论文部分内容阅读
摘要：在以PLC控制为核心、三相调压模块为基础的温度自动控制系统中，PLC将锅炉内胆温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差经PID运算后得到的信号控制三相移相SCR调压装置，从而调节加热器加热，实现温度自动控制的目的。文章介绍了在实训教学环节中基于S7-200温度控制系统的PID调节器的实现。
关键词：PLC；温度控制；PID调节器；S7-200；三相移相SCR调压装置；温度传感器
中图分类号：TP273 文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）15-0053-03
随着人才培养模式的不断完善，高职高专教育越来越注重实践环节的教学。为适应新型教育和社会人才需求，越来越多的高职院校从理论教学逐步走向实践教学，实践教学环节已成为高职教育极其重要的环节。
为适应这一要求，充实和加强安徽机电职业技术学院生产过程自动化专业的实训环节，笔者设计了一个基于PLC的温度控制系统。该系统采用闭环控制方式对锅炉内胆温度进行检测控制，是集自动控制、PLC和自动检测技术为一体的综合应用实验系统，为提高学生的综合应用能力提供了良好的实验实训平台。
一、系统硬件组成及工作原理
（一）系统硬件组成
系统由S7-200型PLC、三相移相SCR调压装置、铂热电阻温度传感器、AI-808变送器及其他控制设备组成。系统方框图如图1所示：
（二）工作原理
被控对象为锅炉内胆温度，温度传感器检测锅炉内胆的温度信号，转换成4～20mA电信号，经AI-808变送器将电流信号转换成1～5V的电压信号送入PLC模块。PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出控制信号，控制三相移相SCR调压装置。三相移相SCR调压装置采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。
（三）PID控制器的实现
德国西门子公司S7系列PLC有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，功能强、速度快、扩展灵活，并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，因而在国内工控现场应用广泛。
在本装置中采用了S7-200控制系统。 S7-200是一种叠装式结构的小型PLC。本控制系统包括一个CPU224主机模块和一个EM235模拟量I/O模块，以及一根PC/PPI连接线。其中CPU224模块带有14点开关量输入和10点开关量输出，EM235模拟量扩展模块带有4路模拟量输入和1路模拟量输出。
二、软件设计
（一）PID算法
PID控制器是比例-积分-微分控制器的简称。积分控制器可以消除系统的静差，微分控制器可以改善系统的动态响应速度。比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。在工业生产过程控制中，模拟信号PID调节是常见的一种控制方式。
（二）PID的数字化处理
PLC的PID控制器设计是以连续系统PID控制规律为基础，经采样将其数字化写成离散形式PID控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。典型的PID算法包括3项，比例项、积分项和微分项。即：输出＝比例项＋积分项＋微分项。计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算，算法如下：
Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）
比例项Kc*（SPn-PVn）：能及时地产生与偏差（SPn-PVn）成正比的调节作用，比例系数Kc越大，比例调节作用越强，系统的静态稳定精度越高，但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。
积分项Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：与偏差有关，只要偏差不为0，PID控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，系统处于稳定状态，所以积分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，但积分的动作较慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用。积分时间常数Ti增大，积分作用越强，消除稳态误差的速度减慢。
微分项Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根据误差变化的速度（即误差的微分）进行调节，具有超前和预测的特点。微分时间常数Td增大时，超调量减少，动态性能得到改善，但Td过大，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。
许多控制系统内，可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。
（三）程序设计
S7-200系列PLC提供了闭环控制PID的运算指令，学生设计时只需要在PLC的内存中填写一张PID控制参数表再执行“PID Table Loop”即可完成PID运算，其中操作数Table表使用变量存储器来指明控制参数表的表头字节，操作数Loop只可选择0～7号的整数，表示本次PID闭环控制所针对的环路编号，最多8路。学生实验时在上位机监控界面输入不同的PID调节参数，观察在不同的调节参数下的自动控制效果。记录各个实验数据，并分析比较，得出最佳的PID参数：
主程序
LDSM0.1
CALLSBR0
子程序（建立PID回路参数表，设置中断以执行PID指令）
LDSM0.0
MOVR VD204，VD104
MOVR VD212，VD112
MOVR 0.1，VD116
MOVR VD220，VD120
MOVR VD224，VD124
MOVB 100，SMB34
ATCHINT0，10
ENI
中断程序（执行PID指令）
LD SM0.0
ITDAIW0，AC0
DTRAC0，AC0
/R320000.0，AC0
MOVR AC0，VD100
LDI0.0
PID VB100，0
LDSM0.0
MOVR VD108，AC0
*R32000.0，AC0
ROUND AC0，AC0
DTIAC0，AC0
MOVW AC0，AQW0
三、结语
基于PLC的温度自动控制系统，充分发挥了PLC内置式PID运算模块的优势，可自动调节三相调压模块的输出电流，控制电加热器的加热电压，实现温度的连续控制。该温度控制实验系统综合应用到工业生产中所涉及到的相关知识，在实训的教学环节中，使学生通过设置调节PID参数能够更好地理解PID控制的作用，实现的方法及具体实现的过程。该系统直接与现场仪表连接，采集现场信号，模拟了实际自动化生产过程，让学生在实训中能够接触到自动控制在实际生产中的应用。在实际的实验实训教学环节中也收到了良好的效果。
参考文献
[1]胡寿松．自动控制原理（第四版）[M]．北京：科学出版社，2001.
[2]田淑珍．可编程控制器原理及应用[M]．北京：机械工业出版社，2008.
