PLC在加热系统中的应用研究

林松

摘 要：PLC逻辑运算和模块控制功能越来越成熟精确，不仅设计简单方便，运算功能灵活，而且可以实现系统的集成控制。根据温度控制工艺要求，设计一种通过PLC程序编程运算实时输出，控制温控器设定值和PID模块温度控制系统，实现对控制对象精确控温的目的，系统运行稳定，控制方法简单，方便调试和使用，在实际工程运用取得相当好的控制效果。

关键词：PLC；温度控制；PID

1 引言

温控表与热电偶、加热元件、执行元件组成独立完整的温度控制系统，这种温控方式应用普及，但修改参数麻烦。另一种建立温控表与上位机之间的通讯连接，目前使用也非常普遍，但是通讯编程复杂，特别是不同温控和上位机，通信协议有所不同，对于技术人员编程知识要求高。所以设计一种程序简单、应用灵活、成本合理和通用性强的温控系统是现场工程技术人员需要考虑的事情。基于上述情况本文应用温控表+PLC输入输出模块实现温度控制，介绍了特殊情况下应用PID控制输出控制接触器的方式。

2 控制方式的实现

2.1 建立PLC与温度仪表模拟通道的连接，PLC就可以实现控制温控仪表过程值和设定值的任何运算，可以按照工艺要求进行升温曲线程序段控制系统的设计，但温度控制准确性由温控仪表执行。

图1

（如图1）温控设备中的温度器配置有模拟量输入、输出模块电压信号均为0-10V，输入、输出模块接点与PLC模拟量模块连接，被控对象由温控设备控制。系统通过PLC输出设定值到温控器上并读取实际值，按照实际工艺要求PLC内部运算后输出设定值到温控设备控制加热温度和时间。

（如图2）工艺要求第1步加热时间t1、温度到达T1后经过t3时间从T1温度下降至T2。

从温控设备来的0-10v信号转入PLC系统后要经过数值转换，需将0-10V电压值转换为工程量才能进行运算，假设温控器模拟量模块0-10V对应的温控范围0-Ta。PLC模拟量输入输出模块0-10V的电压对应程序的工程量0-青年Ka。温控设备仪表实际值Tc，PLC程序中的值应该是Tc/C （Ta/Ka=C常数），同样道理PLC设定值T1、T2则程序运算后输出到温控仪表的设定值是T1*C、T2*C。

首先计算出温度上升/下降斜率值Ks，开始第一段加热程序扫描T1>Tc/C，启动后应为升温过程，上升斜率Ks=（T1-Tc/C）/t1。第二段程序扫描Tc/C>T2则为降温过程，下降斜率Ks=（Tc/C-T2）/t3。而后按照计算斜率来控制温控器每分钟扫描设定温度To=To±Ks，To为每分钟扫描一次，To值逐渐增加或减小一次Ks值，理论上时间温度到达时刚好完成斜率的上升/下降任务。

图3为部分升温斜率控制程序。启动触发时，系统后将实际值读入做为斜率计算的开始设定值，整个控温过程中保持实时设定值与实际值一致，说明控温精度准确。具体还是根据实际情况来实现需要的控制功能。

2.2 在工业控制中 PID（比例+微分+积分）得到广泛应用，由于实际工程控制系统很难建立精确的数学模型，大都依赖工程经验直接在系统中调试参数整定。现在的PLC厂家大都在编程软件中引入PID控制模块，它跟其它PLC指令程序指令模块一样，可以离线或在线修改参数。用户只需要设置合适的参数，通过对PID指令的参数修改就可以控制执行元件控制温度。图4为PID在PLC控制的实现原理，控制界面清晰、简洁、无需复杂编程，使用起来方便简单。

图4 图5

PID指令模块（图5）中有两个重要的表述Process variable为过程变量的输入源也就是温度反馈值。图中加热实际温度为Ta，温度最小最大标定范围0-1500℃，则对应PLC的工程量0-16383，需要进行线性转换后才能输入到PID模块中Control_Process Value=Ta*16383/1500。

另一个Control variable是最为关键的控制参数，这个变量直接传到执行元件上，但是由于PID计算后得到的是百分比数值，无法直接输出到执行元件，所以需要将此数值转换（例如OUTPUT%=0，CV=0；OUTPUT=100%，CV=10000）后才能进行其它运算。

图6

（图6）控制动作E=SP-PV，SV>PV时控制器输出增大，PV>SV时控制器输出减少。Deadband value是防止过程值在设定的附近进行微调，导致系统来回振荡，是否设定或设定值大小根据工艺需要。Kp、Ki、Kd分别为比例增益、积分增益和微分时间参数。

如果特殊情况下执行元件采用普通接触器来实现温控器的分段和斜率加热功能，由于接触器线圈的吸合断开不宜太频繁，又要解决控制精度和时间问题。所以利用PID模块和引入定时功能相结合来实现PID控制。

PID模块设置启动和暂停开关，启动触点同时开始运行PID模块运算并开始定时器计时，加热时间达到后开始加热。由于此例选择independent（独立增益）和E=SP-PV（偏差），根据PLC模块PID的计算公式CV=KpE+Ki，计算出控制变量值的数值后经过输出转换得到循环时间比例值，利用循环时间比例值与过程值比较结果来控制加热停止。下面为软件编程：

3 结束语

采用PLC来控制温度方法非常多，基于现场条件的限制，以实际需要为准则。本文主要介绍了在温控设备与PLC无法采用通讯连接和利用PID模块来控制加热温度和时间的方法，系统运行稳定，控制方法简单，在实际工程运用取得相当好的控制效果。当然上述方法编程可以是整个控制系统中的一环节控制点，PLC可以与HMI结合设计出非常友好的界面，方便人员修改数值和完成控制任务。

参考文献

[1]刘长春.一种新型的温度控制方案[J].科技信息，2010.

[2]张敬，李微，贺助理.基于PLC的智能温度控制器的研究[J].湖南理工学院学报，2009.

[3]罗克韦尔.PID指令详解-罗克韦尔自动化[Z].2007.