引言

溫度控制與日常生活及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的聯(lián)系非常緊密,生活中隨處可見。譬如溫室里需要控制溫度以保證溫室中植物、作物能夠在適宜溫度條件下進(jìn)行生產(chǎn):在工業(yè)上,一些大型的發(fā)酵缸、鍋爐需要通過控制溫度來確保工業(yè)生產(chǎn)的效率及產(chǎn)出物的質(zhì)量,如果不對溫度進(jìn)行控制,可能會出現(xiàn)各類問題甚至導(dǎo)致事故。

很多場所的溫度都需要進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控并根據(jù)實(shí)時溫度進(jìn)行調(diào)整,但以往的溫度控制是由人工完成的,這導(dǎo)致溫度控制并不精確且容易發(fā)生意外。本文設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)采用S7-1200采集溫度數(shù)據(jù),上位機(jī)通過MCGS組態(tài)軟件監(jiān)控,實(shí)時顯示溫度變化。

1系統(tǒng)工藝流程概述

通過上位機(jī)給PLC發(fā)出指令,將鍋爐的水溫控制在事先在上位機(jī)上設(shè)定好的溫度,PLC根據(jù)Pt100溫度傳感器反饋得到的溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較,再經(jīng)過P1D控制算法運(yùn)算,由1/o模塊輸出電流信號。通過調(diào)壓模塊把4~20mA的電流信號轉(zhuǎn)化成0~220V的電壓信號,調(diào)整電加熱器的功率,使得鍋爐里水的溫度控制在事先設(shè)定的溫度。在溫度控制過程中,由基于MCGS組態(tài)軟件的上位機(jī)可以實(shí)時監(jiān)控到鍋爐內(nèi)的溫度變化,人機(jī)交互性好。

系統(tǒng)的工藝流程圖如圖1所示。

2溫度控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

S7-1200系列是一款功能強(qiáng)大、成本低廉的可編程邏輯控制器,是S7-200的升級版,延續(xù)了200緊湊型設(shè)計的同時節(jié)省了控制面板的空間。S7-1200還進(jìn)行了功能上的升級,在研發(fā)過程中充分考慮了系統(tǒng)、控制器、人機(jī)交互界面的完美協(xié)調(diào),因此它可以滿足各種中小型自動化系統(tǒng)的要求[1]。MCGS是基于windowS平臺的組態(tài)軟件系統(tǒng),它可以快速構(gòu)造并生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),具有功能完善、操作簡便、可視性好等特點(diǎn)[2]。

2.1基于S7-1200的下位機(jī)設(shè)計

下位機(jī)的功能就是接收上位機(jī)命令,給執(zhí)行元件發(fā)出控制信號,并接收設(shè)備的狀態(tài)模擬信號后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號反饋給上位機(jī)。本系統(tǒng)采用S7-1200PLC設(shè)計下位機(jī),不僅可以接收鍋爐內(nèi)的溫度信號轉(zhuǎn)化給上位機(jī),同時還要接收上位機(jī)反饋的命令,由算法計算得到輸出,通過信號模塊SM1234去控制調(diào)壓模塊等執(zhí)行元件。溫度控制流程圖如圖2所示。

其中PLC的核心程序包括P1D算法程序和1/o模塊程序,P1D梯形圖如圖3所示,1/o模塊梯形圖如圖4、圖5所示。

2.2PlD算法

在工業(yè)生產(chǎn)中,PID控制算法是應(yīng)用最普遍的控制算法。其原理就是把被控對象如溫度、壓力等設(shè)定為一個值,然后通過測量技術(shù)測出被控對象的實(shí)際值,兩者對比求出差值,通過PID算法得到輸出信號,來控制執(zhí)行元件增大或減少輸出,從而達(dá)到被控對象逐漸趨于設(shè)定值的目的。PID控制算法的公式如下所示:

式中,Kp為比例系數(shù):Ki為積分系數(shù):Kd為微分系數(shù)。

2.3基于MCGS的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

MCGS有三個版本,本文用的是MCGS通用版,可以方便、快捷地在上位機(jī)中設(shè)計實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。在新建組態(tài)中添加新設(shè)備S7-1200后,如圖6所示。

本文是以鍋爐溫度控制為例建立基于MCGS的實(shí)時監(jiān)控界面,設(shè)計完成后的控制界面如圖7所示。

在該界面可以查看歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線,同時包括參數(shù)設(shè)置按鈕、通信狀態(tài)查看按鈕,可以很直觀地查看控制過程中溫度的變化以及各個模塊的工作狀態(tài)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文實(shí)驗(yàn)具體步驟為:

(1)將PC網(wǎng)線連接到對應(yīng)的S7-1200可編程控制器(PC上的組態(tài)軟件里設(shè)置的IP與PLC對應(yīng)):在傳感器信號輸出區(qū)域,將內(nèi)膽溫度信號用實(shí)驗(yàn)線連接到PLC的AI0信號輸入端,正負(fù)一一對應(yīng):將PLC輸出信號Ao0連接到執(zhí)行器控制信號輸入?yún)^(qū)的調(diào)壓模塊信號端口,Ao1連接到氣動調(diào)節(jié)閥信號端口,正負(fù)一一對應(yīng):將手動閥門1V1打開,手動閥門1V2關(guān)閉。

(2)打開控制臺柜的總電源,再打開PLC電源,打開氣泵為氣動調(diào)節(jié)閥供氣。

(3)打開計算機(jī)上的MCGS運(yùn)行環(huán)境,選擇"系統(tǒng)管理"下拉菜單中的"用戶登錄",出現(xiàn)"用戶登錄"界面。點(diǎn)擊"確認(rèn)",用戶登錄完畢。

(4)選擇"單回路控制實(shí)驗(yàn)"下拉菜單中的"溫度控制實(shí)驗(yàn)"。

(5)點(diǎn)擊"參數(shù)設(shè)置",出現(xiàn)如圖8所示的界面。

將AI0量程設(shè)置為0~100,點(diǎn)擊退出,參數(shù)設(shè)置完畢。

觀察鍋爐水標(biāo),水位在水標(biāo)的2/3以上,將手動閥門1V1關(guān)閉。

在控制柜面板上打開加熱器開關(guān)。

設(shè)定初值和PID各個系數(shù)并選擇PLC控制方式。

記錄的溫度曲線如圖9所示。

由圖9可以看出,溫度曲線趨于穩(wěn)定的速度很快,并且波動小,可以精確有效地控制鍋爐內(nèi)溫度。

4結(jié)語

基于MCGS和S7-1200的溫度控制系統(tǒng)可以精確控制溫度,對工業(yè)生產(chǎn)中鍋爐的溫度控制有重要意義。