基于PLC的烘干温度控制系统.pdf

臼 墙羞日 D o i l 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 6 7 1 - 1 0 4 1 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 2 9 基于P L C 的烘干温度控制系统 张明松 ，杨公源 天津工业大学 纺织综合自动化实验室，天津 3 0 0 1 6 0 噩 麦旦 摘要文中详细介绍了一种以P L C 为核心的烘干温度控制系统，阐述了烘干温度控制的工艺流程，详细介绍了温度控制的 原理和组成。P L C 作为核心控制单元，通过P I D 算法算出加热器温度设定值与温度传感器之间的偏差， 不断地对加热温度进 行调整，最后使加热温度达到平衡，从而实现温度的自动控制的目的。文中介绍的这种烘干温度控制系统达到了理想的温 控效果。 关键词 P L C；P I D；烘干 ；温度控制系统 中图分类号 T P 2 7 3 ． 2 文献标志码 B 功 e d r y i ng t e mp e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n t h e P LC ZHAN G M i ng s o ng， YANG Go n g ～y u a n Te x t i l e i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n l a b o r a t o r y ， Ti a n j i n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y ， Ti a n j i n 3 0 0 1 6 0 ， Ch i n a Ab s t r a c t T h i s a r t ic l e i n t r o d u c e s i n d e t ai l a k i n d o f PL C b e i n g t h e c o r e o f t h e d r y i n g t e mp e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m， e x p o u n d s t h e dryi n g t e mp e r a t u r e c o n t r o l p r o c e s s 、 t h e p r i n c i p l e o f t emp e r a t u r e c o n t r ol a n d c o mp o s i t i o n ．B ein g t h e k e y c o n t r o l u n it ， PL C c a n c a l c u la t e t h e d e v i a t i o n b e t we e n t h e s e t v a l u e o f t h e h e a t e r a n d t h e s e n s o r t h r o u g h PI D a l g or it h m， c on s t an t l y a d j u s t t h e t e mp e rat u r e h e a t e r t e mp e r a t u r e ， f i n a l ly ma k e t h e h e a t i n g t e mp e r a t u r e b a l a n c e ， S O a s t o a c h i e v e t h e p u r p o s e o f a u t o ma t ic c o n t r o l o f t e mp e r a t u r e． Th i s s y s t e m c a n a c h i e v e t h e id e a l t e mp e r a t u r e c o n t r ol e ff e c t ． K e y wo r d s PL C； PI D； d ryi n g ； t e mp e r a t ur e c o n t r ol s y s t e m O 引言 温度是工业对象中主要的被控参数之一，是一种过程 变量。温度控制是许多机器设备的重要构成部分，它的功 能是将温度控制在所需要的温度范围内，然后对工件进行 加工与处理。如果温度控制不好就可能引发生产安全、产 品的质量和产量等方面的一系列严重问题，所以必须对温 度进 行适 当的调节 与控制⋯。 烘干温度控制系 统广泛 地应用于工业 、农业 、建筑 、 公共事业以及 日常生活等各个方面，如涂装设备、复合 片材生产设备、纺织机械、印染机械、造纸机械、橡胶 机械、电子器件生产设备、胶片生产设备、中草药加工设 备、果品加工设备、烟叶加工设备、食品加工设备以及水 产品加工设备等等。 1 烘干温度控制系统的工艺要求和设备组成 1 ． 1工艺要求 温度被烘材料的最高烘干温度为1 9 0 ℃。在3 ． 2 m 幅 宽方 向的最大温差不大 于1 ℃ 。在阶跃温度设定下的温度 最大超调量不大于3 ％。最高升温速率为2 0 ℃／ m i n 。 车速被烘材料的运行速度即车速 ，最高车速为4 0 m ／ m i n 。要求平滑调速 。 1 ． 