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1. 引言
现代社会要求制造业能对市场需求做出迅速反应，生产出多批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一需求，生产设备、自动化生产线、检测设备的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程序控制器（PLC）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的新型工业控制装置，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一[1>。
房间空调器是国家强制性电器质量检测产品，为了完成符合国家标准的性能检测，必须建立一套相应的高精度的测试系统。焓差法测试是重要的测试方法之一，它不仅能对房间空调器的制冷能力和制热能力进行静态试验，还能进行动态性能的试验（包括风机性能测试），还可以针对房间空调器季节节能能效比（SEER）进行测定间歇启/停状态下空调器的制冷量和输入功率的试验。
传统的焓差法测试台采用常规的继电器控制，手动的操作方法，电气线路又复杂，操作又不便。以PLC为核心的控制系统实现测试过程的自动化。本文就针对房间空调器焓差法性能测试系统，讨论PLC在测试系统中的应用。
2. 系统控制要求
根据国家标准GB/T7725-1996[2>，空气焓差法试验系统需要两个试验环境，一个作为室内侧试验环境，一个作为室外侧试验环境。室内外试验环境都配备了由1个循环风机，1个加湿器，1个加热器及3台制冷机组成的空气处理装置，室外侧还有1个采样风机，室内侧有2个采样风机和1个排风机。室内外环境中所有设备的开关量均由PLC完成，PLC还兼备设备的故障报警。系统还要求上位机对所有设备进行控制，上位机与PLC通过RS232接口实现通信，在Delphi7.0平台下编写监控软件实现对系统的实时控制。
3. 硬件环境
PLC选型
房间空调器焓差法测试系统的控制点数有22个输入，16个输出。日本松下PLC产品FP1-C40系列，由于体积较小、结构紧凑，性能稳定，完全可以完成控制需要，我们选用此系列型号为AFP1243B的PLC。
输入与输出
依据控制对象，对可编程控制器PLC的I/O点数及主要内部继电器进行分配[3>。
外部输入继电器X，用来采集各个被控对象的报警信号，是开关量输入。分配表如表1。
表1输入继电器X分配表
外部输出继电器Y，用来控制系统设备中的被控对象，是开关量输出。分配表2如下：
表2输出继电器Y分配表
主要内部继电器R，用来接收上位机触摸屏发送来的命令，作为被控对象的启动与制动开关，以此来控制整个测量系统的运行。其接收的也是开关量0或者1。其分配表如表3：
表3主要内部继电器R分配表
与上位机通讯
系统需要上位机对整个系统设备进行在线监控，FP1-C40系列提供了RS232接口，通过此接口与上位机通讯。
4. 控制程序设计
依据焓差测试台的工作原理和系统设计的任务，考虑到实际情况的需要，设计的PLC程序要满足下面的要求：
1）焓差法测试台系统启动与停止时，系统中的16个被控对象的启动顺序有所不同。启动时，制冷机与风机先启动，并且只要有一个制冷机开动运行，风机就要立即启动，以保证室内外侧的空气流通，再启动加热器和加湿器。停止运行时，制冷机、加热器和加湿器先停机，再停止风机的运行。当在启动与制动过程中有报警信号输入时，则立刻停止出现故障被控对象的运行，以保证系统中被控对象不会被严重损坏。
2）由于被控对象中有很多电机，电机在启动时电流是正常工作时候额定电流的2～4倍，不能长时间使电机处于启动/制动状态，否则，电极的线圈会被烧坏。系统设定电机启动与制动时间都是10秒，即在启动开关或制动开关按下后的10s内，可以取消操作。这样就避免了因误操作等因素使电机长时间处于启动与制动状态而损坏电机。
