基于PLC的热风机温度控制系统

1 引言
热风机是基于热能交换的加热设备。热能交换发生在通过气体或液体燃料的燃烧以加热的金属表面和与此表面发生接触的流通空气之间。燃料的燃烧是在燃烧室内进行，与空气流隔绝。空气的流动是通过一个风机设备产生的，热风机有很高的热能效率并且在之前的冷空气与热空气之间有迅速的对流。此热风机应用于工业环境中，主控制器要有很高的抗干扰能力和稳定性，选择plc作为主控器。plc不仅具有传统控制系统的控制功能,而且能扩展一些智能模块并构成不同的控制系统实现温度控制、闭环控制、位置控制等来适应不同的工业控制需要。plc以高集成度、高效率、较强的抗干扰能力、组态灵活等优势在现代工业控制中得到广泛的应用。为此我们使用永宏plc作为控制器,它具有良好的温度控制pid算法、步进电机控制模块，通过plc的串口通讯与pc机连接,构成人机界面友好、控制功能完善的温度控制系统。
2 系统构成
本系统要求严格控制热风机出风口温度，即冷空气经热交换后达到的温度值，设为t1；系统选用热电阻pt100监测入风口和出风口温度，出风口温度即为被控温度；选用调功器作为plc控制风机的连接环节，利用da模块输出4～20ma信号控制调功器来调节风机转速，这样改变进入交换室的空气量和空气的热交换时间进而改变出风口温度，形成闭环控制系统，如图1。选用热电偶测量燃烧室温度作为故障监测和风机最低转速限制，风机转速过低则空气流动缓慢，燃烧室热量积聚时间过长会减少热风机使用寿命，甚至出现危险状况。
永宏(fatek)的fbs系列plc具有良好的温度控制能力和很高的性价比，配有温度专用pid控制指令以达到精确控制，它提供了集温度采集和数据处理为一身的智能专用模块，在这个模块集成了16位a/d转换器，分辨率达到0.1℃。该模块能够自动进行线性化处理、冷端补偿，使用非常方便，仅需要将热电偶接到接线端子并进行程序控制就能对温度进行准确的采集和测量。模块可以对j、k、t、e、n、b、r、s等八种热电偶和白金电阻进行处理，可以同时输入16路温度数据进行采集。在精度为0.1℃的时候最快刷新速度为4s；在精度为1℃的时候最快刷新速度为2s。plc利用温度模块将温度采集进来以后，根据内部程序中的温度规划表格将外界目前的温度值作为控制变量，并将用户设定的温度期望值与程控变量做pid运算后得到输出值来调节可控硅调功器，以达到调节风机转速，并最终控制出风口温度。
3 数字pid控制
3.1pid控制指令
永宏plc有专门的温度数字pid控制指令。
该指令的数字pid运算公式：
mn=[kc×en]+∑[kc×ki×ts×en]+[kc×td×(pvn-pvn-1)/ts]
其中：
mn：〝n〞时的控制输出量
kc：增益（范围：1→9999）
ki：积分常數（为积分时间常数ti的倒数，范围：0～9999）
td：微分时间常數（范围：0～9999）
pvn：〝n〞时的控制输出量
pvn-1：〝n-1〞的控制输出量
en：〝n〞时之误差=设定值（sp）-〝n〞时控制输出量（pvn）
ts：pid运算的间隔时间
增益（kc）
调整越大，对输出贡献越大，可得到较快且灵敏的控制反应。但增益如过大，会造成振荡现象；尽量调高增益（但以不造成振荡为原则），以增快程序反应并减少稳态误差。
积分项可用来消除设定值改变所造成之稳态误差，积分常数ki调整越大，对输出贡献越大，当有稳态误差时，可调高积分常数，以减少稳态误差。积分时间常数=0时，积分项无作用。
微分项可用来让控制反应较平顺，不会造成过度超越。微分时间常数（td）调整越大，对输出贡献越大，当有过度超越时，可调高微分时间常数，以减少超越量。
3.2参数整定
