劉 鵬，郭 頌，劉冰琪，劉煥偉

(泰山科技學(xué)院，河北 衡水 271000)

0 引言

MCGS組態(tài)屏，DC24V供電，可視性好，分辨率高，通信穩(wěn)定，通用性強(qiáng)。本次所選的西門子PLC S7-1200包含模擬量輸入輸出端口和數(shù)字量輸入輸出端口，便于溫度信號的采集、運(yùn)算。PLC穩(wěn)定性相對較好，工作頻率快，周期短，與單純的繼電器和接觸器等組成的硬件系統(tǒng)相比，體積小，可靠性好，穩(wěn)定性強(qiáng)。溫度控制在冶金煉鋼、孵化、供暖、生物醫(yī)藥、化學(xué)化工都極為常見，溫度控制是否精準(zhǔn)，直接關(guān)系到結(jié)果的成敗，關(guān)乎產(chǎn)品精度。溫度控制系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中不可避免地包含多種擾動，設(shè)計(jì)為串級控制，將主要擾動和較多擾動包含在副回路中，可以有效地提高抗擾性能、調(diào)節(jié)速度和穩(wěn)態(tài)精度?；贛CGS和PLC的溫度控制系統(tǒng)具有直觀方便可靠的控制性能。

1 搭建MCGS組態(tài)文件

MCGS以動畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

嵌入版MCGS包含主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略[1]。本次采用的組態(tài)屏是觸摸屏，考慮到工業(yè)中，參數(shù)修改頻繁，為保護(hù)觸摸屏，延長使用壽命，本系統(tǒng)設(shè)置了外置鍵盤，可以通過外置鍵盤在MCGS組態(tài)屏上設(shè)置相關(guān)參數(shù)。因?yàn)槭峭庵面I盤，這里需要在組態(tài)界面添加鍵盤移動光標(biāo)，當(dāng)光標(biāo)移動到需改參量時(shí)，還需要啟用設(shè)置選中鍵才可以進(jìn)行參數(shù)輸入或修改。因此每個(gè)可改參量不僅要有“輸入框”，在其下方還需設(shè)置光標(biāo)鍵和設(shè)置選中鍵。

在運(yùn)用嵌入版MCGS時(shí)，首先建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，點(diǎn)擊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，新增對象，雙擊新增的對象進(jìn)行屬性設(shè)置。光標(biāo)鍵和設(shè)置選中鍵在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行新增對象設(shè)置時(shí)，它們的基本屬性設(shè)置為開關(guān)型，數(shù)據(jù)對象名稱為了方便與MCGS自身的設(shè)備編輯窗口的通道名稱以及與PLC中的變量對應(yīng)，在命名時(shí)盡量保持相近，方便后續(xù)檢查和修改。例如，副控制器的“比例參數(shù)”設(shè)置選中鍵在PLC變量窗口中的地址是“%M19.0”，那么在設(shè)備編輯窗口的通道名稱列起名為“M019.0”，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中起名為“讀寫M019_0”。

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中建立的對象涉及比例、積分、微分系數(shù)、爐內(nèi)溫度的設(shè)定和測量以及出料溫度的設(shè)定和測量值等對象時(shí)，設(shè)置為數(shù)值型對象。為了保障設(shè)備安全和產(chǎn)品的高利用率，這里部分?jǐn)?shù)值型的參量設(shè)置了上下限報(bào)警，一旦溫度觸碰到報(bào)警值，就會自動報(bào)警，并記錄發(fā)生報(bào)警的時(shí)間和具體數(shù)值，如果長時(shí)間出現(xiàn)故障報(bào)警，系統(tǒng)便會自動斷電保護(hù)，允許故障存在的時(shí)間長短可以在PLC程序中用定時(shí)指令來設(shè)置。

在用戶窗口組建畫面，點(diǎn)開工具箱，選用輸入框，以“進(jìn)料電動調(diào)節(jié)閥開度”為例進(jìn)行說明。設(shè)置數(shù)據(jù)對象的名稱，打開與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的“變量選擇”窗口，選擇相應(yīng)的變量“進(jìn)料電動調(diào)節(jié)閥開度”，為了方便明確，在用戶界面窗口和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中采用了同樣的名字。因?yàn)槭请妱诱{(diào)節(jié)閥開度，所以單位為“%”，0～100%可調(diào)，四舍五入僅顯示整數(shù)位。

組態(tài)屏上的“進(jìn)料閥屏設(shè)/現(xiàn)場切換”按鈕，直接用“標(biāo)簽”工具來寫，為了表明是屏幕調(diào)節(jié)狀態(tài)還是現(xiàn)場調(diào)節(jié)狀態(tài)，可以填充顏色，通過切換顏色辨別。

在用戶窗口建立系統(tǒng)模型時(shí)，打開工具箱，找到插入元件，選中要插入的元件，點(diǎn)擊確定，元件便會出現(xiàn)在用戶窗口的左上角，可以自己調(diào)整大小和角度[2]。最終的用戶界面如圖1所示。

