基于PLC电阻炉温度控制系统设计.docx
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基于PLC电阻炉温度控制系统设计
基于PLC的电阻炉温度
控制系统设计
【摘要】温度是各种工业生产和科学实验中最普遍、也是最重要的热工参数之一。
温度控制的精度对产品或实验结果会产生重大的影响。
温度控制的模式多样，而PLC可靠性高，抗干扰能力强，易学易用，采用PLC控制是其中一种比较优越的控制。
基于PLC的电阻炉温度控制系统设计，硬件方面PLC采用了CPU型号为226的S7-200、K型热电偶和温度模块EM235。
热电偶作为温度的采集元件，采集的信号经过EM235的处理后就可把数据送入PLC中进行处理。
PLC的程序中采用了位置式PID算法，脉宽调制PWM方式，运用了粗调和细调的思想，程序在不同的温度段使用不同的PID参数，实现温度的自动控制。
人机界面采用的是国内的一个比较流行的组态王软件。
组态王可以实现在线监控。
组态项目中制作了曲线画面、报表画面、报警画面和参数监控画面，用户可方便地查询PLC的运行情况、数据采集和在线控制。
实验结果表明，采用了粗调和细调思想的程序的PLC系统，具有反应速度快，超调量小，调节迅速，精度高等特点。
组态王功能强大，操作方便，有助于系统的监视与控制，表明了组态软件的具有很好的发展前景。
【关键词】温度控制可编程控制器PID组态王
1引言
1.1课题研究背景
电阻炉温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。
在科学研究和生产实践的诸多领域中，温度控制占有着极为重要的地位，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。
例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种电阻炉；燃料有煤气、天然气、油、电等[1]。
电阻炉温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
可编程控制器（PLC）是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。
它具有抗干扰能力强，可靠性强等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用[2]。
目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。
但就其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的PID控制。
PID控制结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型[3]。
组态王软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。
编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。
组态王软件的出现，解决了这个问题。
对于过去需要几个月的工作，通过组态王软件几天就可以完成.组态王是国内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用[4]。
1.2电阻炉温度控制系统的发展状况
电阻炉温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。
电阻炉温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。
期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对电阻炉温度控制精度要求的不断提高，电阻炉温度控制系统的控制技术得到迅速发展。
当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等[5]。
PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。
PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用[6]。
相对于IPC，DCS，FSC等系统而言，PLC是具有成本上的优势。
因此，PLC占领着很大的市场份额，其前景也很有前途[7]。
各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短[8]。
电阻炉温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距[9]。
控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。
国外电阻炉温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。
目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展[10]。
2PLC的概述
2.1PLC的介绍
可编程控制器是一种工业控制计算机，英文全称：
ProgrammableController，为了和个人计算机（PC）区分，一般称其为PLC。
可编程控制器（PLC）是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。
其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域[11]。
可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。
1971年日本开始生产可编程控制器，而欧洲是1973开始的。
如今，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器。
可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代，见表1-1。
表2-1可编程控制器功能表
代次
器件
功能
第一代
1位处理器
逻辑控制功能
第二代
8位处理器及存储器
产品系列化
第三代
高性能8位微处理器及位片式微处理器
处理速度提高，向多功能及联网通信发展
第四代
16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器
逻辑、运动、数据处理、联网功能的多功能
2.2PLC的基本组成
PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。
整体式PLC一般由CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源组成。
模块式PLC一般由CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。
在设计中，实物采用的是模块式的PLC，不管哪种PLC，都是属于总线式的开发结构[12]。
3硬件配置和软件环境
3.1实验配置
3.1.1西门子S7-200
S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。
其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。
PLC采用的是CPU226。
它具有24个输入点和16个输出点。
S7-200系列的基本单元如表3-1所示[13]。
表3-1S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型号
输入点
输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6
4
0
S7-200CPU222
8
6
2个扩展模块
S7-200CPU224
14
10
7个扩展模块
S7-200CPU224XP
24
16
7个扩展模块
