基于工业以太网以及可编程控制器的电加热温控系统设计研究

2017-03-30苏安辉

商丘职业技术学院学报 2017年1期

关键词：电加热温度控制西门子

苏安辉

(辽宁机电职业技术学院，辽宁丹东 118009)

基于工业以太网以及可编程控制器的电加热温控系统设计研究

苏安辉

(辽宁机电职业技术学院，辽宁丹东 118009)

现阶段的工业生产当中，运用最为广泛的温控系统是基于单片机设计的系统，单片机造价相对低廉，同时操作也较为简单，但是其无法完成较为复杂的任务，一般只能作为一种温度监控与控制的装置，在一些领域当中的应用受到了很大的限制.而在化工行业当中，温度的控制需要非常的精细，同时温度控制的环境也相对较为复杂，单片机温度控制系统无法达到所要求的控制精细程度，同时也无法在复杂的环境当中工作.基于此种情况，必须要研发一种新型的电加热温度控制系统.本文所研发的工业以太网电加热温度控制系统是以西门子S7-200PLC作为控制器，从而实现PID的控制，此外与上位机之间的通讯建立则是通过工业以太网通讯模块当中的CP243-1实现的.

工业以太网；可编程控制器；电加热温度控制系统

0 引言

图1 基于工业以太网与可编程控制器的电加热温度控制系统硬件组成

在大部分的化工实验当中，都需要对温度进行非常精细地控制.当前阶段在化工实验当中使用最为广泛的电加热温控系统往往是一种惯性较大，同时具有较强非线性的电加热系统.但是在化工实验的过程当中，各种不同类型的物理与化学反应同时进行，此外还存在着较多的不确定影响因素，从而使得温度控制的过程面临着许多的实际困难.如果采用传统的人工温度控制操作具有非常大的烦琐性，不利于生产效率的提高，此外人为因素还会对试验的结果产生较大的影响，而基于单片机的温度控制装置的温控效果相对较差，不能满足实际的使用要求，同时由于化学工艺的不断发展，化学工艺当中的温度自动控制对于实验与生产的顺利进行也提出了更高的要求.基于此种情况，必须要研发一种新型的电加热温度控制系统[1]5-10.本文所研发的工业以太网电加热温度控制系统是以西门子S7-200PLC作为控制器，从而实现PID的控制，此外与上位机之间的通讯建立则是通过工业以太网通讯模块当中的CP243-1实现的.这种电加热温度控制系统可以实现非线性的系统温度控制功能[2]11-15.

1 系统的硬件设计

本文所研发的基于工业以太网与可编程控制器的电加热温度控制系统的硬件构成如图1所示.该系统的工作原理是通过总线控制相关的计算机、控制器以及调压板，从而组成一种可以实现自动控制的装置，该装置可以实现化工实验当中的电加热水浴装置的温度控制[3]12-16.

1.1 可编程控制器控制站

在该系统当中最主要的控制器为西门子S7-200PLC，西门子S7-200PLC在结构方面较为紧凑与可靠，可以很好地适应温度控制的环境，此外，该设备的生产工艺已经较为成熟，已经实现工业化生产，在成本方面相对较为低廉，但是却具有较为强大的功能.对PLC的软件进行编程处理就可以实现对PID的控制；该系统的测温原件采用的则是Pt100热电阻，采用西门子EM231模块作为温度模拟量的采集.所有的信息首先都需要经过PLC进行输入，在输入系统之后，PID则会对信号进行计算，而被处理与计算之后的信号则是通过电阻模块进行输出，输出的信号一般为4～20mA的电流信号[4]13-19.该系统的调压板采用的是PAC15P调压板，调压板在接收到相关的输出信号之后就会根据对应的电流对电压进行调整，从而实现对化工实验当中的水浴装置的温度控制.

1.2 操作站

在该电加热温度控制系统当中，采用PC总线作为整个系统的操作站，计算机的操作系统则采用Windows XP系统，采用组态王作为监控软件.操作站需要具备实现人机交互的基本功能，在操作站当中工作人员实现对温度参数的设定以及PID参数的设定，此外还可以观察当前的温度控制情况以及相关的温度控制记录数据.

1.3 通讯方式

在该电加热与温度控制系统当中最为关键的因素在于上位机、PLC与组态软件的通讯实现，本文所研发的温度控制系统采用工业以太网实现了以上3方之间的通讯.对西门子S7-200的CPU进行一定的改装之后就可以实现对工业以太网的完美支持，即为CUP加装CP24-1以太网模块.通过CP24-1以太网模块控制器就可以将系统连接到以太网的通讯处理器当中，从而实现通过以太网对控制器进行远程组态、编程和诊断.此外西门子S7-200还可以实现与其他不同类型的控制器之间的通讯，同时还可以实现控制器与服务器之间的通讯[5]6-9.

