1. 引言
温度是人们日常生活和工业生产过程中最常见的物理量，随着现代工业自动化水平的提高，工业控制过程中对温度的控制要求也越来越高，产品的质量和产量和生产过程中温度控制的精确度有很大关系，尤其是在制药过程中对温度的要求尤其严格，为了确保药液的质量和产量，设计专门针对制药过程的温度控制系统具有重要的实际意义。
此外，随着工业自动化水平的不断发展和提高，人们越来越重视控制系统的设计和监控，人机界面逐渐被研究设计出来并广泛应用于工业生产过程，通过人机控制界面可以实现对控制系统各个的参数实时监测、报警、数据和信息处理等。使工业控制过程更简洁化，操作更简便、直观 [1]。
2. PLC控制器
PLC具有可靠性高、使用方便、操作简单、控制功能完善、精度高等特点，是工业控制过程中最常用控制器。因此，在工业控制系统中，一般采用人机交互界面产品来实现对整个控制过程的实时监测，PLC为核心控制器和计算机共同组成完整的工业控制系统。本文以某药厂制药过程中的药罐为被控对象，药罐物料温度为被控量进行温度控制系统，采用PID控制，以PLC作为控制器完成温度控制系统设计，实现对药液温度的自动控制 [2] [3]。
PLC可以用来进行数字逻辑运算和操作，是一种具有微处理器的用于自动化控制的数字运算控制器，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。PLC主要是由CPU模块、存储器、通信接口、I/O模块、扩展接口和电源等部分组成。结合实际控制需求，PLC选用西门子S7-200。
3. 温度控制系统
3.1. 温度控制系统结构
本设计以制药厂温度控制为例进行设计，在该药液制作过程中，要求保持药罐温度在80℃~90℃保持2个小时。选用PLC作为控制核心，通过比较设定温度和实际温度的偏差，由PLC的PID控制器产生控制信号，来调节比例调节阀门的开度，以控制送入药罐的高温蒸汽的流量，从而实现药液温度控制的目的。同时，用流量计来监测加水流量和抽药流量，液位传感器来监测药罐液位和储药箱液位。这样系统不仅能进行温度调控，还能同时对其他物理量进行监测，这样系统更安全可靠。系统有自动控制和手动控制两种模式。
当处于自动控制时是闭环控制系统。系统工作时先用热电偶检测温度并将其转换为标准量程的电压然，在经过A/D转换后变换为数字量，与设定温度值进行比较，采用PID控制器对误差进行分析产生控制信号，最终控制信号经D/A转换后变为电压信号以控制加热器电压。
当处于手动控制时是开环控制。操作人员通过在上位机输入数字来改变控制电压，从而控制加热器的电压，实现对药液温度的控制。
综上所述，温度控制设置手动和自动两种方式。同时对温度、液位、流量等数据进行数据采集，对温控过程进行实时监控，可以通过上位机调看历史曲线。控制要求为：温度保持在规定区间范围，储罐液位低于设定值X2米时，抽药泵停止工作，高于设置值X1米后报警，药罐温度控制方案如图1所示。
3.2. 传感器
在该系统中，我们选用热电偶温度传感器作为测量温度的工具。其原理为：如果两种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫热端，接线端子端叫冷端，热电偶回路及其示意图如图2所示。当两端存在温差时，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”。热电势的大小只与热电偶导体材质以及两端温差有关，与热电偶导体的长度、直径无关。热电偶温度传感器将药液温度变化转化为电信号的变化，送入PLC中进行调节，从而达到温度控制的目的。该类传感器的测量范围为可达到0℃~1500℃，可以适应更广范围的测量要求。
(a) 回路图 (b) 示意图
Figure 2. Thermocouple circuit and its schematic diagram
图2. 热电偶回路及其示意图
3.3. PID控制
比例、积分、微分控制简称PID控制，是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，至今仍有90%左右的控制回路具有PID结构。
比例控制可以调整系统的开环增益，提高系统的稳态精度，降低系统的惰性，积分控制其输出与输入误差信号的积分成正比关系，有利于消除系统的稳态误差，微分控制能够敏感感知输入量的变化，尽早做出反应，增加了系统的阻尼程度，提高系统的响应速度。比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。PLC自带PID控制器，是连续的PID控制器，信号为连续变化的模拟量。设p(t)为给定值y(t)为反馈值，误差
，PID控制器的输出 = P + I + D + 初始值，其控制器表达式为：
(1)
式中：Kp是比例系数，TI是积分时间常数，TD是微分时间常数，u0是输出的初始值。
通过S7-200的PID指令向导进行控制器设计，通过指令树中的“\向导\PID”图标进入设置界面完成采样时间等基本设置，这里需要注意的是比例、积分。微分时间是由上位机来进行调节控制的。通过向导自动生成PID1_INIT (初始化程序)、PID1_DATA (数据块)、PID1_SYM (符号表)以及PID_EXE (中断程序)。在控制过程中，通过调用PID_EXE执行PID运算。
3.4. 控制系统设计
根据系统设计要求，在PLC中完成药液温度控制系统的设计，首先进行内存地址分配，其次通过PLC程序自带的PID指令向导完成控制器设计，最后根据实际要求完成整体控制系统控制梯形图设计。主程序包括1个子程序和1个中断程序 [4]。如图3。
(a) (b) (c)
Figure 3. Program flow chart: (a) Main program; (b) Subroutine; (c) Interrupt program
图3. 程序流程图：(a) 主程序；(b) 子程序；(c) 中断程序
3.5. 人机交互设计
组态王，即组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中，监控层对下连接控制层，对上连接管理层，实现对现场的实时监测与控制，并在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。结合本设计的应用特点，控制系统的人机交互界面设计选用组态王6.55 [5] [6]。
本系统的上下位机系统由组态王软件和S7-200 PLC构成，人机交互界主界面如图4所示。主要实现以下功能，并在实际制药过程中使用得到了良好的效果。
1) 药液温度控制系统的启动、停止，手/自动切换；
2) 药液温度控制过程显示：通过组态王窗口界面可以看到完整控制流程；
3) 实时监测：药液温度变化实时曲线；
4) 故障报警：高/低温限报警、高/低液位限报警。
Figure 4. Main interface of control system
图4. 药液温度控制系统主界面
4. 总结
本文以某药厂制药过程中温度为被控量，以PLC作为控制器完成温度控制系统设计，并基于组态王设计了人机界面，实现了对温控过程的实时监控。整体设计可以实现对温度的控制及监控，但是设计、应用环境较为简单，今后继续研究在更复杂的工况下实现温度控制。