基于PLC的智能温控系统研究与设计

允韵哉砸晕粤蕴韵云再哉耘再粤晕郧灾韵悦粤栽陨韵晕粤蕴栽耘悦匀晕陨悦粤蕴悦韵蕴蕴耘郧耘阳职业技术学院学报

Vol.33No.4

July.2018

基于PLC的智能温控系统研究与设计朱细敏1龚文杨2

渊1.上海第二工业大学袁上海201209曰2.常德职业技术学院袁湖南常德415000冤

摘要温度控制是工业实际应用中常见的控制对象袁一般需要通过加热和冷却设备将温度控制在工艺需求的设定温度附近袁才可以满足后续的工艺需求遥本设计将经典PID控制概念应用到温度控制对象上袁从基于PLC的温度控制系统的硬件连接设计尧各个温区系统的PID控制设计尧PWM的输出控制调节尧实验测试等环节来分析设计袁一旦系统实际温度存在偏差袁就准确及时地调节机械上各个温区设备上的加热元件和冷却元件袁最终达到准确地将控制对象温度稳定在预期温度附近遥

关键词塑料挤出机械曰PID曰PLC曰温区曰温度控制中图分类号

TP273

文献标志码

A

文章编号

1672-738X(2018)04-0080-03

StudyandDesignofTemperatureControlSystemBasedonPLCZHUXi-min1GONGWen-yang2

(1.ShanghaiPolytechnicUniversity,Shanghai201209;2.ChangdeVocationalCollege,Changde,Hunan415000)Abstract

Temperaturecontrolisacommoncontrolobjectinindustrialpracticalapplication,generally,itisrequiredto

controlthetemperatureintheprocessbyaddingheatingandcoolingequipment,whichcouldmeetthesubsequentprocessrequirements.ThedesignoftheclassicalPIDcontrolconceptisappliedtothetemperaturecontrolobject,thedesignfromthehardwareconnectionwhichisbasedonPLCtemperaturecontrolsystem,PIDcontroldesignofeachtemperatureareasystem,andPWMoutputcontrolregulation,experimentaltestingistoanalyzeinthispaper.Oncetherehasadeviationoftheactualtemperatureofsystem,eachaddingheatingandcoolingequipmentintemperaturezonewillbeadjustedaccuratelyandtimely,finally,thetemperaturecanbecontrolledaccuratelythatisclosetoexpectedtemperature.

Keywords

plasticextruder;PID;PLC;temperaturezone;temperaturecontrol

在工业自动化的控制对象中袁温度是常见的控制对象之一袁比如袁应用在塑料机械行业中广泛使用的塑料挤出机上袁一般塑料颗粒材料需要在合适的温度下才会充分熔解袁熔解后的塑料原料再通过模具进行制作袁形成所需要的形状遥如果在塑料颗粒材料熔解时袁温度偏离设定温度过高或过低都将导致塑料材料在后续工序中出现问题袁在温度偏离设定值高时袁塑料制品容易降解袁成型性差曰温度偏离设定值低时袁塑料制品外观不光洁袁没有亮泽[1]遥

本设计中袁研究采用一个合理的温度控制系

将采集温区实际温度与用户需求的设定温度进行比较袁如有偏差袁则启用比例积分微分渊PID冤控制规律来进行调整袁以脉冲宽度调节渊PWM冤的方式来控制固态继电器的通断遥1PLC温控系统的系统组成

一般在塑料颗粒材料熔解区域袁会分成几个温区进行处理袁每个温区会安装温度传感器尧加热线圈元件尧冷却风扇元件等袁因此袁需要将每个温区的信号进行采集并输入到PLC的温度模块上袁同时袁数字量输出模块通道上的加热信号或是冷却信号需要输出给每个温区遥本文设计以3温区为例的控

