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【摘要】 可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。
【关键词】 温度控制；可编程控制器；楼宇自动化；供暖系统
【 abstract 】 programmable controller is used very extensively automatic control equipment, it will traditional relay control technology, computer technology and communication technology as a whole, has the strong ability to control, convenient operation, high reliability, suitable work for a long time continuously characteristics, very suitable for temperature control requirements.
【 key words 】 temperature control; Programmable controller; Building automation; Heating system
中圖分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
本论文主要介绍了基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器的供暖温控系统的设计方案。编程时调用了编程软件STEP 7 -Micro WIN中自带的PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在楼宇温控领域能够广泛应用。
一、PLC的选型与硬件配置
（一）PLC型号的选择
温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。S7-200 PLC属于小型整体式的PLC, 本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。
（二）S7-200 CPU的选择
S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。系统选用S7-200 CPU224XP CN， CPU224XP CN集成了14点输入/10点输出，共有24个数字量I/O。2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至256路数字量I/O点(128输入/128输出)或64路模拟量I/O点(32输入/32输出)。 20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（最高100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。温度控制系统由于输入/输出点数不多，本可以使用CPU224以下的类型，是因为CPU224XP集成模拟量输入与输出，所以选择CPU224XP CN。
二、PLC控制器的设计
控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。
（一）控制系统数学模型的建立
本温度控制系统中，热电偶将检测到的温度信号转换成电压信号经过温度模块后，与设定温度值进行比较，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正，返回对应工况下的调压模块直接调节加热功率，从而实现对炉子的温度控制。方框图如图1所示。
图1控制系统结构图
R(s) E(s) U(s) Y (s)
图2控制系统方框图
图2中，R(s)为设定温度的拉氏变换式；E(s)为偏差的拉氏变换式； Gc(s)为控制器的传递函数；Go(s)为广义对象，即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并；
该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统，传递函数为
（1）
式1中， 为对象放大系数； 为对象时间常数； 为对象时滞。
（2）
由阶跃响应法求得，=0.5； =2.5分钟； =1.2分钟。
（二）PID控制及参数整定
比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基本的控制规律，具有反应速度快，控制及时，但控制结果有余差等特点。积分控制可以消除余差，但是工业上很少单独使用积分控制的，因为与比例控制相比，除非积分速度无穷大，否则积分控制就不可能想比例控制那样及时的对偏差加以响应，所以控制器的输出变化总是滞后与偏差的变化，从而难以对干扰进行及时且有效的控制。微分作用是对偏差的变化速度加以响应的，因此，只要偏差一有变化，控制器就能根据变化速度的大小，适当改变其输出信号，从而可以及时克服干扰的影响，抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。但是理想微分控制器的控制结果也不能消除余差，而且控制效果要比纯比例控制器更差。将三种方式加以组合在一起，就是比例积分微分（PID）控制,其数学表达式为：
（3）
式3中： 为比例系数， 为积分时间常数， 为微分时间常数。
根据以上的分析，本温度控制系统适于采用PID控制。
完成了上述内容后，该温度控制系统就已经确定了。在系统投运之前，还需要进行控制器的参数整定。控制器参数整定方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，通过理论计算（微分方程、根轨迹、频率法等），来求得最佳的整定参数。这类方法计算繁杂，工作量又大，而且由于用解析法或实验测定法求得的对象数学模型都只能近似的反映过程的动态特性，整定结果的精度是不高的，因而未在工程上受到广泛推广。对于工程整定法，工程技术人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所需的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛使用。常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法来整定控制器的参数值。经验整定法实质上是一种经验凑试法，是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数，并将系统投入运行，通过观察人为加入干扰（改变设定值）后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数值，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。由于比例作用是最基本的控制作用，经验整定法主要通过调整比例度 的大小来满足质量指标。整定途径有以下两条：
