鄧國(guó)富

(廣東先導(dǎo)稀材股份有限公司，廣東 清遠(yuǎn)511517)

1 溫度控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中加熱爐的溫度控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中是相當(dāng)廣泛的，而溫度參數(shù)是工業(yè)控制中的被控參數(shù)之一，對(duì)物料或產(chǎn)品的加熱處理，是工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的一個(gè)重要工序，對(duì)生產(chǎn)物料或加工產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度控制與調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的加熱爐體的溫度控制系統(tǒng)，主要通過(guò)使用繼電器來(lái)控制加熱，其控制柜的接線比較復(fù)雜，而且系統(tǒng)的運(yùn)行故障率比較高，再加上耗電量也比較大，在現(xiàn)代復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，不能采用比較傳統(tǒng)的繼電器控制方式來(lái)控制溫度。

經(jīng)過(guò)工業(yè)革命的技術(shù)發(fā)展，可編程控制器PLC可以完美代替繼電器來(lái)控制工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的溫度。PLC是一個(gè)集成的控制器，它本身就具有自動(dòng)處理模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的處理能力，正因?yàn)檫@個(gè)優(yōu)點(diǎn)，PLC在我國(guó)的溫度控制系統(tǒng)加熱生產(chǎn)中得到大幅的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，所以PLC逐漸能夠在過(guò)程控制中得到應(yīng)用。PLC能夠應(yīng)用在遠(yuǎn)程的控制系統(tǒng)與現(xiàn)地控制系統(tǒng)，同時(shí)具有應(yīng)用面相當(dāng)廣，可靠性也相當(dāng)高，編程相當(dāng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。PLC具有開(kāi)關(guān)量控制輸出也就是具有繼電器控制功能的特點(diǎn)，同時(shí)具備各種模擬信號(hào)的采集，以及各種高功能模塊的數(shù)據(jù)輸入與控制，將開(kāi)關(guān)量信號(hào)與模擬量信號(hào)綜合為一體，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，開(kāi)環(huán)控制，閉環(huán)控制等控制能力，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜生產(chǎn)工藝與自動(dòng)化生產(chǎn)線。PLC在配合人機(jī)界面的操作界面的應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中加熱爐的溫度控制系統(tǒng)將起到關(guān)鍵的作用，實(shí)現(xiàn)與滿足加熱控制工藝的需要。

2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制參數(shù)是溫度，溫度的采集是有時(shí)間滯后的因素。溫度會(huì)隨著爐體的加熱隨時(shí)發(fā)生改變，溫度變化通過(guò)溫度傳感器接入系統(tǒng)的控制器。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用松下品牌PLC來(lái)控制系統(tǒng)的加熱與溫度采集，溫度傳感器接入到PLC控制器的輸入模塊，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)PLC數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并保持到PLC存儲(chǔ)器中，通過(guò)軟件編程與用戶在人機(jī)界面上設(shè)定的目標(biāo)溫度值進(jìn)行對(duì)比，數(shù)字量輸出模塊按一定方式輸出控制量，然后接通固態(tài)繼電器控制爐體加熱器的通斷，進(jìn)而控制爐體的升溫加熱。系統(tǒng)的人機(jī)界面通過(guò)其串口可以與松FP2系列進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，能夠?qū)崟r(shí)顯示加熱控制系統(tǒng)的溫度數(shù)值。本文溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)設(shè)計(jì)步驟：硬件選型設(shè)計(jì)、軟件編程設(shè)計(jì)、參數(shù)整定等。

2.1 硬件選型設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件選型是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。在設(shè)計(jì)溫度控制之前要根據(jù)該系統(tǒng)的受控對(duì)象、參數(shù)和控制要求，選擇合適系統(tǒng)的控制器、控制方式、溫度傳感器和適合用戶的操作界面等等。本系統(tǒng)CPU型號(hào)選FP2-C2L作為系統(tǒng)的核心控制器模塊，與溫度輸入模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控則選用松下的模擬量輸入模塊FP2-AD8X，溫度傳感器選擇S型熱電偶輸入可以檢測(cè)加熱爐體1300度以內(nèi)的溫度，熱電偶傳感器接到模擬量輸入模塊，模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號(hào)傳輸?shù)絇LC，經(jīng)過(guò)處理后數(shù)據(jù)保存到CPU的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器WX通道中。固態(tài)繼電器選用臺(tái)灣陽(yáng)明，型號(hào)為SSR-F40LA，溫度輸入模塊采集的溫度送到PLC后會(huì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比并進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器數(shù)字輸出轉(zhuǎn)化成占空比輸出，實(shí)現(xiàn)加熱器的加熱升溫。前面的數(shù)字量輸出模塊可以選用16個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出的FP2-Y16T。溫度控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面選用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的威綸7寸屏TK6070IP，松下PLC控制器與威綸人機(jī)界面的通訊方式采用串口無(wú)協(xié)議通訊自助完成數(shù)據(jù)交換，松下PLC能夠時(shí)刻讀取的加熱爐體的溫度數(shù)據(jù)，威綸人機(jī)界面將顯示加熱爐體的溫度數(shù)值。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示：