圖1 溫度串級控制MCGS的用戶窗口界面

因?yàn)槭谴壙刂?，所以副被控對象熱交換爐的溫度設(shè)定值是由主控制器輸出的，這里只能顯示，不能調(diào)整。出料溫度的測量值和爐內(nèi)溫度的測量值是由溫度傳感器傳回的，所以也只能顯示，不能修改。進(jìn)料閥開度可以在屏幕中設(shè)置，也可以現(xiàn)場調(diào)節(jié)。燃料閥開度可以在屏幕中強(qiáng)制設(shè)置，此時(shí)稱為人工調(diào)整；也可以由PID調(diào)節(jié)器自動調(diào)整。當(dāng)燃料閥開度設(shè)置為人工調(diào)整時(shí)，相關(guān)的主副控制器的PID參數(shù)此時(shí)是不起作用的。

2 PLC程序的建立

本設(shè)計(jì)的主要目的是加熱并控制好出料口的物料溫度，首先在MCGS界面輸入物料加熱后的期望溫度值R，圖2中R1表示與設(shè)定值R相對應(yīng)的電信號。設(shè)定溫度轉(zhuǎn)換后的電信號R1與出料的實(shí)際溫度Y1采集變換后的值Z1比較后，得到偏差E1，并將其傳送給主控制器——出口物料溫度控制器。主控制器的輸出作為副回路爐溫控制的設(shè)定值R2[3]，在自動狀態(tài)下，副環(huán)可以快速調(diào)整進(jìn)入副環(huán)的擾動，比如鍋爐外界溫度的擾動、氧氣含量的擾動、燃?xì)饧兌鹊臄_動等，這里針對副被控對象的擾動用F2來表示，針對主被控對象物料的擾動用F1來表示，例如物料的進(jìn)料溫度、進(jìn)料流量等。該溫度串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目選用S7-1200系列PLC，利用博圖V16版軟件進(jìn)行編程，主要用到PID控制算法，S7-1200的PID指令采用了不完全微分PID和抗積分飽和等改進(jìn)的控制算法。

模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換和PID程序的執(zhí)行都是周期性的操作，其間隔時(shí)間稱為采樣周期Ts。博圖指令列表的“工藝”窗格的PID控制“Compact PID”文件夾中，有3條指令，這里采用PID Compact，該指令具有抗積分飽和功能，并且能夠?qū)Ρ壤饔煤臀⒎肿饔眠M(jìn)行加權(quán)運(yùn)算。其計(jì)算公式為：

式中，y為PID算法的輸出值；Kp為比例增益；b為比例作用權(quán)重；w為設(shè)定值；x為過程值；s為自動控制理論中的拉普拉斯運(yùn)算符號；TI為積分作用時(shí)間；TD為微分作用時(shí)間；a為微分延遲系數(shù)；微分延遲為aTD；c為微分作用權(quán)重[4]。

本設(shè)計(jì)采用1215C 型號PLC，定時(shí)間間隔執(zhí)行PID指令，設(shè)置其循環(huán)時(shí)間為100 ms，在組態(tài)屏中設(shè)置好理想的出口物料溫度值。

在構(gòu)建PLC的PID控制器程序時(shí)，首先建立“組織塊”，在程序塊中選擇添加新塊，選擇組織塊,在左側(cè)列中，找到工藝對象，選擇新增工藝對象，打開新增對象窗口，選擇PID，選擇PID_Compact。打開組態(tài)窗口，在基本設(shè)置中，控制器類型選擇“溫度”，單位“℃”?！癐nput/Output參數(shù)”中均選擇模擬量形式。

為適應(yīng)工程實(shí)際的需要，在現(xiàn)場或者緊急情況中，為快速有效地調(diào)節(jié)或者實(shí)驗(yàn)，有可能需要手動調(diào)節(jié)的情況，所以在PID模塊組態(tài)的高級設(shè)置中要勾選“啟用手動輸入”。當(dāng)勾選“啟用手動輸入”后，可以用“MOVE”指令直接給PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

主控制器的設(shè)定值“Setpoint”對應(yīng)MCGS界面中設(shè)定的“出料溫度設(shè)定值”，“Input_PER”對應(yīng)實(shí)際的出料溫度反饋值，如圖3所示。

圖3 主控制器設(shè)定和反饋值

在本程序中，利用ManualEnable，ModeActivate和Mode配合設(shè)置了手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)兩種模式，同時(shí)設(shè)置了設(shè)定值的上下限報(bào)警和輸出值的上下限報(bào)警。當(dāng)設(shè)定值不合理時(shí)，無法進(jìn)行有效輸入；當(dāng)偏差較大，且偏差時(shí)間較長時(shí)，不會讓控制器的輸出持續(xù)長時(shí)間增大，在保證快速性的同時(shí)，確保爐膛及物料溫度在正常范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

基于MCGS和西門子PLC的溫度串級控制系統(tǒng)，融合了MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)，PLC程序的編寫，MCGS與PLC的通信以及變量連接。為保護(hù)組態(tài)屏，本系統(tǒng)設(shè)置了外置鍵盤，通過移動光標(biāo)找到對應(yīng)的參數(shù)，并進(jìn)行設(shè)置。串級控制能快速調(diào)節(jié)燃?xì)忾y的開度，能夠快速克服大部分進(jìn)入副回路的擾動，比如氧氣含量的擾動、燃?xì)饧兌鹊臄_動等，外置PID參數(shù)在組態(tài)屏界面可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)手動自動控制。PLC控制性能穩(wěn)定，方便實(shí)用。