S7-200CPU226
24
16
7个扩展模块
3.1.2传感器
热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
设计是采用的K型热电偶[14]。
3.1.3EM235模拟量输入模块
传感器检测到温度转换成1～5V的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电流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EM2354TC模拟量输入模块。
3.2STEP7Micro/WIN32软件介绍
STEP7-MWIN32编程软件是基于Windows的应用软件，是西门子公司专门为SIMTICS7-200系列PLC设计开发的。
该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机功能[15]。
用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状态，该软件是SIMATICS7-200拥护不可缺少的开发工具。
4控制算法描述
4.1PWM技术
脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换的许多领域中。
PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）[16]。
论文中的采样周期和加热周期都是10秒。
采样后，根据温差的大小进行PID调节，转化得到一个加热时间（0-10秒）作为下一个加热周期的加热时间。
例如温差大，加热时间就大，温差小，那么加热时间就小。
程序采用的是粗调和微控两段式控制方式。
在粗控调阶段，占空比恒为一。
在微控制阶段，占空比就根据温差不停地变化。
4.2PID控制程序设计
模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。
人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。
比例控制（P）是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。
在积分控制（I）中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。
在微分控制（D）中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势。
避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。
PID控制，P、I、D各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量[17]。
4.2.1PID控制算法
+
图4-1带PID控制器的闭控制系统框图
如图4-1所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。
偏差e和输入量r、输出量c的关系：
（4-1）
控制器的输出为：
（4-2）
上式中,
——PID回路的输出;
——比例系数P;
——积分系数I;
——微分系数D;
PID调节器的传递函数为：
（4-3）
数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。
其离散化的规律如表4-1所示：
表4-2模拟与离散形式
模拟形式
离散化形式
所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为：
（4-4）
式4-4中，
称为比例项；
称为积分项；
称为微分项；
上式中，积分项
是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值[17]。
计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。
故可利用PLC中的PID指令实现位置式PID控制算法量[18]。
4.2.2PID在PLC中的回路指令
现在很多PLC已经具备了PID功能，STEP7Micro/WIN就是其中之一有的是专用模块，有些是指令形式。
西门子S7-200系列PLC中使用的是PID回路指令。
见表4-2。
表4-3PID回路指令
名称
PID运算
指令格式
PID
指令表格式
PIDTBL，LOOP
梯形图
使用方法：
当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。
指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，采用的是VB100，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD100到VD132都被占用了。
LOOP是回路号，可以是0~7，不可以重复使用。
PID回路在PLC中的地址分配情况如表4-3所示。
表4-4PID指令回路表
偏移地址
名称
数据类型
说明
0
过程变量（P
）
实数
必须在0.0~1.0之间
4
给定值（S
）
实数
必须在0.0~1.0之间
8
输出值（
）
实数
必须在0.0~1.0之间
12
增益（
）
实数
比例常数，可正可负
16
采样时间（
）
实数
单位为s，必须是正数
20
采样时间（
）
实数
单位为min，必须是正数
24
微分时间（
）
实数
单位为min，必须是正数
28
积分项前值（MX）
实数
必须在0.0~1.0之间
32
过程变量前值（P
-1）
实数
必须在0.0~1.0之间
1）回路输入输出变量的数值转换方法
在设计中，设定的温度是给定值SP，需要控制的变量是炉子的温度。
但它不完全是过程变量PV，过程变量PV和PID回路输出有关。
在论文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。
温度输入变量的数10倍据转化。
传感器输入的电压信号经过EM235转换后，是一个整数值，他的值大小是实际温度的把A/D模拟量单元输出的整数值的10倍。
但PID指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。
使用指令DTR就可以了。
论文是从AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。
其转换程序如下:
MOVWAIW0,AC1
DTRAC1,AC1
MOVRAC1,VD100
2）实数的归一化处理
因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值0.0~1.0之间，所以，在执行PID指令之前，必须把PV和SP的值作归一化处理。
使它们的值都在0.0~1.0之间。
归一化的公式如4-5:
（4-5）
式中,
——标准化的实数值；
——未标准化的实数值；
——补偿值或偏置，单极性为0.0，双极性为0.5；
——值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000，双极性为6400。
设计中，采用的是单极性，故转换公式为:
（4-6）
因为温度经过检测和转换后，得到的值是实际温度的10倍，所以为了SP值和PV值在同一个数量值，我们输入SP值的时候应该是填写一个是实际温度10倍的数，即想要设定目标控制温度为100℃时，需要输入一个1000。
另外一种实现方法就是，在归一化的时候，值域大小可以缩小10倍，那么，填写目标温度的时候就可以把实际值直接写进去[19]。
3）回路输出变量的数据转换
在设计中，利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。
回路的输出值是在0.0~1.0之间，是一个标准化了的实数，在输出变量传送给D/A模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。
这一过程是实数值标准化过程。