3）在正常情况下，关机时是先关压缩机和风机，再关运行的总开关。可是，实际情况下，可能会发生非法关机的情况，即直接将系统的总运行开关关闭。这样在PLC没有断电的情况下按下主控开关时，PLC的一些状态在开始时会保持，而使输出满足条件，这样就会发生在没有输入的情况下却有输出的情况。为了避免这种情况，在每次主控继电器的触发信号关闭时，要对保持状态的继电器复位。
根据以上的要求，设计了PLC程序[4>。其程序的流程图如图1所示。后，通过松下PLC自带软件FPWINGR将程序下载到PLC里。
5. 监控程序设计
通讯协议
松下电工FP-X系列的各级PLC网络应用层都是以其专用通讯协议MEWTOCOL为基础设计的。MEWTOCOL协议分为两个部分。一是MEWTOCOL-COM，即关于计算机的通讯协议，它适用于计算机与PLC的通讯。另一个是MEWTOCOL-DATA，即关于数据传输的协议，它适用于PLC与PLC之间及PLC与计算机之间的数据传输[5>。本系统采用MEWTOCOL-COM协议[6>。
1）命令帧格式
其中%：MEWTOCOL-COM的命令帧开始标志（ASCII码为25H）;
H,L：站地址的高位和低位，默认为01;
#：站号特征码（ASCII码为23H）;
发送文本：由命令码和数据组成，命令码参考文献[>;
BCC：校验码，采用异或校验码，BCC为8位;
CR：回车结束符。
2）响应帧格式
其中%，H，L，BCC，CR的含义与命令帧相同;
$：命令正确传送标志，如果此位为“!”则表示命令错误;
响应文本：正确响应命令信息文本或者错误命令的错误代码。
图1 PLC程序流程图
5.2通讯接口软件设计[7>
在Delphi7.0中调用VB的MSComm控件，可以快速方便地对串口进行访问[8>。
1）端口设置
端口打开之前，要对端口的波特率、奇偶校验位、数据长度、停止位进行设置。
MSComm_plc.CommPort:=1;
MSComm_Plc.Settings:=‘19200,o,8,1‘;
MSComm_plc.OutBufferSize:=1024;MSComm_plc.InBufferSize:=1024;
MSComm_plc.OutBufferCount:=0; MSComm_plc.InBufferCount:=0;
ifnot MSComm_plc.PortOpen then MSComm_plc.PortOpen:=true;
2）发送指令
按照MEWTOCOL通讯协议给PLC发送指令，打开总开关如下：
procedure Tbbbb_Main.CWButton48Click（Sender: Tbbbbbb）; //总开关
varopenstr,closestr,bcc,sendstr,sendstr1,sendstr2,sendstr3:bbbbbb;
i:integer;
begin openstr:=‘%01#WCSR01001‘; //打开命令
closestr:=‘%01#WCSR01000‘; //关闭命令
bcc:=‘＊＊‘; //检验码
ifcwbutton48.Value=true then //打开总开关
begin sendstr:=openstr+bcc+chr（13）; //命令帧
fori:=1 to length（sendstr） do //逐字发送指令
begin sendstr1:=copy（sendstr,i,1）;
Mscomm_plc.Output:=sendstr1; end;
Mscomm_plc.OutBufferCount:=0; //端口缓存清除
Mscomm_plc.InBufferCount:=0;
end;
ifcwbutton48.Value=false then //关闭总开关
begin sendstr2:=closestr+bcc+chr（13）;
fori:=1 to length（sendstr2） do
begin sendstr3:=copy（sendstr2,i,1）;
Mscomm_plc.Output:=sendstr3; end;
end;
end;
同样，按照同样格式实现其他开关的打开与关闭。
3）故障报警
