基于PLC的热风机温度控制系统.pdf

P L C F A 2 0 0 7 年 1 1 月 P L C 、工 控机与 集散 控制 系统 PL C． 1 P C ＆ DCS 基于 P L C的热风机温度控制系统 Ai r He a t er T e mp er a t u r e Co n t r o l S y s t e r m Ba s e d o n PL C 天津工业大学 计算机与自动化学院程 烨王 萍刘志国 Ch e n gY e Wa n gPi n g Li uZh i g uo 摘要 热风机是以燃 油或燃气的燃烧作为热量 来源 ，涮节空气的热交换量来达到控 制温度的 目的 ，介绍 了⋯种基于 F a t e k P L C的热风机控制系统设计方 案。j 三 要介绍其温度控制系统部分和上位机软件部 分。上位机部分可控制 热 风机 ，实 时反 应温度 曲线 ，达到很 好 的可视化效 果 。 关键词 P L C 热风机 温度 P I D 实时曲线 Ab s t r a c t Th e a i r h e a t e r u s e s t h e e n e r gy wh i c h i s p r o d u c e d b y c o mb u s t i o n o f o i l o r g a s t o a u s t t h e h e a t e x c h a n g e c a p a c i t y t o c o n t r o l t h e a i r , s t e mp e r a t u r e ．Th i s p a p e r i n t r o du c e s a d e s i g n t h a t a a i r he a t e r c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n F a t e k P LC．We ma i n l y i n t r o d u c e i t s t e mp e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m a n d P C s o f t wa r e ．Th e PC s o ftwa r e c a n c o n t r o l a i r h e a t e r a n d d i s pl a y t h e t e mp e r a t u r e c u r v e i n t i me ．I t h a s a c h i e v e d go o d v i s u a l e f f e c t ． Ke y wo r d s P LC Ai r h e a t e r Te mp e r a t u r e P I D Re a l t i me c u r v e f 中图分类号1 T L 3 5 3 f 文献标识码J B 文章编号 1 6 0 6 5 1 2 3 2 0 0 7 1 1 - 0 0 5 0 0 4 l 引言 热风机是基于热能交换的加热设备。热能交换发生在 通过气体或液体燃料 的燃烧 以加热的金属表面和与此表面 发生接触 的流 通空气之间。 燃料 的燃烧是在燃烧 室 内进 行 ，与 空气流隔绝。空气 的流动是 通过一个风机设备产 生的 ，热风机有很高的热能效率并且在之前的冷空气与热 空气之 间有迅速的对流。此热风机应用于工业环境中，主 控制器要有很高的抗干扰能力和稳定性 ，选择 P L C作为主 控器 。P L C 不仅具有传统控制系统的控制功能， 而且 能扩 展一些智能模块并构成不同的控制系统实现温度控制、闭 环控制、位置控制等来适应不同的工业控制需要 。P L C 以 高集成度 、高效率 、较强的抗干扰能力 、组态灵活等优 势在现代工业控制 中得 到广 泛的应用。