参数整定是十分重要的，其好坏直接影响调节品质。其中pr，ir，dr是我们要整定的pid参数，上述参数设定值不在正确设定范围内时，pid指令不会执行，设定错误指示“err”。其中pr为增益设定值，ir为积分常数设定，dr微分常数。永宏plc有默认pid参数，如图4。参数整定主要是确定pr，ir，dr三个参数，这三个特性参数究竟整定到多大取决于具体被控对象的动态特性，即要根据具体被控对象来确定这三个参数。在实际工程上一般使用临界比例度法、衰减曲线法、试凑法。临界比例度法不需要求得被控对象的特性，可直接在闭合的系统中进行整定。在本系统的调试中选用了临界比例度法。一个自动控制系统，在外界干扰作用后，不能回复到稳定的平衡状态也不发散，而是产生一种等幅的振荡，这样的控制过程称为临界振荡过程。设tk是被控变量的临界周期。被控变量处于临界振荡过程时，控制器件的比例度称为临界比例度设为pk。我们按照如下步骤整定参数：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，从大到小逐步改变控制器的比例度pr直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时临界周期tk的数值；
（3）将积分时间放在最大，微分时间为零；
（4）改变比例度。先逐步减小控制器的比例度，仔细观察上位机输出温度显示曲线，如果控制过程是衰减的，则把比例度放小；如果控制过程是发散的，则把比例度放大，直到持续4次～5次等幅振荡为止，此时的比例度为临界比例度pk，来回振荡一次的时间，亦即从振荡的一个顶点到相邻同相的第二个顶点所需要的时间，就是临界时间tk；
（5）在得到了pk和tk的数值后就可以根据经验公式，计算出pr、ir、dr的参数。4plc与上位机的通信
上位机软件可以对plc进行控制，监控运行状态，描绘采集的温度曲线。在pid参数整定过程中，起到了很重要的作用。上位机与plc通信采用rs-485串行总线。rs-485具有传输距离远，抗干扰能力强的优点，并且可以进行多点通信。
4.1plc通信协议
在该plc与上位机的通信过程中，plc只能做为从设备，任何设备和plc通讯时候都作为主设备，也就是说plc只有在主设备发送命令后才能按照命令的要求做出响应，不能主动的发送数据给主设备。fatek通讯的帧格式见。
（1）起始符为16进制的02h，无论是命令还是响应起始符都为02h，在收到02h后接收方知道信息开始传送。
（2）在一个fatek网络中仅有一个主站，可以有254个从站，每一个从站有一个独一无二的站号，分别为1～feh。当主站对从站下命令的时候是以站号来指定哪个plc或者全部plc接受命令，在响应信息中从站会将自己站号发给主站，使主站知道是哪个从站返回的消息。
（3）命令码是plc提供给用户的命令指令，主站通过这些指令可以对从站完成读取、写入、强制设定、运转、停止等功能。如：命令40，读取plc状态指令；命令41，plc运行/停止指令；命令4e，测试plc回传指令，判断连接是否成功；命令45，连续多个寄存器写入数据命令。
（4）文本资料是指写入plc或plc发送的数值及目标寄存器号。
（5）校验码是将从stx开始所有ascii字符的16进制数值以lrc(longitudinalredundancy
check)计算产出一个byte长度(两个16进制数值00～ff)的校验码。当接收端收到消息后依同样的计算法则算出其校验码，两者值相同表示传输的资料正确，否则即有传输错误发生。fa
tek协议lrc校验之计算方法是将各ascii字符之16进制数码值(8位长度)从头至尾依序相加，但不考虑进位，因此最终结果仍为8位长度的校验码。
（6）结束符为16进制数03h，无论命令或响应消息的结尾字符均为etx，当接收方收到etx字符后便知该次通讯已结束。在完整收到fatek通讯帧后我们就可以对帧进行处理。
4.2上位机软件
上位机编程软件采用功能强大，编程可视化的vb6.0，利用vb6.0可方便地实现plc和上位机的串行通讯。并且可以实现实时曲线显示，方便的了解被控对象的变化过程。vb6.0的通讯控件mscomm有许多属性可帮助我们实现串口通讯，可设置通讯端口，设置发送和接收缓冲区大小，波特率、奇偶检验等。
实时曲线反映的是现场数据的实时性，以监测该点在现场工况变化的情况下的控制稳定性，因此在实现时需显示曲线的动态变化。
在vb6.0中，我们用picturebox控件结合定时器进行曲线的绘制。定时器定时时间到的时候，触发定时器事件，在定时器事件中，进行数据点的采集，同时在picturebox里将此次采集的数据点与上次采集的数据