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论串级PID温度控制的应用
作者：薛小兵
来源：《科技创新与应用》2014年第35期
摘 要：在工业电气自动化控制领域，PID温度控制已经广泛使用， 相比传统PID温度控制，串级PID温度控制的可控制性、高精度性以及可切换性更能让工艺更上一层。本次以汽车涂装生产车间闪干烘干炉温度控制为背景，采用日本山武SDC45温度控制表与三菱PLC相结合的自动控制炉内工艺要求温度，根据工艺变化要求可以选择送风、回风及串级PID温度控制相切换的控制理念，取得良好的温度控制效果，为提高喷涂工艺质量打下良好的基础。 关键词：PID温度控制；可控制性；高精度性；串级PID温度控制；山武SDC45温度控制表 前言
在当前的工业电气自动化控制领域，PID温度控制已经广泛使用，属于传统温度控制，为达到更好的控制效果及更稳定的温度曲线，现在串级PID控制逐渐发展起来。采用现有的带有串级温度控制的温度控制器与流行的PLC相结合，使项目的开发设计硬件相对简单化；采用温度控制器与PLC的总线式通信使软件设计也相对系统化，可读性增强；采用人机界面的参数设置及数据显示统计功能更使得直观性，可操控性增强。在实现高精度温度控制的同时可以保证设备的维护简单，操作方便，数据记录齐全等特点。 1 系统的硬件组成 1.1 人机界面
人机界面（可编程序终端及操作显示面板）是工厂维护人员直接的操作对象及数据收集统计的设备。此次采用三菱的GT16系列人机触摸屏，颜色及分辨率都可以给人以视觉上的享受。
1.2 PLC系统
PLC是整个系统的控制器，采集现场各个区域的温度信号，及风阀限位开关的开闭信号控制相应风机的运转，并且与温控器通信实现在人机界面上对温控器的设定值SP，PID参数等的设定及传送。此次采用三菱的Q系列PLC及其相对应的与上位机通信用的同轴电缆通信模块，与远程I/O通信的CC-LINK模块，与温控器组网通信用的串口模块，及各类数字I/O输入输出模块和温度采集用的模拟量输入模块。 1.3 串级温度控制器
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串级温度控制器是此次项目的重点，它是整个温度控制系统的核心，以其自身的串级控制功能来实现串级温度控制。此次采用了山武的SDC45系列温度控制器，其操作方便直观，并可以通过软件来实现参数的设置及PID参数的整定，大大缩短了现场的调试时间。 1.4 温度控制器中继系统
温度控制器中继系统采用山武的CMC15，其可以把PLC过来的422，232通信转换为温度控制表的RS485通信，从而可以使所有温度控制器采用总线式接线和PLC进行数据通信。其可以通过软件进行参数设置，方便使用。 1.5 温度传感器及执行机构
此次项目控制温度不高，温度传感器采用了PT100电阻式温度传感器，执行机构采用山武的EMC3000系列电动比例阀控制燃烧器的燃气及空气量进而实现炉内的温度控制。 2 系统的设计方案
此次系统根据客户的不同工艺的控制要求，需要进行送风温度控制，回风温度控制以及串级温度控制的相应切换来满足不同的设备工艺。此三种温度控制均由一个串级温度控制器SDC45来实现，其中的三种控制通过人机界面的按钮进行切换，切换的同时自动更改温度控制的SP设定值及相应PID参数来满足相应的温度控制要求。 2.1 系统组成图
如图1，简单表示出整理系统的构成。通过串级控制器采样检测温度控制比例阀动作控制相应温度，通过温度中继控制器把PLC过来的人机界面设定值及PID参数等送给串级温度控制器。 图1
2.2 温度控制系统图 图2
如图2，可以看出在串级温度控制器中有两PID组循环组，通过内部开关的开断组合可以实现两组PID循环组的单独控制与两组PID循环组的串级控制，从而根据不同工艺要求选择不同的温度控制模式。 3 系统的软件设计
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此次系统软件程序用三菱的GX Deloper进行梯形图编程，编程思路采用模块化式编程，不同功能的程序组成不同的模块，有助于提高程序的可读性及编程的高效性。人机界面画面由三菱的GT Designer来完成，各操作工艺相关的功能参数均在GOT画面上详细作出，方便维护人员的操作及数据的整合记录。温度控制器中继器的程序采用山武的SLP-G15，在程序中把PLC地址与温度控制器的实际功能地址一一对应设置，方便简单的把PLC与温度控制器相结合，并且内部设置工作周期扫描数据可以自动的根据扫描自动判断某一控制器的通信状态，提示通信异常报警。 3.1 触摸屏画面 图3
如图3，在人机界面中有三个按钮串级控制，回风控制以及送风控制三个按钮可以进行温度控制模式的切换。在改变相应的模式的同时，相对应的模式下的温度设定值及温度控制PID参数也即传送给温度控制表。 3.2 温控器中继程序 图4
如图4，在温度控制器中继器中设置相应的PLC地址与温度控制器的实际地址，比如设定值SP，检测值PV，输出值MV及相应的PID参数等，从而使温度控制器与PLC的数据同步更新，可以从人机界面直接修改温度控制器的参数。大大方便操作使用。 4 串级PID温度控制的PID整定
在PID温度控制已经成熟应用的今天，PID参数的整定也已经不是难事，先比例后积分最后再把微分加的经典总结经验也让大家在PID参数整定中受益匪浅。并且现在大多数的温度控制器都自带PID参数自动整定功能，更是大大的方便了工程调试人员。
然而由于串级PID温度控制的特殊性质，两组循环组PID控制的相互影响相互制约性给串级PID控制的PID参数整定带了一些难度。此次PID参数整定采用了化整为散的假设办法，把原先的一个SDC45串级温度控制器由两个SDC35普通温度控制器代替连接为串级模式，这样可以单独整定每一个PID参数。比如回风控制要求为80度，可以先断开串级，手动慢慢输出送风的温控器输出值直到回风温度大概接近与80度，记录下此时的送风温度值，假设为100度，之后以此100度作为回风温度控制器的设定值自动整定其PID参数，此100度加减10%作为送风温度控制器的设定值范围自动整定送风的PID参数，最后回到SDC45的模式下设置好相应的参数自动升温观察相应温度曲线进行PID参数微调整。 图5
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如图5，可以通过山武的温度曲线监控软件与SDC35表进行通信实时监视曲线数据及调整PID参数进行PID的微整定，达到理想的PID整定曲线，两个波前高后低4比1。最后进行过载试验调整升温曲线，从而达到实际生产时的稳定温度控制要求。 5 结束语
电气自动化的迅猛发展冲击着整个自动化行业，通过此次用PID的串级控制取代传统的PID温度控制，使得温度的可控制性更强，送风温度与回风温度都到达了相互制约，从而提高了温度的精确性，为之后的生产工艺质量打下良好的基础。减少了成品的返修率，相应地为整个生产车间带来了更高的工作效率。 参考文献
[1]刘镇，姜学智，李东海.PID控制参数整定方法[J]电子技术应用，1997，5. [2]三菱人机界面GOT[Z].三菱PLC软件设计手册. [3]山武温度控制器SDC45使用手册[Z].
作者简介：薛小兵（1982，1-），男，籍贯：河南，本科学历，目前职称：助理工程师，主要研究方向：电气自动化设计。