（4-7）
S7-200不提供直接将实数一步转化成整数的指令，必须先将实数转化成双整数，再将双整数转化成整数。
程序如下：
ROUNDAC1,AC1
DTIAC1,VW34
4.2.3PID参数整定
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间
和和微分时间
，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
一般可以通过理论计算来确定，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。
经验法又叫现场凑试法，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，对于电阻炉温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表4-4所示。
表4-5温度控制器参数经验数据
被控变量
规律的选择
比例度
积分时间（分钟）
微分时间（分钟）
温度
滞后较大
20~60
3~10
0.5~3
实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。
1）整定比例控制
将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
2）整定积分环节
先将步骤1）中选择的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。
然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。
3）整定微分环节环节
先置微分时间
=0，逐渐加大
，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数[20]。
根据反复的试凑，调出比较好的结果是P=120，I=3.0，D=1.0。
5程序设计
5.1方案设计思路
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。
K型传感器负责检测电阻炉中的温度，把温度信号转化成对应的电压信号，经过PLC模数转换后进行PID调节。
根据PID输出值来控制下一个周期内（10s）内的加热时间和非加热时间。
在加热时间内使得继电器接通，那电阻炉就可处于加热状态，反之则停止加热[21]。
1）硬件连线如图5-1所示
图5-1硬件连线图
2）I/O点地址分配如表5-1所示
表5-2I/O点地址分配
地址
名称
功能
I0.1
启动按扭
按下开关，设备开始运行
I0.2
开关按钮
按下开关，设备停止运行
I0.3
保护按钮
按下开关，终止加热
Q0.0
运行灯
灯亮表示设备处于运行状态
Q0.1
停止灯
灯亮表示设备处于停止状态
Q0.3
温度状态指示灯（正常）
灯亮表示炉温在正常范围内
Q0.4
温度状态指示灯（危险）
灯两表示炉温过高，处于危险状态
Q0.5
固态继电器
灯亮表示电阻炉正处于加热阶段
3）程序地址分配如表5-2所示
表5-3内存地址分配
地址
说明
VD0
用户设定比例常数P存放地址
VD4
用户设定积分常数I存放地址
VD8
用户设定微分常数D存放地址
VD12
目标设定温度存放地址
VD16
系统运行时间秒存放地址
VD20
系统运行时间分钟存放地址
VD30
当前实际温度存放地址
VW34
一个周期内加热时间存放地址
VW36
一个周期内非加热时间存放地址
4）PID指令回路表如表5-3所示。
表5-4PID指令回路表
地址
名称
说明
VD100
过程变量（PVn）
必须在0.0~1.0之间
VD104
给定值（SPn）
必须在0.0~1.0之间
VD108
输出值（Mn）
必须在0.0~1.0之间
VD112
增益（Kc）
比例常数，可正可负
VD116
采样时间（Ts）
单位为s，必须是正数
VD120
采样时间（Ti）
单位为min，必须是正数
VD124
微分时间（Td）
单位为min，必须是正数
VD128
积分项前值（MX）
必须在0.0~1.0之间
VD132
过程变量前值（PVn-1）
必须在0.0~1.0之间
5.2程序流程图
程序流程图如图5-2所示，1个主程序，3个子程序。
温度≥84°C
图5-5程序流程图
5.3梯形图（见附录）
6组态画面设计
6.1组态软件概述
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，可为拥护提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件一般英文简称有三种，分别为HMI/MMI/SCADA。
HMI/MMI翻译为人机接口软件，SCADA翻译为监视控制和数据采集软件。
国内外的主要产品有wonderware公司的InTouch软件，Intellution公司的FIX软件，CIT公司的Citech软件，Simens公司的Wincc软件，亚控公司的组态王，华富计算机公司的Controx软件，力控公司的ForceControl软件和北京昆仓公司的MCGS软件[22]。
6.2组态王的介绍
组态王开发监控系统软件是众多组态软件里面的一种，组态王是一个具有丰富功能的HMI/SCADA软件。
可用于工业自动化的过程控制和管理监控。
它提供了集成、灵活、易用的开发环境和广泛的功能，能够快速建立、测试和部署自动化应用，来连接、传递和记录实时信息。
使用户可以实时查看和控制工业生产过程。
该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。
对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果[23]。
6.3组态画面的建立
论文的组态软件采用亚控公司的组态王6.53版本。
组态软件提供了可视化监控画面，包括动画，实时趋势曲线，历史趋势曲线，实时数据报表，历史数据报表，实时报警窗口，历史报警窗口，配方管理等等的功能。
可方便地监视系统的运行。
并可在在线修改程序参数，有利于系统的性能发挥。
6.3.1创建项目
双击组态王的快捷方式，出现组态王的工程管理器窗口，双击新建按扭，按照弹出的建立向导，填写工程名称。
然后打开刚建立的工程。
进入组态画面的设计,如图6-1所示。
图6-1新建工程画面
1）新建画面
进入工程管理器后，在画面右方双击“新建”，新建画面，并设置画面属性，如图6-2所示，包括画面名称，注释，画面位置，画面风格，画面类型和背景颜色等。
如下图。
点击确定，就会出现，画面就会自动打开。
画面的工具栏里面，可以选择工具箱，调色板，线形等在画面中显示，这些在画图的时候经常需要用上。
图6-2新建画面
2）新建变量
要实现组态王对S7-200的在线监控，就先必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者间的数据变量。
基本类型的变量可以分为“内存变量”和I/O变量两类。
内存变量是组态王内部的变量，不跟被监控的设备进行交换。
而I/O变量是两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200和组态王的数据交换是双向的，一者的数据发生变化，另外一者的数据也跟着变化。
。
所以需要在创建连接前新建一些变量，如图6-3所示。
图6-3定义画面变量设置
在论文中，PLC用内存VD30来存放当前的实际温度值。
并规定温度超过105℃为温度过高，立刻要作出相应警示信号。
点击工程管理器中的“数据词典”再双击右边窗口的新建，在出现的定义变量口中填写相应的要求项，并可在“报警定义”中设定报警，如图6-4所示。
图6-4定义变量报警
6.3.2建立主画面
图6-5主画面设置
如图6-5所示，在该画面中，仿真实物设备的连接，通过设置开关按扭和关闭按扭来控制系统的启动和停止。
旁边的指示灯，与Q0.0对应绿色表示系统在运行，红色表示系统停止运行。
电阻炉的指示灯是表示电
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