基于MCGS和PLC的炉温控制系统

基于MCGS和PLC的炉温控制系统张凤雨1，虎恩典2王佳梅3(北方民族大学电器工程学院，宁夏银川750021）摘要：随着控制系统的发展，系统的复杂程度越来越高，需要监控的参数也越来越多，同时为了减少现场环境对人身的伤害，要求控制人员最好能远离现场，进行远程监控。本文介绍了基于MCGS和S7-200PLC远程炉温监控系统的硬件和软件设计，系统采用主从式结构，上位机采用MCGS组态软件对温度信息进行实时监控，下位机以S7-200为控制核心，进行温度的采集与转换，并与上位机进行信息交互。实现了工业过程控制的实时监控。实践证明，此控制系统运行稳定，参数修改方便且安全性能好。关键字：炉温控制；S7-200PLC；MCGSDesignofboilertemperaturecontrolsystembasedonPLCandMCGSZHANGFeng-yu,HUNen-dian,WANGJia-mei（Instituteofelectricalengineering,BeifangUniversityofNationalities,Yinchuan750021,China）Abstract:Alongwiththecontrollingsystemdevelopment,systemsaremoreandmorecomplicated.Moreandmoresystemparametersneedtobemonitored.Toreducethehurtfromsceneenvironment,thesystemrequirestheworkmanfarfromthesceneenvironment.InthisarticleitintroducewithemphasisonthehardwareandsoftwaredesignremotetemperaturemonitoringsystembasedontheS7-200PLCandMCGS.Thissystemadoptprincipalandsubordinatestructure,theMCGSsoftwarecarriesonthereal-timemonitoringtothetemperatureinformation,thelowerpositiontaketheS7-200PLCasacore,gatheringandtransformingthetemperatureinformationandcommunicatingwiththeupperposition.Itrealizethereal-timethemonitorofindustrialprocesscontrolsystem.Practicehasshowthatthecontrolsystemisstable,easytomodifyparametersandsecure.Keywords:Temperaturecontrol；S7-200PLC；MCGS0.引言温度是工业生产中最常见最基本的工艺参数之一，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛使用的各种加热炉、热处理、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制[5]。至于温度控制系统，过去一般采用温控仪表等仪器来直接控制，自动化程度不高，运行稳定性较差,操作维护不方便，针对这些问题，本文提出以S7-200作为主控单元，配合外围电路、执行单元并通过上位机的组态软件进行监控，在控制算法上引入传统的PID控制，取得了良好的控制效果。1.控制系统设计系统采用S7-200PLC为控制单元（CPU型号为CPU224），经RS232/485串性总线与上位机相连，由于CPU224只有数字量的输入输出接口，而现场温度为模拟信号，因此本系统选取4输入1输出的EM235模拟量扩展模块进行模拟量扩展。执行机构为单向SCR可调压模块和变频器，其中调压模块通过调压加热器以升温，变频器调节水量以降温[6]。上位机通过STEP7-Micro/WIN32编程软件设置通讯参数、编写控制程序并进行编译、调试、下载到PLC中去。此外，工控机还通过MCGS组态软件对控制系统进行了组态，实现实时数据采集、实时数据与历史数据的显示、实时曲线与历史曲线的绘制、实时控制参数的修改等。控制系统结构图如图1所示:图1为控制系统结构图1.1S7-200PLC与上位机的通信设置S7-200PLC有很强的通信功能，有多重通信方式可供选择，如单主站方式、多主站方式和远程通讯方式等，基于实际需要及成本的考虑本设计采用单主站方式，PC作为单一主站，S7-200作为从站，两者之间通过PC/PPI电缆连接，通过STEP7-Micro/WIN32编程软件设定通信参数，如PLC地址、波特率等，如图2所示：图2通讯参数设置[1]2软件设计2.1PID控制器的设计在工业生产中，常常需要闭环控制的方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量。无论是使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用PLC的数字控制系统，PID都得到了广泛的应用,之所以得到广泛的应用是因为它不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和实用性,且具有程序设计简单、工程上易于实现、，参数调整方便等的特点。PID闭环控制系统方框图如图2所示：图3PID控制系统方框图[1]图中虚线部分在PLC内。设采样周期为T，PID控制器输出的离散化差分方程为：010{()()[()(1)]}()ndnpjinpnijdnnjTTMkenejenenTTkekekee式中pk、ik、dk分别是比例、积分、微分系数，1ne是第n-1次采样的误差值。nM是PID控制器的输出。2.2输入、输出信号的数值整定由于采集的数据都为工程中的实际数据，单位、幅值和范围也不同，必须将其转换成标准形式(0~0.1的无刚量实数)，才能被PLC中的PID指令接受执行。