[3]王永华．现代电气控制和PLC应用技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[4]吕慧芳．基于PLC恒压供水系统中PID控制器的实现[J]．重庆文理学院学报（自然科学版），2009，28（1）.
关键词：PLC；温度控制；PID调节器；S7-200；三相移相SCR调压装置；温度传感器
中图分类号：TP273 文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）15-0053-03
随着人才培养模式的不断完善，高职高专教育越来越注重实践环节的教学。为适应新型教育和社会人才需求，越来越多的高职院校从理论教学逐步走向实践教学，实践教学环节已成为高职教育极其重要的环节。
为适应这一要求，充实和加强安徽机电职业技术学院生产过程自动化专业的实训环节，笔者设计了一个基于PLC的温度控制系统。该系统采用闭环控制方式对锅炉内胆温度进行检测控制，是集自动控制、PLC和自动检测技术为一体的综合应用实验系统，为提高学生的综合应用能力提供了良好的实验实训平台。
一、系统硬件组成及工作原理
（一）系统硬件组成
系统由S7-200型PLC、三相移相SCR调压装置、铂热电阻温度传感器、AI-808变送器及其他控制设备组成。系统方框图如图1所示：
（二）工作原理
被控对象为锅炉内胆温度，温度传感器检测锅炉内胆的温度信号，转换成4～20mA电信号，经AI-808变送器将电流信号转换成1～5V的电压信号送入PLC模块。PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出控制信号，控制三相移相SCR调压装置。三相移相SCR调压装置采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。
（三）PID控制器的实现
德国西门子公司S7系列PLC有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，功能强、速度快、扩展灵活，并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，因而在国内工控现场应用广泛。
在本装置中采用了S7-200控制系统。 S7-200是一种叠装式结构的小型PLC。本控制系统包括一个CPU224主机模块和一个EM235模拟量I/O模块，以及一根PC/PPI连接线。其中CPU224模块带有14点开关量输入和10点开关量输出，EM235模拟量扩展模块带有4路模拟量输入和1路模拟量输出。
二、软件设计
（一）PID算法
PID控制器是比例-积分-微分控制器的简称。积分控制器可以消除系统的静差，微分控制器可以改善系统的动态响应速度。比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。在工业生产过程控制中，模拟信号PID调节是常见的一种控制方式。
（二）PID的数字化处理
PLC的PID控制器设计是以连续系统PID控制规律为基础，经采样将其数字化写成离散形式PID控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。典型的PID算法包括3项，比例项、积分项和微分项。即：输出＝比例项＋积分项＋微分项。计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算，算法如下：
Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）
比例项Kc*（SPn-PVn）：能及时地产生与偏差（SPn-PVn）成正比的调节作用，比例系数Kc越大，比例调节作用越强，系统的静态稳定精度越高，但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。
积分项Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：与偏差有关，只要偏差不为0，PID控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，系统处于稳定状态，所以积分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，但积分的动作较慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用。积分时间常数Ti增大，积分作用越强，消除稳态误差的速度减慢。
微分项Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根据误差变化的速度（即误差的微分）进行调节，具有超前和预测的特点。微分时间常数Td增大时，超调量减少，动态性能得到改善，但Td过大，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。
许多控制系统内，可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。
（三）程序设计
S7-200系列PLC提供了闭环控制PID的运算指令，学生设计时只需要在PLC的内存中填写一张PID控制参数表再执行“PID Table Loop”即可完成PID运算，其中操作数Table表使用变量存储器来指明控制参数表的表头字节，操作数Loop只可选择0～7号的整数，表示本次PID闭环控制所针对的环路编号，最多8路。学生实验时在上位机监控界面输入不同的PID调节参数，观察在不同的调节参数下的自动控制效果。记录各个实验数据，并分析比较，得出最佳的PID参数：
主程序
LDSM0.1
CALLSBR0
子程序（建立PID回路参数表，设置中断以执行PID指令）
LDSM0.0
MOVR VD204，VD104
MOVR VD212，VD112
MOVR 0.1，VD116
MOVR VD220，VD120
MOVR VD224，VD124
MOVB 100，SMB34
ATCHINT0，10
ENI
中断程序（执行PID指令）
LD SM0.0
ITDAIW0，AC0
DTRAC0，AC0
/R320000.0，AC0
MOVR AC0，VD100
LDI0.0
PID VB100，0
LDSM0.0
MOVR VD108，AC0
*R32000.0，AC0
ROUND AC0，AC0
DTIAC0，AC0
MOVW AC0，AQW0
三、结语
基于PLC的温度自动控制系统，充分发挥了PLC内置式PID运算模块的优势，可自动调节三相调压模块的输出电流，控制电加热器的加热电压，实现温度的连续控制。该温度控制实验系统综合应用到工业生产中所涉及到的相关知识，在实训的教学环节中，使学生通过设置调节PID参数能够更好地理解PID控制的作用，实现的方法及具体实现的过程。该系统直接与现场仪表连接，采集现场信号，模拟了实际自动化生产过程，让学生在实训中能够接触到自动控制在实际生产中的应用。在实际的实验实训教学环节中也收到了良好的效果。
参考文献
[1]胡寿松．自动控制原理（第四版）[M]．北京：科学出版社，2001.
[2]田淑珍．可编程控制器原理及应用[M]．北京：机械工业出版社，2008.
[3]王永华．现代电气控制和PLC应用技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[4]吕慧芳．基于PLC恒压供水系统中PID控制器的实现[J]．重庆文理学院学报（自然科学版），2009，28（1）.