起爆具生产线中的温度PID控制方案设计

王越胜，王 俊

(杭州电子科技大学自动化研究所，浙江杭州310018)

0 引言

温度控制环节是起爆具生产过程中十分重要的环节，其包括升温和超温调节控制两个部分。起爆具生产线中溶药温度和浇注温度的控制得当，直接关系到起爆具成品的密度、起爆感度、起爆猛度等品质［1］。如此，本文采用西门子S7-300可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)和其配套编程软件STEP7，设计出了一套对起爆具生产线中的温度进行比例－积分－微分(proportional-integral-differential，PID)控制的闭环控制方案。该系统由PLC、上位机、阀门定位器、温度传感器等组成，实现了严格按要求控温的功能。该方案最终在山东某化工厂起爆具生产线中得以实现，并取得了良好的控制效果。

1 PID温度控制原理

实际工业现场中，由于外部环境和系统本身的一些特性的影响，要求的输出值SP_INT和温度控制系统的PID反馈值PV_IN之间往往存在一个差值E［2］:

PLC编程软件中的PID功能程序块就是用来消除这个偏差的。在某个采样时刻，PID功能块工作时，通过内置的程序运算，产生一个调节值MV，MV作为输入的一部分参与输入，使PV_IN值接近SP_INT值，这样就完成了该时刻的PID控制过程。经过一段时间多个这样的控制过程，最后E趋于0，PV_IN值就很接近SP_INT值了。其原理图如图1所示。

图1 PID原理图

在此温度调节的PID控制系统下，被控设备的现场实际温度值被传感器转换成4－20mA的电流信号传送到PLC的PID控制模块中，PID功能模块根据这个电流信号的变化，经过软件程序算法的计算，PLC输出4－20mA的电流控制信号给阀门定位器，阀门定位器根据控制信号的变化不断改变阀门的开度大小，进而调节被控设备的温度。不断的重复这一系列的动作，使得被控设备的温度值大致保持在产品工艺要求的温度范围内。

2 控制系统的组成

本控制系统主要由上位机、PLC、阀门定位器、温度传感器和执行器组成，其控制框图如图2所示，系统结构图如图3所示。

(1)上位机。选用研华工控机，组态软件为组态王 Kingview 6.52。上位机主要对阀门定位器的运行状态、开度大小等各种参数进行监控和显示。如有需要时，结合组态王对其一些工艺参数进行调试、更改，并将这些指令发送给PLC。上位机和PLC之间的通信是通过工业以太网进行的。

(2)PLC。PLC控制器选用西门子S7－300系列。主要是PS307 5A电源，CPU314，IM 365模块，CP343－1模块，DI模块，DO模块，AI模块，AO模块等。

(3)阀门定位器。选用斯派莎克EP5阀门定位器。EP5阀门定位器是两线制回路供电定位器，需要4－20mA控制信号，用于线性气动阀执行器。阀门定位器对来自PLC的信号和阀的实际位置进行比较，相应的改变至执行器的气动输出信号。

3 STEP7温度PID程序设计

3.1 硬件组态及参数设置

西门子S7-300系列的编程软件采用的是SIMATIC STEP7，本系统STEP7的版本是V5.4。进入STEP7编程环境后，先新建一个项目，给项目起一个名称，即这个项目下生成一个S7-300站点［］。进入HWConfig(硬件组态)界面，按照现场的实际安装模块和次序，依次插入机架、电源、CPU、通信模块、I/O模块等。包括:PS307 5A，CPU314，IM 365，CP 343 －1，AI 8 ×16bit，AI 8 ×12bit，AO 8 ×12bit，DI 32 ×DC24V，DO32 ×DC24/0.5A。进入CPU属性窗口，设置MPI地址(设定为2)等。打开模拟量输入输出模块，设置模拟量输入参数:测量类型为4DMU，测量范围为4－20mA。打开模拟量输出模块，设置模拟量输出参数为:测量类型为I，输出范围为4－20mA。模拟量参数设置如图4所示。另外，安装模拟量输入输出模块前，必须根据输入信号种类正确设置量程卡，对于4－20mA的模拟量电流输入，量程卡应该选择C位置。

