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        基于PLC S7—200溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2015-05-30 10:48:04郭志偉
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年15期

        摘 要:文章講述了以PLC為核心的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),通過對S7-200的程序編輯和PID算法原理的運(yùn)用給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)過程,實(shí)現(xiàn)了對溫度的閉環(huán)控制。

        關(guān)鍵詞:PLC;加熱器;溫度控制;PID

        引言

        PLC以其自有的可靠性高,適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用于生活以及工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,其中S7-200編程軟件STEP7Micro/WIN編程簡單且功能強(qiáng)大。其強(qiáng)大的通信功能以及豐富的CPU模塊,讓設(shè)計(jì)者可以方便的選取所需功能的CPU和對應(yīng)的通訊協(xié)議。靈活的控制和強(qiáng)大的指令集使PLC能夠控制各種設(shè)備以滿足自動(dòng)化控制要求。PLC通過模擬量I/O模塊實(shí)現(xiàn)A/D和D/A之間的轉(zhuǎn)換,以便PLC用PID指令實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

        1 系統(tǒng)工作原理及溫度控制的基本思路

        本設(shè)計(jì)是由PLC控制變頻器調(diào)速裝置與傳感器、加熱器以及恒溫箱組成閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示。通過對溫度值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)來進(jìn)行恒溫控制,由于加熱器不能接收模擬量調(diào)節(jié),所以溫控主要采用PLC對其工作的占空比來控制,PID運(yùn)算結(jié)果控制接通加熱器。

        溫度傳感器檢測到溫度信息,交由PLC處理,經(jīng)PID運(yùn)算得到一個(gè)0-1的實(shí)數(shù),再經(jīng)比例換算為0-100的整數(shù),把這個(gè)整數(shù)當(dāng)作一個(gè)0-10s的時(shí)間t。設(shè)計(jì)一個(gè)周期為10s的脈沖,脈沖寬度為t,把這個(gè)脈沖加給電加熱器達(dá)到控制溫度的目的。

        系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

        2 系統(tǒng)的硬件選型及連接

        PLC的選型及參數(shù)設(shè)定:采用S7-200系列的CPU266,規(guī)格是:供電120-240VAC;CPU輸入:24*24VDC;CPU輸出:16*繼電器。

        溫度傳感器:溫度傳感器采用熱電阻作為測溫元件,帶變送器。測量范圍是0-100℃,輸出4-20mA,串接電阻把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1-5V電壓信號(hào),送入PLC的模擬量輸入通信。

        系統(tǒng)的硬件連接:計(jì)算機(jī)和PLC之間通訊協(xié)議為PPI協(xié)議,用PC/PPI電纜將二者連接;在溫度控制控制部分采用PLC的一個(gè)繼電器輸出口串接到加熱回路中。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        溫度控制的軟件設(shè)計(jì):整個(gè)系統(tǒng)的工作原理是利用熱電阻采集由恒溫箱中的信號(hào)然后輸出以模擬量電壓信號(hào),經(jīng)過模擬量輸入通道送入PLC再經(jīng)過PID指令運(yùn)算由PLC數(shù)字量輸出通道對加熱器的占空比進(jìn)行控制,以脈沖輸出方式控制加熱器周期性工作,即改變加熱器的通斷時(shí)間比來改變加熱速度,從而達(dá)到預(yù)設(shè)值。

        溫度控制的基本思路是:PLC以脈沖方式控制其占空比來控制加熱器的工作。先設(shè)定好系統(tǒng)的目標(biāo)溫度值也就是預(yù)期的恒溫箱溫度,PLC輸出一個(gè)周期的方波,在這個(gè)周期里,當(dāng)實(shí)測溫度未達(dá)到預(yù)設(shè)值的1/2時(shí),PLC輸出高電平,加熱器以最大功率工作,當(dāng)實(shí)測溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值的1/2卻沒到預(yù)設(shè)值的4/5時(shí),PLC輸出半個(gè)高電平半個(gè)低電平,加熱器以最大功率的50%工作,實(shí)測溫度超過預(yù)設(shè)值的4/5卻沒到預(yù)設(shè)值,PLC輸出1/4個(gè)高電平3/4個(gè)低電平,加熱以最大功率的25%工作。

        4 軟件程序設(shè)計(jì)

        主程序設(shè)計(jì),程序如下:

        NETWORK 1

        LD SM0.1//首次掃描時(shí)SM0.1=1

        CALL SBR//初始化

        NETWORK 2

        LD SM0.0//AM0.0總為1

        CALL SBR_1//采樣,求平均值

        CALL SBR_2//比較,輸出

        END //主程序結(jié)束

        初始化子程序的設(shè)計(jì):子程序0實(shí)現(xiàn)的是初始化,即對計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)區(qū)間清零,以保證采樣值的準(zhǔn)確性。本程序中所有除法是簡單的移位除法(用采樣次數(shù)的2的方次),輸入字是12位長,如果采樣次數(shù)大于16(2的4次方),那么和的長度將大于一個(gè)字(16位),于是需用雙字(32位)存儲(chǔ)采樣和。

