季廣港,劉建磊,林 立

（山東交通學院軌道交通學院，山東 濟南 250000）

1 引言

回轉干燥窯是生產稀土拋光粉的重要設備，目前國內大多數(shù)企業(yè)都是通過現(xiàn)場的智能儀表實現(xiàn)對回轉干燥窯的控制，然而智能儀表在現(xiàn)場占地面積大、價格昂貴、操作復雜，越來越不能滿足高效率生產的需要。

隨著科技的飛速發(fā)展，越來越多的機器與現(xiàn)場操作都趨向于使用人機界面，而PLC控制器強大的功能及復雜的數(shù)據(jù)處理也要求有一種功能與之相匹配而操作簡單的人機界面。觸摸屏的出現(xiàn)無疑是21 世紀自動化領域一個巨大革新[1]?？删幊炭刂破鳎≒LC）和觸摸屏結合在惡劣的生產環(huán)境中，其穩(wěn)定性及抗干擾性較智能儀表有明顯的優(yōu)勢[2]。所以觸摸屏和PLC結合使用將會實現(xiàn)一個雙贏的效果。

觸摸屏是一種十分方便的人機交互方式，其操作速度快、節(jié)約空間，同時能夠減少開關、儀表等數(shù)量，對于實現(xiàn)PLC應用的可視化、靈活化有著重要的意義[3]。

2 系統(tǒng)的組成

采用S7 1200 CPU 1215 DC/DC/DC和西門子觸摸屏組成的系統(tǒng)控制回轉干燥窯的溫度和流量。用K 型熱電偶作為溫度傳感器測出干燥窯的溫度信號（熱電偶測出信號為mV 級的電壓信號），然后將這個較小的溫度信號送入溫度變送器將其轉換為4-20mA的電流信號；用流量計測出干燥窯的流量信號并將其轉換為4-20mA電流信號；將這兩個電流信號分別送入PLC 的模擬量輸入端，經過PLC 的處理，PLC 會輸出兩個4-20mA 的電流信號來分別控制燃氣閥門和流量閥門的開度大小，系統(tǒng)通過控制燃氣閥門和流量閥門開度分別控制通入干燥窯中天然氣和相關介質的數(shù)量，從而實現(xiàn)對干燥窯溫度和流量的控制。在控制閥門開度的同時，還要將閥門開度信號送入PLC 模擬量輸入通道，以便檢測燃氣閥門和流量閥門的實際開度。在PLC數(shù)字量輸入端子上要分別設置變頻器通電、運行、故障指示等端子以及系統(tǒng)啟動模式（手動/自動）的設置；在PLC數(shù)字量輸出端子上要設置報警功能?？刂葡到y(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

西門子觸摸屏選用KTP600 Basic 型號，是用于中小型S7-1200 PLC控制器系統(tǒng)的理想HMI組件，可以用于Profibus 或Pronet 環(huán)境的HMI 功能，是一款170 系列界面的低價格替代品，可以提供500個變量的HMI基本功能性（記錄、報警、趨勢曲線）。人性化的交互界面，方便操作人員集中觀察[4]。觸摸屏以其易于操作、堅固耐用、反應速度快、節(jié)省空間等優(yōu)點，使其在工業(yè)控制領域得到了廣泛應用[5-6]。

干燥窯的回轉速率由變頻器調速實現(xiàn)，分為高速、中速和低速三個速率等級，變頻器為三菱FR-E740型變頻器，方向設置為正轉（STF），通過變頻器上的頻率設定端子4（電流）設定變頻器運行頻率，通過變頻器端子5（電壓）輸出變頻器檢測頻率，同時將檢測頻率送入PLC對其進行檢測。

在配電室離現(xiàn)場操作設備比較近的情況下（大約100米的距離），通過網線建立PLC 和觸摸屏的通信，由于企業(yè)中PLC大多放置在配電室中，在現(xiàn)場是通過觸摸屏實現(xiàn)對設備的控制。觸摸屏用來顯示設備的運行狀態(tài)、設定工作參數(shù)、提供設備的運行方案切換信號和手動操作信號[7]。

3 系統(tǒng)的硬件設計

本次設計的控制系統(tǒng)選用可編程控制器S7 1200 CPU 1215 DC/DC/DC作為控制器，S7 1200系列的PLC是介于西門子S7 200和S7 300系列之間的獨具一定特色的緊湊型PLC，其主要面向簡單而精度比較高的自動化任務。由于需要對干燥窯溫度信號和流量信號進行采集、檢測及控制，所以要求有模擬量/數(shù)字量的輸入/輸出通道。S7 1200的CPU模塊選擇為1215DC/DC/DC，這個模塊有2 路模擬量輸入通道，14個數(shù)字量輸入點和10個數(shù)字量輸出點，其中2路模擬量輸入通道可接收信號類型為電壓/電流可選型，用于輸入變頻器的頻率設定和頻率檢測信號；數(shù)字量輸入/輸出點主要用于模式切換、報警功能以及變頻器的通電、運行、故障的顯示設置。擴展模塊為SM1234，具有4 路模擬量輸入通道和2 路模擬量輸出通道，其輸入/輸出通道均可接收信號類型為電壓電流（差動）可選型，電流信號接收范圍為0-20mA，可以滿足工藝要求。其中4 路模擬量輸入通道可以接收4-20mA 電流信號用于采集溫度信號和流量信號以及對燃氣閥門和流量閥門開度信號的檢測，2路模擬量輸出通道可以輸出4-20mA 電流信號用于控制燃氣閥門和流量閥門的開度。

