西门子模块6ES7212-1AB23-0XB8品质好货
0 引 言
随着电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）已经由原来简单的逻辑量控制，逐步具有了计算机控制系统的功能。在现代工业控制中，PLC占有了很重要的地位，它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制，存在控制精度低、超调量大等缺点，很难生产出高质量的塑料制品。在一些热处理行业都存在类似的问题。为此，设计了较为通用的温度控制系统，具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。系统采用罗克韦尔SLC500系列PLC，通过PLC串口通信与计算机相连接，界面友好、运行稳定。
1 系统构成
基于PLC的温度控制系统一般有两种设计方案，一种是PLC扩展专用热电阻或热电偶温度模块构成；另一种是PLC扩展通用A/D转换模块来构成。
1.1 扩展热电阻/热电偶模块
在SLC500控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块——热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）。在此模块中温度模拟量产生对应的16位A/D数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，无需在硬件级电路上作其他处理。热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部变送器或外围电路，温度信号由热电阻采集，变换为电信号后，直接送人温度模块中。热电偶/毫伏输入模块（1746-NT4）的功能与热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）类似。系统如图1所示。
图1 扩展温度模块的温控系统
1.2 扩展通用A/D模块
在PLC温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，因此温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。SLC500系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块有——2路差分输入/2路电压输出模块（1746-NIO4V），其A/D转换为16位。由A/D转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，而且其软件和硬件的设计也比较复杂。系统如图2所示。
图2 通用A/D转换模块温控系统
2 输入输出控制
比较而言用温度模块1746-NR4构建的PLC温控系统具有较好的控制效果。SLC500控制器的输入通道中一个热电阻模块多可以接4个温度热电阻温度传感器。输出通道为模拟量输出模块（1746NIO4V），其输出信号是电压信号，可以通过电压调整器控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。
在被控对象要求较高的控温精度时，SLC500控制器可以采用PLC自身具有的PID指令进行PID控制算法的研究。SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：
输出＝Kc[（E）＋1/Ti∫（E）dt＋Td•D（PV）/Dt] ＋bias
程序设计时，输入PID指令后，要输入控制块，过程变量和控制变量的地址。对于SLC500 PID指令，过程变量（PV）和控制变量（CV）两者的量度范围为0到16383。在使用工程单位输入时，必须首先把用户的模拟量范围整定在0-16383数字量度范围之内，为了实现这个目的，需要在PID指令之前使用数值整定指令（SCP指令）进行整定。整定原理如图3。
图3 数值整定原理
整定了PID指令的模拟量I/O范围，用户就能输入适用的小和大的工程单位。过程变量，偏差，设定点和死区将在PID数据监视屏上以工程单位显示。图4为PID指令的设置界面，表1为PID指令各参数的说明。
图4 PID模块在线参数设定与标志位
表1 PID模块参数说明