1.先用单纯的比例（P）作用，即寻找合适的比例度 ，将人为加入干扰后的过渡过程调整为4：1的衰减振荡过程。然后再加入积分( I )作用，一般先取积分时间T1为衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧，在加入的积分作用之前，要先衰减比例作用，通常把比例度增大10%-20%。調整积分时间的大小，直到出现4：1的衰减振荡。需要时，最后加入微分（D）作用，即从零开始，逐渐加大微分时间Td，由于微分作用能抑制振荡，在加入微分作用之前，可以把积分时间也缩短一些。通过微分时间的凑试，使过渡时间最短，超调量最小。
2.先根据表选取积分时间Ti和Td，通常取 ，然后对比例度 进行反复凑试，直至得到满意的结果。如果开始时Ti和Td设置的不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。这时应适当调整Ti和Td，再重复试，使曲线最终符合控制要求。
表1控制器参数经验数据
对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓， 应小，Ti要长，一般需要微分
通过经验整定法的整定，PID控制器整定参数值为： 比例系数 =1，积分时间 =5分钟，微分时间 =0.001分钟。
三、结论
PLC（可编程控制器） 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。PID闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效果。在西门子S7-200系列PLC的基础上，我们成功设计出了温度控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。该温度控制系统也有一些有不足的地方需要改进，编程时我们用了编程软件自带的PID指令向导模块，这样虽然方便，但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大，若不直接调用该模块，而是自己编写PID控制子程序的话，控制效果可能会更好。还有人机界面内容不够丰富，若再加上报表系统、打印功能的话，那就更完美了。
【参考文献】
[1] 郁汉琪.可编程控制器原理及应用.中国电力出版社，2004
[2] 努尔哈孜•朱玛力.可编程序控制器在电炉温度控制系统中应用的研究. 新疆大学学报，2006,13(2):267-268
[3] 黄柱深，黄超麟. 基于PLC的高精度温度控制系统. 机电工程技术, 2006，10(2)：123-125
[4] Chotai A, Young P. C., Behzadi M.A.. Self-adaptive design of a nonlinear temperature control system. IEE Proceedings of Control Theory and Applications, 2002, 1(138):41-49
[5] 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例. 人民邮电出版社，2004
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
【关键词】 温度控制；可编程控制器；楼宇自动化；供暖系统
【 abstract 】 programmable controller is used very extensively automatic control equipment, it will traditional relay control technology, computer technology and communication technology as a whole, has the strong ability to control, convenient operation, high reliability, suitable work for a long time continuously characteristics, very suitable for temperature control requirements.
【 key words 】 temperature control; Programmable controller; Building automation; Heating system
中圖分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
本论文主要介绍了基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器的供暖温控系统的设计方案。编程时调用了编程软件STEP 7 -Micro WIN中自带的PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在楼宇温控领域能够广泛应用。
一、PLC的选型与硬件配置
（一）PLC型号的选择
温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。S7-200 PLC属于小型整体式的PLC, 本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。
（二）S7-200 CPU的选择
S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。系统选用S7-200 CPU224XP CN， CPU224XP CN集成了14点输入/10点输出，共有24个数字量I/O。2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至256路数字量I/O点(128输入/128输出)或64路模拟量I/O点(32输入/32输出)。 20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（最高100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。温度控制系统由于输入/输出点数不多，本可以使用CPU224以下的类型，是因为CPU224XP集成模拟量输入与输出，所以选择CPU224XP CN。
二、PLC控制器的设计
控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。
（一）控制系统数学模型的建立
