基于永宏PLC的热风机温度控制系统.pdf

工业自国 基子永宏 PLC 的热风机温度控制系统 黑曼 程烨， 王 萍，刘志国 天津工业 大学计算机与自动化学院， 天津300160 的燃烧作为热量来源，调节空气的热交换量来达到控制温度的目的。本文提 出了 一 种基于FatekP L C 主 要介绍其温度控制系统部分 和 上位机软 件部分 ，可实 时控制热风 机，并反应温度 曲线，具有很好 P ID ；实时曲线 中图分类号T P273 ．5文献标识码A文章编 号1009 9492200802 0031 03 l引言 热风 机 是 基于热能 交换的加 热设备。热能交换发生在 通过气体或液体燃料 的燃 烧以加 热的金 属表面 和与此表面 发生接 触的流通空气之间。燃 料的 燃 烧是 在燃 烧室 内进 行，与空气 流 隔绝。空气的流动是通过 一 个风机设备 产生 的，热风 机有很高的热能效率并且在 之前的冷空气 与热空 气之间有迅速 的对 流。 此热风 机应 用于工业环境中，主控 制器 要有很高的抗 干扰能力和稳 定性，选择PL c作为 主控 器。P LC不仅具有传统控 制系统的控制功 能，而且能扩展 一 些智能模块并 构成不同的控制系统 实现 温度控 制、闭环 控制、位 置控制等来适 应 不同的工业控制需要 。PLC以高 集成度、高效率、较强的抗干扰能力、组态灵 活等优 势在 现代工业控 制 中得 到广泛的应 用。为此本文使用永宏PL C 作 为控制器，它具有良好的温度控制PID 算法、步进电机 控制模块，通过PL C的串口通 讯与P C机连接，构成人 机 界面友好、控制功能完善的温度控制系统。 2系统构成 本系统要求严格控 制热风 机出风口温度，即冷 空气经 热交 换后 达到的 温 度值，设为T1；系统选 用热电阻 PT l00监测入风口和 出风口温度 ，其中出风口温度即为 被 控温度；选用 调功器作为P L C控制风机的 连接环节，利 用 DA 模块输出4 20mA 信号 控制调功器来调 节风机转 速，这样改变进入交换室的空气量和空气的热交换 时问进 而改变 出风口温度，形成 闭环控制 系统，如图1所示。另 外选 用热电偶测量燃烧室温度作为故障监测和风机最低转 速限制，以防止风机转速过低造成空气流动缓慢、燃烧室 热量积 聚时间过长的情况从而 延长热风机使用 寿命，避免 危险状况。 永宏F AT EK的FBS系列P LC具有 良好的温度控制 能力和很高的性价比 ，配有温度专用P ID控制 指令以达 到 精确控制，它提供了集温度 采集和数据处 理为 一 身的智能 专用模 块，在这个模块 集成了16位A ／D转换 器 ，分 辨率 达到0．1 0C 。该模块能够 自动进行线性 化 处理、冷端 补偿， 使用非常方便，仅需 要将热电偶接 到接线端子并进 行程序 控 制 就 能对温度进行 准 确 的采 集和测量。模块可以对J 、 K 、T、E、 N 、B、R、S等八种热电偶和白金电阻进 行处 ┏━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━┓ ┃ } 一 IP L c 控制器 H 调功器 卜 _ 叫风机P ┃ ┣━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━┫ ┃ E{∞ ┃┣ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━━━ ┫ ┃ 一 块 H 度模块 I ． ■ 传感器 I ． 一 ┃┗ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ┛ 图1系统框图 理，可以同时输入16路温度 数 据进 行 采集。在精 度为 0．1℃的时候最快 刷 新速 度 为48；在精度为1℃的时 候最 快 刷 新 速度为2s。 