蘇安輝

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

基于工業(yè)以太網(wǎng)以及可編程控制器的電加熱溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

蘇安輝

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

現(xiàn)階段的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，運(yùn)用最為廣泛的溫控系統(tǒng)是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，單片機(jī)造價(jià)相對低廉，同時(shí)操作也較為簡單，但是其無法完成較為復(fù)雜的任務(wù)，一般只能作為一種溫度監(jiān)控與控制的裝置，在一些領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用受到了很大的限制.而在化工行業(yè)當(dāng)中，溫度的控制需要非常的精細(xì)，同時(shí)溫度控制的環(huán)境也相對較為復(fù)雜，單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)無法達(dá)到所要求的控制精細(xì)程度，同時(shí)也無法在復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中工作.基于此種情況，必須要研發(fā)一種新型的電加熱溫度控制系統(tǒng).本文所研發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)電加熱溫度控制系統(tǒng)是以西門子S7-200PLC作為控制器，從而實(shí)現(xiàn)PID的控制，此外與上位機(jī)之間的通訊建立則是通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊當(dāng)中的CP243-1實(shí)現(xiàn)的.

工業(yè)以太網(wǎng)；可編程控制器；電加熱溫度控制系統(tǒng)

0 引言

圖1 基于工業(yè)以太網(wǎng)與可編程控制器的電加熱溫度控制系統(tǒng)硬件組成

在大部分的化工實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，都需要對溫度進(jìn)行非常精細(xì)地控制.當(dāng)前階段在化工實(shí)驗(yàn)當(dāng)中使用最為廣泛的電加熱溫控系統(tǒng)往往是一種慣性較大，同時(shí)具有較強(qiáng)非線性的電加熱系統(tǒng).但是在化工實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中，各種不同類型的物理與化學(xué)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，此外還存在著較多的不確定影響因素，從而使得溫度控制的過程面臨著許多的實(shí)際困難.如果采用傳統(tǒng)的人工溫度控制操作具有非常大的煩瑣性，不利于生產(chǎn)效率的提高，此外人為因素還會(huì)對試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，而基于單片機(jī)的溫度控制裝置的溫控效果相對較差，不能滿足實(shí)際的使用要求，同時(shí)由于化學(xué)工藝的不斷發(fā)展，化學(xué)工藝當(dāng)中的溫度自動(dòng)控制對于實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)的順利進(jìn)行也提出了更高的要求.基于此種情況，必須要研發(fā)一種新型的電加熱溫度控制系統(tǒng)[1]5-10.本文所研發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)電加熱溫度控制系統(tǒng)是以西門子S7-200PLC作為控制器，從而實(shí)現(xiàn)PID的控制，此外與上位機(jī)之間的通訊建立則是通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊當(dāng)中的CP243-1實(shí)現(xiàn)的.這種電加熱溫度控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)非線性的系統(tǒng)溫度控制功能[2]11-15.

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文所研發(fā)的基于工業(yè)以太網(wǎng)與可編程控制器的電加熱溫度控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1所示.該系統(tǒng)的工作原理是通過總線控制相關(guān)的計(jì)算機(jī)、控制器以及調(diào)壓板，從而組成一種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)化工實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的電加熱水浴裝置的溫度控制[3]12-16.

1.1 可編程控制器控制站

在該系統(tǒng)當(dāng)中最主要的控制器為西門子S7-200PLC，西門子S7-200PLC在結(jié)構(gòu)方面較為緊湊與可靠，可以很好地適應(yīng)溫度控制的環(huán)境，此外，該設(shè)備的生產(chǎn)工藝已經(jīng)較為成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在成本方面相對較為低廉，但是卻具有較為強(qiáng)大的功能.對PLC的軟件進(jìn)行編程處理就可以實(shí)現(xiàn)對PID的控制；該系統(tǒng)的測溫原件采用的則是Pt100熱電阻，采用西門子EM231模塊作為溫度模擬量的采集.所有的信息首先都需要經(jīng)過PLC進(jìn)行輸入，在輸入系統(tǒng)之后，PID則會(huì)對信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，而被處理與計(jì)算之后的信號(hào)則是通過電阻模塊進(jìn)行輸出，輸出的信號(hào)一般為4～20mA的電流信號(hào)[4]13-19.該系統(tǒng)的調(diào)壓板采用的是PAC15P調(diào)壓板，調(diào)壓板在接收到相關(guān)的輸出信號(hào)之后就會(huì)根據(jù)對應(yīng)的電流對電壓進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對化工實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的水浴裝置的溫度控制.

1.2 操作站

在該電加熱溫度控制系統(tǒng)當(dāng)中，采用PC總線作為整個(gè)系統(tǒng)的操作站，計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)則采用Windows XP系統(tǒng)，采用組態(tài)王作為監(jiān)控軟件.操作站需要具備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的基本功能，在操作站當(dāng)中工作人員實(shí)現(xiàn)對溫度參數(shù)的設(shè)定以及PID參數(shù)的設(shè)定，此外還可以觀察當(dāng)前的溫度控制情況以及相關(guān)的溫度控制記錄數(shù)據(jù).

