路澤永，趙亞麗

(1.承德石油高等?？茖W校電氣與電子工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等?？茖W校工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

在高職高專院校中開展實習實訓教學是不斷提高學生職業(yè)素質(zhì)的有效教學手段，也完善了人才培養(yǎng)模式。為適應新型教育和社會人才需求，越來越多的高職院校從理論教學逐步走向?qū)嵺`教學，實踐教學環(huán)節(jié)已成為高職教育極其重要的環(huán)節(jié)［1］。

PLC是一門實踐性較強的課程，要求學生掌握PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握PLC應用系統(tǒng)設計與制作的基本步驟和開發(fā)方法，培養(yǎng)學生在電氣自動化設備運行與維護崗位中的解決實際問題的能力，突出實踐性、工程性和應用性。在實施課程過程中，往往采取“教、學、做”一體化教學模式［2］，學生可利用計算機、PLC設備、控制對象進行交互式學習。為充實該實訓課程內(nèi)容，筆者設計了一種基于PID溫度自動控制系統(tǒng)的實訓裝置。該裝置集PLC編程、自動控制理論、PID調(diào)節(jié)思想、自動檢測與調(diào)節(jié)為一體，為提高學生的綜合應用能力提供了良好的實訓平臺。

1 裝置的總體設計

該溫度控制裝置采用閉環(huán)控制方案，由監(jiān)控計算機、溫度檢測與變送通道、電加熱控制通道三部分構(gòu)成。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

電加熱溫度控制裝置的工作原理是:首先溫度傳感器及變送器將被控對象的溫度轉(zhuǎn)化為標準的4～20 mA電流信號，經(jīng)過電壓變換，將電流信號變換為標準的電壓信號，并通過PLC的模擬量輸入端將送過來的電壓信號轉(zhuǎn)化為西門子S7-200PLC可識別的數(shù)字量。然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行比較并經(jīng)過PID運算處理，得到相應的輸出量來控制SSR固態(tài)繼電器的導通與截止，進而使加熱器供電電壓發(fā)生斷續(xù)變化，從而控制被控對象的溫度高低，完成對被控對象溫度的測量及控制。

2 裝置的硬件設計

2.1 硬件選型及配置

2.1.1 PLC 及模塊配置

S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一種小型PLC。S7-200 PLC功能強大，不論是獨立運行，還是構(gòu)成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)各種較復雜的控制功能［3］。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種。其中CUP224它有14輸入/10輸出，I/O共計24點，它可以有7個擴展模塊，有內(nèi)置時鐘，內(nèi)置模擬量I/O，具有更強的模擬量處理能力，還具有PID自整定功能，是使用得最多S7-200產(chǎn)品。

本系統(tǒng)所需功能和技術(shù)要求S7-200完全能夠解決，所以從經(jīng)濟方面考慮選用西門子S7-200PLC系列產(chǎn)品。本設計選用的是CPU224 XP。另外，PLC輸出控制電流變化時需要頻繁輸出，需采用一數(shù)字量輸出擴展模塊EM222。

2.1.2 被控對象

考慮到設計成本，本次加熱裝置選用的被控對象為經(jīng)過改造后的家用電加熱水壺。這種家用熱水壺價格便宜，使用簡單，且經(jīng)過簡單改造即可安裝溫度傳感器。在進行實訓時，只需控制電流的通斷即可完成溫度的控制，免去了專門設計硬件的麻煩。

同時，家用電水壺也具有慣性大，滯后大的特點，在實際控制過程的過程中會比較麻煩，而且該水壺是靠周邊環(huán)境自然降溫，所以降溫過程比較長。不過通過改良PID調(diào)節(jié)的參數(shù)，能較好的控制水壺的溫度，使得穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)誤差都能達到任務的要求，雖然不能達到很高的控制精度，作為實訓裝置已經(jīng)夠用。

2.1.3 檢測及變送環(huán)節(jié)

在溫度檢測中測量的是水溫，屬于低溫區(qū)，因此可以選取Pt100鉑電阻作為傳感器。鉑電阻傳感器測量精度高，性能穩(wěn)定，其中Pt100鉑電阻的測量精度是最高的。

在本裝置中，由于采用CPU 224 XP，其自身帶2路模擬量輸入，1路模擬量輸出，因此不需要其他的擴展模塊。在模擬量輸入端，能識別的標準信號為0～10 V，因此鉑電阻溫度傳感器采集的溫度信號要經(jīng)過外圍電路的轉(zhuǎn)換與調(diào)理。本裝置采用的溫度變送器選擇XP系列熱電阻溫度變送器，采用的變換規(guī)格為0～200℃。該變送器接收現(xiàn)場熱電阻的電阻信號，將其轉(zhuǎn)換成與溫度成線性關系的4～20 mA電流信號，經(jīng)過串電阻處理后，轉(zhuǎn)換為電壓輸入信號。