本温度控制系统中，热电偶将检测到的温度信号转换成电压信号经过温度模块后，与设定温度值进行比较，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正，返回对应工况下的调压模块直接调节加热功率，从而实现对炉子的温度控制。方框图如图1所示。
图1控制系统结构图
R(s) E(s) U(s) Y (s)
图2控制系统方框图
图2中，R(s)为设定温度的拉氏变换式；E(s)为偏差的拉氏变换式； Gc(s)为控制器的传递函数；Go(s)为广义对象，即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并；
该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统，传递函数为
（1）
式1中， 为对象放大系数； 为对象时间常数； 为对象时滞。
（2）
由阶跃响应法求得，=0.5； =2.5分钟； =1.2分钟。
（二）PID控制及参数整定
比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基本的控制规律，具有反应速度快，控制及时，但控制结果有余差等特点。积分控制可以消除余差，但是工业上很少单独使用积分控制的，因为与比例控制相比，除非积分速度无穷大，否则积分控制就不可能想比例控制那样及时的对偏差加以响应，所以控制器的输出变化总是滞后与偏差的变化，从而难以对干扰进行及时且有效的控制。微分作用是对偏差的变化速度加以响应的，因此，只要偏差一有变化，控制器就能根据变化速度的大小，适当改变其输出信号，从而可以及时克服干扰的影响，抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。但是理想微分控制器的控制结果也不能消除余差，而且控制效果要比纯比例控制器更差。将三种方式加以组合在一起，就是比例积分微分（PID）控制,其数学表达式为：
（3）
式3中： 为比例系数， 为积分时间常数， 为微分时间常数。
根据以上的分析，本温度控制系统适于采用PID控制。
完成了上述内容后，该温度控制系统就已经确定了。在系统投运之前，还需要进行控制器的参数整定。控制器参数整定方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，通过理论计算（微分方程、根轨迹、频率法等），来求得最佳的整定参数。这类方法计算繁杂，工作量又大，而且由于用解析法或实验测定法求得的对象数学模型都只能近似的反映过程的动态特性，整定结果的精度是不高的，因而未在工程上受到广泛推广。对于工程整定法，工程技术人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所需的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛使用。常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法来整定控制器的参数值。经验整定法实质上是一种经验凑试法，是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数，并将系统投入运行，通过观察人为加入干扰（改变设定值）后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数值，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。由于比例作用是最基本的控制作用，经验整定法主要通过调整比例度 的大小来满足质量指标。整定途径有以下两条：
1.先用单纯的比例（P）作用，即寻找合适的比例度 ，将人为加入干扰后的过渡过程调整为4：1的衰减振荡过程。然后再加入积分( I )作用，一般先取积分时间T1为衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧，在加入的积分作用之前，要先衰减比例作用，通常把比例度增大10%-20%。調整积分时间的大小，直到出现4：1的衰减振荡。需要时，最后加入微分（D）作用，即从零开始，逐渐加大微分时间Td，由于微分作用能抑制振荡，在加入微分作用之前，可以把积分时间也缩短一些。通过微分时间的凑试，使过渡时间最短，超调量最小。
2.先根据表选取积分时间Ti和Td，通常取 ，然后对比例度 进行反复凑试，直至得到满意的结果。如果开始时Ti和Td设置的不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。这时应适当调整Ti和Td，再重复试，使曲线最终符合控制要求。
表1控制器参数经验数据
对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓， 应小，Ti要长，一般需要微分
通过经验整定法的整定，PID控制器整定参数值为： 比例系数 =1，积分时间 =5分钟，微分时间 =0.001分钟。
三、结论
PLC（可编程控制器） 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。PID闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效果。在西门子S7-200系列PLC的基础上，我们成功设计出了温度控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。该温度控制系统也有一些有不足的地方需要改进，编程时我们用了编程软件自带的PID指令向导模块，这样虽然方便，但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大，若不直接调用该模块，而是自己编写PID控制子程序的话，控制效果可能会更好。还有人机界面内容不够丰富，若再加上报表系统、打印功能的话，那就更完美了。
【参考文献】
[1] 郁汉琪.可编程控制器原理及应用.中国电力出版社，2004
[2] 努尔哈孜•朱玛力.可编程序控制器在电炉温度控制系统中应用的研究. 新疆大学学报，2006,13(2):267-268
[3] 黄柱深，黄超麟. 基于PLC的高精度温度控制系统. 机电工程技术, 2006，10(2)：123-125
[4] Chotai A, Young P. C., Behzadi M.A.. Self-adaptive design of a nonlinear temperature control system. IEE Proceedings of Control Theory and Applications, 2002, 1(138):41-49
[5] 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例. 人民邮电出版社，2004
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。