1.3 通訊方式

在該電加熱與溫度控制系統(tǒng)當(dāng)中最為關(guān)鍵的因素在于上位機(jī)、PLC與組態(tài)軟件的通訊實(shí)現(xiàn)，本文所研發(fā)的溫度控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了以上3方之間的通訊.對西門子S7-200的CPU進(jìn)行一定的改裝之后就可以實(shí)現(xiàn)對工業(yè)以太網(wǎng)的完美支持，即為CUP加裝CP24-1以太網(wǎng)模塊.通過CP24-1以太網(wǎng)模塊控制器就可以將系統(tǒng)連接到以太網(wǎng)的通訊處理器當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)通過以太網(wǎng)對控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)、編程和診斷.此外西門子S7-200還可以實(shí)現(xiàn)與其他不同類型的控制器之間的通訊，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)控制器與服務(wù)器之間的通訊[5]6-9.

2 可編程控制器PID控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)

在一般的工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，對于連續(xù)變化的量的模擬往往需要采用一種閉環(huán)的方式進(jìn)行，不論是在計(jì)算機(jī)還是在控制器當(dāng)中，PID控制都具有非常重要的作用，同時(shí)也具有較為廣泛的運(yùn)用，在本文所研發(fā)的系統(tǒng)當(dāng)中，PID的控制采用的是可編程的數(shù)字控制系統(tǒng)，周期采樣偏差的PID算式如下所示：

Mn=Kc*(SPn-PVn)+Kc*Ts/T1*(SPn-PVn)+MX+Kc*TD/TS*(PVn-1-PVn)

式中：Mn為時(shí)刻n采樣所得到的計(jì)算值；Kc為增益；SPn表示采樣時(shí)所給定的數(shù)值；PVn表示時(shí)刻n采樣的過程值；Ts表示相鄰兩次采樣之間的時(shí)間間隔(采樣周期)；T1表示積分時(shí)間；MX表示的是在采樣時(shí)刻n-1的積分項(xiàng)；TD表示的則是微分時(shí)間[6]17-20.

在西門子S7-200當(dāng)中最為關(guān)鍵的功能為PID指令功能，PID指令的實(shí)現(xiàn)需要系統(tǒng)為其指定一個(gè)以V變量存儲(chǔ)區(qū)地址開始的PID回路表以及PID回路號(hào).在系統(tǒng)給定的PID回路表當(dāng)中，提供了系統(tǒng)的給定以及反饋的結(jié)果，同時(shí)還包含PID數(shù)據(jù)在內(nèi)的參數(shù)入口等內(nèi)容，此外，PID運(yùn)算所得到的相關(guān)結(jié)果也往往也是通過回路表進(jìn)行輸出的.在本文所研發(fā)的電加熱溫度控制系統(tǒng)當(dāng)中，工作人員所輸入的溫度控制調(diào)節(jié)數(shù)值就是給定值，PID控制的主要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)部的溫度變化與給定的數(shù)值之間保持著較為接近的水平，同時(shí)這種趨勢也要處于一種較為穩(wěn)定的狀態(tài)當(dāng)中，另一方面系統(tǒng)還自動(dòng)處理對控制效果產(chǎn)生影響的各種因素[7]6-7.進(jìn)行PID運(yùn)算的主要目的就是對反饋的內(nèi)容與給定值之間的差異進(jìn)行分析，同時(shí)按照PID的相關(guān)運(yùn)算規(guī)律計(jì)算出所需要的結(jié)果，并將結(jié)果輸送到調(diào)壓板當(dāng)中，調(diào)壓板的電壓值就會(huì)隨之發(fā)生變化，從而引起溫度的變化.在該系統(tǒng)當(dāng)中所使用的指令向?qū)Э梢詫?shí)現(xiàn)PID參數(shù)的快速設(shè)置，在完成相關(guān)的參數(shù)設(shè)置之后，PID程序就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成.為PID指令指定一個(gè)以V100變量存儲(chǔ)區(qū)地址開始的PID回路表 ,同時(shí)指定其回路號(hào)為O.所謂的溫度的給定量以及相關(guān)的過程變量都是實(shí)際工藝參數(shù)的相關(guān)數(shù)值，PID的相關(guān)指令并不能實(shí)現(xiàn)對這些參數(shù)的直接計(jì)算，必須要將相關(guān)的參數(shù)轉(zhuǎn)化成與之對應(yīng)的實(shí)數(shù).此外數(shù)據(jù)的輸出也需要進(jìn)行必要的處理才能被輸送通道輸出，當(dāng)PID指令檢測到信號(hào)的跳變從0變到1之后，PID指令就會(huì)執(zhí)行相關(guān)的控制動(dòng)作[8]5.