PLC利 用温度 模 块 将温度 采 集 进 来以 后，根据 内部程序 中的 温度规划 表格将 外界目前 的温度 值作为控制变量 ，并将用户设定 的温度 期望值与 程 控 变 量做PID运算后得 到输出值来调节可控硅调功器．以调 节风 机转速 ⋯ ，并最终控 制出风口温度。 3数字PID 控制 3．1P ID 控制指令 永宏P LC有专 门的温度数字P ID控制指令，如图2。 该指令的数字PID运算公式 Mn [K n]∑ [K exKiTsEn] [K exTdX 。 天津市科技创新专项资金项目 编号06F Z Z DGX 008 00 犏嗍 砌廿 ” 圈圈【互圈 维普资讯 自动化 P V n P Vn 一1 ／I ’ s ] 其 中 Mn是 ⋯ n’时的控制输 出量 ，K c是增益 范 围为 1 ～ 9 9 9 9 ，K i 是积分常数 为积分 时间常数 T i 的倒 数 ，范 围 为 0 ～ 9 9 9 9 ，T d是微分 时 间常数 范 围为 0 - 9 9 9 9 ，P V n 是 ⋯ ／ 1 ’时的控制输 出量 ，P V 一 是 “ n 一 1 ” 的控制输 出量 ， E n是 ⋯ n’时当误差 等于设 定值 “ S P 一 n ” 时的控 制输 出量 P V n ，T s 是 P I D运算的间隔时间。 增益 K c 调整越大 ，对输出贡献越大 ，可得到较快 且灵敏的控制反应 。但增益如 过大 ，会造成 振荡现象 。因 此 应尽量调 高增益 但以不造 成振荡 为原 则 ，以增 快程 序反应并减少稳态误差 。 积分 项可用来 消除设定值改 变所造成之 稳态误差 ，积 分常数 K i 调整越大 ，对输 出贡献越大 ，当有稳态误 差时 ， 可调高积分常数 ，以减少稳态误差 。积分 时间常数 O时 ， 积分项无作用 。 微 分项 可 用来 让控 制反 应较 平顺 ，不会 造成 过 度超 越 。微分时间常数 T d 调整越 大 ，对输 出贡献越大 ，当 有过度超越 时，可调高微分时间常数 ，以减少超越量。 执行控制 一 E N 加热／ 冷却一 H ／ C E R R一 参数错误 A t ． M 一 温控警告 图 2 温度 P I D控制指令 3 ． 2参数 整定 参 数 整定是 十 分重 要 的 ，其 好 坏直 接影 响 调节 品 质 】 。其 中 P R，I R，D R是 我们 要 整定 的 P I D参数 ，上述 参数设定 值不 在正确 设定 范围 内时 ，P I D指令 不 会执行 ， 设定错误 指示“ E R R ” 。其 中 P R为增 益设定 值 ，I R 为积 分 常数 设定 ，D R为微 分 常数 。永宏 P L C有 默认 P I D参 数 ，如 图 4 。参 数 整定 主 要是 确 定 P R，I R，DR三个 参 数 ，这 三个 特性参 数究 竟 整定 到多 大取 决 于具体 被 控对 象的 动态特 性 ，即要根 据具 体被 控 对象 来确 定 这三 个参 数。在实 际工程上一般 使用 临界 比例度法 、衰减 曲线 法 、 试 凑法 。其 中临界 比例度法不 需要求得 被 控对象 的特性 ， 可直接 在 闭合的 系统 中进行 整 定 ，因此 在本 系统 的调试 中选 用 了临界 比例度 法 。一 个 自动控 制 系统 ，在 外界 干 扰作 用后 ，不能 回复到稳 定 的平 衡状 态也 不发 散 ，而是 产生 一种 等幅 的振荡 ，这样 的控 制过 程称 为 临界 振荡过 程 。设 T k是被 控变量 的临界周期 ，被控 变量处 于临界 振 荡过 程时 ，控制 器件 的比例度 即 临界 比例度设 为 P k 。可 以按照如 下步骤整定参 数。 