摘要：介紹了由西門子公司S7-200系列PLC構(gòu)成的溫度控制器，并闡述了VB環(huán)境下計(jì)算機(jī)與PLC溫控系統(tǒng)的串行通信技術(shù)，給出了部分程序，通過實(shí)例表明，該系統(tǒng)可靠性高，監(jiān)控方便。
因?yàn)镻LC具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，成為了當(dāng)今及今后工業(yè)控制領(lǐng)域的主要手段和自動(dòng)化控制設(shè)備。在許多行業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，溫度控制都是要解決的問題之一。在一些熱處理行業(yè)，由于使用簡單的溫控儀表和溫控電路進(jìn)行控制，存在控制精度低、超調(diào)量大等缺點(diǎn)，這樣就造成了產(chǎn)品質(zhì)量不高，能源浪費(fèi)等問題。
基于PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的普及性和溫度控制的重要性，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的智能溫度控制系統(tǒng)，具有很廣的應(yīng)用空間。同時(shí)，由于PLC具有自身的一些缺點(diǎn)，即數(shù)據(jù)的計(jì)算處理和管理能力較弱，不能提供良好的用戶界面，因此妨礙了對現(xiàn)場溫度變化的跟蹤與監(jiān)控，而計(jì)算機(jī)可以很好的彌補(bǔ)的這一缺點(diǎn)。用計(jì)算機(jī)與PLC 組成的主從式實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮各自在工業(yè)控制中的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)分散控制、集中監(jiān)控等全新功能。本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列PLC，通過PLC串口通訊與計(jì)算機(jī)連接，監(jiān)控界面友好，運(yùn)行穩(wěn)定。
1 PLC溫度控制系統(tǒng)
在鍋爐溫度控制系統(tǒng)中，電加熱鍋爐是過程控制工業(yè)中常用的設(shè)備，其溫度控制也是過程控制的一個(gè)重點(diǎn)。PLC溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，PLC 通過加熱棒及風(fēng)扇分別控制爐子的加熱及降溫。計(jì)算機(jī)則實(shí)現(xiàn)目標(biāo)溫度的設(shè)定、動(dòng)態(tài)顯示、參數(shù)的設(shè)定等功能，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
信號處理、溫度調(diào)節(jié)等功能。在，溫一個(gè)溫度控制系統(tǒng)一般具有溫度信號采集、PLC的溫度控制系統(tǒng)中度信號的采集可以使用常用的溫度傳感器(熱電偶、熱電阻)。由溫度傳感器檢測來的信號不是標(biāo)準(zhǔn)的電壓(電流)信號，不能直接送給A/D轉(zhuǎn)換模塊。因此溫度傳感器采集到的溫度信號要經(jīng)過變送器的處理后才能被A/D轉(zhuǎn)換器識別并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號。根據(jù)所使用的溫度傳感器選用對應(yīng)的溫度變送器。S7-200系列PLC常用的模擬量輸入輸出混合模塊為EM235，EM235為4路模擬量輸入，1路模擬量輸出。PLC對溫度信號進(jìn)行處理后，通過模擬量模塊輸出電流信號，電流信號可以通過調(diào)壓器來控制電源的開度(即一周期內(nèi)的導(dǎo)通比率)，從而控制電源的輸出功率。加熱器根據(jù)電源輸出功率調(diào)節(jié)加熱強(qiáng)度，從而達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的效果。其系統(tǒng)如圖2所示。
3 溫度PID控制的實(shí)現(xiàn)
對于模擬量信號的控制PID(比例+積分+微分)算法控制。S7-200 系列PLC有專門的PID回路指令，對模擬量進(jìn)行PID控制十分方便。PID指令使用的算法:( n SP 為第n個(gè)采樣時(shí)刻的給定值，n為過程變量值，MX 為積分項(xiàng)值)
PID 指令根據(jù)表格(TBL)中的輸入和配置信息對引用LOOP執(zhí)行PID 循環(huán)計(jì)算。在執(zhí)行PID 指令前，要建立一個(gè)參數(shù)表，一般要對表1 中的參數(shù)進(jìn)行初始化處理。
在實(shí)際控制過程中，無論是給定量還是過程量都是工程實(shí)際值，它們的取值范圍都是不相同的。因此在進(jìn)行PID運(yùn)算前，必須將工程實(shí)際值標(biāo)準(zhǔn)化。PLC 在對模擬量進(jìn)行PID運(yùn)算后，對輸出產(chǎn)生的控制作用是在[0.0，1]范圍的標(biāo)準(zhǔn)值，不能驅(qū)動(dòng)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)裝置，必須將其轉(zhuǎn)換成工程實(shí)際值。
