北方民族大學電器工程學院 張鳳雨 虎恩典 王佳梅
溫度是工業(yè)生產中最常見最基本的工藝參數之一,例如機械、電子、石油、化工等各類工業(yè)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理、反應爐等,對工件的處理溫度要求嚴格控制。至于溫度控制系統,過去一般采用溫控儀表等儀器來直接控制,自動化程度不高,運行穩(wěn)定性較差,操作維護不方便,針對這些問題,本文提出以S7-2OO作為主控單元,配合外圍電路、執(zhí)行單元并通過上位機的組態(tài)軟件進行監(jiān)控,在控制算法上引入傳統的PID控制,取得了良好的控制效果。
系統采用S7-2OOPLC為控制單元(CPU型號為CPU224),經RS232/485串性總線與上位機相連,由于CPU224只有數字量的輸入輸出接口,而現場溫度為模擬信號,因此本系統選取4輸入1輸出的EM235模擬量擴展模塊進行模擬量擴展。執(zhí)行機構為單向SCR可調壓模塊和變頻器,其中調壓模塊通過調壓加熱器以升溫,變頻器調節(jié)水量以降溫。上位機通過STEP7-Micro/WIN32編程軟件設置通訊參數、編寫控制程序并進行編譯、調試、下載到PLC中去。此外,工控機還通過MCGS組態(tài)軟件對控制系統進行了組態(tài),實現實時數據采集、實時數據與歷史數據的顯示、實時曲線與歷史曲線的繪制、實時控制參數的修改等。控制系統結構圖如圖1所示。
S7-2OOPLC與上位機的通信設置
S7-2OOPLC有很強的通信功能,有多重通信方式可供選擇,如單主站方式、多主站方式和遠程通訊方式等,基于實際需要及成本的考慮本設計采用單主站方式,PC作為單一主站,S7-2OO作為從站,兩者之間通過PC/PPI電纜連接,通過STEP7-Micro/WIN32編程軟件設定通信參數,如PLC地址、波特率等,如圖2所示。
在工業(yè)生產中,常常需要閉環(huán)控制的方式來控制溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。無論是使用模擬控制器的模擬控制系統,還是使用PLC的數字控制系統,PID都得到了廣泛的應用,之所以得到廣泛的應用是因為它不需要精確的控制系統數學模型,有較強的靈活性和實用性,且具有程序設計簡單、工程上易于實現、,參數調整方便等的特點。PID閉環(huán)控制系統方框圖如圖3所示。
圖中虛線部分在PLC內。設采樣周期為T,PID控制器輸出的離散化差分方程為:
圖1 為控制系統結構圖
式中kp、ki、kd分別是比例、積分、微分系數,en-1是第n-1次采樣的誤差值。Mn是PID控制器的輸出。
由于采集的數據都為工程中的實際數據,單位、幅值和范圍也不同,必須將其轉換成標準形式(O~O.1的無剛量實數),才能被PLC中的PID指令接受執(zhí)行。
轉換的第一步是將給定值或A/D轉換后得到整數值由16位轉換成浮點數。
轉換后的下一步是將實數進一步轉換成O.O~1.O之間的標準化實數,鍋爐溫度測量范圍是O~1OO℃,模擬量的標準電信號是AO-Am(4-2OmA),A/D轉換后數值為DO-Dm(64OO-32OOO),設RNorm(O.O~1.O)為轉化后的標注化數值,其轉換公式如下:
圖2 通訊參數設置
圖4 用戶主控制窗口
圖3 PID控制系統方框圖
表1 數據庫組態(tài)
表2 PLC開放給組態(tài)軟件的變量
輸出信號的整定是上述公式的逆過程,由于篇幅限制,在此不詳述。
S7-2OOPLC有專門的PID指令,編程語言有梯形圖和STL語言兩種方式(可相互轉換)。標準電信號(4~2OmA)由EM235模擬量擴展模塊經A/D轉換為16位數字量后,首先進行標準化數值轉換,然后把數值送入PID指令回路表,經過PID運算后輸出,程序分為主程序和中斷子程序,主程序啟動中斷并傳送控制參數,子程序進行數值轉換并控制輸出。其轉換其程序如下:
主程序(STL語言)
MCGS建立的工程,其結構由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五個部分構成。MCGS用主控窗口、設備窗口、用戶窗口來構成一個應用系統的人機交互圖形界面,組態(tài)配置不同類型和功能的對象構件,同時可以對實時數據進行可視化處理。
實時數據庫是MCGS系統的核心,是應用系統的數據處理中心。系統每個個部分均以實時數據庫為公用區(qū)交換數據,實現各個部分協調動作。設備窗口通過設備構件驅動外部設備,將采集的數據送入實時數據,由用戶窗口組成的圖形對象與實時數據庫中的數據對象建立聯系,然后以動畫的形式實現數據的可視化;運行策略通過策略構件,對數據進行操作和處理;定義數據對象的過程就是構造實時數據庫的過程,本系統定義的基本數據變量如表1所示。
設備窗口是MCGS與作為測控對象的外部設備建立聯系的后臺作業(yè)環(huán)境,負責驅動外部設備,控制外部設備的工作狀態(tài)。系統通過設備與數據之間的通道,把外部設備的運行數據采集進來,送入實時數據庫,供系統其它部分調用,并且把實時數據庫中的數據輸出到外部設備,實現對外部設備的操作與控制。進入設備窗口,從設備構件工具箱里選擇相應的構件(本設計為S7-2OO),配置到窗口內,建立接口與通道的連接關系,設置相關的屬性,即完成了設備窗口的組態(tài)工作。本設計PLC開放給組態(tài)軟件的變量(亦即通道地址值)如下表2所示。
運行策略是指對監(jiān)控系統運行流程進行控制的方法和條件,它能夠對系統執(zhí)行某項操作和實現某種功能進行有條件的約束。運行策略由多個復雜的功能模塊組成,稱為“策略塊”,用來完成對系統運行流程的自由控制,使系統能按照設定的順序和條件,進行操作實時數據庫,控制用戶窗口的打開、關閉以及控制設備構件的工作狀態(tài)等一系列工作,從而實現對系統工作過程的精確控制及有序的調度管理。MCGS運行策略窗口中“啟動策略”、“退出策略”、“循環(huán)策略”為系統固有的三個策略塊,其余的則由用戶根據需要自行定義。
MCGS組態(tài)軟件以窗口為單位來組建應用系統的圖形界面,創(chuàng)建用戶窗口后,通過放置各種類型的圖形對象,定義相應的屬性,為用戶提供漂亮、生動、具有多種風格和類型的動畫畫面。本設計的主控制用戶窗口如圖4所示。圖中為主控制系統畫面,包括時間、各種參數和實時曲線等。畫面的下半部分為子界面的選擇,如歷史曲線、數據瀏覽,手動、自動切換按鈕等,點擊相應的按鈕即可進入具體的控制畫面,為實施更準確的檢測與控制提供了便利,實現了良好的人機對話界面。
設計的系統具有以下特點:
(1)智能化程度高。采用“上位機+下位機”的控制模式,下位機主要完成數據的采集和控制作用的執(zhí)行,上位機主要完成組態(tài)與監(jiān)控,工程人員只需在操作站即可完成系統的監(jiān)控,包括數據參數的設置以及監(jiān)控畫面和圖形報表的顯示。
(2)可靠性安全性強。根據各層負責人的權限不同,利用軟件設置了權限密碼,防止第三方修改參數或越權使用。
(3)動態(tài)性能好。采用技術成熟的經典控制器作為系統的控制核心,實際運行表明超調量不大,調節(jié)時間在允許的范圍內,抗干擾性強。
[1]高欣和.PLC應用開發(fā)案例精選(第2版)[M].北京:人民郵電出版社,2008:207-210.
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