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基于PLC的温度模糊控制设计与实现
摘要1
ABSTRACT2
摘要
在工业控制的各个领域，温度控制都有着广泛的应用。
如钢铁厂、火电厂、化工厂等锅炉的温度控制系统。
由于控制过程复杂且干扰多，具有大时滞性，不确定性，因此，要求有先进的控制系统和理论。
常用的控制算法有PID算法，但它适用于线性的控制系统，需要不断调整参数。
智能控制算法对于非线性的控制系统控制效果比较好，例如模糊PID算法。
通过计算偏差与偏差变化率，查询模糊规则表，得出PID控制器的参数。
本文就是采用这种控制算法对温度进行控制。
本文基于西门子S7-200PLC，设计了一个温度自动控制系统。
利用OPC技术实现了PLC和WinCC组态软件的数据通信和控制，对温度控制过程进行实时监控、报警和分析。
本文主要完成以下方面的工作。
首先介绍了温度控制系统的研究背景和研究现状，然后介绍了模糊PID算法，最后介绍了本系统的硬件系统和软件系统的设计、组装和配置过程，以PLC为控制核心，PT100温度传感器测量温度，通过变送器转换为电流信号，输入模拟量模块。
经过模糊PID程序运算得出PID参数，占空比输出控制中间继电器接通，实现对温度精确控制的目的。
本系统将PLC、WinCC组态软件和实物模型三者结合在一起，通过这三者之间的通讯和监控，实现了对温度的自动控制，增强了系统的自动化水平，具有重要的实际意义。
关键词：
温度控制；模糊PID；S7-200PLC；WinCC
ABSTRACT
Inallareasofindustrialcontrol,temperaturecontrolhasawiderangeofapplications.Suchassteelplants,thermalpowerplants,chemicalplantsandotherboilertemperaturecontrolsystem.Asthecontrolprocessiscomplexandinterference,withlargedelay,uncertainty,therefore,requiresadvancedcontrolsystemsandtheory.CommonlyusedcontrolalgorithmshavePIDalgorithms,butitissuitableforlinearcontrolsystemsandrequiresconstantadjustmentofparameters.Intelligentcontrolalgorithmfornon-linearcontrolsystemcontroleffectisbetter,suchasfuzzyPIDalgorithm.Bycalculatingthedeviationanddeviationrateofchange,queryfuzzyrulestable,obtainedPIDcontrollerparameters.Thispaperistousethiscontrolalgorithmtocontrolthetemperature.
BasedonSiemensS7-200PLC,thispaperdesignsatemperatureautomaticcontrolsystem.UsingOPCtechnologytoachievethePLCandWinCCconfigurationsoftwaredatacommunicationandcontrol,thetemperaturecontrolprocessforreal-timemonitoring,alarmandanalysis.Thisarticlemainlycompletesthefollowingwork.
Firstly,theresearchbackgroundandresearchstatusofthetemperaturecontrolsystemareintroduced.ThenthefuzzyPIDalgorithmisintroduced.Finally,thehardwaresystemandthesoftwaresystemaredesigned,assembledandconfigured.ThePLCisthecontrolcoreandthePT100temperaturesensormeasuresthetemperature,Throughthetransmitterintoacurrentsignal,entertheanalogmodule.AfterthefuzzyPIDprogramtocalculatethePIDparameters,dutycycleoutputcontrolintermediaterelayconnectedtoachievethepurposeofprecisetemperaturecontrol.
ThesystemcombinesthePLC,theWinCCconfigurationsoftwareandthephysicalmodeltogethertorealizetheautomaticcontrolofthetemperaturethroughthecommunicationandmonitoringbetweenthethree,andenhancetheautomationlevelofthesystem,whichisofgreatpracticalsignificance.