一般温控系统的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系统工作的大多数时间内，为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。在温度响应曲线的由初态向设定点的上升段过程中，大致采用三段控制。首先置电源为满开度，以大的功输出克服热惯性；接下来转入PID控制；接近设定点时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。基于以上要求，PID指令各参数可设置如表2所示。
表2 PID模块参数设定
温控系统中热电阻模拟量输入模块的电压信号范围一般是0～4124，SCP指令把它整定为0～16383的工程单位，将其值放入PV（过程变量）的内存地址N7∶38中，把控制输出值放入N7∶39当中。后用MOV指令把N7∶39中的过程变量传递到1746NIO4V模拟量输出模块中。控制效果如下：（1）SP－PV≥50时，输出值为大值32767，使电压调节器开度大，即给加热器大电压供电，使被测对象温度快速上升。（2）SP－PV＞－30和SP－PV＜50时，输出为PID控制输出，此范围为PID参数调节的范围。（3）SP－PV＜－30时，输出值为小值0，电压调节器开度为零，即停止加热。
2.4 PID控制梯形图子程序
每个滤池的自控部分的实现需要数字量输入点28个，数字量输出点18个，模拟量输入输出点13个，整个PLC自控系统具有自保护和掉电数据保护功能，在发生供电及其他严重故障时，可立即进入紧急处理状态，工艺条件和程序时间都得以记忆，待故障消除后，系统能够立即恢复到故障前的状态，大大tigao了整机可靠性。表1为PLC系统的I/O地址表，这里仅仅列出了主要的I/O地址。
表1 PLC控制I/O地址分配表（部分）
通过以上参数就可以完成相应的控制过程在水厂滤池自动化的安装调试阶段，数据采样频率恒定，系统调试人员通过调整相应的参数，使滤后水阀开启度随滤池水位的高低而变化，进而使滤池水位基本保持（2.00±0.20）m范围内。图1为滤池在反冲洗过程中部分梯形图程序：
图1 滤池在反冲洗过程中部分梯形图程序
3 运行效果前后对比
调试后我们经过统计，基本上的清水阀动作次数小于200次，比其它水厂平均4000次要少得多，基本上与手动凭经验调节清水阀的效果相同，但大大的减少了工人的劳动强度。但各个水厂的实际情况有所不同，所以在系统调试过程中所处理的手段也会有所不同，参数设置也会有所不同。
经过对滤池改进前后数据分析，绘制出下面的波动曲线对比图。通过对图2和图3可以看出，经PID调解后的滤池水位变化很小，滤池液位能够保持恒水位运行。
图2 滤池改进前水位曲线
图3 滤池改进后水位变化曲线
4 小 结
本项目应用于郑州市柿园水厂的滤池自动化改造系统中，系统以工控机为核心，采用了模糊化积分分离数字PID控制方案、梯形图语言以及组态王软件。该系统经过三个月来运行，完全符合生产要求，系统的可靠性、易操作性和信息容量都有了很大tigao，真正实现了现场的滤池自动化管理，实现了自动过滤和定时自动排队及反冲，新系统使滤池的净水效果得到很大改善。采用标准PID控制软件包实现了对滤池水位的闭环自动控制，使多组滤池同时自动运行，运行水位保持在工作水位的4%范围内。恒水位的控制使得滤池反冲洗次数减少，水量和电量损耗减少1/3，产生经济效益300万元，大大降低了生产成本，同时还改善了水质，具有重要应用价值。
本文作者创新点是将改进了的增量式PID算法与恒水位控制相结合，优化恒水位控制方法，降低水耗及电耗，减轻工人劳动强度，tigao了滤池水处理的自动化水平和效率。
1 引 言
滤池作为保障水质的重要环节，其作用越来越受到重视，滤池恒水位控制技术也随之不断发展，从模拟PID、数字PID到优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。本文以郑州市柿园水厂为例，将改进的PID算法应用到滤池自控流程中，使其能够根据水位的变化实时控制清水阀开度，从而使水位始终保持平衡。
2 PID算法在恒水位控制上的实现
2.1 PID控制算法