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 ，从 大到小 逐步改 变控制 器 的比例度 P R直 到 系统 对输 入 的阶跃 响应 出现 临界振 荡 ， 记下这时临界周期 T k的数值。 3 将积分 时间放在最大 ，微分时间为零 。 4 改变 比例度 。先逐 步减小 控制器 的 比例度 ，仔 细 观察 上位机输 出温度 显示 曲线 ，如果 控制过程 是衰 减的 ， 则把 比例度放 小 ；如果控制过程 是发 散的 ，则把 比例度放 大 ，直到 持续 4次～ 5次 等幅振荡 为止 ，此 时 的比例度 为 临界 比例 度 P k ，来 回振荡一 次 的时 问 ，亦 即从振 荡 的一 个顶点到相邻 同相的第二个顶点所需 要的时 间 ，就是I临界 时 间 T k。 5 在得到了 P k和 T k的数值后就 可以根据经验公式 ， 计算出 P R、I R、D R等参数 。 4 P L C与上位机 的通 信 上位机软件可 以对 P L C进行控制 ，监控 运行 状态 ，描 绘采集 的温度 曲线 ，在 P I D参数 整定过程 中，起 到了很重 要 的 作 用 。上 位 机 与 P L C通 信 采 用 R S 4 8 5串行 总 线 。 R S 4 8 5具有传 输距离远 ，抗 干扰能力 强的优点 ，并且 可以 进行多点通信。 4 ． 1 P L C通 信协 议 在该 P L C与上位机的通信过程 中，P L C只能作为从设 备 ，任何设 备 和 P L C通 讯时 候都作 为 主设备 ，也 就是说 P L C只有 在主设备发送命令 后才能按 照命令的要求做 出响 应 ，不 能主动地 发送数 据给 主设备 】 。F A T E K通讯 的帧 格式见表 1 。 表 1 F A T E K P L C 通信帧格式 1 起 始符 为 1 6进 制 的 0 2 H，无 论是 命令 还 是 响应 起始 符都 为 0 2 H，在 收到 0 2 H 后接收 方知 道信 息开始 传 送 。 2 在 一 个 F A T E K 网络 中 仅 有 一 个 主 站 ，可 以 有 2 5 4个从 站 ，每 一个 从站 有 一个 独 一无 二 的站 号 ，分 别 为 1 - F E H。当主 站对 从站下 命令 的时候是 以站号 来指 定 哪个 P L C或 者全部 P L C接受命令 ，在 响应信 息 中从 站会 将 自己站 号发 给主 站 ，使 主站知 道是 哪个 从 站返 回的消 息 臣 l 维普资讯 工业 自 3 命令 码是 P L C提供 给用户 的命令 指令 ，主站通 过 这些指令可 以对从 站完成读 取 、写入 、强 制设定 、运 转 、 停 止等 功 能 。如 命 令 4 0 ，读 取 P L C状 态 指 令 ；命 令 4 1 ，P L C运行／ 停 止指令 ；命令 4 E，测 试 P L C回传指 令 ， 判断连 接是否成 功 ；命 令 4 5 ，连续 多个 寄存 器写 人数 据 命令 。 4 文本资料是 指写入 P L C或 P L C发送 的数 值及 目标 寄存器号 。 5 校验码是将从 S T X开始所有 A S C I I 字符 的 1 6进制 数 值以 L R C L o n g i t u d i n a l R e d u n d a n c y C h e c k 计算 产 出一 个 B y t e长度 两个 1 6进 制数值 0 0 ～ F F 的校验码 。当接 收 端 收到消息后依 同样 的计算法则算 出其校验 码 ，两者值 相 同表 示 传输 的资 料 正 确 ，否 则 即有 传 输 错误 发 生 。F A T E K协议 L R C校验 之计算 方法是将 各 A S C I I 字符之 1 6进 制数码值 8位 长度从 头至尾依序相 加 ，但不考 虑进位 ， 因此最终结果仍为 8位长度的校验码。 