2 烘干设备组成 满足丁艺要求的烘干设备示意图如图1 所示，该图是 设备的 部横截面示意 图，下风嘴 、夹持机构 、除湿装 8 8 EI C V o 1 ． 1 9 2 01 2 No ． 5 置、热能回收以及热风循环装置从略。 烘干设备的主要特点如下 四台变频调速风机协调运行四台变频调速风机可独 立运行，为保证被烘材料幅向的温度均匀 ，四台风机需要 按非线性比值关系协调运行。 四组电加热装置协调运行四组电加热装置可独立运 行，为保证被烘材料幅向的温度均匀，四组电加热装置也 需要按非线性比值关系协调运行。 异形截面风道和变开度风嘴根据热风动力学特性设计 异形截面风道和变开度风嘴，以便幅向温度分布更加均匀一 致。 图1烘干设备示意圈 2烘干温度控制系统组成 烘干温度控制系统如图2 所示。控制系统 由触摸屏、 包括温度控制单元T C O 0 1 在内的C J I M 系 J P L C 系统、4 组电加 置 麦旦庄 热装置、4 组变频器及风机、相关电器和烘干设备等组成。 本文主要详细介绍的是P L C 系统和电加热装置系统，有关变 频器系统、相关电器和烘干设备等内容从略。 2 ． 1 P L C 系统 P L C 系统由C J I W - P A 2 0 5 R 型电源单元、c J l W C P U 2 2 型 C P U 单元、C J I W - A D 0 8 一 V 1 型模拟量输入单元、C J I W - T C O 0 1 型温度控制单元、c J l W D A 0 8 C 型模拟量输出单元、C J I W I D 2 1 1 型直流输入单元以及C J l W 一 0 C 2 1 1 型继电器接点输出单 元等组成 。 对于温度闭环控制系统而言，s P 与P v 的差值 误差 经控制器进行运算处理后输出控制变量，若被控对象的温 度 即过程变量P V低于设定值S P ，S P 与P V的差值 误 差增大，若控制变量随之增大，则称为 “ 反作用”，这 里的 “ 反”是指控制变量与P V 的变化方向相反。显然，对 于加热控制系统而言，必须采用反作用方式，当被控对象 的温度低于设定值时，增大加热功率，以便使温度恢复到 设定值。 对于冷却控制系统，若被控对象的温度 即P v 值低 于设定值S P ，则s P 与P V 的差值 误差增大，控制变量应 随之减小，减小制冷功率以致停止制冷，以便使温度恢复 到设定值，这就是 “ 正作用”，这里的 “ 正”是指控制变 量与P V 的变化方 向相同。显然，对于冷却控制系统而言， 必须采用正作用方式 。 婴] 1 CJ lW-。 I 一 5 变送器 6 变送器一 4 加热器 圈2烘干P L C 控翻系统框图 2 ． 2 电加热装置系统 2 ．2 ． 1周波控制器 本系统采用的是希曼顿公司I j Z A C 1 0 型周波控制器， 它是工业电加热系统中广泛应用I J S S R 信号处理控制器 ， 能接受P W M 或4 2 0 m A 输入，产生周期过零式 P W M 占空比 控制和周波过零式 C Y C 变周期 两种输出，直接驱动 S S R 或晶闸管功率扩展器。它具有硬手操和辅助功率调整 功能，能实现先进的周波过零的输出。由于负载电流的通 断是按正弦波均匀分布，多台设备运行具有随机性和叠加 性，所造成的总动力负载电流相对是均衡的，它提高了调 节精度和电源利用效率以及避免了打表针和电力设备增 容，节电效果十分明显。 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 日 墙差日 T C O 0 1 型温度控制单元的输出是P W M 脉冲宽度调制 信号，可经变换电路与Z A C I O 周波控制器连接，构成电加热 系统。主要技术指标如下 光隔离输入 P 型脉宽调制 占空比脉冲，周 期2 秒；高电平4 ～1 5 V ；低电平1 ． 5 V ；最大输入电 流 2 K V D C 一秒测试 。 输 出O ～1 2 V 脉冲 ，最 大驱动 电流 6 0 m A 。 自动／ 手 动选择外部的无电压接点开关选择。 内部的M s 输 出方式由跳线插接端子选择P W M占空比 输出或周波C Y C 输出。 内部功率限制内部电位器P 1 调整 出厂不限制限 制范围O ～1 0 0 ％ 。注手动或P L 方式时失效。 6 0 秒上电缓启动首次上电或手动转 自动时启动， 用 于降低冷态启动的平均功率。 P L 特殊功率限制P L 为常开无 电压接点输入 ，自动 时，当P L 闭合时，最大输出功率被固定在4 O ％之内，用于 功率限制及平衡启动。 负载接线方式5 0 H z 单相或三相三角形或星形中心不 接地／ 接地，两控三相纯阻负载，无相序。 供 电电源2 2 0 V A C ，5 0 H Z ；功耗3 w ；保险需外配 0 ． 3 A。 2 ． 2 ． 2 温度控制单元、周波控制器及固态继电器的连接 T C O 0 1 、Z A C 1 O 及S S R 固态继电器的连接如图3 所 示，图中给出的是I D N 热系统的连接图。图中的电阻R l 和 R 2 构成变换电路，以便使温度控制单元输出的脉冲信号的 极性和幅值满足周波控制器的要求。 周波控制器Z A C 1 0 的输入、输 出波形， 以5 0 ％ 占空比的 输出为例，通常的过零输出是5 个周波导通，5 个周波关 断，故电流相对集中。Z A C 1 0 的5 0 ％ 输出是一个周波导通、 一 个周波关断，导通和关断是相问的，故起到均流作用。 