为此我们使用永宏 P L C 作为控制器， 它具有 良好的温度控制 P I D算法 、步进 电机控制模块 ，通过 P L C 的串口通讯与 P C 机连接， 构成 人机 界面友好 、控 制功能完善 的温度控制 系统 。 2 系统构成 本系统要求严格控制热风机出风 口温度 ，即冷空气经 热交换后达到的温度值，设为 T 1 ；系统选用热电阻P T 1 0 0 监测入风口和出风 口温度 ，出风 口温度 即为被控温度 ；选 用调功器作为 P L C控 制风机的连接环 节，利用 D A模块输 出4 -2 0 mA信号控制调功器来调节风机转速，这样改变进 入交换室的空气量和空气的热交换时间进而改变出风 口温 度 ，形 成闭环控 制系统 ，如 图 1 。选 用热 电偶测量 燃烧 室温度作为故障监测和风机最低转速 限制 ，风机转速过低 则空气流动缓慢 ，燃烧室热量积聚时间过长会减少热风机 使用 寿命 ，甚 至 出现危 险状 况。 永宏 F A T E K 的 F B S系列 P L C具有 良好的温度控制能 力和很高的性价比，配有温度专用 P I D控制指令以达到精 确控制 ，它提供了集温度采集和数据处理为一身的智能专 用模块 ，在这个模块集成了 1 6位 AI D转换器 ，分辨率达 到 0 ． 1 ℃。该模块能够 自动进行线性 化处理 、冷端补偿 ， 天津市科技创新专项资金项 目 O 6 F Z Z D G x O O 8 O O 维普资讯 P L C ．工控 机 与 集散 控 带 q 系统 P L C． fPC DCS 使用非常方便 ，仅需要将热 电偶接到接线端子并进行程序 控 制就 能对 温度进行 准确 的采集和测量。模块 可以对 J 、 K、T、E、N、B、R、S等 八种 热 电偶 和 白金 电阻进 行 处理 ，可 以同时输入 1 6路温度数 据进行 采集 。在精度 为 0 ． 1 ℃的时候最快刷新速度为 4 s ，在精度为 1 ℃的时候最 快刷新速度为 2 s 。P L C利用 温度模块将温度采集进来 以 后 ，根据 内部程序 中的温度规划表格将 外界 目前的温度值 作为控制变量 ，并将用户设定的温度期望值与程控变量做 P I D运算后得到输出值来调节可控硅调功器 ，以达到调节 风机转速 ，并最终控 制 出风 口温度 。 3 数字 P I D 控制 3 ． 1 P I D控制指令 图1 系统框图 _ i j rn i { 蜘 _ 翔 ■■曩 却 ■●■ Oe l l _ I ， l 鼍 i lI R ■0 - Q Ri i‘ ’ R j _ i 、 R l l 图2 温度 P I D 控制指令 该指令 的数 字 P I D运算 公式 Mn [ KcE n 】 E【 KcKiTs E n ] [ KcT d P Vn P Vn 一 1 g r s 】 其 中 Mn n 时的控制输出量 Kc增益 范 围 1 9 9 9 9 Ki 积分常敷 为积分时 间常数 Ti 的倒数 ，范围 0～9 9 9 9 T d 微分时 间常敷 范围 0 ～9 9 9 9 P Vn n 时 的控制输出量 P V n 。 I ” n 。 I 的控制输出量 E n n 时之误差 设定值 S P 一 n 时控制 ‘ P L cF 2 0 0 7 年 1 1 月 输 出量 P Vn T s P I D运算的间隔时间 增 益 Kc调 整越 大 ，对 输 出贡献 越大 ，可得 到 较快 且灵敏的控制反 应。但增 益如 过大 ，会造成振 荡现 象 ，尽量调 高增 益 但 以不造 成振荡 为原则 ， 以增快 程序 反应并减少稳态 误差 。 积分项可用来消除设定值改变所造成之稳态误差 ，积 分常数 Ki 调整越大，对输出贡献越大，当有稳态误差时， 可调高积分常数 ，以减少稳态误差。积分时间常数 0时， 积分 项 无作 用 。 微分项 可用 来让控制反 应较平顺 ，不会造成过度超 越。