Keywords:
temperaturecontrol,fuzzyPID,S7-200PLC,WinCC
第1章绪论
温度作为一种非常重要的参数，与科学实验和工业生产都紧密相连，具有不可忽略的影响，发挥着重要作用；对温度进行精确的控制，不仅影响到工业生产过程的质量，还对试验结果的好坏起着不可忽略的关键作用，特别是在机械加工、食品生产、石油勘探、冶金冶炼等行业中；温度控制系统的工艺过程一般都是复杂多变的，影响因素很多，易干扰等特点，因此急需研究先进的控制理论，幵发更为智能化的控制技术[1]。
1.1温度控制系统的研究背景
可编程逻辑控制器PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业应用而设计。
它性能卓越，满足各种各样的要求。
组态软件是数据采集监控系统SCADA的软件平台，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统；它操作简单、功能强大，可以设置多种多样的项目类别；组态方式灵活，可以为用户快速方便的构成自动控制系统的数据采集和监控功能[2]。
西门子视窗控制中心WinCC是上个世纪九十年代进入市场的HMI/SCADA软件，它可以为用户提供适用于工业自动化控制的图像显示、数据归档、报表以及报警等功能；WinCC内包含PLC驱动程序，与上位机连接方便。
它可以方便的建立模拟工业现场的独特人机界面，满足各种不同的需要。
1.2温度控制系统的研究现状
温度控制存在于生产生活的方方面面，在很多领域发挥着重要的作用。
温度控制系统经过两百多年的发展，人们对温度控制系统的研究越来越深入，对控制性能的要求越来越高，比如精度高，稳定性好，因此，温度控制技术飞速发展。
对于温度控制系统，目前常用的包括以下5类：
基于单片机的温度控制系统，基于IPC（工控机）的温控系统，DCS（集散控制系统），FCS（现场总线控制系统）以及基于PLC的温度控制系统：
单片机应用广泛，功耗较低，控制能力强，方便灵活的扩展能力，体积小，可靠性高等优点。
但单片机中断源少，响应速度偏慢，不能直接与传感器对接，不适用于复杂的环境中。
工控机（IPC）是一种可以用于工业或相关场合下的工业级PC机。
它具有抗高温、抗振动等特性，可以在工业恶劣的环境中使用。
但IPC也有自身的局限性，譬如较差的数据处理能力和较低的数据安全性，如果仅仅用IPC，会导致抗干扰能力弱，可靠性差。
DCS即集散型控制系统，它具有监控功能丰富，管理协调灵活多变的优点，这种系统的控制单元通常采用双冗余的结构，性能很稳定。
将DCS应用于温度控制领域，能提高自动化水平，同时具有灵活的管理能力及高可靠性，由于DCS良好的扩展性，系统的抗干扰能力和工作效率也能达到满意效果。
但也不是完美的、最为理想的控制方法，主要是由于它的幵放性不高，还需要与第三方仪表或控制系统通信，而实现正常通讯的硬件成本又过高。
现场总线控制系统（FCS）是一种融合了多种先进技术的综合系统，由于FCS的自主化程度高，高开放性、高智能性及集成性，不仅使用户易于安装，使用方便，节省了投资费用和维护开销，还便于用户集中管理，同时便于远程维护、诊断。
将FCS应用于温度控制领域，不仅系统的智能化程度高，同时可以使系统具有更高的精度，管理方便；当然，FCS也存在不足，由于发展时间较短，目前还处在发展初期，FCS的国际标准很多，简单统计约有12种之多，众多的标准导致各个厂商不知道究竟该遵循或使用哪一种标准，限制了FCS的广泛应用。
PLC是一种微处理器，同时综合计算机、自控以及通信技术等先进技术的控制专用计算机，它可以与HMI结合，做成非常友好的界面，PLC性能强大，有较强的抗干扰性，编程使用梯形图简单易学，方便用户扩充，在工业上有广泛的应用。
相对于IPC、DCS、FCS等系统而言，PLC性能优越，价格实惠，尤其在发达的工业国家，PLC在各个领域都有应用[3]。
这5种控制系统各有优缺点，考虑到稳定性通用性，本实验采用PLC进行温度控制。
1.3温度控制系统的基本控制要求
温度信号经过PT100，温度变送器，变成电流信号，输入PLC。