图4 模拟量输入、输出模块参数设置

硬件选型和参数设置完毕后，编译并生成系统数据包。如有部分最新硬件在硬件数据库里找不到，在硬件组态窗口下的工具栏中“选项”下的“安装HW更新”下载需要的硬件。

3.2 建立数据通讯存储区

上位机通过组态王软件监控实时的温度值，PLC的PID功能块对实时温度进行在线调节。那么，上位机对实时温度值的读取必然通过一个数据存储区。这个数据存储区是通过STEP7在其中建立一个共享数据块DB9，用来存放现场的实际温度值和一些PID控制的过程参数(温度设定值、阀门定位器的阀门开度值、控制系统的增益值、积分时间常数等)。这样，上位机与PLC之间就建立起了数据通讯。

3.3 功能块FB41的调用与参数设置

在STEP7编程环境下，对于温度的PID控制，一种办法是根据PID控制的原理和数学模型自己动手编制程序，另一种方法就是在STEP7中调用功能块FB41。本文采用直接调用功能块FB41的方法，FB41是属于连续PID控制器。在调用时必须指定背景数据块并标号［］，本控制系统中指定DB41为FB41的背景数据块。

首先建立组织块OB100，在其中调用FB41用来实现温度PID控制的初始化，程序如下:

其次，建立组织块OB35，并在OB35中调用功能块FB41，目的是使系统每隔0.1s作一次PID运算。这里的0.1s是在CPU属性中的循环中断中设置，如图5所示。

功能块FB41块的左侧为输入，右侧为输出。FB41中的一些参数是必须设置的，其输入输出参数部分说明与设置如下:(1)COM_RST，BOOL类型:重启PID，当其位为TRUE时，PID执行重启功能，复位PID内部参数为默认值;(2)PVPER_ON，BOOL类型:外设过程变量，如果过程变量时从I/O中读取的，则输入PV_PER必须连接到I/O，并且必须置位输入“外设过程变量打开”;(3)CYCLE，TIME类型:PID采样周期，设为100ms;(4)SP_INT，REAL类型:PID的设定值，设为85℃;(5)PV_IN，REAL类型:PID的反馈值(过程变量);(6)PV_PER，WORD类型:未经规格化的反馈值;⑺GAIN，REAL类型:比例增益;(8)TI，TIME类型:积分时间;(9)TD，TIME类型:微分时间;(10)LMN_HLM，REAL类型:PID的上极限，一般为100%;(11)LMN_LLM，REAL类型:PID的下极限，一般为0%;(12)LMN，REAL类型:PID的控制输出。

图5 CPU的循环中断设置

值得注意是，变量的数据类型不同，其量程需要转换。现场的温度值的类型一般定义为WORD型，而功能块FB41的现场温度输入PV_IN则是REAL数据类型，前者是16位，后者是32位，明显量程不同，需要转换。STEP7中提供有功能程序块FC105“SCALE”可实现输入过程值的量程转换，而输出操作值的量程转换可由FC106“UNSCALE”功能程序块实现［5］。

上述参数正确设置完毕，本温度PID控制系统就可以准确运行了。

4 结束语

本文介绍了工业炸药起爆具生产线中的温度PID控制方案设计，运用STEP7提供的PID温度调节功能块FB41，实现了对温度的PID闭环控制，方法简单实用。本系统是杭州电子科技大学与山东某化工厂合作项目中的一部分，生产线在试运行中，温度的PID控制达到了预期的控制效果，符合产品工艺的生产要求。需要说明的是，温度控制系统为大滞后系统，加热过程中的延迟和短时间超温现象时有发生，而集成于STEP7中的PID算法是标准式的，是固定不变的，在精度要求更高的场合则必须改用其他的PID算法进行优化。

［1］ 燕吉胜.一种高能起爆具制备工艺研究［J］.含能材料，2010，1(19):76－78.

［2］ 王越胜，章晓通，陈智勇.排水泵站PID变频调速控制方案设计［J］.中国水运，2008，8(11):172－173.

［3］ 刘锴，周海.深入浅出西门子S7-300PLC［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004:126－130.

［4］ 张运刚.西门子S7-300/400PLC技术与应用［M］.北京:人民邮电出版社，2007:284－316.

［5］ 罗庚兴，宁玉珊.基于WinCC和STEP7的PID控制［J］.机电工程技术，2010，38(1):40－41.