2.2 裝置連接圖

本實訓裝置的硬件連接圖如圖2所示。

溫度傳感器接線:溫度傳感器采用三線制接線的方法。按照產(chǎn)品接線圖，分別將RTD三根線按照溫度變送器的接線要求接到1、2、3號端子上。

溫度傳變送器接線:由于溫度變送器產(chǎn)生的信號位4～20 mA的電流信號，接入S7-200的模擬量輸入端AIW0，接線采用電壓輸入接線方式，即需要串聯(lián)一電阻R，電阻值R=500 Ω。變送器的供電端接入24 V DC電源。

PLC接線:PLC的數(shù)字量輸出I/0端口Q2.0接固態(tài)繼電器輸入端子3;PLC的數(shù)字量輸入端口10.0接PID參數(shù)調(diào)節(jié)方式選擇按鈕SA;PLC模擬量輸入端口AIW0接熱水壺溫度變送器信號。

3 裝置的軟件設計

3.1 溫度控制方案的選擇

在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術(shù)最為方便［4］。

CPU 224 XP自身擁有PID指令模塊，編程時只需按照PID指令向?qū)гO置相關參數(shù)即可，使用方便，而且使用PID控制溫度比使用開關量控溫方法精度有很大提高，因此本實訓采用PID控溫方法。

3.2 程序設計

本程序采用模塊化編程方式，主要包括主程序、工程量變換子程序及PID調(diào)節(jié)子程序三部分。主程序?qū)⑼ㄟ^AIW0通道采集變送器信號;工程量變換又稱為標度變換，模擬量輸入模塊將模擬量0～10 V的電壓信號轉(zhuǎn)換為0～32 000的數(shù)字量信號傳送給CPU，所以工程量變換子程序的主要任務是將0～32 000的參數(shù)轉(zhuǎn)換為0～100的實際溫度參數(shù)，以便于后面計算和顯示;PID調(diào)節(jié)主要是根據(jù)設定值及實際溫度之差控制輸出量的變化。

主程序結(jié)構(gòu)如圖3所示:

3.2.1 工程量變換子程序設計

變送器經(jīng)變換電阻輸出給PLC的電壓值為2～10 V，對應于模擬量擴展模塊傳送給CPU的數(shù)字量為6 400～32 000，具有20%的偏移量。所代表的是實際溫度的0～200℃，如果用N表示傳送的數(shù)字量信號，E表示實際的溫度值，那么檢測值與實際值的關系如圖4所示。

設溫度變送器溫度變換的最小值為Emin，最大值Emax;數(shù)字量信號最大值Nmax，數(shù)字量最小值Nmin，用公式表示，可以表示為(N－Nmin)/(Nmax－Nmin)=(E－Emin)/(Emax－Emin)，得知這個公式則可進行程序編輯，求出實際溫度的顯示值(程序略)。

3.2.2 PID 調(diào)節(jié)子程序設計

S7-200系列PLC提供了PID閉環(huán)控制指令，為了便于使用，還提供了PID指令向?qū)В鐖D5所示。通過PID指令向?qū)?，學生可以通過簡單的參數(shù)設定即可完成PID運算。

學生在整定PID參數(shù)時可以通過手動按鈕SA選擇讓PLC自動整定，還可以根據(jù)實際情況手動整定。在程序運行過程中，通過PID調(diào)節(jié)控制面板選擇PID參數(shù)，查看PID調(diào)節(jié)過程曲線。因此可以增加學生對PID控制的感性認識，很好的與前期課程《自動控制原理》相結(jié)合。

4 實訓內(nèi)容

本PID溫度控制裝置可以完成以下PLC實訓內(nèi)容:溫度模擬量信號的采集與處理、PID程序調(diào)節(jié)、子程序編程與調(diào)用、SSR固態(tài)繼電器的控制等。如果計算機上安裝了上位監(jiān)控軟件，本裝置還可完成組態(tài)監(jiān)控實訓內(nèi)容。

本實訓裝置采用了S7-200可編程控制器，很好的實現(xiàn)了電加熱溫度的自動調(diào)節(jié)，涉及到的方法簡單，設計便捷有效，精度好，工作可靠，易于拓展。學生通過利用集成在PLC內(nèi)部的PID指令設置PID參數(shù)、觀察調(diào)節(jié)面板可以更好的理解PID控制的作用、實現(xiàn)方法和過程，且在實訓教學環(huán)節(jié)中取得了良好的效果。該裝置采用實際的檢測元件和輸出控制器件，真實模擬工業(yè)現(xiàn)場，使學生在實訓過程中了解自動控制在工程中的應用。本裝置可以應用于日常實訓教學、培訓及科研等工作領域。

［1］劉瑞.基于PLC的溫度控制系統(tǒng)的設計及其在實訓教學中的應用［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2009(15):53－55.

［2］龔少軍.“教、學、做”一體化教學模式的研究與實踐［J］.南通航運職業(yè)技術(shù)學院學報，2011，10(2):98－101.

［3］李長久.PLC原理及應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社.2009.

［4］S7-200PLC可編程控制器系統(tǒng)手冊［M］.西門子公司，2004.