林松

摘 要：PLC邏輯運(yùn)算和模塊控制功能越來(lái)越成熟精確，不僅設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，運(yùn)算功能靈活，而且可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成控制。根據(jù)溫度控制工藝要求，設(shè)計(jì)一種通過(guò)PLC程序編程運(yùn)算實(shí)時(shí)輸出，控制溫控器設(shè)定值和PID模塊溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象精確控溫的目的，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制方法簡(jiǎn)單，方便調(diào)試和使用，在實(shí)際工程運(yùn)用取得相當(dāng)好的控制效果。

關(guān)鍵詞：PLC；溫度控制；PID

1 引言

溫控表與熱電偶、加熱元件、執(zhí)行元件組成獨(dú)立完整的溫度控制系統(tǒng)，這種溫控方式應(yīng)用普及，但修改參數(shù)麻煩。另一種建立溫控表與上位機(jī)之間的通訊連接，目前使用也非常普遍，但是通訊編程復(fù)雜，特別是不同溫控和上位機(jī)，通信協(xié)議有所不同，對(duì)于技術(shù)人員編程知識(shí)要求高。所以設(shè)計(jì)一種程序簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活、成本合理和通用性強(qiáng)的溫控系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員需要考慮的事情?；谏鲜銮闆r本文應(yīng)用溫控表+PLC輸入輸出模塊實(shí)現(xiàn)溫度控制，介紹了特殊情況下應(yīng)用PID控制輸出控制接觸器的方式。

2 控制方式的實(shí)現(xiàn)

2.1 建立PLC與溫度儀表模擬通道的連接，PLC就可以實(shí)現(xiàn)控制溫控儀表過(guò)程值和設(shè)定值的任何運(yùn)算，可以按照工藝要求進(jìn)行升溫曲線程序段控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但溫度控制準(zhǔn)確性由溫控儀表執(zhí)行。

圖1

（如圖1）溫控設(shè)備中的溫度器配置有模擬量輸入、輸出模塊電壓信號(hào)均為0-10V，輸入、輸出模塊接點(diǎn)與PLC模擬量模塊連接，被控對(duì)象由溫控設(shè)備控制。系統(tǒng)通過(guò)PLC輸出設(shè)定值到溫控器上并讀取實(shí)際值，按照實(shí)際工藝要求PLC內(nèi)部運(yùn)算后輸出設(shè)定值到溫控設(shè)備控制加熱溫度和時(shí)間。

（如圖2）工藝要求第1步加熱時(shí)間t1、溫度到達(dá)T1后經(jīng)過(guò)t3時(shí)間從T1溫度下降至T2。

從溫控設(shè)備來(lái)的0-10v信號(hào)轉(zhuǎn)入PLC系統(tǒng)后要經(jīng)過(guò)數(shù)值轉(zhuǎn)換，需將0-10V電壓值轉(zhuǎn)換為工程量才能進(jìn)行運(yùn)算，假設(shè)溫控器模擬量模塊0-10V對(duì)應(yīng)的溫控范圍0-Ta。PLC模擬量輸入輸出模塊0-10V的電壓對(duì)應(yīng)程序的工程量0-青年Ka。溫控設(shè)備儀表實(shí)際值Tc，PLC程序中的值應(yīng)該是Tc/C （Ta/Ka=C常數(shù)），同樣道理PLC設(shè)定值T1、T2則程序運(yùn)算后輸出到溫控儀表的設(shè)定值是T1*C、T2*C。

首先計(jì)算出溫度上升/下降斜率值Ks，開(kāi)始第一段加熱程序掃描T1>Tc/C，啟動(dòng)后應(yīng)為升溫過(guò)程，上升斜率Ks=（T1-Tc/C）/t1。第二段程序掃描Tc/C>T2則為降溫過(guò)程，下降斜率Ks=（Tc/C-T2）/t3。而后按照計(jì)算斜率來(lái)控制溫控器每分鐘掃描設(shè)定溫度To=To±Ks，To為每分鐘掃描一次，To值逐漸增加或減小一次Ks值，理論上時(shí)間溫度到達(dá)時(shí)剛好完成斜率的上升/下降任務(wù)。

