对于PLC的模拟控制系统的研究

马惠杰

摘 要：目前，广泛应用PLC这种自动化设备模拟量对工业生产实现控制，但这种方式在实践于大滞后性系统时存在不少问题，文章从这种控制方式的缺点入手进行分析与研究，通过不同的角度论述PID运算模块、A/D、D/A数据采集、I/O模块和远程监控等方法以便于解决PLC模拟控制系统的缺点，提升整体性能。利用实验室锅炉控制系统项目，有效地调试锅炉液位和温度，实现设计要求，使工业过程控制往智能化、综合化方向发展。

关键词：PLC；模拟控制；锅炉过程控制系统

中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）01-0175-03

Abstract： At present， PLC is widely used to control the industrial production， but there are many problems when it is applied to the large lag system. This paper analyzes and studies the disadvantages of this control method. In order to solve the disadvantages of PLC analog control system and improve the overall performance， the methods of PID operation module， A/D， D/A data acquisition， I/O module and remote monitoring are discussed from different angles. By using the project of laboratory boiler control system， the boiler liquid level and temperature can be debugged effectively， the design requirements can be realized， and the industrial process control will be developed intelligently and synthetically.

Keywords： PLC； analog control； boiler process control system

引言

本课题研究是闭环控制系统运用PLC的A/D、D/A 模块和PID控制功能指令实现模拟控制，Fuzzy-PID则选用自编程完成控制算法，自定义IO模块可利用CPLD来设计，远程监控通过工业软件——易控，组态显示上位机系统。锅炉过程控制系统是验证课题的实例展示，使改进的系统能抑制大滞后性，让处于系统的最优化状态。

应用最广泛的自动化设备当属PLC，它在处理数据和模拟量等功能时，可靠性高，尽量减小误差范围，抵抗干扰的效果佳。在企业发展旅程中，技术人员怎样改进自动化设备的控制精度，企业追求经济效益，提升生产效益，是本课题研究的一个重要动力。从什么角度来改善PLC 模拟控制系统，是技术人员现阶段需要攻克的难关。技术人员根据实际需求，增强PLC在工业生产中的控制，针对温度等大滞后性系统从软件和硬件两个方面进行研讨，采用模糊PID算法、单片机和CPLD等技术，综合分析，尽量削减误差，使控制精度达最佳状态，并控制生产成本，实现效益的增值。

1 关于PLC的发展趋势

传统的继电逻辑控制需求量日益降低，现今，一种以计算机技术为基础的PLC装置独占工业控制的主体地位，随着它功能日益全面，越来越广阔地运用于各种复杂场合。在我国PLC发展相较于国外品牌来说，不论是速度还是规模远落后于美、德、法等发达国家，市场占有量偏高的当属美国的通用电气、德国的西门子和法国的施耐德电气等公司。从PLC诞生到现在，PLC控制功能也一直在不断变化，一般来说，PLC的发展趋势在以下三个方面有所体现。一是PLC模拟控制功能的發展。若是企业生产某工件，它在生产过程中，需要调控温度、液位、压力等模拟量参数的变化范围，控制工件在固定的参数范围内生产，工件质量过关，工件合格率最高。被控量为温度、压力、液位等连续变化的模拟量的闭环过程控制系统被称为模拟量控制系统。各个大公司技术人员致力于开发PLC模拟量控制技术，控制量从开关量逐步向模拟量转变，进一步扩展算术运算和数据处理能力，增加了各类模拟量控制模块和自适应参数控制，实现了现代工业控制，应用范围更加广。输入/输出模块是指将外部采集和控制的模拟量处理与转换后，形成PLC内部能识读的数字量。只需要通过套用指令进行编程或设置参数就可以实现闭环控制功能阐述的是PID 过程控制，它可以直接在程序中调用，相当于子程序，闭环回路能实现多个控制，这种方式大多数时候应用于大型控制系统中。套用厂家固定的PID功能指令，使用方便，价格低廉，但固有的指令满足不了实际生产需要，促使工程人员利用PLC自定义编程PID算法，提升PLC模拟控制性能。模拟量输入/输出和PID过程控制模块是属于PLC的特殊功能模块的一部分，它还包含运动控制模块、高速计数模块和通信模块等。二是PLC规模的发展。作为独立控制器，它的结构功能紧凑，覆盖面广，应用更加分散和灵活多样，适用于单台设备控制。智能I/O模块集成了模拟量I/O、高速计数和中断输入、模糊控制器、PID控制等模块，采用并行工作方式，相当于小的微型计算机系统，处理与控制部分信息，PLC的扫描速度加快。PLC小型化以及微型化又可以分为整体式和模块式。大型化PLC的最显著特点是模块化、网络化、兼容性和冗余性，能高速处理大量地复杂数据，满足控制点数的需要，集合多种控制功能，兼有强大的通讯能力，使得PLC自动化控制系统功能更加综合。在规模的发展方向上，呈现两极化，一是小型化，另一个则是大型化。三是PLC网络通信技术的发展。科学技术是第一生产力，闭门造车终究不是长久之计，只有广泛地接纳各种建议，加深工业控制系统研究的开放化和综合化发展。PLC与PLC、计算机、智能设备之间存在着不同地通信组网形式，通信方式一般也分为串行和并行这两类。endprint

