1 引言
熱風(fēng)機(jī)是基于熱能交換的加熱設(shè)備。熱能交換發(fā)生在通過(guò)氣體或液體燃料的燃燒以加熱的金屬表面和與此表面發(fā)生接觸的流通空氣之間。燃料的燃燒是在燃燒室內(nèi)進(jìn)行，與空氣流隔絕。空氣的流動(dòng)是通過(guò)一個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的，熱風(fēng)機(jī)有很高的熱能效率并且在之前的冷空氣與熱空氣之間有迅速的對(duì)流。此熱風(fēng)機(jī)應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中，主控制器要有很高的抗干擾能力和穩(wěn)定性，選擇plc作為主控器。plc不僅具有傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制功能,而且能擴(kuò)展一些智能模塊并構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度控制、閉環(huán)控制、位置控制等來(lái)適應(yīng)不同的工業(yè)控制需要。plc以高集成度、高效率、較強(qiáng)的抗干擾能力、組態(tài)靈活等優(yōu)勢(shì)在現(xiàn)代工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。為此我們使用永宏plc作為控制器,它具有良好的溫度控制pid算法、步進(jìn)電機(jī)控制模塊，通過(guò)plc的串口通訊與pc機(jī)連接,構(gòu)成人機(jī)界面友好、控制功能完善的溫度控制系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)要求嚴(yán)格控制熱風(fēng)機(jī)出風(fēng)口溫度，即冷空氣經(jīng)熱交換后達(dá)到的溫度值，設(shè)為t1；系統(tǒng)選用熱電阻pt100監(jiān)測(cè)入風(fēng)口和出風(fēng)口溫度，出風(fēng)口溫度即為被控溫度；選用調(diào)功器作為plc控制風(fēng)機(jī)的連接環(huán)節(jié)，利用da模塊輸出4～20ma信號(hào)控制調(diào)功器來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這樣改變進(jìn)入交換室的空氣量和空氣的熱交換時(shí)間進(jìn)而改變出風(fēng)口溫度，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1。選用熱電偶測(cè)量燃燒室溫度作為故障監(jiān)測(cè)和風(fēng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速限制，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低則空氣流動(dòng)緩慢，燃燒室熱量積聚時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)減少熱風(fēng)機(jī)使用壽命，甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況。
永宏(fatek)的fbs系列plc具有良好的溫度控制能力和很高的性價(jià)比，配有溫度專用pid控制指令以達(dá)到精確控制，它提供了集溫度采集和數(shù)據(jù)處理為一身的智能專用模塊，在這個(gè)模塊集成了16位a/d轉(zhuǎn)換器，分辨率達(dá)到0.1℃。該模塊能夠自動(dòng)進(jìn)行線性化處理、冷端補(bǔ)償，使用非常方便，僅需要將熱電偶接到接線端子并進(jìn)行程序控制就能對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的采集和測(cè)量。模塊可以對(duì)j、k、t、e、n、b、r、s等八種熱電偶和白金電阻進(jìn)行處理，可以同時(shí)輸入16路溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在精度為0.1℃的時(shí)候最快刷新速度為4s；在精度為1℃的時(shí)候最快刷新速度為2s。plc利用溫度模塊將溫度采集進(jìn)來(lái)以后，根據(jù)內(nèi)部程序中的溫度規(guī)劃表格將外界目前的溫度值作為控制變量，并將用戶設(shè)定的溫度期望值與程控變量做pid運(yùn)算后得到輸出值來(lái)調(diào)節(jié)可控硅調(diào)功器，以達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并最終控制出風(fēng)口溫度。
3 數(shù)字pid控制
3.1pid控制指令
永宏plc有專門的溫度數(shù)字pid控制指令。
該指令的數(shù)字pid運(yùn)算公式：
