基于PLC和触摸屏的电加热水浴温度控制系统设计.pdf

第 5 1卷第 3 期 2 0 1 5年 6 月 石油化工自动化 AUTOMATI ON I N P E TR CHEMI CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 5 l ，No ． 3 J u n e 。2 0l 5 基 于 P L C和触摸屏 的电加热水浴 温度控 制系统设计 孟磊 ， 邹志云 ， 赵丹丹 ， 郭宇晴 ， 刘兴红 防化研究院， 北京 1 0 2 2 0 5 摘要 利用可编程控制器 P L C 和触摸屏设计了一套智能电加热水浴温度控制系统。该系统采用 s 7 2 0 0 P L C作为控制器， S ma r t 1 0 0 0触摸屏作为人机界面 HMD， 采用数字 P I D控制算 法 ， 具有 自动整定 功能且可 以通过触 摸屏灵 活调 用。实际应 用 表明 ， 该控制系统界面友好 、 操作方便 ， 自整定效果好 ， 控制精度高 ， 可以满足化工过程 水浴实验 的需求 。 关键词 可编程控制器触摸屏P I D自整定温度控制 中图分 类号 T P 2 7 3 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 5 0 3 0 0 3 8 - 0 3 De s i g n o f El e c t r i c - h e a t e d W a t e r Ba t h Te mpe r a t u r e Co nt r o l S y s t e m Ba s e d o n PLC a nd To u c h S c r e e n M e ng Le i ，Zo u Zh i y un，Zha o Da nd a n，Guo Yu q i ng，Li u Xi n gh on g Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Ch e mi c a l De f e n s e ，B e i j i n g ，1 0 2 2 0 5，Ch i n a Ab s t r a c t A s e t o f e l e c t r i c h e a t e d wa t e r b a t h 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 PI C a n d t o u c h s c r e e n i s d e s i g n e d ．A S i e me n s PL C i s u s e d a s c o n t r o l l e r wi t h t o u c h s c r e e n u s e d a s h u ma n ma c h i n e i n t e r a c e HMI ．Di g i t PI D c o n t r o l a l g o r i t h m i s u s e d ，wh i c h h a s a u t o t u n i n g f u n c t i o n a n d c a n b e c a l l e d b y t o u c h s c r e e n ． Ap p l i c a t i o n s h o ws t h e s y s t e m h a s f r i e n d l y i n t e r f a c e ，e a s y o p e r a t i o n，g o o d s e l f a u t o t u n i n g c o n t r o l r e s u l t a n d h i g h c o n t r o l p r e c i s i o n ． I t c a n s a t i s f y t e mp e r a t ur e c o nt r o l n e e d s o f wa t e r b a t h f o r c he m i c a l p r o c e s s e x pe r i m e nt s ． Ke y wo r d s p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r ； t o u c h s c r e e n ；PI D a u t o t u n i n g；t e mp e r a t u r e c o n t r o l 水浴装置是一般化工实验中经常用到的设备 ， 需要对温度进行精准 的控制 。P I D控制算法 由于 其意义明确 、 结构简单 、 鲁棒性好 ， 是控制领域应用 最为广 泛 的算法 。但是 P I D 中比例 、 积 分、 微 分 3 个参数共 同影响控制效果， 人工整定出一组理想 参数较为繁琐且存在较大难度。K． J ．As t r o m 和 T ．Ha g g l u n d在 1 9 8 4年提出的延时反馈 自整定算 法经过 2 O a的实践 ， 已经成为工业控制各个领域 使用较为广泛 的一种 自动 整定 P I D参数的方法。 西门子 S 7 2 0 0 P L C的 P I D指令集成了上述 的 白 整定算 法 ， 近 年来 已有 学 者利 用 可编 程控 制 器 P I C 和上位机设计了温度控制系统 ， 但实现 自整 定时需 要使 用上 位机 ， 在西 门子 S t e p 7一Mi c r o ／ Wi n编程软件中进行 。 