基于永宏PLC的热风机温度控制系统

工业自国基子永宏PLC程的热风机温度控制系统烨，王萍，刘志国天(天津工业大学计算机与自动化学院，津300160)黑曼中图分类号：的燃烧作为热量来源，调节空气的热交换量来达到控制温度的目的，。本文提出了，一种基于FatekPLC，主要介绍其温度控制系统部分和上位机软件部分可实时控制热风机并反应温度曲线具有很好PID；实时曲线：TP273~．5文献标识码A文章编号：10099492(2008)02—003103—l引言热风机是基于热能交换的加热设备。永宏(FATEK)的FBS系列PLC具有良好的温度控制热能交换发生在能力和很高的性价比，配有温度专用PID控制指令以达到一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。精确控制专用模块0．，它提供了集温度采集和数据处理为身的智能，燃料的燃烧是在燃烧室内进一，在这个模块集成了16位A／D转换器。分辨率，行的，与空气流隔绝。空气的流动是通过个风机设备产生达到01C该模块能够自动进行线性化处理，、冷端补偿，热风机有很高的热能效率并且在之前的冷空气与热空。使用非常方便仅需要将热电偶接到接线端子并进行程序。气之间有迅速的对流此热风机应用于工业环境中，，主控控制就能对温度进行准确的采集和测量K、模块可以对J、制器要有很高的抗干扰能力和稳定性器一选择PLc作为主控，T、E、N、B、R、S等八种热电偶和白金电阻进行处。PLC不仅具有传统控制系统的控制功能而且能扩展、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、。PLC以高}E—一I———PLc控制器H调功器卜_叫风机P—一集成度高效率、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本文使用永宏PLC、一度模块块I．—H—■传感器I．作为控制器控制模块界面友好，，它具有良好的温度控制PID算法步进电机构成人机图1系统框图通过PLC的串口通讯与PC机连接，、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热交换后达到的温度值，理口；，可以同时输入16路温度数据进行采集。在精度为温度，即冷空气经01℃的时候最．快刷新速度为48。；在精度为1℃的时候最设为T1，系统选用热电阻口快刷新速度为2s后，PLC利用温度模块将温度采集进来以PTl00监测入风口和出风口温度其中出风温度即为被，根据内部程序中的温度规划表格将外界目前的温度，控温度用速DA，；选用调功器作为PLC控制风机的连接环节4~利值作为控制变量…，并将用户设定的温度期望值与程控变．模块输出20mA信号控制调功器来调节风机转如图1所示另量做PID运算后得到输出值来调节可控硅调功器以调这样改变进入交换室的空气量和空气的热交换时问进，节风机转速并最终控制出风口温度。而改变出风口温度形成闭环控制系统，。3数字PID控制31PID．外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，控制指令PLC以防止风机转速过低造成空气流动缓慢、燃烧室，永宏有专门的温度数字PID控制指令：，如图2。热量积聚时间过长的情况从而延长热风机使用寿命危险状况。。避免该指令的数字PID运算公式Mn=[KexEn]+∑[KexKi~Ts~En]+[KexTdX天津市科技创新专项资金项目(编号：06FZZDGX00800)犏嗍：砌廿”圈圈【互圈维普资讯 http://www.cqvip.com

自动化　（ＰＶｎ—ＰＶｎ一１）／Ｉ’ｓ］　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Ｔｋ是被控变量的临界周期，被控变量处于临界振　其中：　Ｍｎ是…ｎ’时的控制输出量，Ｋｃ是增益（范围为１～　９９９９），Ｋｉ是积分常数（为积分时间常数Ｔｉ的倒数，范围　为０～９９９９），Ｔｄ是微分时间常数（范围为０－９９９９），ＰＶｎ　是…／１’时的控制输出量，ＰＶ　一　是“ｎ一１”的控制输出量，　Ｅｎ是…ｎ’时当误差等于设定值“（ＳＰ）一ｎ”时的控制输　出量（ＰＶｎ），Ｔｓ是ＰＩＤ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　荡过程时，控制器件的比例度即临界比例度设为Ｐｋ。可　以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ＰＲ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Ｔｋ的数值。　且灵敏的控制反应。但增益如过大，会造成振荡现象。因　此应尽量调高增益（但以不造成振荡为原则），以增快程　序反应并减少稳态误差。　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，　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＝Ｏ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（Ｔｄ）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。　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Ｐｋ，来回振荡一次的时问，亦即从振荡的一　个顶点到相邻同相的第二个顶点所需要的时间，就是Ｉ临界　时间Ｔｋ。　５）在得到了Ｐｋ和Ｔｋ的数值后就可以根据经验公式，　计算出ＰＲ、ＩＲ、ＤＲ等参数。　４　ＰＬＣ与上位机的通信　执行控制一ＥＮ　加热／冷却一Ｈ／Ｃ　ＥＲＲ一参数错误　Ａｔ．Ｍ一温控警告　上位机软件可以对ＰＬＣ进行控制，监控运行状态，描　绘采集的温度曲线，在ＰＩＤ参数整定过程中，起到了很重　要的作用。上位机与ＰＬＣ通信采用ＲＳ４８５串行总线。　ＲＳ４８５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　ＰＬＣ通信协议　在该ＰＬＣ与上位机的通信过程中，ＰＬＣ只能作为从设　备，任何设备和ＰＬＣ通讯时候都作为主设备，也就是说　ＰＬＣ只有在主设备发送命令后才能按照命令的要求做出响　应，不能主动地发送数据给主设备　】。ＦＡＴＥＫ通讯的帧　格式见表１。　图２　温度ＰＩＤ控制指令　表１　ＦＡＴＥＫ　ＰＬＣ通信帧格式　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ＰＲ，ＩＲ，ＤＲ是我们要整定的ＰＩＤ参数，上述　参数设定值不在正确设定范围内时，ＰＩＤ指令不会执行，　设定错误指示“ＥＲＲ”。其中ＰＲ为增益设定值，ＩＲ为积　１）起始符为１６进制的０２Ｈ，无论是命令还是响应　起始符都为０２Ｈ，在收到０２Ｈ后接收方知道信息开始传　送。　分常数设定，ＤＲ为微分常数。永宏ＰＬＣ有默认ＰＩＤ参　数，如图４。参数整定主要是确定ＰＲ，ＩＲ，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。其中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，因此在本系统的调试　２）在一个ＦＡＴＥＫ网络中仅有一个主站，可以有　２５４个从站，每一个从站有一个独一无二的站号，分别　为１－ＦＥＨ。当主站对从站下命令的时候是以站号来指定　哪个ＰＬＣ或者全部ＰＬＣ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　臣　ｌ　维普资讯 http://www.cqvip.com