PLC输入端均是采集报警信号，若是X0000（XO）端返回数据为0即为报警，其它输入端与此相同。在程序中，利用Timer控件设定一定周期对端口进行扫描，系统采用周期为10s，即每10s对PLC的所有输入端状态进行扫描。当出现报警时，上位机软件会判断报警端口，并显示报警信息。
6. 结束语
以PLC为核心的控制系统使工业设备操作越来越方便，电气线路越来越简单;与PLC通讯的上位机软件，可以实时监控系统设备的运行状态。此控制系统已成功应用在杭州电子科技大学人工环境与信息技术重点实验室的焓差实验台，1年多的实践表明：系统运行可靠稳定、操作快捷方便，大大提高了测试系统的智能化与自动化水平。
1.引言
在塑料挤出中，熔融物料温度控制的效果直接影响了挤出制品的质量，例如制品表面的残余应力、收缩率及制品质量的稳定性。
现有一台单螺杆挤出机，由于较早购置，挤出机的温控系统采用分离仪表控制方案。其加热方式为加热瓦分区加热。根据工艺要求，各区设定不同加热温度，采用温控仪表加继电器的温控方式。由于温控电路结构复杂，故障率较高，温控表为断续控温方式，各加热区温度波动较大，塑料制品的加工质量难以稳定。
针对上述情况，我们设计了以PLC为控制核心的多回路不等温塑料挤出机温度控制系统。经试验，该系统控温精度高，硬件简单可靠，塑料制品加工质量稳定。
设备概况如下：
单螺杆挤出机，D=120mm，L/D=25，大产量450Kg/h，12个加热段，固体输送段3个，熔融段4个，熔体输送段3个，机头2个。采用风冷方式冷却。
2.系统硬件配置
本系统采用德国 SIMENS公司的 S7-3002 可编程序控制器为控制核心，可实现温度的采集与自动调节。系统要求实现12路温度控制，每一回路均为设定固定值控制。根据实际要求选用相应的功能模块。
其中CPU模块选用CPU-314IFM，其带有一个MPI接口，集成有20个数字输入端、16个数字输出端、4个模拟输入端、1个模拟输出端，内部集成PID控制功能块，可以方便的实现PID控制。
数字量输出模块选用SM322，DO8 ×230VAC。模拟量输入模板选用 SM331，AI8 ×12 位，参数通过模板上的量程和STEP7设定;通道按两路一组划分。
温度传感器选用K型热电偶，其测温围适中，线性度较好，将SM331模块量程置于“A”。采用内部补偿温度补偿方式。
电源模块选用PS307。
上位机通过适配器与 PLC 组成MPI连接。PLC与上位机之间可相互通信，实现对温度的实时监控。
系统硬件配置如下：
图1系统硬件结构组成
图2 温度变化示意图
3.系统工作原理
本系统是一个闭环反馈控制系统。在一个采样周期内，温度传感器（热电偶）将检测到的料筒与机头温度信号，经模拟量输入模块SM331，由CPU读取。CPU将读取的数值PV与设定值SP进行比较，得到偏差e = SP—PV。根据偏差的大小和温度控制策略进行计算，得到控制输出，即继电器在一个采样周期中的导通比，经过脉宽调制，后得到继电器在一个采样周期中的导通时间。通过控制继电器在一个采样周期中的导通时间即可控制加热器的加热时间，或者冷却风机的工作时间，从而达到控制温度的目的。
4.温度控制策略
在进行PID调解时，比例调节反映系统偏差的大小，只要有偏差存在，比例调解就会产生控制作用，以减少偏差。微分调节根据偏差的变化趋势来产生控制作用，它可以改善系统的动态响应速度。积分调节根据偏差积分的变化来产生控制作用，对系统的控制有滞后的作用，可以消除静态误差。增大积分时间常数可提高静态精度，但积分作用太强，特别是在系统偏差较大时会使系统超调量较大，甚至引起振荡3。本系统中，我们智能PID温控策略。
图2中，Tm为机筒或机头某一段的设定温度，±△T1，±△T2，为、第二温度区间值。
热电偶测的温度用T表示，控制策略如下：
（1） 当T
（2） 当Tm-△T2
（3） 当Tm-△T1
自适应PID控制如图3所示，当温度T>Tm+ξ且在采样周期中，温度持续上升，则继电器断开（a→b，g→h），停止加热;T
注意，由于在加料段和熔融段，物料控制的精度要求相对低一些，在这两段的死区阀值ξ=△T1，在熔融输送段和机头，物料控制的精度要求高，死区阀值ξ=0.7△T1，ξ的大小根据实际情况决定。
