)節(jié)作用，比例系數(shù)Kc越大，比例調(diào)節(jié)作用越強，系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定精度越高，但Kc過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。

積分項Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：與偏差有關(guān)，只要偏差不為0，PID控制的輸出就會因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以積分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但積分的動作較慢，給系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定帶來不良影響，很少單獨使用。積分時間常數(shù)Ti增大，積分作用越強，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。

微分項Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分）進行調(diào)節(jié)，具有超前和預(yù)測的特點。微分時間常數(shù)Td增大時，超調(diào)量減少，動態(tài)性能得到改善，但Td過大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時可能上升緩慢。

許多控制系統(tǒng)內(nèi)，可能只需要P、I、D中的一種或兩種控制類型。如可能只要求比例控制或比例與積分控制，通過設(shè)置參數(shù)可對回路進行控制類型進行選擇。

（三）程序設(shè)計

S7-200系列PLC提供了閉環(huán)控制PID的運算指令，學(xué)生設(shè)計時只需要在PLC的內(nèi)存中填寫一張PID控制參數(shù)表再執(zhí)行“PID Table Loop”即可完成PID運算，其中操作數(shù)Table表使用變量存儲器來指明控制參數(shù)表的表頭字節(jié)，操作數(shù)Loop只可選擇0～7號的整數(shù)，表示本次PID閉環(huán)控制所針對的環(huán)路編號，最多8路。學(xué)生實驗時在上位機監(jiān)控界面輸入不同的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，觀察在不同的調(diào)節(jié)參數(shù)下的自動控制效果。記錄各個實驗數(shù)據(jù)，并分析比較，得出最佳的PID參數(shù)：

主程序

LDSM0.1

CALLSBR0

子程序（建立PID回路參數(shù)表，設(shè)置中斷以執(zhí)行PID指令）

LDSM0.0

MOVR VD204，VD104

MOVR VD212，VD112

MOVR 0.1，VD116

MOVR VD220，VD120

MOVR VD224，VD124

MOVB 100，SMB34

ATCHINT0，10

ENI

中斷程序（執(zhí)行PID指令）

LD SM0.0

ITDAIW0，AC0

DTRAC0，AC0

/R320000.0，AC0

MOVR AC0，VD100

LDI0.0

PID VB100，0

LDSM0.0

MOVR VD108，AC0

*R32000.0，AC0

ROUND AC0，AC0

DTIAC0，AC0

MOVW AC0，AQW0

三、結(jié)語

基于PLC的溫度自動控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了PLC內(nèi)置式PID運算模塊的優(yōu)勢，可自動調(diào)節(jié)三相調(diào)壓模塊的輸出電流，控制電加熱器的加熱電壓，實現(xiàn)溫度的連續(xù)控制。該溫度控制實驗系統(tǒng)綜合應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中所涉及到的相關(guān)知識，在實訓(xùn)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，使學(xué)生通過設(shè)置調(diào)節(jié)PID參數(shù)能夠更好地理解PID控制的作用，實現(xiàn)的方法及具體實現(xiàn)的過程。該系統(tǒng)直接與現(xiàn)場儀表連接，采集現(xiàn)場信號，模擬了實際自動化生產(chǎn)過程，讓學(xué)生在實訓(xùn)中能夠接觸到自動控制在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。在實際的實驗實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中也收到了良好的效果。

參考文獻

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