劉潔

摘 要：隨著科技的進(jìn)步，作為繼電器替代品的PLC得到了迅速的發(fā)展。如今的PLC并不僅僅只有邏輯控制的功能，它以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)控制等多種技術(shù)，并且廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱（PLC、工業(yè)機(jī)器人、CAD＼CAM）之一。本文以西門子公司S7-200系列PLC為控制器，以鍋爐為被控對(duì)象，鍋爐出口水溫為主被控參數(shù)，爐膛內(nèi)水溫為副被控參數(shù)，加熱爐電阻絲電壓為控制參數(shù)，構(gòu)成鍋爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng);采用PID算法，運(yùn)用PLC梯形圖編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的自動(dòng)控制。

關(guān)鍵字：可編程控制器; 串級(jí)控制系統(tǒng);組態(tài)軟件

如今，電熱鍋爐的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，它的質(zhì)量好壞由其性能決定。目前電熱鍋爐多數(shù)以微處理器為核心，不僅可以提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，又能提高設(shè)備的控制精度。

PID控制因?yàn)槠淇煽啃愿?、算法?jiǎn)單、魯棒性好的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制中。它的效果完全取決于其四個(gè)參數(shù)，即采樣周期、比例系數(shù) 、積分系數(shù)和微分系數(shù)。因此，PID參數(shù)的整定一直是自動(dòng)控制領(lǐng)域的重中之重。在PID算法當(dāng)中，關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)于P、I、D三個(gè)參數(shù)的優(yōu)化和整定。

1 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟

（1）熟悉被控對(duì)象，制定控制方案分析被控對(duì)象的工藝過(guò)程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，確定被控對(duì)象對(duì) PLC控制系統(tǒng)的控制要求。

（2）確定I/O設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入（如按鈕、行程開關(guān)、選擇開關(guān)等）和輸出設(shè)備（如接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等）由此確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。

（3）選擇PLC 選擇時(shí)主要包括PLC機(jī)型、容量、I/O模塊、電源的選擇。

（4）分配PLC的I/O地址 根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)需要，確定控制按鈕，選擇開關(guān)、接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等各種輸入輸出設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量;根據(jù)所選的PLC的型號(hào)列出輸入/輸出設(shè)備與PLC輸入輸出端子的對(duì)照表，以便繪制PLC外部I/O接線圖和編制程序。

（5）設(shè)計(jì)軟件及硬件進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行控制柜（臺(tái)）等硬件的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。由于程序與硬件設(shè)計(jì)可同時(shí)進(jìn)行，因此，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短，而對(duì)于繼電器系統(tǒng)必須先設(shè)計(jì)出全部的電氣控制線路后才能進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。

（6）聯(lián)機(jī)調(diào)試：聯(lián)機(jī)調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過(guò)的程序進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。

1.2PLC程序設(shè)計(jì)的一般步驟

（1）繪制系統(tǒng)的功能圖。

（2）設(shè)計(jì)梯形圖程序。

（3）根據(jù)梯形圖編寫指令表程序。

（4）對(duì)程序進(jìn)行模擬調(diào)試及修改，直到滿足控制要求為止。調(diào)試過(guò)程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。

1.3系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案和電氣連接圖

本系統(tǒng)選用了S7-200PLC CPU 226為控制器，PT100鉑電阻將檢測(cè)到的鍋爐水溫轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，然后通過(guò)EM235模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號(hào)，最后送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出電流信號(hào)（0～10mA）輸入可控硅電壓調(diào)整器或者通過(guò)觸發(fā)板改變可控硅管的導(dǎo)通角來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，從而調(diào)節(jié)電熱絲的加熱。PLC與組態(tài)王連接，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。整體設(shè)計(jì)方案如圖1：

1.4控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

本控制系統(tǒng)中，TT1（出口溫度傳感器）將檢測(cè)到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)傳入EM235模塊的A路，TT2（爐膛溫度傳感器）將檢測(cè)到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)傳入EM235模塊的B路。兩路模擬信號(hào)通過(guò)EM235轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入PLC，然后PLC再通過(guò)PID模塊進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制。