圖3為部分升溫斜率控制程序。啟動(dòng)觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)后將實(shí)際值讀入做為斜率計(jì)算的開(kāi)始設(shè)定值，整個(gè)控溫過(guò)程中保持實(shí)時(shí)設(shè)定值與實(shí)際值一致，說(shuō)明控溫精度準(zhǔn)確。具體還是根據(jù)實(shí)際情況來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的控制功能。

2.2 在工業(yè)控制中 PID（比例+微分+積分）得到廣泛應(yīng)用，由于實(shí)際工程控制系統(tǒng)很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，大都依賴工程經(jīng)驗(yàn)直接在系統(tǒng)中調(diào)試參數(shù)整定?，F(xiàn)在的PLC廠家大都在編程軟件中引入PID控制模塊，它跟其它PLC指令程序指令模塊一樣，可以離線或在線修改參數(shù)。用戶只需要設(shè)置合適的參數(shù)，通過(guò)對(duì)PID指令的參數(shù)修改就可以控制執(zhí)行元件控制溫度。圖4為PID在PLC控制的實(shí)現(xiàn)原理，控制界面清晰、簡(jiǎn)潔、無(wú)需復(fù)雜編程，使用起來(lái)方便簡(jiǎn)單。

圖4 圖5

PID指令模塊（圖5）中有兩個(gè)重要的表述Process variable為過(guò)程變量的輸入源也就是溫度反饋值。圖中加熱實(shí)際溫度為Ta，溫度最小最大標(biāo)定范圍0-1500℃，則對(duì)應(yīng)PLC的工程量0-16383，需要進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換后才能輸入到PID模塊中Control_Process Value=Ta*16383/1500。

另一個(gè)Control variable是最為關(guān)鍵的控制參數(shù)，這個(gè)變量直接傳到執(zhí)行元件上，但是由于PID計(jì)算后得到的是百分比數(shù)值，無(wú)法直接輸出到執(zhí)行元件，所以需要將此數(shù)值轉(zhuǎn)換（例如OUTPUT%=0，CV=0；OUTPUT=100%，CV=10000）后才能進(jìn)行其它運(yùn)算。

圖6

（圖6）控制動(dòng)作E=SP-PV，SV>PV時(shí)控制器輸出增大，PV>SV時(shí)控制器輸出減少。Deadband value是防止過(guò)程值在設(shè)定的附近進(jìn)行微調(diào)，導(dǎo)致系統(tǒng)來(lái)回振蕩，是否設(shè)定或設(shè)定值大小根據(jù)工藝需要。Kp、Ki、Kd分別為比例增益、積分增益和微分時(shí)間參數(shù)。

如果特殊情況下執(zhí)行元件采用普通接觸器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫控器的分段和斜率加熱功能，由于接觸器線圈的吸合斷開(kāi)不宜太頻繁，又要解決控制精度和時(shí)間問(wèn)題。所以利用PID模塊和引入定時(shí)功能相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制。

PID模塊設(shè)置啟動(dòng)和暫停開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)觸點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始運(yùn)行PID模塊運(yùn)算并開(kāi)始定時(shí)器計(jì)時(shí)，加熱時(shí)間達(dá)到后開(kāi)始加熱。由于此例選擇independent（獨(dú)立增益）和E=SP-PV（偏差），根據(jù)PLC模塊PID的計(jì)算公式CV=KpE+Ki，計(jì)算出控制變量值的數(shù)值后經(jīng)過(guò)輸出轉(zhuǎn)換得到循環(huán)時(shí)間比例值，利用循環(huán)時(shí)間比例值與過(guò)程值比較結(jié)果來(lái)控制加熱停止。下面為軟件編程：

3 結(jié)束語(yǔ)

采用PLC來(lái)控制溫度方法非常多，基于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，以實(shí)際需要為準(zhǔn)則。本文主要介紹了在溫控設(shè)備與PLC無(wú)法采用通訊連接和利用PID模塊來(lái)控制加熱溫度和時(shí)間的方法，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制方法簡(jiǎn)單，在實(shí)際工程運(yùn)用取得相當(dāng)好的控制效果。當(dāng)然上述方法編程可以是整個(gè)控制系統(tǒng)中的一環(huán)節(jié)控制點(diǎn)，PLC可以與HMI結(jié)合設(shè)計(jì)出非常友好的界面，方便人員修改數(shù)值和完成控制任務(wù)。

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