由于電加熱爐具有較大的延時(shí)性，所以采輸出值，0.0～1.012 Kc數(shù)正數(shù)雙字，實(shí)數(shù)I 回路增益，正、負(fù)常數(shù)16 Ts I 采樣時(shí)間，單位為s，正20 Ti I 積分時(shí)間常數(shù)，單位為min，24 Td I 微分時(shí)間常數(shù)，單位為min，正數(shù)式控制。大致采用三段控制: 第一段，開始階段置電源為滿開度，以最大的功率輸出克服熱慣性; 第二段，等到溫度達(dá)到一定值轉(zhuǎn)為PID控制; 第三段，接近設(shè)定點(diǎn)時(shí)置電源開度為0，提供一個(gè)保溫階段，以適應(yīng)溫度的滯后溫升。程序流程圖如圖3 所示，圖中X，Y根據(jù)實(shí)際設(shè)定。
PID參數(shù)的調(diào)節(jié)是很重要的，調(diào)節(jié)方法有很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法.它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握。在工程實(shí)際中，控制系統(tǒng)難以建立起精確的數(shù)學(xué)模型，所以一般采用工程整定法。PID參數(shù)的工程整定法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。在這里選用臨界比例度法，整定步驟如下: (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作; (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期; (3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。
4 PLC 與計(jì)算機(jī)通訊的設(shè)計(jì)
由于VB具有強(qiáng)大的圖形處理功能，界面可視化性強(qiáng)，而且操作簡單，容易實(shí)現(xiàn)，故采用VB來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信。其下位急是S7-200系列PLC，上位機(jī)是通過RS-232 串行口與PLC 相連的計(jì)算機(jī)。
4.1 PLC程序部分
S7-200 支持多種通訊模式，其中在自由口通訊方式下，用戶可以利用梯形圖程序中的接收完成中斷、發(fā)送完成中斷、發(fā)送指令和接收指令完成S7-200 系列PLC 與上位機(jī)的通訊。
PLC 的CPU 處于STOP 模式時(shí)，自由口通訊被禁止，只有當(dāng)CPU 處于RUN 模式時(shí)，才可使用自由口通訊。SMB30(這里選擇端口0)是自由口模式控制字節(jié)，用來設(shè)定校驗(yàn)方式、通訊協(xié)議、波特率等通訊參數(shù)。發(fā)送指令XMT 啟動(dòng)自由端口模式下數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送，它可以方便地發(fā)送1~255 個(gè)字符，如果有中斷程序連接到發(fā)送結(jié)束事件上，在發(fā)送完成后，端口0 會(huì)產(chǎn)生中斷事件9，也可以監(jiān)視發(fā)送完成狀態(tài)位SM45 的變化。接收指令RCV 可以初始化接收信息服務(wù)，通過指定的通訊端口接收信息并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。在接收完最后一個(gè)字符時(shí)，端口0 產(chǎn)生中斷事件23. PLC 初始化程序如下:
4.2上位機(jī)程序部分
VB 帶有專門管理串行通訊的MSComm 控件，利用它只需設(shè)置幾個(gè)主要參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)串行通訊。計(jì)算機(jī)采用VB編程，主要有監(jiān)控界面、當(dāng)前溫度顯示、動(dòng)態(tài)溫度曲線顯示、參數(shù)設(shè)置以及與PLC通信等方面的設(shè)計(jì)。通信參數(shù)設(shè)置程序如下:
MSComm1.CommPort = 1// 設(shè)置通訊口為COM1
MSComm1.Settings = "9600，n，8，1"//波特率9600bps，無奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)，1 位停止
MSComm1.InputLen = 8//一次讀取8 個(gè)字節(jié)
MSComm1.PortOpen= True//打開通信端口。計(jì)算機(jī)端的VB程序利用MSComm 控件與S7-200交換數(shù)據(jù)，通過自由口通訊程序從現(xiàn)場采集溫度信號。并且上位機(jī)程序可以設(shè)定初始溫度和PID參數(shù)、顯示動(dòng)態(tài)溫度曲線。程序運(yùn)行界面如圖4所示。
5 結(jié)束語
本文介紹了基于S7-200系列PLC的智能溫度控制器系統(tǒng)。闡述了溫度控制的實(shí)現(xiàn)方法。介紹了VB環(huán)境下實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC溫度監(jiān)控系統(tǒng)的串行通信的技術(shù)。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試表明，本系統(tǒng)具有可靠性高，監(jiān)控方便等優(yōu)點(diǎn)。由于PLC在工業(yè)領(lǐng)域使用的普遍性，該系統(tǒng)有很大的使用范圍。