3 工業(yè)以太網(wǎng)通訊

在本文所研發(fā)的電加熱溫度控制系統(tǒng)當(dāng)中，控制器西門子S7-200PLC可以實(shí)現(xiàn)對多種通信網(wǎng)絡(luò)的支持，但是必須要通過以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊才能實(shí)現(xiàn)這種功能.在該系統(tǒng)的通訊設(shè)計(jì)當(dāng)中，最關(guān)鍵的因素在于需要實(shí)現(xiàn)控制器與編程軟件之間的通訊以及服務(wù)器與組態(tài)王之間的數(shù)據(jù)互換，具體內(nèi)容如圖2當(dāng)中所示.

圖2 基于工業(yè)以太網(wǎng)與可編程控制器的電加熱溫度控制系統(tǒng)通信系統(tǒng)

若要實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)與控制器之間的連接，可以使用以太網(wǎng)向?qū)ЫM態(tài)來對以太網(wǎng)模塊進(jìn)行組態(tài)，在這個(gè)過程當(dāng)中以太網(wǎng)向?qū)ЫM態(tài)可以對相關(guān)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)保存在文件夾當(dāng)中，在組態(tài)的過程當(dāng)中，需要對CP243-1在控制器當(dāng)中的位置進(jìn)行定位，同時(shí)還需要定位傳輸類型與網(wǎng)絡(luò)地址，另一方面還需要指定控制器作為連接的運(yùn)行設(shè)備，最后還需要指定通訊的最終點(diǎn)、以及冬天數(shù)據(jù)在CPU當(dāng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū).在完成組態(tài)相關(guān)工作之后，子例行程序就會(huì)自動(dòng)生成，從而實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)模塊的初始化與監(jiān)控[9]1166-1168.

圖3 溫度控制影響曲線分析

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用Access軟件實(shí)現(xiàn)與客戶端組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)交互 ,從而最終實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與控制器之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊.

4 電加熱溫控實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成該系統(tǒng)的生產(chǎn)之后，對該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).在開始控制之前，相關(guān)參數(shù)的設(shè)定如下：積分時(shí)間Ti為20 min，微分時(shí)間Td=3 s，比例系數(shù)設(shè)定為Kc為15，溫度初始值為40 ℃，結(jié)果如圖3所示.

從圖3當(dāng)中我們可以看出，雖然該水浴實(shí)驗(yàn)存在著較大的非線性與滯后性，但是在該溫度控制系統(tǒng)的控制之下，可以穩(wěn)定工作，同時(shí)調(diào)量也相對較小.

5 結(jié)語

在本文當(dāng)中，筆者研發(fā)了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)與可編程控制器的電加熱溫度控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)當(dāng)中采用西門子S7-200自帶的PID控制回路對溫度進(jìn)行控制，同時(shí)采用基于以太網(wǎng)的通訊方式實(shí)現(xiàn)不同組件之間的通訊.工業(yè)以太網(wǎng)的價(jià)格相對較為低廉，同時(shí)也具有較高的開放性與兼容性，在維修方面也存在著較大的優(yōu)點(diǎn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該溫度控制系統(tǒng)具有較高的可靠性，值得在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中大力推廣.

[1] 李 堤.基于工業(yè)以太網(wǎng)的啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)開發(fā)與啤酒發(fā)酵設(shè)定溫度的優(yōu)化[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[2] 胡曉宇.氮化鎵有機(jī)化合物氣相淀積(GaN MOCVD)設(shè)備控制系統(tǒng)研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[3] 韓 林.基于LM3S系列ARM的便攜式氣相色譜儀控制系統(tǒng)研究[D].成都：西華大學(xué)，2011.

[4] 莫 楠.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的模糊控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2005.

[5] 曾志鋒，譚志華.工業(yè)以太網(wǎng)在啤酒發(fā)酵溫度模糊控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,09(04).

[6] 黃小波.基于AT89S52單片機(jī)的以太網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與信息工程, 2008,29(04).

[7] 沈 兵,樊利民.基于RTL8019以太網(wǎng)控制器的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(35).

[8] 楊佳佳,張崇巍.基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[C]//電子測量與儀器學(xué)報(bào)雜志社.第十七屆全國測控計(jì)量儀器儀表學(xué)術(shù)年會(huì)(MCMI'2007)論文集(上冊).北京：電子測量與儀器學(xué)報(bào)雜志社,2007.

[9] 趙丹丹，鄒志云，韓大偉，等.基于可編程控制器和工業(yè)以太網(wǎng)的電加熱溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2006(11).

[責(zé)任編輯 梧桐雨]

2016-11-20

院級科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目“基于校園網(wǎng)的數(shù)字廣播直播平臺(tái)的開發(fā)與建設(shè)”(2012011)

蘇安輝(1980- )，男，吉林四平人，遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事電氣工程自動(dòng)化研究。

TP273

A

1671-8127(2017)01-0088-03