        程序如下:

        LD SM0.0

        MOVW +0,VW0

        MOVW +256,VW2

        MOVW +0,VD10

        MOVW +0,VD14

        MOVW +0,VD18

        MOVW +0,VD108

        MOVW +0,VD118

        CRET

        采樣子程序的設(shè)計(jì)

        子程序1如下:

        LD SM0.0//SM0.0總為1

        MOVW AEW2,VW12//在VW12中放置模擬量輸入值

        LDW>= VW12,+0//檢查輸入信號(hào)

        MOVW +0,VW10//把輸入值轉(zhuǎn)換成雙字

        NOT //即VD10=模擬量輸入值(當(dāng)前采樣值)

        MOVW 16#FFFF,VW10

        LD SM0.0

        +D SM0.0//把當(dāng)前采樣值加到采樣和中

        INCW VW0//采樣計(jì)數(shù)器加1

        LDW>= VW0,VW2//達(dá)到采樣次數(shù)

        MOVD VD14,VD18//把采樣和VD14復(fù)制到VD18中

        ENCO VW2,AC1//計(jì)算移位數(shù)

        SRD VD18,AC1//求采樣平均值

        MOVD +0,VD14//重新初始化

        MOVW +0,VW0

        CRET//子程序結(jié)束

        控制子程序的設(shè)計(jì):系統(tǒng)通過EM235采樣,從AEW2中取輸入值,為了增加穩(wěn)定性求多次采樣值的平均值,在依據(jù)計(jì)算出的平均值與給定值比較,看在哪個(gè)取件是對應(yīng)的數(shù)字輸出工作,驅(qū)動(dòng)加熱器以相應(yīng)的占空比工作。

        溫度變送器的量程為0-100℃,對應(yīng)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4-20mA,EM2335取采樣值后,以字的形式將其存儲(chǔ),12位數(shù)據(jù)對應(yīng)的精度為1/32000,所以AEW2中的讀數(shù)與溫度存在著下面的函數(shù)關(guān)系:

        Y=256*X+6400 (1)

        其中Y是采樣值在CPU中存儲(chǔ)的十進(jìn)制形式,X是溫度,單位是℃

        子程序2如下:

        LD SM0.0

        MOVW +16640,VW110//給定值等于40℃

        MOVW +11520,VW114//給定值的1/2等于20℃

        MOVW +14592,VW118//給定值的4/5等于32℃

        NETWORK 2

        LDW<=VW 20,VW114//采樣值給定值比較

        = Q0.1//采樣值小于給定值的1/2時(shí)Q0.1導(dǎo)通,似的加熱器全速工作

        NETWORK 3

        LDW> VW20,VW114//采樣值大于給定值的1/2小于給定值的4/5時(shí),調(diào)用子程序3

        AW<= VW20,VW118

        CALL SBR_3//加熱器以占空比為1/2工作

        NETWORK 4

        LDW> VW20,VW114//采樣值大于給定值的4/5小于給定值時(shí),調(diào)用子程序4

        AW<= VW20,VW110

        NETWORK 5

        LDW> VW20,VW110//采樣值大于給定值時(shí)Q0.0復(fù)位

        R Q0.1,8//加熱器停止工作

        CRET

        輸出子程序的設(shè)計(jì):為了準(zhǔn)確的控制加熱器的占空比,用定時(shí)器控制PLC的數(shù)字輸出端Q0.1。設(shè)定加熱器的一個(gè)周期為10s,實(shí)測溫度未達(dá)到預(yù)設(shè)值的一半時(shí),Q0.1輸出高電平,加熱器以最大功率工作,實(shí)測溫度超過預(yù)設(shè)值的1/2未到4/5時(shí)Q0.1輸出10s周期的方波,加熱器以最大功率的50%工作,實(shí)測溫度超過預(yù)設(shè)值的4/5卻沒達(dá)到設(shè)定值時(shí),PLC輸出2.5s高電平7.5s低電平,即加熱器以最大功率的25%工作。子程序3和4實(shí)現(xiàn)了Q0.1輸出不同波形。

        具體程序如下:

        5 結(jié)束語

        綜上所述可知PLC的靈活性和適應(yīng)性在工業(yè)控制方面得到很好的應(yīng)用。很多工業(yè)現(xiàn)場需要達(dá)到的要求,用PLC編程總能很精確且可靠的滿足,在對恒溫箱設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng),經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)基本達(dá)到所需要求。

        參考文獻(xiàn)

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        作者簡介:郭志偉,男,漢族,研究生,河北大學(xué)。

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