圖1

2.2 軟件編程設(shè)計(jì)

PLC的軟件編程設(shè)計(jì)，首先PLC上電后應(yīng)該執(zhí)行初始化內(nèi)存寄存器，通過(guò)R9013特殊繼電器初次上電掃描執(zhí)行產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行程序初始化。實(shí)時(shí)將溫度通道WX的溫度值寫(xiě)入到DT寄存器中，同時(shí)PID控制指令F355各PID參數(shù)設(shè)定值指定給DT寄存器，寫(xiě)入相應(yīng)的寄存器，使程序啟動(dòng)后系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)加熱爐體進(jìn)行溫度PID采集控制。溫度傳感器即本系統(tǒng)使用S型熱電偶傳感器將爐體測(cè)量的實(shí)際溫度經(jīng)過(guò)接入溫度模塊AD8X單元后產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，溫度模塊經(jīng)過(guò)模擬量輸入通道CH0的模數(shù)轉(zhuǎn)換后成為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，PLC內(nèi)存會(huì)得到實(shí)際的溫度值為寄存器通道WX除以10的商。這樣PLC內(nèi)部的PID過(guò)程控制會(huì)自動(dòng)計(jì)算出實(shí)際溫度值與溫度目標(biāo)值的偏差值在一定周期內(nèi)輸出一定占空比通斷固態(tài)繼電器，接通爐體的加熱器，實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)部PID過(guò)程控制和自動(dòng)加熱控制溫度。

3 PID的參數(shù)整定

軟件編程中PLC內(nèi)部的PID參數(shù)整定也是溫度控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容。PLC的PID參數(shù)包括溫度過(guò)程控制中的比例P參數(shù)，積分I時(shí)間參數(shù)，微分D時(shí)間參數(shù)的數(shù)值。在廣泛的PID調(diào)節(jié)器工程應(yīng)用中，PID參數(shù)整定方法主要有兩類，一類是理論計(jì)算法，一類是工程整定法。理論計(jì)算法當(dāng)然是通過(guò)理論計(jì)算得出被控對(duì)象的PID參數(shù)值，而工程整定法則是通過(guò)實(shí)際工程控制調(diào)節(jié)各參數(shù)。從而我們就利用了工程整定法進(jìn)行PID現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)整定方式，對(duì)本加熱爐體進(jìn)行一次PLC內(nèi)部過(guò)程控制的自整定PID參數(shù)。

本系統(tǒng)能夠通過(guò)PLC自身的PID運(yùn)算指令F355進(jìn)行完成PID參數(shù)自整定控制。這種控制方式是根據(jù)加熱爐體的實(shí)際溫度、溫度傳感器的響應(yīng)速度及系統(tǒng)的滯后特性等工藝特性曲線，由PLC自動(dòng)計(jì)算出與加熱器匹配的調(diào)節(jié)參數(shù)，自動(dòng)約束加熱器的加熱功率，進(jìn)而對(duì)加熱爐體進(jìn)行溫度工藝調(diào)節(jié)，并能夠在升溫過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。首次使用加熱系統(tǒng)前需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次PID參數(shù)自整定升溫過(guò)程，根據(jù)此系列的PLC參數(shù)設(shè)置方法，需要將F355參數(shù)控制模式改成H8000自整定控制模式，進(jìn)行升溫控制，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，完成整個(gè)自整定過(guò)程后參數(shù)會(huì)自動(dòng)反映到PID參數(shù)區(qū)域，通過(guò)修改這三個(gè)參數(shù)后直接寫(xiě)入到溫度控制系統(tǒng)的實(shí)際加熱中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在用戶設(shè)定溫度目標(biāo)值的準(zhǔn)確控溫。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)進(jìn)一步的參數(shù)測(cè)試，溫度控制系統(tǒng)的可能會(huì)因?yàn)榧訜崞骰蛘邿犭娕嫉脑驎?huì)產(chǎn)生系統(tǒng)一定溫度波動(dòng)，這種情況需要更進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，再對(duì)系統(tǒng)重新進(jìn)行一次PID參數(shù)自整定。

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