基于HMI的PLC温度控制系统的设计

论文导读：

     型号的选型方面;实现WINCC和操作员之间的通讯;温度控制在电子、冶金、机械等工业领域的应用非常广泛;PID控制器;基于HMI的PLC温度控制系统的设计
关键词：PLC，WINCC，温度控制，PID

引言
　　温度控制在电子、冶金、机械等工业领域的应用非常广泛。由于工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。科技论文，PID。目前，仍有很多工业企业在用窑、炉等烘干生产线，存在着精度不高、炉内温度均匀性差等问题，达不到工艺要求，造成装备运行成本高，产出品质低，严重影响企业的经济效益[1]。随着计算机技术的发展，国内外对温度控制器进行广泛的研究并取得了巨大的发展。在工业领域中，PLC的可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高等特点广泛应用于现代化的工业领域中[2]。目前，PLC作为现场的控制设备，用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用HMI软件完成工业控制状态。这种监控系统充分利用了PLC和计算机各自的特点，得到了广泛的应用。基于PLC的下位机和完成HMI的上位机相结合来实现温度自动控制。
　　1硬件配置
　　PLC型号的选型
　　本温度控制系统选择了德国西门子公司的S7-200系列，该系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。此系统选用S7-200CPU226，CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模拟量，具有PID控制器[4]。
　　 热电式传感器
　　热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置，该系统中需要用传感器将温度转换为电压，且炉子的温度最高达几百度。国际标准的热电偶有S、B、E、K、R、J、T七种类型，在本系统中选用了K型热电偶，其测温范围大约是0 -1000℃。
　　EM231模拟量输入模块
　　本温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成0-41mv的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里，我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。
　　EM231模块需要用户通过DIP开关进行选择的有：热电偶的类型、断线检查、测量单位、冷端补偿和开路故障方向，用户可以很方便地通过位于模块下部的组态DIP开关进行以上选择，如图3-1所示：我们设置DIP开关为00100000。
　　对于EM231 4TC模块，SW1～SW3用于选择热电偶类型，SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿[5]。
　　为了使DIP开关设置起作用，用户需要给PLC的电源断电再通电。
　　I/O点 分配及电气连接图
　　（1）该温度控制系统中I/O点分配表1：
　　表1 I/O点分配
　　

（2）系统整体设计方案及硬件连接图。系统采用PLC CPU226系列，K型热电偶将检测到实际炉温转化为电压信号，经过EM231模拟量输入模块转换成为数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉温的控制。如图1所示：
　　图1 硬件连接图
　　PID控制及参数整定
　　比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基本的控制规律，具有反映速度快、控制及时的特点，但不能消除余差。积分控制可以消除余差，但有滞后特点，不能快速对偏差进行有效的控制。微分作用是对偏差的变化速度加以响应，及时克服干扰、抑制偏差的增长、提高系统的稳定性，但微分控制不能消除余差。将三种方式组合起来，就是比例积分微分控制[6]，其数学表达式：
　　
　　为PID回路的输出，为比例系数P，为积分系数I，为微分系数D
　　此时温度系统已确认了，在系统使用之前，还需要进行控制器的参数整定。归纳起来可分为工程整定法和理论计算整定法。理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。
　　经验整定法实际上是一种经验凑试，法它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，如表2所示:
　　表 2温度控制器参数经验数据
　　

整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，得到反应快、超调小的响应曲线.整定积分将比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。科技论文，PID。减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。整定微分环节先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑获得满意的控制效果和PID控制参数。
　　根据反复的试凑，调出比较好的结果是P=120. I=3.0 D=1.0。[7]
　　2程序设计
　　设计思路
　　

PLC采用的是的S7-200 CPU是226系列，采用了5个灯来显示过程的状态，分别是运行灯，停止灯、温度正常灯、温度过高（警示灯）灯、和加热灯，可以通过5个灯的开关状况判断加热炉内的大概情况。PLC运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲，将温度设为定值，PID参数值等，存入有关寄存器，使定时器复位；按启动按钮，系统开始温度采样，采样周期为10秒。科技论文，PID。K型传感器将所测温度转换成电压送入PLC，经程序测量后得出实际温度T。程序流程图如图2所示。科技论文，PID。
　　图 2 程序流程图
　　3 组态界面
　　本系统上位机监控软件选用了西门子工控组态软件WINCC SP2 6.0。其自动化过程保持对过程的实际控制，一方面实现WINCC和操作员之间的通讯，另一方面，实现WINCC和自动化系统之间的通讯。科技论文，PID。组态后主界面、数据报表和历史趋势图如图3所示。科技论文，PID。当前主界面的炉膛温度为747℃，炉出口温度为864℃，底料层温度为836℃、中料层温度为844℃、上料层温度为829℃。
　　图3

组态软件主画面
　　4 结论
　　本系统运用了WINCC和S7-200设计了一个人机监控的温度控制系统，系统采用位置式PID控制，结合了粗调和微调思想，得到了一个反应迅速，控制精度高、稳定可靠的温度控制系统。实验表明，使用粗调和微调程序控制的系统比只使用单一PID参数控制的系统性能更为优越，它具有更小的最大超调量和调节时间。通过实时趋势曲线可以很好地了解系统的动态特性；通过历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作；报表系统反应了系统的实时和历史的运行情况；报警功能使得系统运行更为安全，设计实验结果符合我们的期望。