引言

溫度控制與日常生活及工業(yè)生產(chǎn)領域的聯(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,如果不對溫度進行控制,可能會出現(xiàn)各類問題甚至導致事故。

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

1系統(tǒng)工藝流程概述

通過上位機給PLC發(fā)出指令,將鍋爐的水溫控制在事先在上位機上設定好的溫度,PLC根據(jù)Pt100溫度傳感器反饋得到的溫度與設定溫度進行比較,再經(jīng)過P1D控制算法運算,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)軟件的上位機可以實時監(jiān)控到鍋爐內(nèi)的溫度變化,人機交互性好。

系統(tǒng)的工藝流程圖如圖1所示。

2溫度控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)

S7-1200系列是一款功能強大、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緊湊型設計的同時節(jié)省了控制面板的空間。S7-1200還進行了功能上的升級,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),它可以快速構造并生成上位機監(jiān)控系統(tǒng),具有功能完善、操作簡便、可視性好等特點[2]。

2.1基于S7-1200的下位機設計

下位機的功能就是接收上位機命令,給執(zhí)行元件發(fā)出控制信號,并接收設備的狀態(tài)模擬信號后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號反饋給上位機。本系統(tǒng)采用S7-1200PLC設計下位機,不僅可以接收鍋爐內(nèi)的溫度信號轉(zhuǎn)化給上位機,同時還要接收上位機反饋的命令,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、壓力等設定為一個值,然后通過測量技術測出被控對象的實際值,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,從而達到被控對象逐漸趨于設定值的目的。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的上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計

MCGS有三個版本,本文用的是MCGS通用版,可以方便、快捷地在上位機中設計實時監(jiān)控系統(tǒng)。在新建組態(tài)中添加新設備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的實時監(jiān)控界面,設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實驗結(jié)果

本文實驗具體步驟為:

(1)將PC網(wǎng)線連接到對應的S7-1200可編程控制器(PC上的組態(tài)軟件里設置的IP與PLC對應):在傳感器信號輸出區(qū)域,將內(nèi)膽溫度信號用實驗線連接到PLC的AI0信號輸入端,正負一一對應: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,正負一一對應:將手動閥門1V1打開,手動閥門1V2關閉。

(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)打開計算機上的MCGS運行環(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。點擊"確認",用戶登錄完畢。

(4)選擇"單回路控制實驗"下拉菜單中的"溫度控制實驗"。

(5)點擊"參數(shù)設置",出現(xiàn)如圖8所示的界面。

將AI0量程設置為0~100,點擊退出,參數(shù)設置完畢。

觀察鍋爐水標,水位在水標的2/3以上,將手動閥門1V1關閉。

在控制柜面板上打開加熱器開關。

設定初值和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。