经过PLC内部模糊PID程序运算得到输出，占空比输出控制两个中间继电器线圈的通断。
一个中间继电器KA1控制电阻炉加热，另一个中间继电器KA2控制电风扇降温。
比例Kp，积分Ti，微分Td三个值由偏差E和偏差变化率EC查表得出，使之动态变化。
设定温度为50°C，温度偏差E,偏差变化率EC较大时，在一个周期内电阻炉加热时间长，随着温度偏差E变小，偏差变化率EC变小，在一个周期内电阻炉加热时间逐渐变短。
快到达50°C时不再加热，防止超调量过大。
电风扇开始工作，使温度稳定在50°C左右。
1.4本论文的主要内容
本文主要内容就是设计，实现电阻炉的恒温控制，以及系统中硬件和软件的调试工作。
第1章是绪论，对国内外温度控制的发展情况进行介绍，并说明研究温度控制系统的意义和目的。
第2章阐述该控制系统的总体控制框图，对其中的温度检测框图和中间继电器控制框图进行分析，介绍系统的硬件，包括PLC，输入输出各种元器件的选型，温度传感器，变送器的基本结构。
第3章阐述电阻炉温度控制方面应用的模糊算法，对算法的基本意义和应用进行分析，并绘制系统控制算法的框图。
并介绍系统的梯形图。
包括启动，停止的编程，查表程序等。
第4章主要介绍WinCC组态的设计。
包含按钮，指示灯，输入/输出域的调试，整体画面的搭建。
并总结这次实验，分析温度曲线。
第5章主要是总结与展望，总结完成的工作，不足的地方。
第2章系统硬件设计
2.1系统总体方案设计
根据整体的控制系统的组成部分，可分为PLC、PLC模拟量模块、中间继电器、温度变送器、温度传感器PT100、电阻炉、风扇、按钮、指示灯、上位机。
温度模拟量作为PLC的输入量进行采集，通过PLC程序运算输出信号控制中间继电器，组成整个控制系统，如图1所示。
图1控制系统框图
PLC是整个控制系统的核心，给PLC写入模糊控制程序，通过温度传感器PT100和温度变送器把温度信号输入PLC。
通过模糊程序运算，使PLC输入控制中间继电器。
从而控制电阻炉的温度，使系统稳定运行。
由PLC输出控制中间继电器线圈，中间继电器线圈控制触点，完成小负载拖动大负载。
温度低于设定温度时PLC控制中间继电器KA1的输出闭合，KA1线圈得电，触点闭合，电阻炉工作。
温度高于设定温度时PLC控制中间继电器KA2的输出闭合，KA2线圈得电，触点闭合，电扇工作。
从而控制温度的变化。
2.2系统硬件设计
2.2.1PLC选型
根据输入输出点数，本设计控制核心采用西门子公司的S7-200系列PLC。
该系列PLC为小型PLC，有各种功能模块，便于扩展，功能也很强大。
它采用晶体管输出，响应时间很快[4]。
PLC如图2所示。
图2S7-200PLC
模拟量模块选用S7-200系列的EM235模块，为四通道模拟量输入，一通道模拟量输出。
模拟量输入量程有0～20mA,0～10V,0～5V等多种模式，便于用户选择[5]。
模拟量模块如图3所示。
图3模拟量模块
2.2.2温度检测系统设计
根据温度控制的要求，我制定了两种控制方案。
方案一：
温度传感器PT100检测温度，经过变送器把信号转换为PLC模拟量模块能识别的电流信号，输入PLC。
方案二：
AD590作为温度传感器，设计电路，进行焊接，再把信号输入PLC。
因为PT100性能稳定，便于接线，维护。
工业上大多数使用PT100（或PT1000）作为温度传感器。
综上所述，我选用方案一，以PT100作为温度传感器，组成温度控制系统的信号输入。
PT100温度传感器，在0°C时电阻大约100Ω，在100°C时电阻大约138.5，可以近似的看成线性变化[6]。
温度曲线如图4所示。
图4PT100温度曲线
但电阻信号PLC模块EM235无法识别，需要经过转换。
温度变送器就是把电阻信号转换为4～20mA电流或者0～5V/0～10V的电压信号，能被PLC模块识别。
本设计采用的温度变送器为0～100°C,4～20mA输出的电流。
采用4～20mA输出，而不采用0～20mA,是为了当电流输出为0时，无法判断是硬件故障还是输出为最小值。
4～20mA输出就不会出现这个问题。
4mA对应0°C，20mA对应100°C，线性变化[7]。
所以用电流可以计算出温度。
