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基于西门子S7-200系列PLC构成及PID温度控制的实现

本文介绍了基于S7-200系列PLC的智能温度控制器系统。阐述了温度控制的实现方法。介绍了VB环境下实现上位机和PLC温度监控系统的串行通信的技术。经过现场调试表明，本系统具有可靠性高，监控方便等优点。由于PLC在工业领域使用的普遍性，该系统有很大的使用范围。

因为PLC具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，成为了当今及今后工业控制领域的主要手段和自动化控制设备。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。在一些热处理行业，由于使用简单的温控仪表和温控电路进行控制，存在控制精度低、超调量大等缺点，这样就造成了产品质量不高，能源浪费等问题。

基于PLC在工业控制领域的普及性和温度控制的重要性，设计了一个基于PLC的智能温度控制系统，具有很广的应用空间。同时，由于PLC具有自身的一些缺点，即数据的计算处理和管理能力较弱，不能提供良好的用户界面，因此妨碍了对现场温度变化的跟踪与监控，而计算机可以很好的弥补的这一缺点。用计算机与PLC 组成的主从式实时监控系统，能够充分发挥各自在工业控制中的优势，实现分散控制、集中监控等全新功能。本系统采用西门子公司S7-200系列PLC，通过PLC串口通讯与计算机连接，监控界面友好，运行稳定。

1 PLC温度控制系统

在锅炉温度控制系统中，电加热锅炉是过程控制工业中常用的设备，其温度控制也是过程控制的一个重点。PLC温度控制系统的结构如图1所示，PLC 通过加热棒及风扇分别控制炉子的加热及降温。计算机则实现目标温度的设定、动态显示、参数的设定等功能，从而实现实时温度监控。

2 系统构成

信号处理、温度调节等功能。在，温一个温度控制系统一般具有温度信号采集、PLC的温度控制系统中度信号的采集可以使用常用的温度传感器（热电偶、热电阻）。由温度传感器检测来的信号不是标准的电压（电流）信号，不能直接送给A/D转换模块。因此温度传感器采集到的温度信号要经过变送器的处理后才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。根据所使用的温度传感器选用对应的温度变送器。S7-200系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块为EM235，EM235为4路模拟量输入，1路模拟量输出。PLC对温度信号进行处理后，通过模拟量模块输出电流信号，电流信号可以通过调压器来控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。加热器根据电源输出功率调节加热强度，从而达到温度调节的效果。其系统如图2所示。

3 温度PID控制的实现

对于模拟量信号的控制PID（比例+积分+微分）算法控制。S7-200 系列PLC有专门的PID回路指令，对模拟量进行PID控制十分方便。PID指令使用的算法：（ n SP 为第n个采样时刻的给定值，n为过程变量值，MX 为积分项值）PID 指令根据表格（TBL）中的输入和配置信息对引用LOOP执行PID 循环计算。在执行PID 指令前，要建立一个参数表，一般要对表1 中的参数进行初始化处理。

在实际控制过程中，无论是给定量还是过程量都是工程实际值，它们的取值范围都是不相同的。因此在进行PID运算前，必须将工程实际值标准化。PLC 在对模拟量进行PID运算后，对输出产生的控制作用是在［0.0，1］范围的标准值，不能驱动实际的驱动装置，必须将其转换成工程实际值。

由于电加热炉具有较大的延时性，所以采输出值，0.0～1.012 Kc数正数双字，实数I 回路增益，正、负常数16 Ts I 采样时间，单位为s，正20 TI I 积分时间常数，单位为min，24 Td I 微分时间常数，单位为min，正数式控制。大致采用三段控制： *段，开始阶段置电源为满开度，以最大的功率输出克服热惯性; 第二段，等到温度达到一定值转为PID控制; 第三段，接近设定点时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。程序流程图如图3 所示，图中X，Y根据实际设定。

PID参数的调节是很重要的，调节方法有很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握。在工程实际中，控制系统难以建立起精确的数学模型，所以一般采用工程整定法。PID参数的工程整定法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。在这里选用临界比例度法，整定步骤如下： （1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作; （2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期; （3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

4 PLC 与计算机通讯的设计

由于VB具有强大的图形处理功能，界面可视化性强，而且操作简单，容易实现，故采用VB来实现上位机和下位机的通信。其下位急是S7-200系列PLC，上位机是通过RS-232 串行口与PLC 相连的计算机。

