Question

基于PLC的远程温度控制系统的设计:温度控制系统设计论文

Answer 1

　　摘?要 本文主要介绍了基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器的远程温度控制系统的设计方案。编程时调用了编程软件STEP 7 -Micro WIN中自带的PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。
　　关键词 温度控制；PLC；设计
　　中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)072-0140-01
　　1 绪论
　　在现代工业生产中，许多领域都需要对温度进行监控，有很多领域的温度可能较高或较低，人无法靠近或现场无需人力来监控，在现代工业控制中，PLC可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。并且，由PLC组成的控制系统可以方便的改写程序，以适应不同的生产需要，为此，在现阶段设计较为通用的温度控制系统具有重要意义，具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。本温控系统通过S7-200系列PLC控制器，将温度传感器检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。
　　2 系统硬件设计
　　2.1 PLC型号的选择
　　此系统选用S7-200 CPU226，CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量I/O。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。还有13KB程序和数据存储空间空间，6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。配有2个RS485通讯口，具有PPI、MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4 kbit/s，可用于较高要求的中小型控制系统。为了能调用编程软件STEP 7 里的PID模块，本文采用CPU226及以上机种。
　　2.2 EM231模拟量输入模块
　　此次温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成
　　0 mv～41 mv的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里，我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。EM231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T和R型，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。本系统用的是K型热电偶，所以DIP开关SW1～SW8组态为00100000。下表所示为如何使用DIP开关设置EM231模块，开关1、2和3可选择模拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。表中，ON为接通，OFF为断开。
　　2.3 系统整体设计方案
　　系统选用PLC CPU226为控制器， K型热电偶将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过EM231模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的
　　控制。
　　3 系统软件设计
　　3.1 控制系统数学模型的建立
　　本温度控制系统中，传感器（电热偶）将检测到的温度信号转换成电压信号经过温度模块后，与设定温度值进行比较，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正，返回对应工况下的固态继电器导通时间，调节电热丝的有效加热功率，从而实现对炉子的温度控制。控制系统方框图如下所示：
　　图中，R(s)为设定温度的拉氏变换式；E(s)为偏差的拉氏变换式；Gc(s)为控制器的传递函数；Go(s)为广义对象，即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并。
　　该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统，传递函数为：
　　（G）S=e-τs
　　式中，K0为对象放大系数；T0为对象时间常数；τ为对象时滞。
　　K0=
　　由阶跃响应法求得，K0=0.5；T0=2.5分钟；τ=1.2分钟。
　　3.2 PID控制及参数整定
　　比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用，将三种方式组合在一起，就是比例积分微分（PID）控制，其数学表达式为
　　u（t）=Kp[e（t）+∫t0e（t）dt+TD]
　　式中：KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。
　　根据以上的分析，本温度控制系统适于采用PID控制，完成了上述内容后，该温度控制系统就已经确定了，在系统投运之前，还需要进行控制器的参数整定。
　　3.3 PLC程序设计方法
　　PLC运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等，存入有关的数据寄存器，使定时器复位；按启动按钮，系统开始温度采样，采样周期为10秒；K型热电偶传感器把所测量的温度进行标准量转换（0-41毫伏）；模拟量输入通道AIW0通过读入0-41毫伏的模拟电压量送入PLC；经过程序计算后得出实际测量的温度T，将T和温度设定值比较，根据偏差计算调整量，发出调节命令。
　　4 结束语
　　本文在西门子S7-200系列PLC的基础上，成功设计出了温度控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。整个系统操作简单，控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性，并希望能够促进工业控制领域的发展。
　　参考文献
　　[1]齐硕.基于PLC的远程温度控制系统的设计与调试[J].中原工学院信息商务学院,2012.
　　[2]曾贵娥,邱丽,朱学峰.PID控制器参数整定主法的仿真与实验研究[J].石油化工自化,2005.
　　[3]刘继修.PLC应用系统设计[J].福建科技出版社,2007.
　　作者简介
　　安邦（1982—），男，吉林省吉林市人，本科，助工，大唐长春第二热电有限公司，研究方向：电气自动化。