基于PLC的熱風機溫度控制系統

1 引言
熱風機是基于熱能交換的加熱設備。熱能交換發生在通過氣體或液體燃料的燃燒以加熱的金屬表面和與此表面發生接觸的流通空氣之間。燃料的燃燒是在燃燒室內進行，與空氣流隔絕。空氣的流動是通過一個風機設備產生的，熱風機有很高的熱能效率并且在之前的冷空氣與熱空氣之間有迅速的對流。此熱風機應用于工業環境中，主控制器要有很高的抗干擾能力和穩定性，選擇plc作為主控器。plc不僅具有傳統控制系統的控制功能,而且能擴展一些智能模塊并構成不同的控制系統實現溫度控制、閉環控制、位置控制等來適應不同的工業控制需要。plc以高集成度、高效率、較強的抗干擾能力、組態靈活等優勢在現代工業控制中得到廣泛的應用。為此我們使用永宏plc作為控制器,它具有良好的溫度控制pid算法、步進電機控制模塊，通過plc的串口通訊與pc機連接,構成人機界面友好、控制功能完善的溫度控制系統。
2 系統構成
本系統要求嚴格控制熱風機出風口溫度，即冷空氣經熱交換后達到的溫度值，設為t1；系統選用熱電阻pt100監測入風口和出風口溫度，出風口溫度即為被控溫度；選用調功器作為plc控制風機的連接環節，利用da模塊輸出4～20ma信號控制調功器來調節風機轉速，這樣改變進入交換室的空氣量和空氣的熱交換時間進而改變出風口溫度，形成閉環控制系統，如圖1。選用熱電偶測量燃燒室溫度作為故障監測和風機最低轉速限制，風機轉速過低則空氣流動緩慢，燃燒室熱量積聚時間過長會減少熱風機使用壽命，甚至出現危險狀況。
永宏(fatek)的fbs系列plc具有良好的溫度控制能力和很高的性價比，配有溫度專用pid控制指令以達到精確控制，它提供了集溫度采集和數據處理為一身的智能專用模塊，在這個模塊集成了16位a/d轉換器，分辨率達到0.1℃。該模塊能夠自動進行線性化處理、冷端補償，使用非常方便，僅需要將熱電偶接到接線端子并進行程序控制就能對溫度進行準確的采集和測量。模塊可以對j、k、t、e、n、b、r、s等八種熱電偶和白金電阻進行處理，可以同時輸入16路溫度數據進行采集。在精度為0.1℃的時候最快刷新速度為4s；在精度為1℃的時候最快刷新速度為2s。plc利用溫度模塊將溫度采集進來以后，根據內部程序中的溫度規劃表格將外界目前的溫度值作為控制變量，并將用戶設定的溫度期望值與程控變量做pid運算后得到輸出值來調節可控硅調功器，以達到調節風機轉速，并最終控制出風口溫度。
3 數字pid控制
3.1pid控制指令
永宏plc有專門的溫度數字pid控制指令。
該指令的數字pid運算公式：
mn=[kc×en]+∑[kc×ki×ts×en]+[kc×td×(pvn-pvn-1)/ts]
其中：
mn：〝n〞時的控制輸出量
kc：增益（范圍：1→9999）
ki：積分常數（為積分時間常數ti的倒數，范圍：0～9999）
td：微分時間常數（范圍：0～9999）
pvn：〝n〞時的控制輸出量
pvn-1：〝n-1〞的控制輸出量
en：〝n〞時之誤差=設定值（sp）-〝n〞時控制輸出量（pvn）
ts：pid運算的間隔時間
增益（kc）
調整越大，對輸出貢獻越大，可得到較快且靈敏的控制反應。但增益如過大，會造成振蕩現象；盡量調高增益（但以不造成振蕩為原則），以增快程序反應并減少穩態誤差。
積分項可用來消除設定值改變所造成之穩態誤差，積分常數ki調整越大，對輸出貢獻越大，當有穩態誤差時，可調高積分常數，以減少穩態誤差。積分時間常數=0時，積分項無作用。
微分項可用來讓控制反應較平順，不會造成過度超越。微分時間常數（td）調整越大，對輸出貢獻越大，當有過度超越時，可調高微分時間常數，以減少超越量。
3.2參數整定
參數整定是十分重要的，其好壞直接影響調節品質。其中pr，ir，dr是我們要整定的pid參數，上述參數設定值不在正確設定范圍內時，pid指令不會執行，設定錯誤指示“err”。其中pr為增益設定值，ir為積分常數設定，dr微分常數。永宏plc有默認pid參數，如圖4。參數整定主要是確定pr，ir，dr三個參數，這三個特性參數究竟整定到多大取決于具體被控對象的動態特性，即要根據具體被控對象來確定這三個參數。在實際工程上一般使用臨界比例度法、衰減曲線法、試湊法。臨界比例度法不需要求得被控對象的特性，可直接在閉合的系統中進行整定。在本系統的調試中選用了臨界比例度法。一個自動控制系統，在外界干擾作用后，不能回復到穩定的平衡狀態也不發散，而是產生一種等幅的振蕩，這樣的控制過程稱為臨界振蕩過程。設tk是被控變量的臨界周期。被控變量處于臨界振蕩過程時，控制器件的比例度稱為臨界比例度設為pk。我們按照如下步驟整定參數：