1 输 输入z l B 2 A2 一 冷端补偿 冷 靖 补 偿 1 且 A 3 M 输入4 一 【 B 5 A 4 N 输 入4 【 舡 输 j 输出2 l 15 7 _ 6 输t B 4 l B 8 k 7 一 0 y 0 0 * 一 广 输眭 L 一 A 9 图3温度控制单元、周渡控制器及固态继 电器的连接图 ‘ 3 P z A8 0V 1 2 3 程序设计 3 ． 1 过程值、操作变量监测值、控制输出标志位及设 定点 El C VO 1 ． 1 9 2 0 1 2 NO ． 5 8 9 日 墙差日 过程 值 温 度 控制 单 元 T C 0 0 1 回 路 1 的 过程 值 P V 1 ，该数据来自1 力 口 热系统的1 热电偶传感器。 操作变量监测值温度控制单元T C O 0 1 回路1 的操作变 量监测器指示当前输出的操作变量。 控制输出标志位温度控制单元T C O 0 1 回路1 当控制输 出为o N 时控制输出标志位为o N 。 设定 点回路1 的设定值 设定点S P 1 。 3 ． 2 设定P I D 参数 图4 是设定控制周期、控制灵敏度、比例带、积分时 间和微分时间常数的程序。w 2 ． o 0 选择上升沿微分有效，当 W 2 ． o 0 由O F F 变为0 N 时，指令执行一次，并且0 N 状态维持一 个循环 。 设定回路1 的控制周期1 ，D 2 0 1 1 4 用于设定控制灵敏度 1 ，D 2 0 1 1 5 用于设定比例带1 ，D 2 0 1 1 6 用于设定积分时间1 ， D 2 0 1 1 7 用 于设定微分 时间1 。 这五个常数的源字分别为D 1 1 3 、D 1 1 4 、D 1 1 5 、D 1 1 6 和D 1 1 7 。当w 2 ． 0 0 由O F F 变为0 N 时，执行一次传送指令， 分别将D 1 1 3 、D 1 1 4 、D 1 1 5 、D 1 1 6 和D 1 1 7 中的数据传送到 D 2 0 1 1 3 、D 2 0 1 1 4 、D 2 0 1 1 5 、D 2 0 1 1 6 和D 2 0 1 1 7 中，完成了P I D 常数设定。由于w 2 ． o 0 为0 N 的状态仅维持一个循环，故不影 响P I D 常数的自动调整 A T 。 圈4 1 撑沮度控嗣系统梯形翻 传 送 源 字 控 制 周 期 1 传 送 源 字 控 制 灵 敏 度 传 送 源 字 比例 带 1 传 送 源 字 积 分 时间 1 传 送 源宇 微 分 时 间 1 回 路 1 启／ 停 3 ． 3 P I D 常数自动调整 A T 温度控制单元具有 自动调整功能 A T 。自动调整 功能是系统在线辨识与P I D 参数 自动整定相结合的一种自适 应控制功能。该功能采用 “ 有限周期法”计算被控系统的 最佳P I D 常数。 “ 有限周期法”用O N ／ O F F 操作引发围绕设定 值的振荡，测量幅值和振荡周期并计算最佳I I P I D 常数 。 A T 启动位 由O F F 变为0 N 以启动 自动调整 A T ，A T 标 志位变为0 N ，指示正在进行自动调整。温度控制单元根据 图5 计算出最佳的P I D 常数，P I D 常数计算标志位由O F F 变为 9 O 至 殳 至 ] 至 N 0 ． 5 噩 麦旦座 0 N ，在为O N 期间，保存位被设置为0 N ，控制参数从R A M 写入 温度控制单元的E E P R O M ，当保存完成标志位变为0 N 时，将 保存位复位为O F F 。 在P I D 常数计算标志位 由O F F 为0 N 期间，改变P I D 常数 位变为0 N 。计算的P I D 常数被传送到温度控制单元。 ▲ T A T开始 A T 停止 圈5 自动调整波形圈 4 结束语 本文介绍的烘干温度控制系统由P L C 对生产过程进行 控制，控制更加迅速准确。对于本系统而言，有4 组加热装 置，由于负载电流的通断是按正弦波均匀分布的，4 N加 热装置运行具有随机性和叠加性，所造成的总动力负载电 流相对是均衡的，故提高了调节精度和电源利用效率，避 免了通常的打表针现象，节省了增容费用，延缓了设备老 化 ，节 电效果十分 明显。口 参考文献 [ 1 ]杨公源．可编程控制器原理与应用[ M ] ．北京 电子工业出版社， 2 0 0 4． [ 2 ]杨 公源 ．机 电控 制技术及应用 [ M ] ．北京 电子工业 出版 社， 2 0 0 5． [ 3 ]杨 公源 ．常用变频器应用实例 [ M ] ．北京 电子工业出版 社， 2 0 0 6． [ 4 ]杨公源， 黄琦兰．可编程控制器应用与实践 [ M ] ．北京清华大 学出版社， 2 0 0 7 ． [ 5 ]林明星．电气控制及可变程序控制器 [ M ] ．北京 机械工业出版 社。 2 0 0 4 ． [ 6 ]梁莉， 葛斌．基于A I 调节器的过程计算机控制系统 [ J ] ．微计算 机信息， 2 0 0 6 ， 2 2 1 7 2 9 3 ． [ 7 ]沙 占友．智能化温度传感器的原理与应用[ J ] ．集成电路通讯， 2 0 0 1 ， 3 2 4 2 8 ． 作者简介 张明松 1 9 8 7 一 ，男，天津工业大学电气工程与 自动化学院 硕士研究生，主要研究方向为工业 自动化；杨公源，男，教授，研究 方向为智能控制、装备技术和P L C 。 收穑日期 2 0 1 2 - 0 6 1 3 墼篓 一 ∞ ～ 叭