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基于PLC的智能温度控制器的研究[图]
[ 通信界 / 佚名 / www.cntxj.net / 2012/7/5 21:34:12 ]
 

摘要:介绍了由西门子公司S7-200系列PLC构成的温度控制器,并阐述了VB环境下计算机与PLC温控系统的串行通信技术,给出了部分程序,通过实例表明,该系统可靠性高,监控方便。

因为PLC具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点,成为了当今及今后工业控制领域的主要手段和自动化控制设备。在许多行业的工业控制系统中,温度控制都是要解决的问题之一。在一些热处理行业,由于使用简单的温控仪表和温控电路进行控制,存在控制精度低、超调量大等缺点,这样就造成了产品质量不高,能源浪费等问题。

基于PLC在工业控制领域的普及性和温度控制的重要性,设计了一个基于PLC的智能温度控制系统,具有很广的应用空间。同时,由于PLC具有自身的一些缺点,即数据的计算处理和管理能力较弱,不能提供良好的用户界面,因此妨碍了对现场温度变化的跟踪与监控,而计算机可以很好的弥补的这一缺点。用计算机与PLC 组成的主从式实时监控系统,能够充分发挥各自在工业控制中的优势,实现分散控制、集中监控等全新功能。本系统采用西门子公司S7-200系列PLC,通过PLC串口通讯与计算机连接,监控界面友好,运行稳定。

1 PLC温度控制系统

在锅炉温度控制系统中,电加热锅炉是过程控制工业中常用的设备,其温度控制也是过程控制的一个重点。PLC温度控制系统的结构如图1所示,PLC 通过加热棒及风扇分别控制炉子的加热及降温。计算机则实现目标温度的设定、动态显示、参数的设定等功能,从而实现实时温度监控。

2 系统构成

信号处理、温度调节等功能。在,温一个温度控制系统一般具有温度信号采集、PLC的温度控制系统中度信号的采集可以使用常用的温度传感器(热电偶、热电阻)。由温度传感器检测来的信号不是标准的电压(电流)信号,不能直接送给A/D转换模块。因此温度传感器采集到的温度信号要经过变送器的处理后才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。根据所使用的温度传感器选用对应的温度变送器。S7-200系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块为EM235,EM235为4路模拟量输入,1路模拟量输出。PLC对温度信号进行处理后,通过模拟量模块输出电流信号,电流信号可以通过调压器来控制电源的开度(即一周期内的导通比率),从而控制电源的输出功率。加热器根据电源输出功率调节加热强度,从而达到温度调节的效果。其系统如图2所示。

3 温度PID控制的实现

对于模拟量信号的控制PID(比例+积分+微分)算法控制。S7-200 系列PLC有专门的PID回路指令,对模拟量进行PID控制十分方便。PID指令使用的算法:( n SP 为第n个采样时刻的给定值,n为过程变量值,MX 为积分项值)

 

PID 指令根据表格(TBL)中的输入和配置信息对引用LOOP执行PID 循环计算。在执行PID 指令前,要建立一个参数表,一般要对表1 中的参数进行初始化处理。

在实际控制过程中,无论是给定量还是过程量都是工程实际值,它们的取值范围都是不相同的。因此在进行PID运算前,必须将工程实际值标准化。PLC 在对模拟量进行PID运算后,对输出产生的控制作用是在[0.0,1]范围的标准值,不能驱动实际的驱动装置,必须将其转换成工程实际值。

由于电加热炉具有较大的延时性,所以采输出值,0.0~1.012 Kc数正数双字,实数I 回路增益,正、负常数16 Ts I 采样时间,单位为s,正20 Ti I 积分时间常数,单位为min,24 Td I 微分时间常数,单位为min,正数式控制。大致采用三段控制: 第一段,开始阶段置电源为满开度,以最大的功率输出克服热惯性; 第二段,等到温度达到一定值转为PID控制; 第三段,接近设定点时置电源开度为0,提供一个保温阶段,以适应温度的滞后温升。程序流程图如图3 所示,图中X,Y根据实际设定。

PID参数的调节是很重要的,调节方法有很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法.它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握。在工程实际中,控制系统难以建立起精确的数学模型,所以一般采用工程整定法。PID参数的工程整定法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。在这里选用临界比例度法,整定步骤如下: (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作; (2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期; (3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

4 PLC 与计算机通讯的设计

由于VB具有强大的图形处理功能,界面可视化性强,而且操作简单,容易实现,故采用VB来实现上位机和下位机的通信。其下位急是S7-200系列PLC,上位机是通过RS-232 串行口与PLC 相连的计算机。

4.1 PLC程序部分

S7-200 支持多种通讯模式,其中在自由口通讯方式下,用户可以利用梯形图程序中的接收完成中断、发送完成中断、发送指令和接收指令完成S7-200 系列PLC 与上位机的通讯。

PLC 的CPU 处于STOP 模式时,自由口通讯被禁止,只有当CPU 处于RUN 模式时,才可使用自由口通讯。SMB30(这里选择端口0)是自由口模式控制字节,用来设定校验方式、通讯协议、波特率等通讯参数。发送指令XMT 启动自由端口模式下数据缓冲区中的数据发送,它可以方便地发送1~255 个字符,如果有中断程序连接到发送结束事件上,在发送完成后,端口0 会产生中断事件9,也可以监视发送完成状态位SM45 的变化。接收指令RCV 可以初始化接收信息服务,通过指定的通讯端口接收信息并存储在数据缓冲区内。在接收完最后一个字符时,端口0 产生中断事件23. PLC 初始化程序如下:

4.2上位机程序部分

VB 带有专门管理串行通讯的MSComm 控件,利用它只需设置几个主要参数就可以实现PLC与计算机串行通讯。计算机采用VB编程,主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。通信参数设置程序如下:

MSComm1.CommPort = 1// 设置通讯口为COM1

MSComm1.Settings = "9600,n,8,1"//波特率9600bps,无奇偶校验,8位数据,1 位停止

MSComm1.InputLen = 8//一次读取8 个字节

MSComm1.PortOpen= True//打开通信端口。计算机端的VB程序利用MSComm 控件与S7-200交换数据,通过自由口通讯程序从现场采集温度信号。并且上位机程序可以设定初始温度和PID参数、显示动态温度曲线。程序运行界面如图4所示。

5 结束语

本文介绍了基于S7-200系列PLC的智能温度控制器系统。阐述了温度控制的实现方法。介绍了VB环境下实现上位机和PLC温度监控系统的串行通信的技术。经过现场调试表明,本系统具有可靠性高,监控方便等优点。由于PLC在工业领域使用的普遍性,该系统有很大的使用范围。

 

作者:佚名 合作媒体:不详 编辑:顾北

 

 

 
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