基于PLC的智能温度控制器的研究[图]

摘要：介绍了由西门子公司S7-200系列PLC构成的温度控制器，并阐述了VB环境下计算机与PLC温控系统的串行通信技术，给出了部分程序，通过实例表明，该系统可靠性高，监控方便。

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。在，温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