2 研究PLC的模拟控制系统

在工业生产中，常需要对温度、压力、液位和流量等模拟量进行控制，本文综合PLC技术、组態软件技术、单片机与CPLD等技术组成一套完整的综合性高性价比PLC模拟控制系统。

通常利用以下几种方法，实现PLC对模拟量的PID控制。一是使用PID过程控制模块。它是厂家提供的配套模块，PID控制程序已设计好，只需修改参数值，便能直接用于采集模拟量，使用方便，控制方法固定，价格昂贵，适用于大型的控制系统，控制多达几十路闭环回路。二是使用PID功能指令。它比第一种控制方式更加灵活，但对非线性、滞后性的复杂系统无法保证控制效果。同时，它需要配合PLC模拟量输入输出模块，在程序中，选择对应的数据寄存器，设置PID指令参数表初始化。三是自己编写PID控制程序。由于实际生产中，具有非线性、时变性和大滞后性的复杂PLC模拟控制系统偏多，故常根据系统的特点，自己编写PLC程序，这种方式也需配合PLC模拟量输入输出模块，灵活性是这三种方式里最强的，适用于各种复杂PLC模拟控制系统，成本偏低，实现效果最佳。储水池、变频器、水泵、高压水箱、带有冷却水夹套的热水锅炉单元等构成了锅炉过程控制系统。

对单一的线性系统采用PID功能指令控制，但难以满足具有非线性、时变性和滞后性特点工业生产，为解决这个难题，通常采用模拟控制，它是查德教授在美国加利福尼亚大学提出的，从它诞生到现在已有四十多年了，对于温度等大滞后性系统而言，这种算法更先进，控制原理简单，易于通过编程实现。模糊控制作为智能控制分支之一，它的控制策略一般是指人类自然语言表达的知识和规则，再利用模糊集合论、模糊关系、模糊语言和模糊逻辑推理的方式，将控制策略转化成数字量，这就是模糊控制的基本原理。模糊化、知识库和解模糊这三部分构成了模糊控制器，它是模糊控制系统的核心，Mamdani型和T-S型是常用两种模糊控制器。本文以Mamdani型模糊控制器为例，解析各部分的特点。模糊化过程是指选择系统的偏差作为输入变量，依据实际情况，确定取值范围，利用量化因子，按比例把输入变量的精确值变换对应的模糊值，确定模糊子集数量，分别确定归属的函数。数据库和规则库是组成知识库的两部分。为推理机提供数据，是用来存放函数的数据库。模糊控制规则是用规则库来存放的。划分模糊子集越细，规则的数量就越多，对模糊量进行模糊推理和决策，模糊输出量是利用推理机进行推理算法，这就被称为模糊推理过程。由于模糊输出量得出的是模糊集合的形式，解模糊是将由推理得到的模糊输出量转化为实际精确的控制量。本文针对温度、压力、流量等模拟量，一是输入量的模糊化程序，利用MATLAB模糊工具箱，对锅炉系统进行模糊推理。二是模糊控制查询表程序，用离线计算查询表的方法能增强系统的实时性，在PLC的数据寄存器中，依次将模糊控制表按顺序存放，得出不同输入当前时刻的输出控制量。三是PID参数输出程序，根据实时的PID整定参数，进行参数运算，输出参数，有效控制被控量。

