基于S7-200的智能温度控制器的研究

2019-07-04 10:31

  因为PLC具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点, 成为了当今及今后工业控制领域的主要手段和自动化控制设备。在许多行业的工业控制系统中, 温度控制都是要解决的问题之一。在一些热处理行业, 由于使用简单的温控仪表和温控电路进行控制, 存在控制精度低、超调量大等缺点, 这样就造成了产品质量不高, 能源浪费等问题。

  基于PLC在工业控制领域的普及性和温度控制的重要性, 设计了一个基于PLC的智能温度控制系统,具有很广的应用空间。同时, 由于PLC具有自身的一些缺点, 即数据的计算处理和管理能力较弱, 不能提供良好的用户界面, 因此妨碍了对现场温度变化的跟踪与监控, 而计算机可以很好的弥补的这一缺点。用计算机与PLC 组成的主从式实时监控系统, 能够充分发挥各自在工业控制中的优势, 实现分散控制、集中监控等全新功能.本系统采用西门子公司S7-200系列PLC, 通过PLC串口通讯与计算机连接, 监控界面友好, 运行稳定。

  1 PLC温度控制系统

  在锅炉温度控制系统中, 电加热锅炉是过程控制工业中常用的设备, 其温度控制也是过程控制的一个重点。PLC温度控制系统的结构如图1所示, PLC 通过加热棒及风扇分别控制炉子的加热及降温.计算机则实现目标温度的设定、动态显示、参数的设定等功能, 从而实现实时温度监控。

  2 系统构成

  信号处理、温度调节等功能,。一个温度控制系统一般具有温度信号采集、PLC的温度控制系统中度信号的采集可以使用常用的温度传感器(热电偶、热电阻)。由温度传感器检测来的信号不是标准的电压(电流)信号, 不能直接送给A/D转换模块.因此温度传感器采集到的温度信号要经过变送器的处理后才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。根据所使用的温度传感器选用对应的温度变送器。S7-200系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块为EM235, EM235为4路模拟量输入, 1路模拟量输出。PLC对温度信号进行处理后, 通过模拟量模块输出电流信号, 电流信号可以通过调压器来控制电源的开度(即一周期内的导通比率), 从而控制电源的输出功率。加热器根据电源输出功率调节加热强度, 从而达到温度调节的效果.其系统如图2所示。

  3 温度PID控制的实现

  对于模拟量信号的控制PID(比例+积分+微分)算法控制。S7-200 系列PLC有专门的PID回路指令, 对模拟量进行PID控制十分方便。PID指令使用的算法:( n SP 为第n个采样时刻的给定值, n为过程变量值, MX 为积分项值)

  PID 指令根据表格(TBL)中的输入和配置信息对引用LOOP执行PID 循环计算。在执行PID 指令前, 要建立一个参数表, 一般要对表1 中的参数进行初始化处理。

  在实际控制过程中, 无论是给定量还是过程量都是工程实际值, 它们的取值范围都是不相同的。因此在进行PID运算前, 必须将工程实际值标准化。PLC 在对模拟量进行PID运算后, 对输出产生的控制作用是在[0.0,1]范围的标准值, 不能驱动实际的驱动装置, 必须将其转换成工程实际值。

  由于电加热炉具有较大的延时性, 所以采输出值, 0.0~1.012 Kc数正数双字, 实数I 回路增益, 正、负常数16 Ts I 采样时间, 单位为s, 正20 Ti I 积分时间常数, 单位为min,24 Td I 微分时间常数, 单位为min, 正数式控制。大致采用三段控制: 第一段, 开始阶段置电源为满开度, 以最大的功率输出克服热惯性; 第二段, 等到温度达到一定值转为PID控制; 第三段, 接近设定点时置电源开度为0, 提供一个保温阶段, 以适应温度的滞后温升。程序流程图如图3 所示, 图中X,Y根据实际设定。

  PID参数的调节是很重要的, 调节方法有很多, 概括起来有两大类:一是理论计算整定法.它主要是依据系统的数学模型, 经过理论计算确定控制器参数。二是工程整定方法, 它主要依赖工程经验, 直接在控制系统的试验中进行, 且方法简单、易于掌握。在工程实际中, 控制系统难以建立起精确的数学模型, 所以一般采用工程整定法。PID参数的工程整定法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。在这里选用临界比例度法, 整定步骤如下: (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。

  4 PLC 与计算机通讯的设计

  由于VB具有强大的图形处理功能,界面可视化性强, 而且操作简单, 容易实现, 故采用VB来实现上位机和下位机的通信 .其下位急是S7-200系列PLC, 上位机是通过RS-232 串行口与PLC 相连的计算机.

  4.1 PLC程序部分

  S7-200 支持多种通讯模式, 其中在自由口通讯方式下, 用户可以利用梯形图程序中的接收完成中断、发送完成中断、发送指令和接收指令完成S7-200 系列PLC 与上位机的通讯.

  PLC 的CPU 处于STOP 模式时,自由口通讯被禁止, 只有当CPU 处于RUN 模式时, 才可使用自由口通讯.SMB30(这里选择端口0)是自由口模式控制字节, 用来设定校验方式、通讯协议、波特率等通讯参数.发送指令XMT 启动自由端口模式下数据缓冲区中的数据发送, 它可以方便地发送1~255 个字符,如果有中断程序连接到发送结束事件上, 在发送完成后, 端口0 会产生中断事件9, 也可以监视发送完成状态位SM45 的变化.接收指令RCV 可以初始化接收信息服务, 通过指定的通讯端口接收信息并存储在数据缓冲区内.在接收完最后一个字符时, 端口0 产生中断事件23. PLC 初始化程序如下:

  4.2上位机程序部分

  VB 带有专门管理串行通讯的MSComm 控件,利用它只需设置几个主要参数就可以实现PLC与计算机串行通讯.计算机采用VB编程, 主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、参数设置以及与PLC通信等方面的设计.通信参数设置程序如下:

  MSComm1.CommPort = 1// 设置通讯口为COM1

  MSComm1.Settings = 9600, n, 8, 1//波特率9600bps, 无奇偶校验,8位数据, 1 位停止

  MSComm1.InputLen = 8//一次读取8 个字节

  MSComm1.PortOpen= True//打开通信端口.计算机端的VB程序利用MSComm 控件与S7-200交换数据,通过自由口通讯程序从现场采集温度信号.并且上位机程序可以设定初始温度和PID参数、显示动态温度曲线.程序运行界面如图4所示。

  5 结束语

  本文介绍了基于S7-200系列PLC的智能温度控制器系统.阐述了温度控制的实现方法.介绍了VB环境下实现上位机和PLC温度监控系统的串行通信的技术.经过现场调试表明, 本系统具有可靠性高, 监控方便等优点.由于PLC在工业领域使用的普遍性, 该系统有很大的使用范围.

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