基于西门子PLC实现的炉温控制系统设计

摘 要： 本文介绍了以西门子PLC控制器为核心，以炉温为被控对象的炉温控制系统，重点分析了实现炉温控制的原理和PID控制的程序设计方法，程序经仿真实现了控制要求。

关键词： PLC PID控制 炉温控制

目前，温度控制广泛应用于冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中。温度控制系统是一个纯滞后惯性系统，它具有明显的滞后特性。对于需要快速准确地获取和控制实时温度的场合，采用传统闭环模拟控制方式难以达到理想的控制效果，经以往大量现场实践证明，采用智能控制方式控制即PID控制方式，能获得最佳控制效果。

PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程的存储器，用来在其存储执行逻辑运算、顺序控制、定时计数、PID控制等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各类种类型的机械或生产过程，故以PLC为控制核心的智能装置能满足炉温控制要求。

一、炉温控制系统结构及原理

本设计以某加热炉炉温控制系统为研究对象，要求设定温度为70℃。炉温控制系统由计算机、固体加热器、Pt100热电偶、温度变送器、模拟量模块转换装置、PLC控制器、单相SCR移相调压器、冷却风扇等部分组成。其示意图如图1。

图1 加热炉炉温控制系统示意图

工作原理：炉温控制系统是一个闭环反馈控制系统，它通过测量过程变量，经变送器变成标准的电压值或电流值，输入PLC的模拟量输入模块进行A/D转换，经过程序滤波后，CPU将它与PLC程序中的设定值比较，并按PID控制运算法对误差进行运算，将运算结果送给模拟量输出模块经D/A转换后，变为电压信号或电流信号，用它来控制电动调节阀的开度（单相SCR移相调压器），以达到恒温控制的目的。控制程序经计算机传入PLC，在控制的过程中还应注意加热过程的热量对仪器的影响，因此还要采用冷却风扇散热。

二、炉温控制系统硬件设计

本控制系统采用S7-200 系列PLC226，同时采用EM235模拟量扩展模块，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可以达到本系统自动控制的要求。确定了PLC外部硬件组成后，对PLC进行端口设置和外部I/0接线设计，具体硬件端口分配和接线图省略。

三、炉温控制系统PID控制程序设计

在工业生产中，常需要用闭环控制方式实现温度、压力、流量等连续变化的模拟量控制，PID控制不需要求出系统的数学模型，具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便；有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式。本控制系统采用PLC的数字PID控制。闭环控制结构图如图2所示。

图2 闭环控制结构图

S7-200CPU提供了8个回路的PID功能，其核心是PID指令。PID指令需要指定一个以V为变量存储区地址开始的PID回路表和PID回路号。本系统采用该PID功能指令，当PID功能指令与模拟量输入一起使用时，可以达到PID控制模块一样的效果，并且经济性较好。在执行指令时，需对PID算法中的9个参数进行运算，这9个参数分别为：过程变量当前值（PVn）、过程变量前值（PVn-1）、给定值（SPn）、输出值（Mn）、增益（Kc）、采样时间（Ts）、积分时间（Ti）、微分时间（TD）和积分前项前值（Mx）。该指令使用一个存储回路参数表的回路表，要执行指令，先要对PID回路表进行初始化处理。

PID功能指令只接受0.0—1.0之间的实数作为反馈、给定与控制输出的有效数值。因此，必须把实际的物理量与PID功能块需要的数据之间进行转换。S7-200的编程软件Micro/WIN提供了PID指令向导，以方便地完成这些转换/标准化处理。除此之外，PID指令也同时会被自动调用。编程软件STEP7-Micro/WINV4.0内置了一个PID调试控制面板工具，具有图形化的给定、反馈、调节器输出波形显示，可以用于手动调试PID参数，使用这些整定值可以使控制系统得到最优化的PID参数，达到最佳的控制效果。本系统设计中使用比例积分控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定，但需要调整以达到最优控制效果。初步确定的增益和时间常数为Kc是0.7，Ts是0.1秒，Ti是2分钟。

本炉温控制系统设计主要采用PLC的PID功能指令进行程序设计，系统程序由主程序、子程序和中断程序构成。主程序用来调用初始化子程序；子程序用来建立PID回路初始化参数表和设置中断，采用定时中断来定时采样，设置定时时间和采样时间；中断程序用于执行PID运算，系统I0.1=1（自动运行）时，执行PID运算。全部程序由PLC编程软件编写完整传入PLC控制装置中，经模拟调试、仿真表明，本设计能满足该炉温控制系统控制要求。程序流程图图3和部分PID控制中断程序图4，PID控制炉温仿真曲线如图5。

图3 炉温控制PLC程序流程图

图4 部分PID控制中断程序

图5 PID控制炉温仿真曲线

四、结语

本系统主要采用S7-200PLC的模拟量模块和自带的PID功能指令，实现了炉温控制系统的PID控制。经模拟仿真证明，本系统符合设计要求，具有降低成本、提高系统运行可靠性的优点。

参考文献：

［1］王芹.可编程控制器技术及应用［M］.天津大学出版社，2011.

［2］廖常初.可编程控制器应用技术［M］.重庆大学出版社，2008.

［3］刘建芳.基于PLC的加热炉控制系统设计.仪器仪表学报，2007.