基于PLC和PID的炉温控制系统设计

2011-10-25张秀珍

赤峰学院学报·自然科学版 2011年1期

关键词：炉温时间常数模拟量

张秀珍

（福建工程学院电子信息与电气工程系，福建福州350108）

基于PLC和PID的炉温控制系统设计

张秀珍

（福建工程学院电子信息与电气工程系，福建福州350108）

本文分别以PID和可编程控制器(PLC)作为控制方法和实现工具，对炉温控制系统的硬件、软件组成和运行流程进行了完整的分析设计.通过实际系统调试表明：该系统不仅能较好地完成炉温控制系统中重要参数的实时控制，而且具有显示直观、反应速度快和性价比高等优点，具有广泛的实际应用价值.

PLC；炉温控制系统；PID控制；频率转换

1 引言

在工业生产、农业生产、医药、科研等方面，恒温箱的应用极为广泛.精确、快速的控制温度是很多对温度有着苛刻要求生产场合的必要条件.随着科学技术的快速发展，恒温箱系统从早期的手动加热、测量发展到现在的单片机控制和智能控制.本文采用PLC控制变频器组成的恒温系统，成本低廉，控制精度高并能合理利用能源.特别适合那些高能耗和低产出的继电器温度控制系统的PLC改造，可以达到节能减排的目的.

2 炉温控制系统硬件选择和设计

系统由三台电机和一个加热炉组成，从加热炉取得炉内温度和压力信号用于执行PID控制.引风机为送入燃料燃烧所需空气，鼓风机吹入燃料（煤粉），调节鼓风机和引风机的功率比——风煤比，其比值直接决定了煤粉的燃烧完全程度，也决定了能源的利用效率.排风机要将二氧化碳等气体排出并让炉内呈现负压现象以保证炉内燃烧的速度和引风机的工作效率.触摸屏通过FBs-232P0-9F实现与主机通信，用于接收用户的控制信息，如修改参数，启动停止等，并将信号送至PLC内部，达到控制目的.系统控制原理图如图1所示.

2.1 系统核心硬件选择

恒温箱的核心是控制系统，控制系统能否发出快速、准确的控制信号直接决定了试验箱的升温速率，精度等重要指标.

系统选择PLC型号为FBs-20MA，其CPU处理速度达到了0.33us/基本指令.内置了20KWORD的大容量RAM存储器.12点24VDC数字量输入，8点数字量继电器输出，一个RS232（最大可扩展到3个）.内部中断控制，4点中速脉冲输出，4个计数频率综合为5KHz的软件高速计数器，4路高速脉宽调制输出PWM等基本功能.其输入输出点数满足系统需要，既经济有实用.

模拟量模块的选择主要根据分辨率和信号类型.现场有两个模拟量输入，分别为温度信号(4～20mA)和压力信号(4～20mA)，三路模拟量输出，分别是三台变频器的模拟量控制输入端.综合经济性和精确度，采用FBs-B2A1D和FBs-2DA的模拟量输入模块.针对于电流信号输入范围不一样的问题可使用永宏FUN32(4～20mA)模拟量输入读值转换指令，可获得所需信号.

2.2 I/O接口设计

系统有4个数字量输入，5个数字量输出，2个模拟量输入，3个模拟量输出.输入输出点数较少，其I/O分配表格如表1所示.

永宏PLC的FBs-20MA电源输入为220V单相交流电，数字量输入可耗用开关电源的24V直流电，数字输出方式为继电器输出方式，带动K1、K2等中间继电器，通过中间继电器控制变频器的启动停止和报警灯的开和关.即Y0，Y1，Y2输出控制的是三台变频器，三台变频器再驱动三台电机.当温度、压力超过设定值时，Y3,Y4输出，报警灯闪烁.其数字量I/O接线图如图2所示.

图2 数字量I/O接线图

模拟量扩展板直接插在主机上，耗用主机的电源；模拟量扩展模块耗用的是开关电源的电源.模拟量有两路输入和三路输出如图3，用于接收模拟量信号的输入并送到PLC内部以供运算，即PID运算、频率转换均在PLC的内存单元中完成，输出模拟量信号经D/A转换后去控制外围设备.

图3 模拟量I/O接线图

3 系统的软件设计

炉温控制系统的程序包含几部分：启动/停止；PID运算部分；频率转换部分；手动修改参数部分；压力显示；频率输出；温度显示；温度设定；频率显示；报警部分.由于篇幅所限，系统主要部分介绍如下.

3.1 启动/停止部分

触摸屏启动，辅助继电器M0接通，启动三台变频器，变频器由Y0、Y1、Y2输出控制，当按下急停或任何一台变频器报警时,辅助继电器M0复位，停止所有变频器输出，并需人工复位变频器方能继续运行.控制程序梯形图如图4所示.

