基于西門子S7-200系列PLC構(gòu)成及PID溫度控制的實(shí)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(shí)現(xiàn)方法。介紹了VB環(huán)境下實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC溫度監(jiān)控系統(tǒng)的串行通信的技術(shù)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試表明，本系統(tǒng)具有可靠性高，監(jiān)控方便等優(yōu)點(diǎn)。由于PLC在工業(yè)領(lǐng)域使用的普遍性，該系統(tǒng)有很大的使用范圍。

因?yàn)镻LC具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、編程簡(jiǎn)單、使用方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，成為了當(dāng)今及今后工業(yè)控制領(lǐng)域的主要手段和自動(dòng)化控制設(shè)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(wèn)題之一。在一些熱處理行業(yè)，由于使用簡(jiǎn)單的溫控儀表和溫控電路進(jìn)行控制，存在控制精度低、超調(diào)量大等缺點(diǎn)，這樣就造成了產(chǎn)品質(zhì)量不高，能源浪費(fèi)等問(wèn)題。

基于PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的普及性和溫度控制的重要性，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的智能溫度控制系統(tǒng)，具有很廣的應(yīng)用空間。同時(shí)，由于PLC具有自身的一些缺點(diǎn)，即數(shù)據(jù)的計(jì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度變化的跟蹤與監(jiān)控，而計(jì)算機(jī)可以很好的彌補(bǔ)的這一缺點(diǎn)。用計(jì)算機(jī)與PLC 組成的主從式實(shí)時(shí)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(shì)，實(shí)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(guò)PLC串口通訊與計(jì)算機(jī)連接，監(jiān)控界面友好，運(yùn)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(guò)程控制工業(yè)中常用的設(shè)備，其溫度控制也是過(guò)程控制的一個(gè)重點(diǎn)。PLC溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，PLC 通過(guò)加熱棒及風(fēng)扇分別控制爐子的加熱及降溫。計(jì)算機(jī)則實(shí)現(xiàn)目標(biāo)溫度的設(shè)定、動(dòng)態(tài)顯示、參數(shù)的設(shè)定等功能，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

信號(hào)處理、溫度調(diào)節(jié)等功能。在，溫一個(gè)溫度控制系統(tǒng)一般具有溫度信號(hào)采集、PLC的溫度控制系統(tǒng)中度信號(hào)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(cè)來(lái)的信號(hào)不是標(biāo)準(zhǔn)的電壓（電流）信號(hào)，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(hào)要經(jīng)過(guò)變送器的處理后才能被A/D轉(zhuǎn)換器識(shí)別并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。根據(jù)所使用的溫度傳感器選用對(duì)應(yīng)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(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行處理后，通過(guò)模擬量模塊輸出電流信號(hào)，電流信號(hào)可以通過(guò)調(diào)壓器來(lái)控制電源的開度（即一周期內(nèi)的導(dǎo)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(qiáng)度，從而達(dá)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(shí)現(xiàn)

對(duì)于模擬量信號(hào)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(duì)模擬量進(jìn)行PID控制十分方便。PID指令使用的算法：（ n SP 為第n個(gè)采樣時(shí)刻的給定值，n為過(guò)程變量值，MX 為積分項(xiàng)值）PID 指令根據(jù)表格（TBL）中的輸入和配置信息對(duì)引用LOOP執(zhí)行PID 循環(huán)計(jì)算。在執(zhí)行PID 指令前，要建立一個(gè)參數(shù)表，一般要對(duì)表1 中的參數(shù)進(jìn)行初始化處理。

在實(shí)際控制過(guò)程中，無(wú)論是給定量還是過(guò)程量都是工程實(shí)際值，它們的取值范圍都是不相同的。因此在進(jìn)行PID運(yùn)算前，必須將工程實(shí)際值標(biāo)準(zhǔn)化。PLC 在對(duì)模擬量進(jìn)行PID運(yùn)算后，對(duì)輸出產(chǎn)生的控制作用是在［0.0，1］范圍的標(biāo)準(zhǔn)值，不能驅(qū)動(dòng)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)裝置，必須將其轉(zhuǎn)換成工程實(shí)際值。

由于電加熱爐具有較大的延時(shí)性，所以采輸出值，0.0～1.012 Kc數(shù)正數(shù)雙字，實(shí)數(shù)I 回路增益，正、負(fù)常數(shù)16 Ts I 采樣時(shí)間，單位為s，正20 Ti I 積分時(shí)間常數(shù)，單位為min，24 Td I 微分時(shí)間常數(shù)，單位為min，正數(shù)式控制。大致采用三段控制：第一段，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(dá)到一定值轉(zhuǎn)為PID控制; 第三段，接近設(shè)定點(diǎn)時(shí)置電源開度為0，提供一個(gè)保溫階段，以適應(yīng)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(shí)際設(shè)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(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)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(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握。在工程實(shí)際中，控制系統(tǒng)難以建立起精確的數(shù)學(xué)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(yīng)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(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)，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)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(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。

4 PLC 與計(jì)算機(jī)通訊的設(shè)計(jì)

由于VB具有強(qiáng)大的圖形處理功能，界面可視化性強(qiáng)，而且操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，故采用VB來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信。其下位急是S7-200系列PLC，上位機(jī)是通過(guò)RS-232 串行口與PLC 相連的計(jì)算機(jī)。

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(jī)的通訊。

PLC 的CPU 處于STOP 模式時(shí)，自由口通訊被禁止，只有當(dāng)CPU 處于RUN 模式時(shí)，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(lái)設(shè)定校驗(yàn)方式、通訊協(xié)議、波特率等通訊參數(shù)。發(fā)送指令XMT 啟動(dòng)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(gè)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(huì)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(wù)，通過(guò)指定的通訊端口接收信息并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。在接收完最后一個(gè)字符時(shí)，端口0 產(chǎn)生中斷事件23. PLC 初始化程序如下：

4.2上位機(jī)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(shè)置幾個(gè)主要參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)串行通訊。計(jì)算機(jī)采用VB編程，主要有監(jiān)控界面、當(dāng)前溫度顯示、動(dòng)態(tài)溫度曲線顯示、參數(shù)設(shè)置以及與PLC通信等方面的設(shè)計(jì)。通信參數(shù)設(shè)置程序如下：

MSComm1.CommPort = 1// 設(shè)置通訊口為COM1

MSComm1.Settings = “9600，n，8，1”//波特率9600bps，無(wú)奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)，1 位停止

MSComm1.InputLen = 8//一次讀取8 個(gè)字節(jié)

MSComm1.PortOpen= True//打開通信端口。計(jì)算機(jī)端的VB程序利用MSComm 控件與S7-200交換數(shù)據(jù)，通過(guò)自由口通訊程序從現(xiàn)場(chǎng)采集溫度信號(hào)。并且上位機(jī)程序可以設(shè)定初始溫度和PID參數(shù)、顯示動(dòng)態(tài)溫度曲線。程序運(yùn)行界面如圖4所示。