微分时间常数 T d 调整越大 ，对输出贡献越大 ，当 有过度超 越 时 ，可调 高微分 时间常数 ， 以减少 超越量 。 3 ． 2参数整定 参数整 定是 十分重要 的，其好坏直接影响调节 品质 。 其中 P R，I R，DR是我们要整定的 P I D参数 ，上述参数 设定值不在正确设定范 围内时，P I D指令不会执行 ，设定 错 误指示 “ E RR” 。其 中 P R 为增益设定值 ，I R为积分 常数设定，D R微分常数 。永宏 P L C有默认 P I D参数 ，如 图 4 。参数 整定主要是确定 P R，I R，DR三个参数 ，这 三个特性参数究竟整定到多大取决于具体被控对象的动态 特性 ，即要根据具体被控对象来确定这三个参数。在实际 工程上一般使用临界 比例度法 、衰减曲线法 、试凑法 。临 界 比例度法不需要求得被控对象的特性 ，可直接在闭合的 系统 中进 行整定 。在本系统 的调试 中选 用 了临界 比例度 法 。一个 自动控制 系统 ，在外界干 扰作用后 ，不 能回复 到稳定 的平衡状态也不发散 ，而是产生一种等幅的振荡， 这样的控制过程称为临界振荡过程。设 T k是被控变量的临 界周期。被控变量处于临界振荡过程时，控制器件的 比例 度称为临界比例度设为 P k 。我们按照如下步骤整定参数 1 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作 ， 2 仅加入 比例控制环节 ，从大到小逐步改变控制 器的比例度 P R直到系统对输入的阶跃响应 出现临界振荡 ， 记下这时临界周期 T k的数 值 ， 3将 积 分 时 间放在 最 大 ，微 分 时 间为 零 ， 4 改变 比例 度。先逐步减小控制器 的比例 度 ，仔 细观 察上 位 机 输 出温度 显示 曲线 ，如 果控 制 过程 是衰 减的 ，则把 比例度 放小 ，如果 控制过程是发散 的 ，则把 比例度放大，直到持续 4次 ～5次等幅振荡为止 ，此时 的比例度 为临界 比例 度 P k，来 回振 荡一次 的时 间 ，亦 即从 振荡 的一 个 顶点 到相 邻 同相 的 第二 个顶 点所 需要 维普资讯 P L C F A 2 0 0 7 年 1 1 月 P L C ．工控机 与集 散控 制系统 PL C． I P C ＆ DCS 的时 间，就是临界 时间 Tk； 5 在得到 了 P k和 T k的数值后就可以根据经验公 式，计算出P R、I R、D R 的参数。 4 P L C 与上位机的通信 上位机软件 可以对 P LC进行控制 ，监控 运行状态 ， 描绘采集 的温度 曲线 。在 P I D参数 整定 过程 中 ，起 到了 很重要 的作用。上位机与 P L C通信采用 RS - 4 8 5串行 总 线。R S ． 4 8 5具有传输距离远 ，抗干扰能力 强的优点 ，并 且可 以进行 多点 通信 。 4 ． 1 P L C通信协议 在该 P L C与上位机的通信过程 中，P L C只能做为从设 备 ，任何设备和 P L C通讯 时候都作为主设备 ，也就是说 P L C只有在主设备发送命令后才能按照命令的要求做出响 应，不能主动的发送数据 给主设备 。F A T E K通讯的帧格 式见表 1 。 表 1 F A T E K P L C通信帧格式 起 始符 从 站号 码 命 令 码l 文本 资 料 校 验 码l结 束 符 S T X H L H L } 1 ～ 5 0 0 A S C II I H l L l E T X 1 起始符为 1 6进制的 0 2 H，无论是命令还是响应 起始符都为0 2 H，在收到0 2 H后接收方知道信息开始传送。 2 在一个 F AT EK 网络 中仅有一个主站 ，可 以有 2 5 4个从站 ，每一个从站有一个独一无二的站号 ，分别为 1 - F E H。