PID（Proportional Integral Differential）控制算法就是经典的闭环控制，它是连续系统中技术成熟、应用广泛的调节方式。PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。在系统输出误差值较大时系统采取饱和输出工作方式，这样可以减小液位系统的时滞性，同时为了防止系统过大的超调量，在系统误差的值比较小时采用增大积分系数的办法，从而可以tigao系统的稳态精度。微分控制算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，能感觉出误差的变化趋势。增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小，可以获得比较满意的控制效果，因此它成为当前为普遍采用的控制算法。
PID控制器，其控制规律为：
（2-1）
由于式（2-1）为模拟量表达式，而PLC程序只能处理离散数字量，为此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。令
（2-2）
则可得可得到位置式数字PID算法
（2-3）
使用位置式PID数字控制器会造成PID运算的积分积累，引起系统超调，这在生产过程中是不允许的。由此，经过转换得到增量式算法
（2-4）
增量式PID控制算法是对偏差增量进行处理，然后输出控制量的增量，即执行机构位置的增量。增量式PID数字控制器不会出现饱和，而且当计算机出现故障时能保持前一个采样时刻的输出值，保持系统稳定，因此在此系统中增量式算法被采用作为编程算法来使用。
2.2 恒水位控制
为保证生产安全，滤池分站的待滤水liuliang和滤后水liuliang应基本保持平衡，所以每个滤格在过滤时应保持水位恒定。正常滤水工作期间，每组滤池在就地PLC控制台的控制下，依据来水量的大小，及时调整滤水阀的开度，保证滤池恒水位运行;当达到反冲洗条件或人为强制反冲时，每组滤池就地控制柜向主站发出反冲洗请求，主PLC对需要反冲洗的滤组进行排序，采用先进先出的堆栈式管理，在满足反冲洗条件后，调整首先要反冲的滤组的阀门状态，待水位降到一定高度后，启动鼓风机，进行气洗，按约定时间气洗结束后，开启反冲泵进行气水联洗，联洗结束后，关闭鼓风机，再开启一台反冲水泵进行水洗，水洗结束后，恢复本组滤池的正常滤水状态，进行下一组反冲洗。所有反冲结束后，进入正常的恒水位滤水工作周期。
由于恒水位的根本目的是保证待滤水liuliang与滤后水liuliang基本恒定，因此转化为控制各个滤格的水位保持基本恒定。用PID闭环控制可以根据水位的变化实时控制清水阀开度，把以上所有影响水量变化的条件转化为滤格水位的控制。
2.3 PID对清水阀的逻辑控制指令及参数的设定
当进水量增大或因池内水头损失增大导致出水量减少，使水位上升高于设定水位时水位偏差e为正，e越大则u也越大，从而使出水阀开度增大，相应地出水量也增大，使水位下降趋于设定水位；当进水量减少或因其它因素使水位下降低于设定水位时，水位偏差e为负，e的值越大则u越小，从而使出水阀减小开度，相应地出水量也减小，使水位上升趋于设定水位，从而把水位控制在以设定水位为中心的一定波动范围之内。从式（2-1）中的积分控制项可知，控制器输出u与积分时间T成反比：当T较小时，相同的水位偏差将造成较大的积分控制作用。若积分控制作用过强，将造成过调现象：当水位偏离设定水位时，过强的积分控制作用使出水阀开度改变过大，使水位矫正过大，造成大的振荡起伏，积分时间T愈小，过调现象愈严重，被控量（水位）的振荡幅度愈大，终超出允许范围。因此，正确设定控制参数是保证控制系统能达到设计要求的重要前提。对于实际生产过程，要jingque确定其数学模型比较困难，本系统是通过试验方法来确定控制参数。
设定完参数后，根据现场实际情况在外部程序还可进行一些特殊的程序处理，如该项目中作了以下处理：
① 把PID的计算结果放到一个中间变量中，当水位处于设定水位的上下5 cm以内，3分钟输出一次PID的计算结果到输出模板；反之10秒钟输出一次PID的计算结果。这是为了水位在可接受的范围之内尽量少动作清水阀，但超过范围以外则以保证生产安全和水质为，同时很大程度上消除了输入模拟量在受到外界干扰时而出现的计算误差。
② 即使在上述条件满足的条件下，程序会比较当前的PID计算结果与上一次输出值的差值，如开度在两个开度范围以内则不输出当前PID计算结果，反之则输出计算结果。因清水阀开度在两个开度范围以内对水位调节作用不大，而小开度调节清水阀会出现阀门开度不到位而造成电磁阀频繁动作的现象。
③ 当清水阀开度小于10个开度时，过水量基本与全关时一样，因此我们把PID计算结果为7个开度以下就直接输出全关信号。 4.3 输入输出信号的抗干扰设计