mn=[kc×en]+∑[kc×ki×ts×en]+[kc×td×(pvn-pvn-1)/ts]
其中：
mn：〝n〞時(shí)的控制輸出量
kc：增益（范圍：1→9999）
ki：積分常數(shù)（為積分時(shí)間常數(shù)ti的倒數(shù)，范圍：0～9999）
td：微分時(shí)間常數(shù)（范圍：0～9999）
pvn：〝n〞時(shí)的控制輸出量
pvn-1：〝n-1〞的控制輸出量
en：〝n〞時(shí)之誤差=設(shè)定值（sp）-〝n〞時(shí)控制輸出量（pvn）
ts：pid運(yùn)算的間隔時(shí)間
增益（kc）
調(diào)整越大，對(duì)輸出貢獻(xiàn)越大，可得到較快且靈敏的控制反應(yīng)。但增益如過(guò)大，會(huì)造成振蕩現(xiàn)象；盡量調(diào)高增益（但以不造成振蕩為原則），以增快程序反應(yīng)并減少穩(wěn)態(tài)誤差。
積分項(xiàng)可用來(lái)消除設(shè)定值改變所造成之穩(wěn)態(tài)誤差，積分常數(shù)ki調(diào)整越大，對(duì)輸出貢獻(xiàn)越大，當(dāng)有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，可調(diào)高積分常數(shù)，以減少穩(wěn)態(tài)誤差。積分時(shí)間常數(shù)=0時(shí)，積分項(xiàng)無(wú)作用。
微分項(xiàng)可用來(lái)讓控制反應(yīng)較平順，不會(huì)造成過(guò)度超越。微分時(shí)間常數(shù)（td）調(diào)整越大，對(duì)輸出貢獻(xiàn)越大，當(dāng)有過(guò)度超越時(shí)，可調(diào)高微分時(shí)間常數(shù)，以減少超越量。
3.2參數(shù)整定
參數(shù)整定是十分重要的，其好壞直接影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。其中pr，ir，dr是我們要整定的pid參數(shù)，上述參數(shù)設(shè)定值不在正確設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，pid指令不會(huì)執(zhí)行，設(shè)定錯(cuò)誤指示“err”。其中pr為增益設(shè)定值，ir為積分常數(shù)設(shè)定，dr微分常數(shù)。永宏plc有默認(rèn)pid參數(shù)，如圖4。參數(shù)整定主要是確定pr，ir，dr三個(gè)參數(shù)，這三個(gè)特性參數(shù)究竟整定到多大取決于具體被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，即要根據(jù)具體被控對(duì)象來(lái)確定這三個(gè)參數(shù)。在實(shí)際工程上一般使用臨界比例度法、衰減曲線法、試湊法。臨界比例度法不需要求得被控對(duì)象的特性，可直接在閉合的系統(tǒng)中進(jìn)行整定。在本系統(tǒng)的調(diào)試中選用了臨界比例度法。一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在外界干擾作用后，不能回復(fù)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)也不發(fā)散，而是產(chǎn)生一種等幅的振蕩，這樣的控制過(guò)程稱為臨界振蕩過(guò)程。設(shè)tk是被控變量的臨界周期。被控變量處于臨界振蕩過(guò)程時(shí)，控制器件的比例度稱為臨界比例度設(shè)為pk。我們按照如下步驟整定參數(shù)：
（1）首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；
（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，從大到小逐步改變控制器的比例度pr直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)臨界周期tk的數(shù)值；
（3）將積分時(shí)間放在最大，微分時(shí)間為零；
（4）改變比例度。先逐步減小控制器的比例度，仔細(xì)觀察上位機(jī)輸出溫度顯示曲線，如果控制過(guò)程是衰減的，則把比例度放??；如果控制過(guò)程是發(fā)散的，則把比例度放大，直到持續(xù)4次～5次等幅振蕩為止，此時(shí)的比例度為臨界比例度pk，來(lái)回振蕩一次的時(shí)間，亦即從振蕩的一個(gè)頂點(diǎn)到相鄰?fù)嗟牡诙€(gè)頂點(diǎn)所需要的時(shí)間，就是臨界時(shí)間tk；
（5）在得到了pk和tk的數(shù)值后就可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出pr、ir、dr的參數(shù)。4plc與上位機(jī)的通信