温度变送器如图5所示。
图5PT100温度变送器
温度信号需要经过传感器测量，转换成PLC能识别的信号才能输入PLC。
PT100插入电阻炉中检测温度，电阻信号送给温度变送器，通过变送器外接电源，转换为PLC可以识别的电流信号（4～20mA），输入到PLC模拟量模块。
完成温度信号的输入[8]。
2.2.3温度控制系统设计
温度控制由PLC触点接通，使中间继电器线圈得电，常开触点得电闭合，从而控制电阻炉和风扇的接通和闭合，使温度变化。
温度控制系统硬件接线图如图6所示。
图6温度控制系统硬件接线图
中间继电器如图7所示。
图7中间继电器
电阻炉如图8所示。
图8电阻炉
PT100插入铁心进行温度测量。
2.2.4输入输出地址与接线图
PLC输入地址的分配如表1所示，输出地址的分配如表2所示。
表1输入地址
地址
元器件
功能
I0.0
SB3
加热
I0.1
SB4
降温
I0.3
SB1
停止按钮
I0.5
SB2
启动按钮
表2输出地址
地址
元器件
功能
Q0.0
KA2,HL2
风扇
Q0.1
KA1,HL1
电阻炉
Q0.3
HL3
高温报警灯
Q0.4
HL4
低温报警灯
PLC的接线图如图9所示。
图9系统硬件接线图
第3章系统软件设计
3.1模糊控制器设计
本章重点介绍模糊控制理论在电阻炉温度控制中的可行性，先对模糊控制简要描述，其次确定该理论能用在温度控制中，然后采用专家经验法得出的模糊规则表，确定模糊控制为控制核心，模糊控制对数学模型没有太高的要求，通过模糊判据就能实现温度控制。
3.1.1模糊控制理论简介
经典控制和现代控制的传统自动控制理论都有一个共同点，就是有准确的被控数学模型，才能设计，建立控制器。
但是有很多复杂的因素会阻碍数学模型的构建[9]。
在这种情况下，模糊控制理论有着极大的优势，模糊控制其实就是依据具体操作人员长期积累的工作经验，来实时实地的模拟操作控制系统的实际运行状态。
模糊理论是在20世纪60年代L.A.zadeh教授创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的。
上个世纪70年代，Mamdani将模糊控制应用在了蒸汽机上，模糊控制开始在实践中运行。
因为模糊控制不需要知道被控对象精确的数学模型，而且操作过程中系统的稳定性即鲁棒性很强，可以参考专家经验和实际数据来控制系统，这使得模糊控制在各个领率得到了快速的发展[10]。
3.1.2模糊控制系统组成与原理
模糊控制系统由模糊控制器、输入/输出接口、执行机构、被控对象和测量装置等五部分组成。
如图10所示。
图10模糊控制系统结构图
被控对象就是电阻炉，检测装置是PT100温度传感器，模糊控制器就是输入PLC中的模糊程序。
执行机构是中间继电器。
模糊控制有两个重要的参数：
e和ec。
设定温度为
（50°C），输出温度为
其偏差量为：
e=
-
偏差模糊化，设偏差量e的模糊子集为e={负大，负小，零，正小，正大}设定它对应的语言变量，写成：
NB（NegativeBig）=负大
NS（NegativeSmall）=负小
Z0（Zero）=零
PS（PositiveSmall）=正小
PB（PositiveBig）=正大
E和EC的基本论域为[-3,+3]，并均匀分成7档，为模糊集上的论域：
{-3，-2，-1,0,1,2,3}，模糊子集元素对应为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。
掌握了对应的E和EC，模糊规则语言可以表示为：
ifEis…andECis…thenUis…[11]。
3.1.3控制器的设计
目前温度的控制大多数采用PID控制，这种控制方法简单、便于实现，但对其参数整定比较难，现实中我们只能根据经验来手动调整参数，且一组参数不能完全适应过程中各个阶段，还容易产生较大的超调。
因此在实际生产中常规的PID控制器不能达到理想的控制效果，而模糊控制却可以。
应对处理此类繁杂体系中的非线性与模型非精确性的特点，模糊控制获得了很大的市场。
所以本文章采用模糊控制PID进行电阻炉温度控制，用PLC作为控制核心。