为了防止输入、输出信号受到干扰，应选用绝缘型I/O模块。
4.3.1 输入信号的抗干扰设计
输入信号的输入线之间的差模干扰可以利用输入模块滤波来减小干扰，而输入线与大地间的共模干扰可通过控制器的接地来抑制。在输入端有感性负载时，为了防止电路信号突变而产生感应电势的影响，可采用硬件的可靠性容错和容差设计技术，对于交流输入信号，可在负载两端并联电容C和电阻R，对于直流输入信号，可并接续流二极管D。一般负载容量在10VA以下时，应选C为0.1μF，R为120 ，当负载容量在10VA以上时，应选C为0.47μF，R为47 。具体电路如图2所示：
图2 输入信号的抗干扰设计
4.3.2 输出电路的抗干扰设计
对于PLC系统为开关量输出，可有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式。具体选择要根据负载要求来决定。若负载超过了PLC的输出能力，应外接继电器或接触器，才可正常工作。
PLC输出端子若接有感性负载，输出信号由OFF变为ON或从ON变为OFF时都会有某些电量的突变而可能产生干扰。在设计时应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点，如图3所示。对于直流负载，通常是在线圈两端并联续流二极管D，二极管应尽可能靠近负载，二极管可为1A的管子。对于交流负载，应在线圈两端并联RC吸收电路，根据负载容量，电容可取0.1μF～0.47μF，电阻可取47Ω～120Ω，且RC尽可能靠近负载。
4.4 外部配线的抗干扰设计
外部配线之间存在着互感和分布电容，进行信号传送时会产生窜扰。为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆。集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线，要使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧要悬空，而在控制器侧要接地。配线时在30米以下的短距离，直流和交流输入、输出信号线好不要使用同一电缆，如果要走同一配线管时，输入信号要使用屏蔽电缆。30米～300米距离的配线时，直流和交流输入、输出信号线要分别使用各自的电缆，并且输入信号线一定要用屏蔽线。对于300米以上长距离配线时，则可用中间继电器转换信号，或使用远程I/O通道。对于控制器的接地线要与电源线或动力线分开，输入、输出信号线要与高电压、大电流的动力线分开配线。
4.5 软件抗干扰设计
尽管硬件抗干扰可滤除大部分干扰信号，但因干扰信号产生的原因很复杂。且具有很大的随机性，很难保证系统完全不受干扰。因此往往在硬件抗干扰措施的基础上．采取软件抗干扰技术加以补充，作为硬件措施的辅助手段。软件抗干扰方法没计简单、修改灵活、耗费资源少，在PLC测控系统中同样获得了广泛的应用。对于PLC测控装置，其数据输入、输出、存储等系统属于弱电系统，如果工作环境中存在干扰，就有可能使数据受干扰而破坏，从而造成数据误差、控制状态失灵、程序状态和某些器件的工作状态被改变，严重时会使系统程序破坏。一般采用指令重复执行和数字滤波两种方法。
图3 PLC输出触点的保护
4.5.1 指令重复执行
指令重复执行就是根据需要使作用相同的指令重复执行多次，一般适用于开关量或数字量输入，输出的抗干扰。在采集某些开关量或数字量时，可重复采集多次，直到连续两次或两次以上的采集结果完全相同时才视为有效。若多次采集后，信号总是变化不定，可停止采集，发出报警信号。在满足实时性要求的前提 ，如果在各次采集数守信号之间插入一段延时，数据的可靠性会更高。如果在系统实时性要求不是很高的情况下，其指令重复周期尽可能长些。
4.5.2 数字滤波
在某些信号的采集过程中，由于存在随机干扰而可能使被测信号的随机误差加大。针对这种情况，可以采用数字滤波技术。该方法具有可靠性高和稳定性好的特点，广泛应用于工业计算机测控系统中。此外，数字滤波的常用方法还有：程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法等。
5 结束语
随着PLC应用范围的逐渐扩大，加之系统恶劣的工作环境，它所要克服的干扰就会越来越多，尽管PLC本机的可靠度很高。但是在系统设计和安装时，仍必须对环境作全面的分析，确定干扰的性质，采取相应的抗干扰措施，以保证系统长期稳定的工作。