统袁以贝加莱可编程控制器渊PLC冤为智能控制器袁

收稿日期院2018-07-19

作者简介院朱细敏渊1980-冤袁女袁湖南临湘人袁电气自动化技术讲师袁工学硕士遥主要研究方向院电气自动化技术遥

第4期朱细敏等：基于PLC的智能温控系统研究与设计81

制系统袁最终系统温度余差可控制在1益[2]1.1

遥本控制系统采用可编程控制器PLC为主控中心袁同时在配置硬件上加上数字量输出模块和温度采集模块袁整个温控系统的硬件系统设计框图见图括给1所示各遥个数温字区量的输加出热模信块号上和各冷却通道上信号的袁输数出信字1尧息3尧包

5为输出给各温区的加热信号袁数字2尧4尧6为输出给各温区的冷却信号曰温度采集模块上是接入的各个温区热电偶实际测温信号[3]遥

图1PLC控制系统硬件架构框图

1.2

温区的加热和冷却由各个温区所带有的加热和冷却设备分别来完成袁具体加热线圈或是冷却风扇的工作是由数字量输出通道来驱动控制的遥

数字量的输出主要是实现0或1的信号电平来控制加热线圈尧冷却风扇接通与否袁其中与数字量输出通道直接相连的是固态继电器SSR袁固态继电器SSR的作用类似于开关袁是由微电子电路构成的零触点开关袁使用时实时性好尧且耐用性更好遥

固态继电器在连接到加热线圈时袁可控制加热线路接通或断开曰在连接到冷却风扇时袁可控制风扇开启或是断开袁图2所示是温区的一个加热输出控制通道和一个冷却输出控制通道遥当数字量输出通道1有高电平信号输出时袁固态继电器合上袁电源将会给加热线圈供电袁进而提高温度曰反之袁固态继电器断开袁停止加热遥当数字量输出通道2有高电平信号输出时袁固态继电器合上袁电源将会给冷却用风扇供电袁进而降低温度曰反之袁固态继电器断开袁风扇停止运转遥

图2数字量输出控制

1.3

温度测量元件选用的是热电偶袁将每个温区的

温度采集后接入到温度控制模块相应通道上袁通过程序中关联的变量来监控到温区的实际温度袁图3所示是一个温区的实际温度信息采集遥初次使用时袁设备处于室温状态袁可监控采集到程序中的数据袁如果数据不准确袁需要考虑硬件接线或是硬件上的接地屏蔽等处理措施遥

图3温度采集输入

2温控系统PID控制信号的连接

本温度控制系统设计采用经典的比例积分微分渊PID冤控制袁通过比较温区的设定温度值和当前实际温度值袁如果有偏差存在袁将会启用PID控制器中的比例尧积分尧微分环节进行调整控制袁使得最终稳态时的余差可控制在1益以内遥2.1

这里袁有3个温区需要控制袁同时为了实际材料的加热均匀袁每个温区必须加热到相同温度袁这样袁每个控制器需要有相同的设定温度曰一般情况下袁各个温区是从室温环境下开始加热的袁由于在从室温开始时袁每个温区所处的安装位置不同袁温度动态实际变化情况会不一样袁因此袁每个温区都需要设置独立的PID控制器[4]控制设计方框图袁测试中的3个遥温图区4均为具单有温此区种PID

关联结构遥

图4单温区PID控制系统方框图

2.2

强度信PID号控袁一般制器为的百输分出信比参号数为袁这加里到加执到行每元个件温上区的上为控制固态继电器的接通与断开的信号袁而从百分比参数转换为脉冲信号袁需要借助于脉冲宽度调节功能袁即PWM调节袁此调节器会将输入的模拟量信号转换为等效的脉冲宽度信号来使用[5]此处所采用的是贝加莱公司所提供的软件平台袁遥

