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西門子CPU CR40
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西門子S7-200 PLC的智能溫度控制器的研究

　　關(guān)鍵詞: S7-200 PLC; 溫度控制; VB 串行通信

　　因?yàn)镻LC具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、編程簡(jiǎn)單、使用方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn), 成為了當(dāng)今及今后工業(yè)控制領(lǐng)域的主要手段和自動(dòng)化控制設(shè)備.在許多行業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)中, 溫度控制都是要解決的問題之一.在一些熱處理行業(yè), 由于使用簡(jiǎn)單的溫控儀表和溫控電路進(jìn)行控制, 存在控制精度低、超調(diào)量大等缺點(diǎn), 這樣就造成了產(chǎn)品質(zhì)量不高, 能源浪費(fèi)等問題.

　　基于PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的普及性和溫度控制的重要性, 設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的智能溫度控制系統(tǒng),具有很廣的應(yīng)用空間.同時(shí), 由于PLC具有自身的一些缺點(diǎn), 即數(shù)據(jù)的計(jì)算處理和管理能力較弱, 不能提供良好的用戶界面, 因此妨礙了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度變化的跟蹤與監(jiān)控, 而計(jì)算機(jī)可以很好的彌補(bǔ)的這一缺點(diǎn).用計(jì)算機(jī)與PLC 組成的主從式實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng), 能夠充分發(fā)揮各自在工業(yè)控制中的優(yōu)勢(shì), 實(shí)現(xiàn)分散控制、集中監(jiān)控等全新功能.本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列PLC, 通過PLC串口通訊與計(jì)算機(jī)連接, 監(jiān)控界面友好, 運(yùn)行穩(wěn)定.

　　1 PLC溫度控制系統(tǒng)

　　在鍋爐溫度控制系統(tǒng)中, 電加熱鍋爐是過程控制工業(yè)中常用的設(shè)備, 其溫度控制也是過程控制的一個(gè)重點(diǎn).PLC溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示, PLC 通過加熱棒及風(fēng)扇分別控制爐子的加熱及降溫.計(jì)算機(jī)則實(shí)現(xiàn)目標(biāo)溫度的設(shè)定、動(dòng)態(tài)顯示、參數(shù)的設(shè)定等功能, 從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控.

　　2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　信號(hào)處理、溫度調(diào)節(jié)等功能.在, 溫一個(gè)溫度控制系統(tǒng)一般具有溫度信號(hào)采集、PLC的溫度控制系統(tǒng)中度信號(hào)的采集可以使用常用的溫度傳感器(熱電偶、熱電阻).由溫度傳感器檢測(cè)來的信號(hào)不是標(biāo)準(zhǔn)的電壓(電流)信號(hào), 不能直接送給A/D轉(zhuǎn)換模塊.因此溫度傳感器采集到的溫度信號(hào)要經(jīng)過變送器的處理后才能被A/D轉(zhuǎn)換器識(shí)別并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào).根據(jù)所使用的溫度傳感器選用對(duì)應(yīng)的溫度變送器.S7-200系列PLC常用的模擬量輸入輸出混合模塊為EM235, EM235為4路模擬量輸入, 1路模擬量輸出.PLC對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行處理后, 通過模擬量模塊輸出電流信號(hào), 電流信號(hào)可以通過調(diào)壓器來控制電源的開度(即一周期內(nèi)的導(dǎo)通比率), 從而控制電源的輸出功率.加熱器根據(jù)電源輸出功率調(diào)節(jié)加熱強(qiáng)度, 從而達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的效果.其系統(tǒng)如圖2所示.

　　3 溫度PID控制的實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于模擬量信號(hào)的控制PID(比例+積分+微分)算法控制.S7-200 系列PLC有專門的PID回路指令, 對(duì)模擬量進(jìn)行PID控制十分方便.PID指令使用的算法:( n SP 為第n個(gè)采樣時(shí)刻的給定值, n為過程變量值, MX 為積分項(xiàng)值)

　　PID 指令根據(jù)表格(TBL)中的輸入和配置信息對(duì)引用LOOP執(zhí)行PID 循環(huán)計(jì)算.在執(zhí)行PID 指令前, 要建立一個(gè)參數(shù)表, 一般要對(duì)表1 中的參數(shù)進(jìn)行初始化處理.

　　在實(shí)際控制過程中, 無論是給定量還是過程量都是工程實(shí)際值, 它們的取值范圍都是不相同的.因此在進(jìn)行PID運(yùn)算前, 必須將工程實(shí)際值標(biāo)準(zhǔn)化.PLC 在對(duì)模擬量進(jìn)行PID運(yùn)算后, 對(duì)輸出產(chǎn)生的控制作用是在[0.0,1]范圍的標(biāo)準(zhǔn)值, 不能驅(qū)動(dòng)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)裝置, 必須將其轉(zhuǎn)換成工程實(shí)際值.