由于系統(tǒng)中的CPU 1215 DC/DC/DC、觸摸屏、流量計等都需要24V 直流電源對其進行供電，然而電源電壓為220V 交流電，所以需要一個220/24V 的電壓控制器經過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等過程將220V 的交流電源轉換為24V的直流電源。

4 系統(tǒng)的軟件設計

4.1 PLC程序設計

PLC軟件程序設計是在西門子博途組態(tài)軟件中完成的，TIA 博途是西門子工業(yè)自動化集團發(fā)布的一款全新的全集成自動化軟件，它是業(yè)內首個采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境的自動化軟件，幾乎適用于所有的自動化任務，與傳統(tǒng)的方法相比無需花費大量的實間集成各個軟件包，同時也顯著降低了成本[8-9]。PLC 軟件程序采用功能模塊化設計，以溫度模塊控制為例，首先在在循環(huán)中斷塊中調用PID自動調節(jié)模塊，對PID自動調節(jié)模塊的變量類型、輸入/輸出通道地址及初始溫度值進行設置。PLC程序如圖2所示。

圖2 PLC梯形圖

在博途軟件中建立好程序功能塊以后，要對PLC和PC機的IP 地址進行一定的設置，使PLC 和PC 機的IP 地址要處于同一網段中，子網掩碼相同，例如PC 機的IP 地址為192．168．10．7，子網掩碼為255．255．255．0，那么PLC 的IP地址應該為192．168．10．X(X 為除了7 之外的另一個數(shù)字，保證PLC 與PC 機的IP 地址處于同一網段中)，子網掩碼為255．255．255．0。設置完成后將程序功能塊在線下載到S7 1200 PLC中，給被控制設備一個溫度設定值，這時PID溫度自動調節(jié)模塊就開始自動進行溫度的調節(jié)。整個調節(jié)過程分為預調節(jié)和精確調節(jié)，經過精確調節(jié)過程以后，系統(tǒng)溫度的超調量很小，調節(jié)效果良好。

4.2 不同設定溫度下的PID參數(shù)

PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例(P)、積分（I）、微分（D）計算出控制量進行控制的[10-11]。比例（P）控制是一種比較簡單的控制方式，其控制效果就是輸出與輸入的誤差信號成比例關系，同時還會使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分（I）控制中，輸出與輸入的誤差信號的積分成正比關系，同時積分作用還會使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，因此對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)引入積分作用是十分必要的。在微分（D）控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（誤差的變化率）成正比關系[12]，微分作用可以有效的改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。模擬PID控制器的原理圖如圖3所示，其中r（t）為系統(tǒng)的溫度給定值，c（t）為系統(tǒng)溫度的實際輸出值，u（t）為控制量（溫度）。

圖3 模擬PID控制結構圖

在實驗室進行整個設計過程的模擬實驗，用電阻式加熱爐（溫度可以加熱到2800攝氏度以下）代替現(xiàn)場的回轉干燥窯設備，將電阻式加熱爐分別加熱到200、400、600 攝氏度，觀測不同溫度下的PID參數(shù)值，其PID參數(shù)值如表1所示。

表1 PID參數(shù)表

由表1可以看出系統(tǒng)在不同設定溫度下，各設定溫度的PID 調節(jié)參數(shù)趨于穩(wěn)定，上下波動幅度很小，且博途軟件中的溫度調節(jié)曲線比較平穩(wěn)，經過精確調節(jié)，最終系統(tǒng)超調量大概在0．1左右變化，系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定，調節(jié)效果良好。

4.3 博途中遇到的問題及解決方法

①選用PLC的CPU時要選用V4．0以上的版本，V4．0以下的版本不能進行下載操作。

②博途軟件不支持S7-1200 系列PID 模塊的在線仿真，僅支持S7-300以上系列PID模塊的在線仿真。

③在CPU選型過程中一定要查看所選CPU的模擬量輸入/輸出通道分別支持什么信號以及信號的范圍值。

④PLC 在于其他設備進行以太網通訊時，應保證通訊伙伴的設備的IP地址在同一網段，子網掩碼相同。

5 結束語

PLC 和觸摸屏組成的干燥窯控制系統(tǒng)將具有強大控制功能的PLC和具有友好人機交互界面的觸摸屏進行了結合使用，大大減少了開關數(shù)量及復雜的電氣接線，提高了系統(tǒng)的安全可靠性，投入生產后即可以降低操作人員的勞動強度、改善工作環(huán)境，又在一定程度上提高了企業(yè)的生產效率。本文研究了PLC 和觸摸屏組成的干燥窯控制系統(tǒng)，旨在通過PLC和觸摸屏的組合控制來促進工控領域的發(fā)展。