2 可编程控制器PID控制算法的软件实现

在一般的工业生产过程当中，对于连续变化的量的模拟往往需要采用一种闭环的方式进行，不论是在计算机还是在控制器当中，PID控制都具有非常重要的作用，同时也具有较为广泛的运用，在本文所研发的系统当中，PID的控制采用的是可编程的数字控制系统，周期采样偏差的PID算式如下所示：

Mn=Kc*(SPn-PVn)+Kc*Ts/T1*(SPn-PVn)+MX+Kc*TD/TS*(PVn-1-PVn)

式中：Mn为时刻n采样所得到的计算值；Kc为增益；SPn表示采样时所给定的数值；PVn表示时刻n采样的过程值；Ts表示相邻两次采样之间的时间间隔(采样周期)；T1表示积分时间；MX表示的是在采样时刻n-1的积分项；TD表示的则是微分时间[6]17-20.

在西门子S7-200当中最为关键的功能为PID指令功能，PID指令的实现需要系统为其指定一个以V变量存储区地址开始的PID回路表以及PID回路号.在系统给定的PID回路表当中，提供了系统的给定以及反馈的结果，同时还包含PID数据在内的参数入口等内容，此外，PID运算所得到的相关结果也往往也是通过回路表进行输出的.在本文所研发的电加热温度控制系统当中，工作人员所输入的温度控制调节数值就是给定值，PID控制的主要目标就是实现实验内部的温度变化与给定的数值之间保持着较为接近的水平，同时这种趋势也要处于一种较为稳定的状态当中，另一方面系统还自动处理对控制效果产生影响的各种因素[7]6-7.进行PID运算的主要目的就是对反馈的内容与给定值之间的差异进行分析，同时按照PID的相关运算规律计算出所需要的结果，并将结果输送到调压板当中，调压板的电压值就会随之发生变化，从而引起温度的变化.在该系统当中所使用的指令向导可以实现PID参数的快速设置，在完成相关的参数设置之后，PID程序就可以实现自动生成.为PID指令指定一个以V100变量存储区地址开始的PID回路表 ,同时指定其回路号为O.所谓的温度的给定量以及相关的过程变量都是实际工艺参数的相关数值，PID的相关指令并不能实现对这些参数的直接计算，必须要将相关的参数转化成与之对应的实数.此外数据的输出也需要进行必要的处理才能被输送通道输出，当PID指令检测到信号的跳变从0变到1之后，PID指令就会执行相关的控制动作[8]5.

3 工业以太网通讯

在本文所研发的电加热温度控制系统当中，控制器西门子S7-200PLC可以实现对多种通信网络的支持，但是必须要通过以太网扩展模块才能实现这种功能.在该系统的通讯设计当中，最关键的因素在于需要实现控制器与编程软件之间的通讯以及服务器与组态王之间的数据互换，具体内容如图2当中所示.

图2 基于工业以太网与可编程控制器的电加热温度控制系统通信系统

若要实现工业以太网与控制器之间的连接，可以使用以太网向导组态来对以太网模块进行组态，在这个过程当中以太网向导组态可以对相关模块的参数进行设定，同时保存在文件夹当中，在组态的过程当中，需要对CP243-1在控制器当中的位置进行定位，同时还需要定位传输类型与网络地址，另一方面还需要指定控制器作为连接的运行设备，最后还需要指定通讯的最终点、以及冬天数据在CPU当中的数据存储区.在完成组态相关工作之后，子例行程序就会自动生成，从而实现以太网模块的初始化与监控[9]1166-1168.

图3 温度控制影响曲线分析

该系统的数据传输采用Access软件实现与客户端组态软件的数据交互 ,从而最终实现组态王与控制器之间通过工业以太网进行通讯.

4 电加热温控实验结果

在完成该系统的生产之后，对该系统进行了实验.在开始控制之前，相关参数的设定如下：积分时间Ti为20 min，微分时间Td=3 s，比例系数设定为Kc为15，温度初始值为40 ℃，结果如图3所示.

从图3当中我们可以看出，虽然该水浴实验存在着较大的非线性与滞后性，但是在该温度控制系统的控制之下，可以稳定工作，同时调量也相对较小.

5 结语

在本文当中，笔者研发了一种基于工业以太网与可编程控制器的电加热温度控制系统，在该系统当中采用西门子S7-200自带的PID控制回路对温度进行控制，同时采用基于以太网的通讯方式实现不同组件之间的通讯.工业以太网的价格相对较为低廉，同时也具有较高的开放性与兼容性，在维修方面也存在着较大的优点.实验结果表明，该温度控制系统具有较高的可靠性，值得在工业生产当中大力推广.

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[责任编辑梧桐雨]

2016-11-20

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