当主站对从站下命令的时候是以站号来指定哪个 P L C或者全部 P L C接受命令 ，在响应信息 中从站会将 自己 站号 发给主站 ，使主站知道 是哪个从站返 回的消息 。 3 命令码是 P L C提供给用户的命令指令 ，主站通过 这些指令可以对从站完成读取 、写入 、强制设定 、运转、 停止等功能。如 命令 4 0 ，读取 P L C状态指令 ； 命令 4 1 ， P L C运行 ， 停止指令 ；命令4 E，测试 P L C回传指令 ，判断 连接是否成功；命令 4 5 ，连续多个寄存器写入数据命令 。 4 文本资料是指写入 P L C或 P L C发送的数值及 目 标 寄存 器 号 。 5 校验码是将从 S T X开始所有 A S C I I 字符的 1 6 进 制数值以L R C L o n g i t u d i n a l R e d u n d a n c y C h e c k 计算产出一 个 B y t e长度 两个 1 6进制数值 0 0-F F 的校验码。当接收 端收到消息后依同样的计算法则算出其校验码 ，两者值相 同表示 传输 的资料正确 ，否 则 即有 传输错 误发生 。FA T E K协议 u 校验之计算方法是将各 A S C I I 字符之 1 6 进制 数码值 8位长度 从头至尾依序相 加 ，但不考虑进位，因 此最终结 果仍为 8位 长度 的校验码 。 6 结束符为 1 6进制数 0 3 H，无论命令或响应消息 的结尾字符均为 E T X，当接收方收到 E T X字符后便知该 次通讯 已结束。在完整收到 F AT E K通讯帧后我们就可 以 对 帧进 行 处理 。 4 ． 2上位机软件 上位机编程软件采用功能强大 ，编程可视化的V B 6 ． 0 ， 利用 V B 6 ． 0可方便地实现 P L C和上位机 的串行通讯。并且 可 以实现实时 曲线显示 ，方便的 了解被控对象 的变化过 程 。V B 6 ． 0的通讯控件 MS C o m m有许多属性可帮助我们实 现 串 口通讯 ，可设置通 讯端 口，设置发送和接 收缓冲区 大 小 ， 图3 上位机的部分界面 实时曲线反映的是现场数据 的实时性 ，以监测该点在 现场工况变化的情况下的控制稳定性 ，因此在实现时需显 示 曲线的动 态变化 。 在V B 6 ．0中，我们用P i c u n e B o x 控件结合定时器进行曲线 的绘制。定时器定时时间到的时候 ，触发定时器事件 ，在 定时器事件 中，进行数据点的采集 ，同时在 P i c t u r e B o x里将 此次采集的数据点与上次采集的数据点用 L i n e 命令连起来。 当曲线到达右边界时，用 A P I 函数 B i t B l t 将 曲线左移一个单 位的数据点水平间距 ，然后用背景色重绘最右端一个单位间 距的线段 以消隐该线段 ，最后用最新 的数据绘制最右端线 段 。限于篇 幅 ，在这 里只给 出运行界 面 ，如 图 4。 图4 温度曲线 下转第3 9 页 维普资讯 P L C ．工 控机 与集 散控 制 系统 PL C 1 PC ＆ DCS 3设置参数 。现场可 以通过设 置按扭设置所需要 的定重 ，空仓 ，超载 以及传感器量 程等参数值 ，为保 障 参数的安全性 还可 以设置操作密码 。 4 ． 2 组态软件 I n T o u c h通过一个三部分命名约定来标志在服务器程 序 中的数据元素 ，这包括应用程 序名 ，主题名 和项 目名 。 为 了 从 另 一 个 应 用 程 序 中 获 得 数 据 ， 客 户 机 程 序 I n T o u c h通过制定这三项打开到服务器程序 的一个通 道。在 I n T o u c h中，上位机的数据主要分为内存型和 I ／ O 型。