基于MCGS和S7-1200的温度控制系统设计

引言

温度控制与日常生活及工业生产领域的联系非常紧密,生活中随处可见。譬如温室里需要控制温度以保证温室中植物、作物能够在适宜温度条件下进行生产:在工业上,一些大型的发酵缸、锅炉需要通过控制温度来确保工业生产的效率及产出物的质量,如果不对温度进行控制,可能会出现各类问题甚至导致事故。

很多场所的温度都需要进行实时监控并根据实时温度进行调整,但以往的温度控制是由人工完成的,这导致温度控制并不精确且容易发生意外。本文设计的温度控制系统采用S7-1200采集温度数据,上位机通过MCGS组态软件监控,实时显示温度变化。

1系统工艺流程概述

通过上位机给PLC发出指令,将锅炉的水温控制在事先在上位机上设定好的温度,PLC根据Pt100温度传感器反馈得到的温度与设定温度进行比较,再经过P1D控制算法运算,由1/o模块输出电流信号。通过调压模块把4~20mA的电流信号转化成0~220V的电压信号,调整电加热器的功率,使得锅炉里水的温度控制在事先设定的温度。在温度控制过程中,由基于MCGS组态软件的上位机可以实时监控到锅炉内的温度变化,人机交互性好。

系统的工艺流程图如图1所示。

2温度控制系统功能实现

S7-1200系列是一款功能强大、成本低廉的可编程逻辑控制器,是S7-200的升级版,延续了200紧凑型设计的同时节省了控制面板的空间。S7-1200还进行了功能上的升级,在研发过程中充分考虑了系统、控制器、人机交互界面的完美协调,因此它可以满足各种中小型自动化系统的要求[1]。MCGS是基于windowS平台的组态软件系统,它可以快速构造并生成上位机监控系统,具有功能完善、操作简便、可视性好等特点[2]。

2.1基于S7-1200的下位机设计

下位机的功能就是接收上位机命令,给执行元件发出控制信号,并接收设备的状态模拟信号后转化为数字信号反馈给上位机。本系统采用S7-1200PLC设计下位机,不仅可以接收锅炉内的温度信号转化给上位机,同时还要接收上位机反馈的命令,由算法计算得到输出,通过信号模块SM1234去控制调压模块等执行元件。温度控制流程图如图2所示。

其中PLC的核心程序包括P1D算法程序和1/o模块程序,P1D梯形图如图3所示,1/o模块梯形图如图4、图5所示。

2.2PlD算法

在工业生产中,PID控制算法是应用最普遍的控制算法。其原理就是把被控对象如温度、压力等设定为一个值,然后通过测量技术测出被控对象的实际值,两者对比求出差值,通过PID算法得到输出信号,来控制执行元件增大或减少输出,从而达到被控对象逐渐趋于设定值的目的。PID控制算法的公式如下所示:

式中,Kp为比例系数:Ki为积分系数:Kd为微分系数。

2.3基于MCGS的上位机监控系统设计

MCGS有三个版本,本文用的是MCGS通用版,可以方便、快捷地在上位机中设计实时监控系统。在新建组态中添加新设备S7-1200后,如图6所示。

本文是以锅炉温度控制为例建立基于MCGS的实时监控界面,设计完成后的控制界面如图7所示。

在该界面可以查看历史数据和历史曲线,同时包括参数设置按钮、通信状态查看按钮,可以很直观地查看控制过程中温度的变化以及各个模块的工作状态。

3实验结果

本文实验具体步骤为:

(1)将PC网线连接到对应的S7-1200可编程控制器(PC上的组态软件里设置的IP与PLC对应):在传感器信号输出区域,将内胆温度信号用实验线连接到PLC的AI0信号输入端,正负一一对应:将PLC输出信号Ao0连接到执行器控制信号输入区的调压模块信号端口,Ao1连接到气动调节阀信号端口,正负一一对应:将手动阀门1V1打开,手动阀门1V2关闭。

(2)打开控制台柜的总电源,再打开PLC电源,打开气泵为气动调节阀供气。

(3)打开计算机上的MCGS运行环境,选择"系统管理"下拉菜单中的"用户登录",出现"用户登录"界面。点击"确认",用户登录完毕。

(4)选择"单回路控制实验"下拉菜单中的"温度控制实验"。

(5)点击"参数设置",出现如图8所示的界面。

将AI0量程设置为0~100,点击退出,参数设置完毕。

观察锅炉水标,水位在水标的2/3以上,将手动阀门1V1关闭。

在控制柜面板上打开加热器开关。

设定初值和PID各个系数并选择PLC控制方式。

记录的温度曲线如图9所示。

由图9可以看出,温度曲线趋于稳定的速度很快,并且波动小,可以精确有效地控制锅炉内温度。

4结语

基于MCGS和S7-1200的温度控制系统可以精确控制温度,对工业生产中锅炉的温度控制有重要意义。