其中包含有库功能块MTBasicsPWM袁如图5所示主要输入输出编程接口信号遥图5中袁DutyCycle为占空比信号袁是由PID控制器输出的百分比调

82岳阳职业技术学院学报第33卷

表1各温区PID控制器参数

温区温区1温区2温区3

控制加热操作的PID控制器比例/%3.072.552.71

积分时间/s442.62438.03439.41

微分时间/s92.9591.9892.28

控制冷却操作的PID控制器比例/%1.113.074.04

积分时间/s1257.34350.84354.45

微分时间/s264.0473.6774.43

节信号袁通过MTBasicsPWM进行信号转换输出袁输温度/益

出接口Out将变成电平信号的变化袁进行控制继电器的通断遥

图5MTBasicsPWM功能块的输入输出接口

3PLCPLC温控控制系统器中的的PID自动控制控参制数程的序获取中袁与效采用果测试

PID的是

控制控参制数方式袁会对袁为了实际便温于区针对象对实际进行对象PID有参更数合的适自的整定袁即给控制对象一个模拟的输入信号袁通过系统的响应情况来获取到适合本系统的控制参数遥实际使用中袁也可以根据参数控制效果袁对初步获取到的整定参数进行微调遥3.1

采用阶跃响应法获取系统的响应S曲线袁通过S型曲线的转折点画切线袁来求得系统响应的关键参数袁然后按照Ziegler/Nichols法则来计算PID控制器的比例尧积分时间尧微分时间等参数遥测试时袁温度加热到80益左右[6]的阶跃响应法S袁曲实际线包操含作了从中袁3室温温区到同加时热开到始自80整益左定

右的加热遥S曲线和从80益左右的稳定温度到风扇吹风冷却到室温的S曲线两个部分遥图6所示为对温区1实施自整定时所产生的温度变化曲线[7]经过对温度响应曲线数据进行分析袁可遥

以得到温区加热时所需的PID参数和温区冷却时所需的得到PID参如数表遥1其所他示温数区据的遥

操作过程类似袁依次操作袁可

时间/s

图6实际温区1的自整定温度变化曲线

3.2

通过自整定方式获取到的PID参数袁需要施加到实际温区上进行使用袁测试出实际的温度控制效果能否准确地将温度控制在设定温度附近遥在工业

控制上的温度控制一般是具有大惯性大滞后特点袁但是也需要考虑到动态过程或是稳态误差因素袁来衡量控制系统的控制质量遥图7是将设定温度设置为80益袁从室温开始同时对3个温区加热测试的变化曲线遥

温度/益

时间/s

图73个温区加热的温度变化曲线

实验结果显示袁从室温大约需要1h左右进入稳态区域袁并最终可以将系统稳定在设定温度值附近遥本次测试保持温差在依1益内袁符合一般对温度系统的控制需求遥如果控制性能需要进一步提升袁需要调整温区PID参数袁并重新施加到温区对象上进行实际控制袁测量被控系统的响应效果遥4结束语

温度控制在工业实际设备上使用时袁呈现出大惯性尧大滞后的特征袁通过PLC进行智能控制时袁

渊下转第90页冤

90岳阳职业技术学院学报第33卷

在意的生活是悲哀的袁没有存在的意义袁就如同自己一样袁因此在他眼中袁流浪汉的生命没有价值袁其难以被查明身份的特征成为石神作案的最佳对象遥现代社会不仅需要认知理性袁亦需要道德理性袁石神与汤川袁一个出世袁一个入世袁显然汤川才是符合野现代性冶的人物袁而石神仅仅具备卓越的认知理性终臣服于汤川遥4结束语

小说叶嫌疑人X的献身曳的重要艺术价值在于它对野人类灵魂的力量尧生命与爱的沉重以及现代人内心深处的真实感受进行彰显遥冶作为一部推理小说袁它的最终目的不是展现环环相扣的完美诡计袁而是背后所隐含的复杂的人性遥在小说中的三

[4]位主人公身上袁可以看到他们所处社会的不同位置袁所秉持的各自不同的价值观念袁更能感受到其中所承载的人性的重量袁而这正是叶嫌疑人X的献身曳的艺术魅力所在遥5参考文献

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却缺少道德理性袁因此在东野圭吾的笔下袁石神最

渊责任编校院李进冤

渊上接第82页冤

需要较长时间才能完成1次从室温升渊降冤温到用户需要的设定温度附件袁并进入稳态遥实际的控制效果需要通过实际系统的响应效果来评价袁此处使用的经典PID控制器控制每个温区的加热和冷却设备的接通与断开袁最终达到精确将各个温区温度控制在设定值附近遥5参考文献

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渊责任编校院马余平冤