[1]转换的第一步是将给定值或A/D转换后得到整数值由16位转换成浮点数。转换后的下一步是将实数进一步转换成0.0~1.0之间的标准化实数，锅炉温度测量范围是0~100℃,模拟量的标准电信号是A0—Am(4—20mA），A/D转换后数值为D0—Dm（6400—32000），设NormR(0.0~1.0)为转化后的标注化数值，其转换公式如下：NormR=（AIW0-6400）/(3200-6400)=（AIW0-6400）/25600其转换程序如下:LDSM0.0ITDAIW0,AC0//整数转换为双整数DTRAC0,AC0//双整数转换为实数-R6400.0,AC0//减6400/R0.8,AC0/R32000.0,AC0//先除0.8,再除32000相当于除25600MOVRAC0,VD2100//送到PID指令循环表的起始地址输出信号的整定是上述公式的逆过程，由于篇幅限制，在此不详述。2.3控制算法S7-200PLC有专门的PID指令，标准电信号（4~20mA）由EM235模拟量扩展模块经A/D转换为16位数字量后，首先进行标准化数值转换，然后把数值送入PID指令回路表，经过PID运算后输出，程序分为主程序和中断子程序,主程序启动中断并传送控制参数，子程序进行数值转换并控制输出。其软件流程图如下：图4软件流程图3.MCGS组态软件的实现MCGS建立的工程，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。MCGS用主控窗口、设备窗口、用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置不同类型和功能的对象构件，同时可以对实时数据进行可视化处理。3.1数据库组态实时数据库是MCGS系统的核心,是应用系统的数据处理中心。系统每个个部分均以实时数据库为公用区交换数据,实现各个部分协调动作。设备窗口通过设备构件驱动外部设备,将采集的数据送入实时数据;,由用户窗口组成的图形对象与实时数据库中的数据对象建立联系,然后以动画的形式实现数据的可视化;运行策略通过策略构件,对数据进行操作和处理;定义数据对象的过程就是构造实时数据库的过程,本系统定义的基本数据变量如表1所示[3]：表1数据库组态变量名变量类型操作方式注释com开关型只读与PLC的通讯标志m100开关型读写手动自动切换开关sample数值型读写采样时间sv数值型读写锅炉温度设定值pv数值型读写锅炉温度测量值op数值型读写控制器输出值kp数值型读写比例系数ki数值型读写积分时间kd数值型读写微分时间3.2设备窗口组态设备窗口是MCGS与作为测控对象的外部设备建立联系的后台作业环境，负责驱动外部设备，控制外部设备的工作状态。系统通过设备与数据之间的通道，把外部设备的运行数据采集进来，送入实时数据库，供系统其它部分调用，并且把实时数据库中的数据输出到外部设备，实现对外部设备的操作与控制。进入设备窗口，从设备构件工具箱里选择相应的构件（本设计为S7-200），配置到窗口内，建立接口与通道的连接关系，设置相关的属性，即完成了设备窗口的组态工作。本设计PLC开放给组态软件的变量(亦即通道地址值)如下表2所示：表2PLC开放给组态软件的变量设定值测量值输出值比例积分微分采样时间VD504VD500VD508VD512VD520VD524VD516SVPVOPkpkikdsample3.3运行策略组态运行策略是指对监控系统运行流程进行控制的方法和条件，它能够对系统执行某项操作和实现某种功能进行有条件的约束。运行策略由多个复杂的功能模块组成，称为“策略块”，用来完成对系统运行流程的自由控制，使系统能按照设定的顺序和条件，进行操作实时数据库，控制用户窗口的打开、关闭以及控制设备构件的工作状态等一系列工作，从而实现对系统工作过程的精确控制及有序的调度管理。MCGS运行策略窗口中“启动策略”、“退出策略”、“循环策略”为系统固有的三个策略块，其余的则由用户根据需要自行定义[2]。3.4用户窗口组态MCGS组态软件以窗口为单位来组建应用系统的图形界面，创建用户窗口后，通过放置各种类型的图形对象，定义相应的属性，为用户提供漂亮、生动、具有多种风格和类型的动画画面。本设计的主控制用户窗口如图3所示。图中为主控制系统画面，包括时间、各种参数和实时曲线等。画面的下半部分为子界面的选择，如历史曲线、数据浏览，手动、自动切换按钮等，点击相应的按钮即可进入具体的控制画面,为实施更准确的检测与控制提供了便利,实现了良好的人机对话界面。图5用户主控制窗口4.结束语设计的系统具有以下特点：（1）智能化程度高。采用“上位机+下位机”的控制模式,下位机主要完成数据的采集和控制作用的执行,上位机主要完成组态与监控,工程人员只需在操作站即可完成系统的监控,包括数据参数的设置以及监控画面和图形报表的显示。（2）可靠性安全性强。根据各层负责人的权限不同,利用软件设置了权限密码,防止第三方修改参数或越权使用。（3）动态性能好。根据需要可随时修改控制参数，采用技术成熟的经典控制器作为系统的控制核心,实际运行表明超调量不大,调节时间在允许的范围内,抗干扰性强。参考文献[1]高欣和.PLC应用开发案例精选(第2版)[M].北京：人民邮电出版社,2008.207-210.[2]MCGS全中文工控组态软件用户指南[M].北京：北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.[3]易江义、阳春华等.基于MCGS的工业锅炉恒温PID控制系统设计[J].微型计算机信息，2009，25（1）：3-4.[4]邹伟，杨平，徐德.基于MCGS组态软件的上位机控制系统设计[J]制造业自动化，2008，30（12）：4.[5]李建，张东峰等.基于触摸屏与PLC的铁路轴承淬火压床控制系统的设计[J]宁夏工程技术，2011，10（2）：1-2[6]金秀慧.基于MCGS的液位监控系统设计[J]农业装备与车辆工程，2008,4：1.作者简介：第一作者：张凤雨（1984-），女，满族,硕士研究生，研究方向为计算机控制与技术。通讯作者：虎恩典（1956-）男，回族，教授，硕士生导师，研究方向为检测、机电控制、计算机控制。联系方式：13