图4 启动与停止控制梯形图

3.2 PID运算控制

3.2.1 PID控制原理

比例带（Pb）调整越小，即增益越大，对输出影响越大，可得到较快且灵敏的控制响应.但增益过大，会造成振荡现象.因此，在不造成振荡的前提下尽量调高增益，来增快程序反应并减少稳态误差.

积分项可用来消除程控反应的稳态误差.积分常数Ki(Ki=1/Ti，为积分时间常数的倒数)调整越大，对输出影响越大，当有稳态误差时，可调高积分常数，来减少稳态误差.积分常数=0时，积分项无作用.本系统如积分时间常数为5分钟，则Ki=1/Ti=100/5=20也就是0.2Repeat/Minute.

微分项可用来让程控反应比较平顺，不会造成超调量过大.微分时间常数（Td）调整越大，对输出影响越大，当超调量过大时，可调高微分时间常数，来减少超调量.微分项对程控反应相当灵敏，大部分的应用不必使用微分项，当微分时间常数=0时，微分项无作用.系统中当微分时间常数为1分钟，则Td=100；当微分时间常数为2分钟，则Td=200.

3.2.2 PID控制数字化处理

永宏PID泛用指令，适用于多种PID控制模式.泛用PID指令(FUN30)是将外界检测到的模拟量输入值当作程控变量（ProcessVariable，简称PV），与用户所设定的设定值（Setpoint，简称SP），经由软件PID数学式(1)运算后，得到适宜的输出控制值驱动与之匹配的执行机构，控制被控对象.控制框图如图5所示.

数字化PID表达式如(1)所示.

Mn=:〝n〞时的控制输出量

D4005:增益常数，默认值为1000；可设定范围为1～5000

Pb:比例带（范围：2~5000，单位为0.1%；Kc（增益）=1000/Pb）

Ti:积分时间常数（范围：0~9999，相当于0.00~99.99Repeats/Minute）

Td:微分时间常数（范围：0~9999，相当于0.00~99.99Minutes）

PVn:“n”时的程控变数值

PVn-1:“n”的上一次的程控变数值

En:“n”时的误差=设定值（SP）-“n”时的程控变数值（PVn）

Bias:偏置输出量（范围：0~16380）

Ts:PID运算的间隔时间（范围：1~3000，单位：0.01S）

3.2.3 PID参数整定

由于温度控制没有确定的传递函数，在实际调试中，先大致设定经验值，如温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3；压力系统：P（%）30-70，I（分）0.4-3.然后根据调节效果，采用临界比例法整定PID控制器参数.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.经过调试，保留能达到预期精度要求的那组参数，如图6所示.

图6 PLC内部数据参数整定监视图

3.3 频率转换

频率转换采用适合温度控制系统的两点校正法.利用PLC转换指令将外界模拟量读值转换为相应的工程读值，当所测量的温度或工程读值与标准温度计或相关标准仪表所测量的结果有偏差时，也可利用转换指令作线性修正,实现实际测量值的校正.转换曲线如图7所示.

图7 转换曲线图

在转换表格内填入低点测量值(VML)、高点测量值(VMH)及对应的低点标准值(VSL)与高点标准值(VSH)；该系统中，VML=模拟量输入最小值、VMH=模拟量输入最大值，VSL=工程最小值，VSH=工程最大值.执行线性转换时，由来源数据(Sn)经(2)、(3)、(4)运算产生对应的目标值(Dn).并将运算结果存放到以D为起始的缓存器群中.所有操作数(VSL、VSH、VML、VMH、Sn、Dn)的值范围为-32768～32767.

系统只有一个运算输出值前提下，将PID输出通过线性转换，转换成3个运算值分别控制三台变频器，3个运算之间的频率比控制值由触摸屏输入，可根据不同的燃料调整不同比例，让其完全燃烧，达到节省能源的目的.其控制梯形图如图8所示.

4 调试结果分析

系统燃料为煤粉，因为风煤频率比、出风进风频率比对温度都有影响，调试时先调整其中一个达到最高温度，再调另外一个，反复调几次才能达到最佳效率.频率比与温度的关系如图9和图10所示：风煤频率比a点为频率比最佳点，出风进风频率比b点为频率比最佳点.

调好频率比后，再确定PID的参数，即比例带，积分常数，微分时间.关掉参数修改，PID运算开始执行，进入温度设定页面，设定温度值，观察温度变化的超调量和稳态误差.该系统对于稳态误差要求比较高，但对于超调量要求则不是很高，所以调试过程考虑增加积分常数，增大比例带（数值为增益的倒数），微分时间设为1.当发现温度一直升到超过预定温度很大范围并回复慢或不回，则同时调小比例项和积分项，如果温度变化范围超过正负5摄氏度，则增大积分项，如此反复调整，直到稳态误差小于正负5摄氏度.温度控制系统阶跃响应曲线如图11所示.