6 结 束符为 1 6进制数 0 3 H，无论 命令或 响应 消息 的 结尾字符均为 E T X，当接收方收到 E T X字符后便知该次通 讯 已结束 。在完 整 收到 F A T E K通讯 帧后 我们 就可 以对帧 进行处理 。 4 ． 2上位机 软 件 上位 机编程软件采用功 能强 大 ，编程可视化 的 V B 6 ． 0， 利用 V B 6 ．0可 方便 地实 现 P L C和上 位 机 的 串行 通 讯E 3 3 ， 并且可以实现实时曲线显示 ，方便地 了解被 控对象 的变化 过程。V B 6 ． 0的通讯控件 MS C o mm有许 多属 性可帮助 我们 实现 串 日通讯 ，可设置通讯端 日 ，设 置发送 和接收缓 冲区 大小 ，波特率 、奇偶检验等。 图 3 上位机的部分界面 实时曲线反映 的是现场 数据 的实 时性 ，以监测该 点在 现场工况变化 的情况下 的控 制稳定性 ，因此在实现 时需显 示曲线 的动态 变化 。 在 V B 6 ． 0中 ，我们用 P i c t u r e B o x控件 结合定 时器进 行 曲线 的绘 制 。定 时器 定 时时 间到 的时 候 ，触 发定 时器 事 件 ，在 定 时器事 件 中 ，进行 数据 点 的采 集 ，同 时在 P i c t u r e B o x里将 此次 采集 的数据点与上次采集的数据点用 L i n e 命令 连起来 。当曲线 到达右边 界时 ，用 A P I 函数 B i t B l t 将 曲线左移 一个单位的数据点水平 间距 ，然后 用背景色重绘 最右端一 个单位间距 的线段 以消隐该线段 ，最后用最新 的 数据 绘制 最右 端线 段 。限 于篇 幅 ，在这 里 只给 出运行 界 面 ，如 图 4 。 溅壅 x ≤ 一 蝻酬 I 蜘 ⋯1 1 0 、 t 囊 l l} 0 曲 i ； 麓 i ∞ “ t 簪 { 餮 ．． ； 、 ～ 、 誊 0 。 簪 ； 0 ， 腿 “ 1 } ； 黻 锄 黼 。 _ ⋯ 簿 警菠案 嬲 赫 i 如 j 叠 0 - i ’ _ 秘} 秘l 翻 I o n 7 设 霞 I ⋯ 萼⋯ 蕊 图 4 温 度 曲线 5总结 在热 风机控制 系统 设计 中 ，P L C是 自动 化设 备 中的典 型应用 。我们所 用的永宏 P L C具有 良好 的温度 控制方案 ， 通 过上位 机 的配合 使用 ，给 工程 设 计带 来非 常方 便 的作 用 ，也为远程控 制与监测带来 了方便 。本系统还 添加 了触 摸屏 ，便 于现场 的操作与设置 。该 系统达到 了稳定 的温度 控制 ，完全满足生产的需要。 参考文献 [ 1 ]李 强国，韩书娜．风机调速控 制设计 [ A]．河北省冶金 学会 炼钢连铸技术与 学术交流会论文集 f C]． 2 0 0 6 ． [ 2 ]赵卫 东，辛宏．P L C在 温度控制 系统 中的应 用 [ J ]．仪 器仪 表 学报 ，2 0 0 1 ，2 2 4 增刊 4 6 9 4 7 0 ． [ 3 ]张宪青 ，李修 仁．用 V B 6 ．0实现 P L C与上位机 串行通讯及 实 时 曲 线 显 示[ J ]．组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术 ，2 0 0 5， 9 2 9 3 0． [ 4 ]周梅 芳 ，金向平 ，陈偕雄．基 于 P L C的智能 P I D控 制方法及 其应用 [ J ]．化 工 自动 f T L仪表 ，2 0 0 3 ， 3 0 4 6 4 7 ． [ 5 ]蔡锦 达 ，王挺．使用永 宏 F B S系列 P L C实现温度控 制 [ J ]． 机 械 工 程 与 自动 化 ，2 0 0 6 ， 2 7 0 7 1 ． 第一作者简 介 程烨 ，男 ，1 9 8 2年 生 ，天津 人 ，硕士 研究生 。 研究领域 自动化控 制。 编 辑 梁 玉 维普资讯