工业自　３）命令码是ＰＬＣ提供给用户的命令指令，主站通过　件，在定时器事件中，进行数据点的采集，同时在Ｐｉｃ—　ｔｕｒｅＢｏｘ里将此次采集的数据点与上次采集的数据点用Ｌｉｎｅ　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４０，读取ＰＬＣ状态指令；命令　命令连起来。当曲线到达右边界时，用ＡＰＩ函数ＢｉｔＢｌｔ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　４１，ＰＬＣ运行／停止指令；命令４Ｅ，测试ＰＬＣ回传指令，　判断连接是否成功；命令４５，连续多个寄存器写人数据　命令。　４）文本资料是指写入ＰＬＣ或ＰＬＣ发送的数值及目标　寄存器号。　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。　５）校验码是将从ＳＴＸ开始所有ＡＳＣＩＩ字符的１６进制　数值以ＬＲＣ（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　Ｃｈｅｃｋ）计算产出一　溅壅　　ｘ≤一　个Ｂｙｔｅ长度（两个１６进制数值００～ＦＦ）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　ＴＥＫ协议ＬＲＣ校验之计算方法是将各ＡＳＣＩＩ字符之１６进　Ｉ蜘　１１０　…曲：ｉ　∞　《　．．、ｔ　囊　ｌｌ　｝０　麓　ｉ　；　；　、　“　ｔ　簪｛餮　～　、誊　０　。簪；　０　蝻酬　腿“　，　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１６进制数０３Ｈ，无论命令或响应消息的　结尾字符均为ＥＴＸ，当接收方收到ＥＴＸ字符后便知该次通　黻　锄　黼　：　。＿　…　簿　如ｊ　警菠案　叠　０　－¨　：　嬲　赫ｉ　１｝；　ｉ　秘｝　秘ｌ　　’＿¨¨　讯已结束。在完整收到ＦＡＴＥＫ通讯帧后我们就可以对帧　进行处理。　翻Ｉｏ　ｎ７　…萼…　设霞Ｉ　蕊　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ＶＢ６．０，　利用ＶＢ６．０可方便地实现ＰＬＣ和上位机的串行通讯Ｅ３　３，　图４　温度曲线　并且可以实现实时曲线显示，方便地了解被控对象的变化　过程。ＶＢ６．０的通讯控件ＭＳＣｏｍｍ有许多属性可帮助我们　实现串日通讯，可设置通讯端日，设置发送和接收缓冲区　５总结　在热风机控制系统设计中，ＰＬＣ是自动化设备中的典　型应用。我们所用的永宏ＰＬＣ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。　参考文献：　大小，波特率、奇偶检验等。　［１］李强国，韩书娜．风机调速控制设计［Ａ］．河北省冶金学会　炼钢连铸技术与学术交流会论文集ｆＣ］．２００６．　［２］赵卫东，辛宏．ＰＬＣ在温度控制系统中的应用［Ｊ］．仪器仪　表学报，２００１，２２（４）增刊：４６９—４７０．　［３］张宪青，李修仁．用ＶＢ６．０实现ＰＬＣ与上位机串行通讯及实　时曲线显示［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２００５，　（９）：２９—３０．　［４］周梅芳，金向平，陈偕雄．基于ＰＬＣ的智能ＰＩＤ控制方法及　图３　上位机的部分界面　其应用［Ｊ］．化工自动＇ｆ￣ＴＬ仪表，２００３，（３０）：４６—４７．　［５］蔡锦达，王挺．使用永宏ＦＢＳ系列ＰＬＣ实现温度控制［Ｊ］．　机械工程与自动化，２００６，（２）：７０—７１．　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ＶＢ６．０中，我们用ＰｉｃｔｕｒｅＢｏｘ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　第一作者简介：程烨，男，１９８２年生，天津人，硕士研究生。　研究领域：自动化控制。　（编辑：梁　玉）