其中内存型数据为 I n T o u c h 程序 内部定义的变量 ，可 直接访 问；I ／ O型数据 的来源一般 为其它计算机结点或本 机运行的其它程序，这类数据 由I n T o u c h通过 NE T D D E或 D D E方式获得【 l 】 。每一个 I ／ O型变量必须与一个访问名相 联 系，访问名相当于一个 I ／ O地址 ，包含了与其他 I ／ O数 据源通讯 的信息 ，这 些信息包括结点名 ，应 用程序 名和 主题名 。监控 画面 如 图 9所 示 。 图9 监控画面 组态程 序主要实现如 下功能 1 显示井下隔爆箱显示面板的显示内容和当前时间。 2 指示上位机和 P L C的通讯是否正常，P L C主机 和各个 I ／ O 模块是否 正常 。 3允 许设置 井 下现 场控 制参数 ，为 了保 证 安全 性 ，需要 输入 密 码 。 自动 统 计年 产量 ，月 产量 ，每班 次的产量 ，提 供 准确 的产 量报 告 。 5 结束语 本系统 已于 2 0 0 6年 2 月在沈阳煤业 集 团 有 限责任公 司林 盛煤矿 投入使用 ，系统运行稳定可靠 ，减少 了维护 成 本 ，满足 现场 的需 求 。此外 具有 如 下优点 1采用重 力 传感器 测重 ，信号 强 度大 、 线性度 好 、易于后 续处理 ，可承受 较大的侧向负荷 而有 效减小 P L CF 2 0 0 7年 1 1月 测 量误 差 。 2用 PL C控制 ，可靠性 好 、工 作稳定 、测重精 度高 ，性价 比高 ，提高 了煤矿 的生产安全性和经济效益 。 3 采用先进的 I n T o u c h组态软件 ， 具有友好 的人机 界 面 ，直 观且 便于 操 作和监 控 。 4 自动 化程 度高 。设 有 自动 和手 动两 种工 作方 式 ，既提 高 了工 作效率也使 设备维护 更加方便 。 作者简介 刘鼎立 男 在读硕士研究生 主要从事电磁测量技 术 及装置方 面的科研 工作 。 参 考 文 献 [ 1 ] 廖常初．可编程控制器的编程方法与工程应用．重庆 重庆大学出版社， 2 0 0 1 [ 2 ] 马正午． 过程可视化组态软件 I n T o u c h应用技术． 北京机械工业出版社， 2 o o 6 [ 3 ]MI C R O系列可编程控制器用户手册， 2 0 0 0 [ 4 ] P L 7 Mi c r o 软件参考手册， 2 0 0 0 上接 第 5 2页 5 结束语 在热风机控制系统设计中，P L C是 自动化设备中的典 型应用 。我们所用的永宏 P L C具有 良好的温度控制方案 ， 通过上位机 的配合使用 ，给工程设计带 来非常方便的作 用 ，也为远程控 制与监测带来 了方便。 本系统还添加 了 触摸屏 ，便 于现场的操作 与设 置。该系 统达 到 了稳定 的 温度控 制 ，完全 满足 生产 的需要 。 作者简介 程烨 男 硕士研究生研究方 向自动化控制 。 参 考 文 献 [ 1 ] 李强国，韩书娜 ．风机调速控制设计．河北省冶金学会炼钢连铸技术 与学术交流会论文集 [ 2 ] 赵卫东， 辛宏 ．P L C在温度控制系统中的应用．仪器仪表学报 ．2 0 0 1 ， 8 [ 3 ] 张宪青 ，李修仁 ．用 VB6 ． 0实现 P L C与上位机串行通讯及实时曲线显 示 ．组合机床与 自动化加工技术 ．2 0 0 5 ， 9 [ 4 ] 周梅芳 ，金向平 ，陈偕雄 ．基于 P L C的智能 P I D控制方法及其应用 ． 化工自动化及仪表 ．2 0 0 3 ， 3 0 [ 5 ] 蔡锦达 ，王挺 ．使用永宏 F B S系列 P L C实现温度控制 ．机械工程与 自动化 ．2 0 0 6 ， 2 l 有 任 何 意 见 或 评 论 ， 请 登 陆 h l ／／w w w ．P Ic ．fa 、h k P r o g r a mma b l e c o n t r oll e r f a c t o r y a u t o ma t io n l 3 9 维普资讯