由模糊控制器得出参数，输入PID控制器，完成对温度的控制。
如图11所示。
图11模糊PID控制结构图
控制系统采用2输入3输出的模糊控制器。
温度设定值与测量值的偏差e和偏差变化率ec作为输入量,Kp、Ti、Td作为输出量。
控制过程为控制器计算出温度值偏差e以及偏差变化率ec,并以此作为PLC的输入变量,经模糊控制器输出Kp、Ti、Td给PID控制器进行调节[12],通过中间继电器控制电阻炉和风扇。
Kp、Ti、Td论域等级为Kp=Ti=Td=[-3,-2,-1,0,1,2,3],模糊化子集为KP=TI=TD=[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]。
根据控制经验，得出控制规则表。
如表3、4、5所示。
表3Kp的模糊规则
e/ec
NB
NM
NS
ZE
PS
PM
PB
NB
PB
PB
PM
PM
PS
ZE
ZE
NM
PB
PB
PM
PS
PS
ZE
NS
NS
PM
PM
PM
PS
ZE
NS
NS
ZE
PM
PM
PS
ZE
NS
NM
NM
PS
PS
PS
ZE
NS
NS
NM
NM
PM
PS
ZE
NS
NM
NM
NM
NB
PB
ZE
ZE
NM
NM
NM
NB
NB
表4Ti的模糊规则
e/ec
NB
NM
NS
ZE
PS
PM
PB
NB
NB
NB
NM
NM
NS
ZE
ZE
NM
NB
NB
NM
NM
NS
ZE
ZE
NS
NB
NM
NS
NS
ZE
PS
PS
ZE
NM
NM
NS
ZE
PS
PM
PB
PS
NM
NS
ZE
PS
PS
PM
PB
PM
ZE
ZE
PS
PS
PM
PB
PB
PB
ZE
ZE
PS
PM
PM
PB
PB
表5Td的模糊规则
e/ec
NB
NM
NS
ZE
PS
PM
PB
NB
PS
NS
NB
NB
NB
NM
PS
NM
PS
NS
NB
NM
NM
NS
ZE
NS
ZE
NS
NM
NM
NS
NS
ZE
ZE
ZE
NS
NS
NS
NS
NS
ZE
PS
ZE
ZE
ZE
ZE
ZE
ZE
ZE
PM
PB
NB
PS
PS
PS
PS
PB
PB
PB
PM
PM
PM
PS
PS
PB
由表的模糊规则可写成条件语句，即
Ife=Aiandec=BithenKporTiorTd=Ci
其中Ai、Bi是定义在e、ec上的X、Y上的模糊集，Ci是定义在Kp、Ti、Td上Z的模糊集，共有49条规则，根据输入e、ec模糊量化后得到的X、Y可计算出Kp、Ti、Td[13]。
如表6所示。
表6X、Y查询表
X/Y
-3
-2
-1
0
1
2
3
-3
Z0
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6
-2
Z7
Z8
Z9
Z10
Z11
Z12
Z13
-1
Z14
Z15
Z16
Z17
Z18
Z19
Z20
0
Z21
Z22
Z23
Z24
Z25
Z26
Z27
1
Z28
Z29
Z30
Z31
Z32
Z33
Z34
2
Z35
Z36
Z37
Z38
Z39
Z40
Z41
3
Z42
Z43
Z44
Z45
Z46
Z47
Z48
研究系统的稳定性，当温度值很低（低于目标值），且温度值有更快降低的趋势时，比例系数Kp增大，应加大电阻炉加热的占空比。
用模糊语句（Ife=NBandec=NBthenKp=PB）。
共有49条规则。
计算时公式为7（X+3）+（Y+3），即知道X（e），Y（ec），即可求出对应的Kp、Ti、Td。
PID控制器用试凑法整定参数，PID凑试法：
先采用先比例，后积分，再微分。
首先设定比例系数Kp，适当增大比例系数，使系统输出震荡增大，减小比例系数，使输出震荡减弱；减小积分时间常数，使输出修正变快。
若输出波动周期很长，即不稳定，则需增大积分时间常数；若输出快速震荡，则需要将微分时间常数降低，若波动缓慢而误差较大，则需增大微分时间常数。
最后试凑出PID参数：
=3
=7.6
=5.3
3.2程序流程图
程序流程图如图12所示。
Y
图12程序流程图
3.3程序设计
升级会员 