（4）当T>Tm+△T1时，接通风机，强制冷却。
由于物在料挤出机的不同区段状态不同，所设定的温度也不同，不同的区段控制精度也不同。
在固体输送段，物料为固态颗粒，物料与机筒之间的作用力是摩擦力。在摩擦力作用下，电机的机械能转化为热能，物料被挤压成固体塞。物料温度升高，软化，该段的设定温度低于物料的熔融温度，温度控制精度较低。
在熔融段，与机筒内壁接触处的物料达到熔融温度区域，物料开始熔融。物料逐渐由固态熔融为液态。该阶段物料需要吸收大量的热，又要防止物料温度过高分解，该段温度控制精度较高。
在熔体输送段，该段又被称为均化段。在这一段一是要保证物料成分均匀混合，也要保证物料温度均匀分布。该段的温度控制结果决定了终的温度控制结果，这一段的温度控制精度高。
图3.温度自适应控制
5.PLC编程
本系统采用STEP7 5.3，选用梯形图编制温度控制程序。由于本温控系统中每一回路采用的控制策略及所完成的功能均相同，采用结构化程序设计方法设计温度控制程序。比例调解功能块FB用于计算，每一个加热段对应一个相应DB数据块。程序运行时，FB调用相应的DB块进行计算，得出各加热段相应的输出量。
（1）比例调解功能块FB3，它主要由功能块FB41和FB43组成。由FB41根据温度偏差进行PID运算，计算出输出量（即继电器在一个采样周期中的导通率），再由FB43将其转化成脉冲信号，完成脉宽调制。程序在一个采样周期中多次调用功能块FB来实现各回路的温度控制计算。本系统中比例调解功能块FB通过OB35中断调用。OB35是定时中断组织块，在程序中设定20s间隔运行。
（2）功能块FB41完成PID控制算法。FB41中P、I、D以位置式验算参与工作。比例（P）、积分（I）、微分（D）作用以并行结构的形式相连接，通过激励软件跳选开关可组态成为P、PI、PD和PID控制器。FB41中的用户参数如设定值、过程变量、操纵变量、比例增益、积分时间、微分时间、采样时间、量化处理、功能选择等存储在各加热段相应的DB数据块中，可在线或离线修改。
（3）功能块FB43完成脉宽调制，脉冲输出时间 采用如下计算公式：
式中 PER_TM——脉冲输出周期，等于功能块FB41的采样时间20s，INV——功能块FB43的输入参数，等于FB41的输出值。
（4）与上位机通信的设计与实现
PLC与上位机的通信主要通过读取和改变 PLC的DB 来实现，包括实际温度数据块、设定温度数据块、加热继电器信息数据块、冷却继电器信息数据块、各中间继电器报警信息数据块等。
（5）PID参数的整定
先采用 Ziegler-Nichols4方法获得系统的 P、I、D 参数，在现场用试凑法加以修正。
Ziegler-Nichols方法整定参数 PID 参数具体方法如下：
给系统施以阶跃激励（全功率加热），根据阶跃响应曲线测量出系统的放大系数 K、等效时间系数 T 、纯滞后时间 t ,按 Ziegler-Nichols 公式计算出 PID 算法中所需的比例参数 、微分参数Ti、积分参数Td，见表1。
表1 Ziegler-Nichols整定公式
6.上位机监控系统
人机监控界面采用西门子组态软件WinCC6.05。通过读取PLC的DB 块，在上位机上可显示各加热段实际温度，加热器或风机的开闭状态等。下面阐述监控系统的功能及实现方法。
6.1主屏功能与实现
主屏主要显示各加热区实际温度，加热器及冷风机的开闭状态等，通过图形编辑器和相应的标签管理来实现。
6.2温度趋势图的设计与实现
温度趋势图主要显示各加热区的历史温度和当前温度，通过WinCC将时间取样数据和事件记录在数据库，通过曲线的变化反映温度的历史记录。
7.结束语
本论文创新点：根据挤出理论，分析挤出机各段的温度分布情况，根据各加热段所处的不同位置，采用不同的温度控制精度来设计智能PID温度控制系统，降低了控制难度。用PLC做控制核心，WinCC作监控软件，实现温度控制的要求。经试验，在新的温控系统控制下，挤出机工作平稳，取得良好的控制效果，温度超调量小于3℃，静态误差小于±1℃。