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基于西門子S7-200系列PLC構(gòu)成及PID溫度控制的實現(xiàn)

本文介紹了基于S7-200系列PLC的智能溫度控制器系統(tǒng)。闡述了溫度控制的實現(xiàn)方法。介紹了VB環(huán)境下實現(xiàn)上位機和PLC溫度監(jiān)控系統(tǒng)的串行通信的技術。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試表明，本系統(tǒng)具有可靠性高，監(jiān)控方便等優(yōu)點。由于PLC在工業(yè)領域使用的普遍性，該系統(tǒng)有很大的使用范圍。

因為PLC具有控制能力強、可靠性高、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴展等優(yōu)點，成為了當今及今后工業(yè)控制領域的主要手段和自動化控制設備。在許多行業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，溫度控制都是要解決的問題之一。在一些熱處理行業(yè)，由于使用簡單的溫控儀表和溫控電路進行控制，存在控制精度低、超調(diào)量大等缺點，這樣就造成了產(chǎn)品質(zhì)量不高，能源浪費等問題。

基于PLC在工業(yè)控制領域的普及性和溫度控制的重要性，設計了一個基于PLC的智能溫度控制系統(tǒng)，具有很廣的應用空間。同時，由于PLC具有自身的一些缺點，即數(shù)據(jù)的計算處理和管理能力較弱，不能提供良好的用戶界面，因此妨礙了對現(xiàn)場溫度變化的跟蹤與監(jiān)控，而計算機可以很好的彌補的這一缺點。用計算機與PLC 組成的主從式實時監(jiān)控系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮各自在工業(yè)控制中的優(yōu)勢，實現(xiàn)分散控制、集中監(jiān)控等全新功能。本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列PLC，通過PLC串口通訊與計算機連接，監(jiān)控界面友好，運行穩(wěn)定。

1 PLC溫度控制系統(tǒng)

在鍋爐溫度控制系統(tǒng)中，電加熱鍋爐是過程控制工業(yè)中常用的設備，其溫度控制也是過程控制的一個重點。PLC溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，PLC 通過加熱棒及風扇分別控制爐子的加熱及降溫。計算機則實現(xiàn)目標溫度的設定、動態(tài)顯示、參數(shù)的設定等功能，從而實現(xiàn)實時溫度監(jiān)控。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

信號處理、溫度調(diào)節(jié)等功能。在，溫一個溫度控制系統(tǒng)一般具有溫度信號采集、PLC的溫度控制系統(tǒng)中度信號的采集可以使用常用的溫度傳感器（熱電偶、熱電阻）。由溫度傳感器檢測來的信號不是標準的電壓（電流）信號，不能直接送給A/D轉(zhuǎn)換模塊。因此溫度傳感器采集到的溫度信號要經(jīng)過變送器的處理后才能被A/D轉(zhuǎn)換器識別并轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字信號。根據(jù)所使用的溫度傳感器選用對應的溫度變送器。S7-200系列PLC常用的模擬量輸入輸出混合模塊為EM235，EM235為4路模擬量輸入，1路模擬量輸出。PLC對溫度信號進行處理后，通過模擬量模塊輸出電流信號，電流信號可以通過調(diào)壓器來控制電源的開度（即一周期內(nèi)的導通比率），從而控制電源的輸出功率。加熱器根據(jù)電源輸出功率調(diào)節(jié)加熱強度，從而達到溫度調(diào)節(jié)的效果。其系統(tǒng)如圖2所示。

3 溫度PID控制的實現(xiàn)

對于模擬量信號的控制PID（比例+積分+微分）算法控制。S7-200 系列PLC有專門的PID回路指令，對模擬量進行PID控制十分方便。PID指令使用的算法：（ n SP 為第n個采樣時刻的給定值，n為過程變量值，MX 為積分項值）PID 指令根據(jù)表格（TBL）中的輸入和配置信息對引用LOOP執(zhí)行PID 循環(huán)計算。在執(zhí)行PID 指令前，要建立一個參數(shù)表，一般要對表1 中的參數(shù)進行初始化處理。

在實際控制過程中，無論是給定量還是過程量都是工程實際值，它們的取值范圍都是不相同的。因此在進行PID運算前，必須將工程實際值標準化。PLC 在對模擬量進行PID運算后，對輸出產(chǎn)生的控制作用是在［0.0，1］范圍的標準值，不能驅(qū)動實際的驅(qū)動裝置，必須將其轉(zhuǎn)換成工程實際值。

由于電加熱爐具有較大的延時性，所以采輸出值，0.0～1.012 Kc數(shù)正數(shù)雙字，實數(shù)I 回路增益，正、負常數(shù)16 Ts I 采樣時間，單位為s，正20 TI I 積分時間常數(shù)，單位為min，24 Td I 微分時間常數(shù)，單位為min，正數(shù)式控制。大致采用三段控制： *段，開始階段置電源為滿開度，以最大的功率輸出克服熱慣性; 第二段，等到溫度達到一定值轉(zhuǎn)為PID控制; 第三段，接近設定點時置電源開度為0，提供一個保溫階段，以適應溫度的滯后溫升。程序流程圖如圖3 所示，圖中X，Y根據(jù)實際設定。

PID參數(shù)的調(diào)節(jié)是很重要的，調(diào)節(jié)方法有很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握。在工程實際中，控制系統(tǒng)難以建立起精確的數(shù)學模型，所以一般采用工程整定法。PID參數(shù)的工程整定法主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。在這里選用臨界比例度法，整定步驟如下： （1）首先預選擇一個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)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期; （3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。