笔者利 用 西 门子 S ma r t L i n e系列 的 S ma r t 1 0 0 0触摸屏 设计 友 好 的人 机界 面 HMI h u ma n ma c h i n e i n t e r a c t i o n ， 采用 S 7 2 0 0小型 P I C作为 控制器， 具有 P I D 自整定功能 ， 且 P L C一次下载完 成后即可脱离上位机和编程软件 ， 直接通过触摸屏 的 HMI ， 实现 P I D的自整定 ， 系统硬件简单 ， 使用 灵 活方便 。 1 系统硬件架构 系统主要 由 S 7 2 0 0 P I C 包括 C P U2 2 6 ， 模块 E M2 3 1 RT D， 模 拟 量 输 出模 块 E M2 3 2 、 S ma r t 1 0 0 0 触摸屏、 P AC 1 5 P调压板 、 可控硅功 率元件 、 5 0 0 W 电加热套 、 P T1 0 0热电阻等组 成。整个 系 统硬件组成如图 1 所示 。 其中， S 7 2 0 0 P I C作 为系统 主控制器 ， 实 现 P I D算法和 P I D算法 的 自整定； S ma r t 1 0 0 0触 摸 屏作为人机交互界面 ， 实现人与 P L C的动态交互 ， 可 以通过 S ma r t 1 0 0 0设置 P I D的参数 、 启动／ 取消 P I D 自整定 、 设定控制温度 、 观察当前温度 和实时 温度趋势等 ； P T1 0 0与 E M2 3 1 R TD组成测量反馈 环节， 测得过程变量当前值并送人控制器 ； 调压板 、 可控硅功率器件和电加热套组成被控对象 ， 其接受 稿件收到 日期 2 0 1 5 0 2 0 5 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 5 0 3 3 1 。 作者简介 孟磊 】 9 9 0 一 ， 男 ， 河南 开封人 ， 2 0 1 3年毕业 于西 安交 通大学 自动化专业 ， 现为 防化研究 院在 读硕 士研究 生， 主要从事过 程控制方面研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 孟磊等．基于 P L C和触摸屏的电加热水浴温度控制系统设计 3 9 控制器的 4 ～2 O mA 电流输 出而做出相应调整改 变电加热套的加热电压， 进而影响被控温度变量 。 图 1 基 于 P L C和 HMI 的 水浴 系统 结构 示意 1 ． 1 P L C控制器 该套 控 制 系 统 采 用 西 门 子 S 72 0 O P I C C P U2 2 6 作为控制器 ， 其结 构紧凑 、 功能强大、 成 本低 、 扩展性强。该型号 P L C主机带有 2 4路 D I ／ 1 6路 DO， 另外可以方便地扩展 AI ／ AO模块来实 现对模拟量的采集 和控制 。通过上位机编程软件 S t e p 7 一 Mi c r o ／ Wi n V4 ． 0 S P 6编制梯形图 ， 下载至 P L C后 即可解 除与上位机 的连接 ， 以后 该套系统 使用过程不再需要上位机和编程软件 。 使用 P T1 0 0铂 热电阻和西 门子 E M2 3 1热 电 阻扩展模块采集温度， P T1 0 0 封装在金属套管中， 内部用密封材料和导热材料填充 ， 为了消除导线 电 阻影响 ， 采用 四线制接法连接至 E M2 3 1热 电阻模 块 。E M2 3 1 将 P T1 0 0采集 的温度模 拟量值传 送 给 P L C， 实现模数转换 。 P L C进行 P I D计算所得控制量输 出在 P I D回 路表中为归一化 的值 O ～1区问实数 ， 反归一化 转换成 6 4 0 0 3 2 0 0 0的整数后 ， 送至 E M2 3 2 模拟 量输 出扩展模块。E M2 3 2进行数模转换 ， 将其转 换成 4 ～2 O mA 电流输出至 P AC 1 5 P单相 晶闸管 调压器和功率器件可控硅 ， 从而根据控制电流调节 电加 热 套 的加 热 电压 ， 实现 对 水浴 装 置 温度 的 控制 。 1 ． 2 触 摸 屏 H Ml 该套控制系统采用西 门子 S ma r t 1 0 0 0智能触 摸屏设计 HMI ， 该触摸屏适 用于工业控制 。 目前 在 国内， 已有文献证实将其用于化学反应器监控等 化工过程， 取得到了较好的效果， 另外在工矿等其 他工业领域也应用 良好 。 S ma r t 1 0 0 0为高分辨率 宽屏显示 触摸屏 ， 具 有强大且丰 富的通信 能力 ， 西 门子的 P P I 通信协 议确保触摸屏与 S 7 2 0 0建立高速无缝的链接 ， 和 S 7 2 0 0 P I C组成完美的小型 自动化解决方案 ， 通 信速率最 高可达 1 8 7 ． 5 Kb i t ／ s 。它具有高性能处 理器、 高速外部总线及 6 4 M D DR内存 。此外 ， 其 拥有可靠电源设计 ， 内置 的 2 4 V 电子 自恢 复反接 保护， 避免因误接线而导致 的产品损坏。 S ma r t 1 0 0 0触 摸 屏 使 用 S I MATI C Wi n C C F l e x i b l e 2 0 0 8进行组 态 。该型 号触摸 屏支 持 I o 域 、 按钮 、 开关、 棒 图、 时问 日期 、 文本／ 图形列表等 简单对象组态， 同时更支持报警和用户管理 、 趋势 视 图、 配方管理 、 报表管理等高级组态功能 。只需 要创建项 目时选择该型号设备 即可从工具栏 中随 时组态这些组件 。触摸屏程序组态完成后 ， 使用西 门子 US B ／ P P I 多主电缆将计算机 的 US B口与触 摸屏相连接， 设定好相应的传输模式和传输速率， 即可将其下载至触摸屏内存中使用。 