（1）首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；
（2）僅加入比例控制環節，從大到小逐步改變控制器的比例度pr直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時臨界周期tk的數值；
（3）將積分時間放在最大，微分時間為零；
（4）改變比例度。先逐步減小控制器的比例度，仔細觀察上位機輸出溫度顯示曲線，如果控制過程是衰減的，則把比例度放??；如果控制過程是發散的，則把比例度放大，直到持續4次～5次等幅振蕩為止，此時的比例度為臨界比例度pk，來回振蕩一次的時間，亦即從振蕩的一個頂點到相鄰同相的第二個頂點所需要的時間，就是臨界時間tk；
（5）在得到了pk和tk的數值后就可以根據經驗公式，計算出pr、ir、dr的參數。4plc與上位機的通信
上位機軟件可以對plc進行控制，監控運行狀態，描繪采集的溫度曲線。在pid參數整定過程中，起到了很重要的作用。上位機與plc通信采用rs-485串行總線。rs-485具有傳輸距離遠，抗干擾能力強的優點，并且可以進行多點通信。
4.1plc通信協議
在該plc與上位機的通信過程中，plc只能做為從設備，任何設備和plc通訊時候都作為主設備，也就是說plc只有在主設備發送命令后才能按照命令的要求做出響應，不能主動的發送數據給主設備。fatek通訊的幀格式見。
（1）起始符為16進制的02h，無論是命令還是響應起始符都為02h，在收到02h后接收方知道信息開始傳送。
（2）在一個fatek網絡中僅有一個主站，可以有254個從站，每一個從站有一個獨一無二的站號，分別為1～feh。當主站對從站下命令的時候是以站號來指定哪個plc或者全部plc接受命令，在響應信息中從站會將自己站號發給主站，使主站知道是哪個從站返回的消息。
（3）命令碼是plc提供給用戶的命令指令，主站通過這些指令可以對從站完成讀取、寫入、強制設定、運轉、停止等功能。如：命令40，讀取plc狀態指令；命令41，plc運行/停止指令；命令4e，測試plc回傳指令，判斷連接是否成功；命令45，連續多個寄存器寫入數據命令。
（4）文本資料是指寫入plc或plc發送的數值及目標寄存器號。
（5）校驗碼是將從stx開始所有ascii字符的16進制數值以lrc(longitudinalredundancy
check)計算產出一個byte長度(兩個16進制數值00～ff)的校驗碼。當接收端收到消息后依同樣的計算法則算出其校驗碼，兩者值相同表示傳輸的資料正確，否則即有傳輸錯誤發生。fa
tek協議lrc校驗之計算方法是將各ascii字符之16進制數碼值(8位長度)從頭至尾依序相加，但不考慮進位，因此最終結果仍為8位長度的校驗碼。
（6）結束符為16進制數03h，無論命令或響應消息的結尾字符均為etx，當接收方收到etx字符后便知該次通訊已結束。在完整收到fatek通訊幀后我們就可以對幀進行處理。
4.2上位機軟件
上位機編程軟件采用功能強大，編程可視化的vb6.0，利用vb6.0可方便地實現plc和上位機的串行通訊。并且可以實現實時曲線顯示，方便的了解被控對象的變化過程。vb6.0的通訊控件mscomm有許多屬性可幫助我們實現串口通訊，可設置通訊端口，設置發送和接收緩沖區大小，波特率、奇偶檢驗等。
實時曲線反映的是現場數據的實時性，以監測該點在現場工況變化的情況下的控制穩定性，因此在實現時需顯示曲線的動態變化。
在vb6.0中，我們用picturebox控件結合定時器進行曲線的繪制。定時器定時時間到的時候，觸發定時器事件，在定時器事件中，進行數據點的采集，同時在picturebox里將此次采集的數據點與上次采集的數據