4 PLC 與計算機通訊的設計

由于VB具有強大的圖形處理功能，界面可視化性強，而且操作簡單，容易實現(xiàn)，故采用VB來實現(xiàn)上位機和下位機的通信。其下位急是S7-200系列PLC，上位機是通過RS-232 串行口與PLC 相連的計算機。

4.1 PLC程序部分

S7-200 支持多種通訊模式，其中在自由口通訊方式下，用戶可以利用梯形圖程序中的接收完成中斷、發(fā)送完成中斷、發(fā)送指令和接收指令完成S7-200 系列PLC 與上位機的通訊。

PLC 的CPU 處于STOP 模式時，自由口通訊被禁止，只有當CPU 處于RUN 模式時，才可使用自由口通訊。SMB30（這里選擇端口0）是自由口模式控制字節(jié)，用來設定校驗方式、通訊協(xié)議、波特率等通訊參數(shù)。發(fā)送指令XMT 啟動自由端口模式下數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送，它可以方便地發(fā)送1~255 個字符，如果有中斷程序連接到發(fā)送結(jié)束事件上，在發(fā)送完成后，端口0 會產(chǎn)生中斷事件9，也可以監(jiān)視發(fā)送完成狀態(tài)位SM45 的變化。接收指令RCV 可以初始化接收信息服務，通過的通訊端口接收信息并存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。在接收完最后一個字符時，端口0 產(chǎn)生中斷事件23. PLC 初始化程序如下：

4.2上位機程序部分

VB 帶有專門管理串行通訊的MSComm 控件，利用它只需設置幾個主要參數(shù)就可以實現(xiàn)PLC與計算機串行通訊。計算機采用VB編程，主要有監(jiān)控界面、當前溫度顯示、動態(tài)溫度曲線顯示、參數(shù)設置以及與PLC通信等方面的設計。通信參數(shù)設置程序如下：

MSComm1.PortOpen= True//打開通信端口。計算機端的VB程序利用MSComm 控件與S7-200交換數(shù)據(jù)，通過自由口通訊程序從現(xiàn)場采集溫度信號。并且上位機程序可以設定初始溫度和PID參數(shù)、顯示動態(tài)溫度曲線。程序運行界面如圖4所示。

5 結(jié)束語

本文介紹了由西門子公司S7-200系列PLC構(gòu)成的溫度控制器，并闡述了VB環(huán)境下計算機與PLC溫控系統(tǒng)的串行通信技術，給出了部分程序，通過實例表明，該系統(tǒng)可靠性高，監(jiān)控方便。

1

極為方便的以太網(wǎng)通信。使用普通的以太網(wǎng)電纜，可以下載和監(jiān)控，提供了筆記本電腦與PLC通信的較簡單的方法。

指令系統(tǒng)的設計簡單合理，有的指令（例如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令）可以設置一個或兩個操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型，一條指令相當于S7-200/300/400的多條指令。

3

只有梯形圖和功能塊圖語言，沒有語句表語言。

4

程序結(jié)構(gòu)基本上與S7-300/400相同。指令系統(tǒng)、程序結(jié)構(gòu)和編程軟件應該與替代S7-300/400的S7-1500兼容。

5

STEP 7 Basic采用與西門子人機界面的組態(tài)軟件WinCC flexible類似的多窗口界面，同時顯示項目樹窗口、程序區(qū)、組態(tài)和顯示信息的窗口，以及指令表或人機界面的對象列表等。軟件的使用極為方便，例如可以將變量表和塊的接口區(qū)中的局部變量直接拖放到梯形圖中。軟件很容易上手。

6

各種硬件、網(wǎng)絡和參數(shù)采用形象直觀的圖形和表格組態(tài)的方法來設置。比S7-200的“向?qū)?rdquo;功能和系統(tǒng)塊更為直觀和方便。

7

集成的WinCC Basic的功能和界面與WinCC flexible基本上相同。PLC與精簡系列面板在同一個項目中組態(tài)和編程，人機界面可以直接使用PLC的變量。指示燈比WinCC flexible的更好用。有人機界面仿真功能。

8

具有比S7-300的參考數(shù)據(jù)更強的功能，有多種顯示交叉數(shù)據(jù)的方法?？梢钥焖俨榭磫为毜淖兞吭赑LC和HMI中使用的情況。

9

有很強的故障診斷和顯示功能，有診斷緩沖區(qū)、窗口的診斷選項卡和讀取錯誤信息的指令。可以用LED顯示有故障的模擬量模塊的通道。

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CPU集成了兩點模擬量，集成的高速計數(shù)器和高速輸出的功能和使用方法與S7-200基本上相同。

11

CPU上可安裝一塊1AO或2DI/2DO信號板。后者可用于高速輸入、高速輸出，可彌補繼電器型CPU不能輸出高速脈沖的缺陷。

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PID的參數(shù)設置和調(diào)試方便直觀，有參數(shù)自整定功能，可控制16個回路。配一塊AO信號板，就可以實現(xiàn)PID閉環(huán)控制。PID參數(shù)自整定功能很好用。

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通信功能*，以太網(wǎng)接口可以實現(xiàn)S7-1200與計算機或精簡系列面板的通信，S7-1200之間的通信，S7-1200與S7-200、S7-300/400的通信，S7-1200與WinCC的OPC通信。

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配上串行通信接口后，可以實現(xiàn)與變頻器的USS通信，與計算機和S7-200的Modbus通信。

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