上位機(jī)軟件可以對(duì)plc進(jìn)行控制，監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，描繪采集的溫度曲線。在pid參數(shù)整定過(guò)程中，起到了很重要的作用。上位機(jī)與plc通信采用rs-485串行總線。rs-485具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并且可以進(jìn)行多點(diǎn)通信。
4.1plc通信協(xié)議
在該plc與上位機(jī)的通信過(guò)程中，plc只能做為從設(shè)備，任何設(shè)備和plc通訊時(shí)候都作為主設(shè)備，也就是說(shuō)plc只有在主設(shè)備發(fā)送命令后才能按照命令的要求做出響應(yīng)，不能主動(dòng)的發(fā)送數(shù)據(jù)給主設(shè)備。fatek通訊的幀格式見。
（1）起始符為16進(jìn)制的02h，無(wú)論是命令還是響應(yīng)起始符都為02h，在收到02h后接收方知道信息開始傳送。
（2）在一個(gè)fatek網(wǎng)絡(luò)中僅有一個(gè)主站，可以有254個(gè)從站，每一個(gè)從站有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的站號(hào)，分別為1～feh。當(dāng)主站對(duì)從站下命令的時(shí)候是以站號(hào)來(lái)指定哪個(gè)plc或者全部plc接受命令，在響應(yīng)信息中從站會(huì)將自己站號(hào)發(fā)給主站，使主站知道是哪個(gè)從站返回的消息。
（3）命令碼是plc提供給用戶的命令指令，主站通過(guò)這些指令可以對(duì)從站完成讀取、寫入、強(qiáng)制設(shè)定、運(yùn)轉(zhuǎn)、停止等功能。如：命令40，讀取plc狀態(tài)指令；命令41，plc運(yùn)行/停止指令；命令4e，測(cè)試plc回傳指令，判斷連接是否成功；命令45，連續(xù)多個(gè)寄存器寫入數(shù)據(jù)命令。
（4）文本資料是指寫入plc或plc發(fā)送的數(shù)值及目標(biāo)寄存器號(hào)。
（5）校驗(yàn)碼是將從stx開始所有ascii字符的16進(jìn)制數(shù)值以lrc(longitudinalredundancy
check)計(jì)算產(chǎn)出一個(gè)byte長(zhǎng)度(兩個(gè)16進(jìn)制數(shù)值00～ff)的校驗(yàn)碼。當(dāng)接收端收到消息后依同樣的計(jì)算法則算出其校驗(yàn)碼，兩者值相同表示傳輸?shù)馁Y料正確，否則即有傳輸錯(cuò)誤發(fā)生。fa
tek協(xié)議lrc校驗(yàn)之計(jì)算方法是將各ascii字符之16進(jìn)制數(shù)碼值(8位長(zhǎng)度)從頭至尾依序相加，但不考慮進(jìn)位，因此最終結(jié)果仍為8位長(zhǎng)度的校驗(yàn)碼。
（6）結(jié)束符為16進(jìn)制數(shù)03h，無(wú)論命令或響應(yīng)消息的結(jié)尾字符均為etx，當(dāng)接收方收到etx字符后便知該次通訊已結(jié)束。在完整收到fatek通訊幀后我們就可以對(duì)幀進(jìn)行處理。
4.2上位機(jī)軟件
上位機(jī)編程軟件采用功能強(qiáng)大，編程可視化的vb6.0，利用vb6.0可方便地實(shí)現(xiàn)plc和上位機(jī)的串行通訊。并且可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線顯示，方便的了解被控對(duì)象的變化過(guò)程。vb6.0的通訊控件mscomm有許多屬性可幫助我們實(shí)現(xiàn)串口通訊，可設(shè)置通訊端口，設(shè)置發(fā)送和接收緩沖區(qū)大小，波特率、奇偶檢驗(yàn)等。
實(shí)時(shí)曲線反映的是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，以監(jiān)測(cè)該點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)工況變化的情況下的控制穩(wěn)定性，因此在實(shí)現(xiàn)時(shí)需顯示曲線的動(dòng)態(tài)變化。
在vb6.0中，我們用picturebox控件結(jié)合定時(shí)器進(jìn)行曲線的繪制。定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到的時(shí)候，觸發(fā)定時(shí)器事件，在定時(shí)器事件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集，同時(shí)在picturebox里將此次采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)與上次采集的數(shù)據(jù)