　　由于電加熱爐具有較大的延時(shí)性, 所以采輸出值, 0.0～1.012 Kc數(shù)正數(shù)雙字, 實(shí)數(shù)I 回路增益, 正、負(fù)常數(shù)16 Ts I 采樣時(shí)間, 單位為s, 正20 Ti I 積分時(shí)間常數(shù), 單位為min,24 Td I 微分時(shí)間常數(shù), 單位為min, 正數(shù)式控制.大致采用三段控制: *段, 開始階段置電源為滿開度, 以zui大的功率輸出克服熱慣性; 第二段, 等到溫度達(dá)到一定值轉(zhuǎn)為PID控制; 第三段, 接近設(shè)定點(diǎn)時(shí)置電源開度為0, 提供一個(gè)保溫階段, 以適應(yīng)溫度的滯后溫升.程序流程圖如圖3 所示, 圖中X,Y根據(jù)實(shí)際設(shè)定.

　　PID參數(shù)的調(diào)節(jié)是很重要的, 調(diào)節(jié)方法有很多, 概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法.它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù).二是工程整定方法, 它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn), 直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行, 且方法簡(jiǎn)單、易于掌握.在工程實(shí)際中, 控制系統(tǒng)難以建立起精確的數(shù)學(xué)模型, 所以一般采用工程整定法.PID參數(shù)的工程整定法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法.在這里選用臨界比例度法, 整定步驟如下: (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作; (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié), 直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩, 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期; (3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù).

 

　　4 PLC 與計(jì)算機(jī)通訊的設(shè)計(jì)

　　由于VB具有強(qiáng)大的圖形處理功能,界面可視化性強(qiáng), 而且操作簡(jiǎn)單, 容易實(shí)現(xiàn), 故采用VB來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信 .其下位急是S7-200系列PLC, 上位機(jī)是通過RS-232 串行口與PLC 相連的計(jì)算機(jī).

　　4.1 PLC程序部分

　　S7-200 支持多種通訊模式, 其中在自由口通訊方式下, 用戶可以利用梯形圖程序中的接收完成中斷、發(fā)送完成中斷、發(fā)送指令和接收指令完成S7-200 系列PLC 與上位機(jī)的通訊.

　　PLC 的CPU 處于STOP 模式時(shí),自由口通訊被禁止, 只有當(dāng)CPU 處于RUN 模式時(shí), 才可使用自由口通訊.SMB30(這里選擇端口0)是自由口模式控制字節(jié), 用來設(shè)定校驗(yàn)方式、通訊協(xié)議、波特率等通訊參數(shù).發(fā)送指令XMT 啟動(dòng)自由端口模式下數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送, 它可以方便地發(fā)送1~255 個(gè)字符,如果有中斷程序連接到發(fā)送結(jié)束事件上, 在發(fā)送完成后, 端口0 會(huì)產(chǎn)生中斷事件9, 也可以監(jiān)視發(fā)送完成狀態(tài)位SM45 的變化.接收指令RCV 可以初始化接收信息服務(wù), 通過的通訊端口接收信息并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi).在接收完zui后一個(gè)字符時(shí), 端口0 產(chǎn)生中斷事件23. PLC 初始化程序如下:

　　4.2上位機(jī)程序部分

　　VB 帶有專門管理串行通訊的MSComm 控件，利用它只需設(shè)置幾個(gè)主要參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)串行通訊.計(jì)算機(jī)采用VB編程, 主要有監(jiān)控界面、當(dāng)前溫度顯示、動(dòng)態(tài)溫度曲線顯示、參數(shù)設(shè)置以及與PLC通信等方面的設(shè)計(jì).通信參數(shù)設(shè)置程序如下:

　　MSComm1.CommPort = 1// 設(shè)置通訊口為COM1

　　MSComm1.Settings = "9600, n, 8, 1"http://波特率9600bps, 無奇偶校驗(yàn),8位數(shù)據(jù), 1 位停止

　　MSComm1.InputLen = 8//一次讀取8 個(gè)字節(jié)

　　MSComm1.PortOpen= True//打開通信端口.計(jì)算機(jī)端的VB程序利用MSComm 控件與S7-200交換數(shù)據(jù),通過自由口通訊程序從現(xiàn)場(chǎng)采集溫度信號(hào).并且上位機(jī)程序可以設(shè)定初始溫度和PID參數(shù)、顯示動(dòng)態(tài)溫度曲線.程序運(yùn)行界面如圖4所示.