4.1 PLC程序部分

S7-200 支持多种通讯模式，其中在自由口通讯方式下，用户可以利用梯形图程序中的接收完成中断、发送完成中断、发送指令和接收指令完成S7-200 系列PLC 与上位机的通讯。

PLC 的CPU 处于STOP 模式时，自由口通讯被禁止，只有当CPU 处于RUN 模式时，才可使用自由口通讯。SMB30（这里选择端口0）是自由口模式控制字节，用来设定校验方式、通讯协议、波特率等通讯参数。发送指令XMT 启动自由端口模式下数据缓冲区中的数据发送，它可以方便地发送1~255 个字符，如果有中断程序连接到发送结束事件上，在发送完成后，端口0 会产生中断事件9，也可以监视发送完成状态位SM45 的变化。接收指令RCV 可以初始化接收信息服务，通过的通讯端口接收信息并存储在数据缓冲区内。在接收完最后一个字符时，端口0 产生中断事件23. PLC 初始化程序如下：

4.2上位机程序部分

VB 带有专门管理串行通讯的MSComm 控件，利用它只需设置几个主要参数就可以实现PLC与计算机串行通讯。计算机采用VB编程，主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。通信参数设置程序如下：

MSComm1.PortOpen= True//打开通信端口。计算机端的VB程序利用MSComm 控件与S7-200交换数据，通过自由口通讯程序从现场采集温度信号。并且上位机程序可以设定初始温度和PID参数、显示动态温度曲线。程序运行界面如图4所示。

5 结束语

本文介绍了由西门子公司S7-200系列PLC构成的温度控制器，并阐述了VB环境下计算机与PLC温控系统的串行通信技术，给出了部分程序，通过实例表明，该系统可靠性高，监控方便。

1

极为方便的以太网通信。使用普通的以太网电缆，可以下载和监控，提供了笔记本电脑与PLC通信的较简单的方法。

指令系统的设计简单合理，有的指令（例如数据转换指令）可以设置一个或两个操作数的数据类型，一条指令相当于S7-200/300/400的多条指令。

3

只有梯形图和功能块图语言，没有语句表语言。

4

程序结构基本上与S7-300/400相同。指令系统、程序结构和编程软件应该与替代S7-300/400的S7-1500兼容。

5

STEP 7 Basic采用与西门子人机界面的组态软件WinCC flexible类似的多窗口界面，同时显示项目树窗口、程序区、组态和显示信息的窗口，以及指令表或人机界面的对象列表等。软件的使用极为方便，例如可以将变量表和块的接口区中的局部变量直接拖放到梯形图中。软件很容易上手。

6

各种硬件、网络和参数采用形象直观的图形和表格组态的方法来设置。比S7-200的“向导”功能和系统块更为直观和方便。

7

集成的WinCC Basic的功能和界面与WinCC flexible基本上相同。PLC与精简系列面板在同一个项目中组态和编程，人机界面可以直接使用PLC的变量。指示灯比WinCC flexible的更好用。有人机界面仿真功能。

8

具有比S7-300的参考数据更强的功能，有多种显示交叉数据的方法。可以快速查看单独的变量在PLC和HMI中使用的情况。

9

有很强的故障诊断和显示功能，有诊断缓冲区、窗口的诊断选项卡和读取错误信息的指令。可以用LED显示有故障的模拟量模块的通道。

10

CPU集成了两点模拟量，集成的高速计数器和高速输出的功能和使用方法与S7-200基本上相同。

11

CPU上可安装一块1AO或2DI/2DO信号板。后者可用于高速输入、高速输出，可弥补继电器型CPU不能输出高速脉冲的缺陷。

12

PID的参数设置和调试方便直观，有参数自整定功能，可控制16个回路。配一块AO信号板，就可以实现PID闭环控制。PID参数自整定功能很好用。

13

通信功能*，以太网接口可以实现S7-1200与计算机或精简系列面板的通信，S7-1200之间的通信，S7-1200与S7-200、S7-300/400的通信，S7-1200与WinCC的OPC通信。

14

配上串行通信接口后，可以实现与变频器的USS通信，与计算机和S7-200的Modbus通信。

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