本文采用一款通用数据采集和监控软件来实现PLC模拟控制系统的监控设计，对现场进行实时监控，它能实现上下位之间的互联通信。易控优势突出，第一是具有系统的监控、管理和报警功能，能读写各种仪器仪表、PLC和集散控制系统，修改参数指令干预系统工作流程。第二是当达到报警状态时，多途径通知操作人员，如短信、警示界面等，及时解除报警。第三是各类信息的记录与存储，用户程序的编写，数据处理，组成大的监控系统是将多个易控连接，单独与其他控制系统同时通信。开发环境是构建和配置工程，实现易控工程和下位机的数据交互功能，在设备通信的配置过程中，建立通道，选择需要的设备，配置参数，定义设备变量。一般设备变量涵盖数据类型、数据库变量、当前值等，易控工程中的变量与易控对设备的读写信息一一对应，从而实现易控对下位设备的监控。当配置好的工程，实际运作时，并结合各部分功能达到预期效果，这说的是运行环境。开发环境和运行环境这两个基本子系统组成易控软件。

在工业控制中，为满足生产需要，从不同角度分析，选择系统控制最优化的方式。一是PLC厂家有配套的A/D、D/A模块实现模拟量和数字量之间的转换，选择直接购买成品，但价格太过昂贵。二是在现有老设备的基础上，进行改造，扩展能力受限，模块性能相对固定，灵活性差。自定义模拟I/O模块能实现模拟量的输入/输出、键盘输入和数据显示等功能，因此，在PLC的模拟控制系统中，选取这一模块替代传统的A/D、D/A模块，它灵活地改变I/O点数，最大限度地削减成本，且保障了扩展需求。通过自编程实现自定义逻辑功能的一种专用集成电路，它被称为复杂可编程逻辑器件，适用范围宽，灵活度大，集成度高，兼容性好，易于移植。这类集成电路与分立元件实现扩展单元相比，能达到一定速度运行，减轻了单片机的运行压力。它的电路设计过程有设计输入、布局布线、仿真和芯片制作这四大步。

本文按照课题进行思路设计，针对锅炉液位控制和温度控制的特点，应用改进后的模拟控制系统，对整个锅炉控制进行调试，使之达到项目要求。具体调试过程，一是依据不同模块调试，二是依据硬件设备和软件程序两个角度调试，三是依据被控对象不同调试。由于锅炉过程控制系统的PLC程序比较复杂，调试时间较长，不便于查找问题出现点，故采用分步调试的方法，降低调试难度，更有利于验证PLC模拟控制系统的合理性和实用性。

3 结束语

一种标准的PLC模拟控制系统存在着许多局限性，难以满足复杂的生产需求，本文以锅炉过程控制系统作为实例，以对锅炉的液位和温度控制为目标，从模拟闭环控制系统、PID控制算法、上位监控和自定义I/O口的模入模出单元这四个方面展开分析与研究。在标准的基础上，针对大滞后性系统的特点，从下述四点解析问题点。第一点是PLC对模拟量的采集和控制输出通过模拟量输入输出模块实现。第二点是模糊PID控制编程方法则是先深究模糊控制的原理和模糊PID控制实现方法，利用MATLAB软件，建立模糊控制系统，自行研发出算法程序，优化控制精度，提升工件质量。第三点是开发上位机界面，实时监控设备运行状况，引入局域网，进而实现远程控制。第四点是对I/O口进行自定义替代A/D、D/A模块，降低了生产成本，扩展了端口。本文的研究为模拟控制系统的发展提供了新的思路，但受限于现有条件，在研究时，存在着不足之处。若是采用不同的PLC，由于其编程方法和实现过程不同，在各方面也有不同的特点，会可能出现大相径庭地结论。自定义I/O的模入模出单元性价比高且便捷，但现场影响因素过多，它的抗干扰性弱。由于实验装置年久损耗，传感器和执行机构较为单一，故测量和控制误差明显，效果不够理想。液位和温度两个被控量，它们之间的变化会互相影响，采用模糊PID控制解决不了这个问题，进而影响控制精度。本文设计实现了PLC的模拟控制系统预想控制效果，能有一定的实用性，PLC在各个领域中都将发挥其作用。

参考文献：

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