2 P L C编 程 在 S t e p 7 一 Mi c r o ／ Wi n中编制 P L C所需 的梯 形图程序。首先利用 P I D指令 向导引导创建 P I D 中断子程序 。程序 自动创建一个 1 2 0 B y t e的回路 表 ， 其中 VB 0 VB 3 5存储 P I D算法的 9 个实型参 数 过 程变 量 PV n ； 设 定值 S P ； 输 出 Mn ； 增 益 K。 ； 采样时间 ； 积分时间 丁 I ； 微分时间 ri d ； 偏差 MX； 过程变量前值 。VB 3 6 VB 7 9用于 P I D 自整 定 ， 其 中 V D3 6为 回路表 I D， VB 4 O为 AT控制 ， VB 4 1为 AT 状态 ， VB 4 2为 AT 结 果。VB 8 0～ V B l 1 9 为预留的计算存储空间。 然后自定义梯形图程序所需的一些变量， 其中 P 为转换后 的过程变量值 ， 用 于与 HMI 连接 ， 显 示 当前实际温度 ； S P为设 定值 ， 用 于接收触摸屏 输入设定要控制 的温度 ； P I D Ga i n ， P I D_ I Ti me ， P I D _ Ti me 分别 为增益 、 积分 时间和微分 时间， 用于接收触摸屏参数设 定 ， 并传递至 P I D指令 回 路表 ； P I D 自整定为布尔变量 ， 用于人工控制 P I D 自整定 的启动与停止 。 完成 P I D指令创建 和 自定义所需 变量后 ， 编 制梯形图程序。程序主要 由以下模块组成 1 过程变量值转 换模块用 于将 E M2 3 1 R T D 所测得数值转换成实际温度值用于 HMI 显示。 2 P I D参数传递模块用于将 HM1 人工输 入 的 P I D参数传递给 P I D指令 。 3 P I D执行模块调用执行 P I D运算 ， 并将结 果输出至 E M2 3 2的 AQW0 。 4 启动／ 取消 自整定模块用于接收 HMI 指示 来启动或取消 自整定算法。 5 自整定初始化模块 ， 在 自整定启动前将 AT 状态和 AT结果清零 。 6 自整定输出模块用于传递 自整定过程推荐 的增益 、 积分时间、 微分时间给 P I D算法 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 石油化工 自动化 第 5 1 卷 3 触 摸屏 组态 使 用S I MATI C wi n C C F l e x i b l e 2 0 0 8 对 S ma r t 1 0 0 0触摸屏进 行组态 ， Wi n C C F l e x i b l e是 人机界面组态软件 ， 具有 良好的开放性和灵活性 ， 功能强大 ， 具有图形界面管理、 报警 系统 、 归档系 统、 报表系统、 配方管理系统等强大的组态功能 。 在对 S ma r t 1 0 0 0组态时， 首先创建新项 目， 设 备类型选择“ S ma r t L i n e S ma r t 1 0 0 0 ” ， 这样可 以 组态 S ma r t 1 0 0 0所支持 的功能 。在 “ 通 信一 连接” 中定义 S I MATI C S 7 2 0 0 P L C， 建立 HMI 与 S 7 2 0 0 P I C的连接。进而在“ 通信一 变量” 中定义要与 P L C交互的变量 ， 如 S P， P ， P I D 自整定启动／ 取 消变量 ， P I D参数等 ， 这些变量的数据类 型和地址 必须与 P L C中对应的元素一致 。 1 组态主画面时， 主要分为系统状态监测 区 域 、 系统参数设定区域和 自整定 区域 。系统状态监 测区域使用棒图对象图形化显示设定温度 、 当前温 度 ； 系统设定 区域可 以设置温度及 P I D算法 的增 益、 积分时间和微分时间等 ； 自整定 区域用拨码开 关来启动或者取消 P I D 自整定 ， 并通过指示灯显 示 自整定状态 ， 另外 自整定完成后的推荐参数会在 I O域 内显示 出来 。 2 组态实时趋势曲线画面时， 创建实时趋势 曲线增强对象 ， 并将 S P， P V的变化趋势显示在实 时趋势曲线中。 4 实验应 用 将编制好 的梯形 图下 载至 P L C、 组态好 的组 态程序传送至触摸屏， 将 P L C与触摸屏连接， 其他 硬件参照系统框图一并连接 ， 系统组建完成。 设定控制温度为 3 O ℃ ， 初始参数 增益 5 ， 积 分时间 2 O rai n ， 微分 时间 0 ， 当过程变量值接 近设 定值且基本稳定时 ， 点击触摸屏启动 自整定。 自整 定程序采用延时反馈 自整定算法 自动整定出一组 推荐参数 增益 1 O ． 1 ， 积分时间 2 2 ． 3 mi n ， 微分时 间 0 。使用 自整定 出的推荐参数进行温度控制 ， 控 制稳态精度可达 0 ． 2 ℃左右 ， 效果较好 ， 可以满足 实际需要 。 5结论 将 P L C与触摸屏 HMI 相结合设计 了一套电 加热智能水浴温度控制系统 ， 它利用触摸屏即可启 动或取消 自整定 ， 比传统方法利用在上位机的编程 软件中使用 P I D调谐面板进行 自整定更加方便快 捷 、 界面友好 ， 在实际应用中， 当空间或成本有限时 优势会更加明显 。此外 ， 利用 HMI 可设置控制温 度 ， 手动设置 P I D参数 ， 观测温度变化等。 参 考文献 [1 ] AS TRO M K J ，HAGGL 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