PLC的串級(jí)控制系統(tǒng)方框如圖2所示：

1.5 PID控制及參數(shù)整定

1.5.1PID控制器組成

PID控制器：由比例單元P、積分單元I、和微分單元D組成。主要適用于線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間改變的系統(tǒng)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（1） 比例系數(shù)Kc對(duì)系統(tǒng)性能的影響：

增大比例系數(shù)Kc，一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有靜差的情況下有利于減小靜差?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)K。但過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生震蕩，使穩(wěn)定性變壞。

（2） 積分控制Ti對(duì)系統(tǒng)性能的影響：

增大積分時(shí)間Ti，有利于減小超調(diào)，減小震蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。

（3） 微分控制Td對(duì)系統(tǒng)性能的影響：

增大微分時(shí)間Td，亦有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)減小，克服震蕩，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的控制能力減弱，對(duì)擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)。

1.5.2 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文中我們利用 STEP7--Micro/WIN V4.0 SP6編程軟件。

PLC運(yùn)行時(shí)，通過(guò)SM0.0產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行初始化，將溫度設(shè)定值，PID參數(shù)值等存入數(shù)據(jù)寄存器，隨后系統(tǒng)開始溫度采樣，周期是17秒，TT1（出口水溫溫度傳感器）將采集到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)通過(guò)AIW0進(jìn)入PLC，作為主回路的反饋值，經(jīng)過(guò)主控制器（PID0）PI運(yùn)算產(chǎn)生輸出信號(hào)，為副回路的給定值。TT2（爐膛水溫傳感器）將采集到的爐膛水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)在通過(guò)AIW2進(jìn)入PLC，作為副回路的反饋值，經(jīng)過(guò)副控制器（PID1）的P運(yùn)算產(chǎn)生輸出的信號(hào)，由AQW0輸出，輸出的4-20mA電流信號(hào)控制可控硅的導(dǎo)通角，控制電熱絲的電壓，完成對(duì)溫度的控制。

3組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)于系統(tǒng)測(cè)試

3.1.新建設(shè)備

因?yàn)榻M態(tài)畫面要與西門子S7-200 PLC連接之后才能使用，所以要新建S7-200的連接;

3.2新建變量

要實(shí)現(xiàn)組態(tài)王對(duì)S7-200的在線監(jiān)控，就先必須建立兩者之間的聯(lián)系，那就需要建立兩者間的數(shù)據(jù)變量。基本類型的變量可以分為“內(nèi)存變量”和I/O變量?jī)深?。?nèi)存變量是組態(tài)王內(nèi)部的變量，不跟被監(jiān)控的設(shè)備進(jìn)行交換。而I/O變量是兩者之間互相交換數(shù)據(jù)的橋梁，S7-200和組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換是雙向的。

3.3新建主畫面

3.4新建PID參數(shù)設(shè)定窗口

3.5新建實(shí)時(shí)曲線

3.6系統(tǒng)測(cè)試

組態(tài)王和PLC編程軟件不能同時(shí)啟動(dòng)，因?yàn)樗麄兪褂玫氖峭粋€(gè)端口，要想在線利用組態(tài)王監(jiān)控程序，那就先必須在關(guān)閉組態(tài)王的情況下，先把PLC程序下載到PLC中，并且運(yùn)行程序，再把編程軟件關(guān)閉，才可以啟動(dòng)組態(tài)王，這樣就可以利用組態(tài)王在線監(jiān)控了。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用西門子S7-200PLC和組態(tài)王設(shè)計(jì)了一個(gè)人機(jī)監(jiān)控的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用串級(jí)PID控制，利用粗調(diào)和細(xì)調(diào)，得到了一個(gè)反應(yīng)比較迅速，控制精度比較高的溫度控制系統(tǒng)。

組態(tài)王操作方便，有利于我們比較直觀的觀看控制曲線和溫度的變化。其中的報(bào)表、歷史曲線和報(bào)警顯示都是在當(dāng)今工業(yè)控制中常用的。

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