盐城西门子模块代理商

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。

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.

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：

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。

工业智能化向前沿推进，芯片设计助力PLC低功耗、小型化

工业领域的技术变革经过了几个时代，当前已经进入了工业4.0阶段，虽然技术更迭在加速，但每一次更迭都致力于相同的愿景，即提高生产效率、降低安全隐患、提高产品*性和质量、缩短产品生产周期，以及降低生产过程的浪费。

对此，近些年一直将提升工业和工厂智能化作为主要目标市场的美信深有体会，2014年该公司推出面向工业市场的*代微型PLC产品，大幅减小PLC尺寸；2016年推出的第二代Pocket IO产品，较上一代尺寸缩小2.5倍，功耗降低30%，整个模块体积缩小到可以放入口袋，这也是Pocket IO名称的来历。更重要的这一代产品通过引入了IO-Link技术，一种智能传感器技术，让工业控制真正实现自适应，能够让产线针对外界环境的变化，实现一些动态响应和调整。由此带来的是通过自适应调节提供生产灵活性，工厂可以用一条产线生产多种产品，不需要增建、扩建更多的产线；按照两年更新一代的节奏，到了今年2018年，美信如约推出了第三代工业平台Go IO产品，这一代产品的尺寸较上一代缩小10倍，功耗降低50%。

如果说*代和第二代工业平台产品的推出背后是随着自动化水平的提高，工业领域对于模块体积要求越来越高，对分布式控制的需求也越来越多。那么到了第三代产品，我们能看到工业4.0对工厂建设的新要求和新趋势，即随工业物联网和智能化的不断推进，整个工厂网络面临重建，智能化控制正在加速向前沿、边缘推进，而工业设备边缘侧的小型化、低功耗要求显著更高。下图数据显示，当前市场对小型PLC的需求量几乎是大型PLC的2倍，明显见证了这一趋势，Go IO正是为此而来。

美信工业及医疗健康事业部总经理Jeff DeAngelis

“实际上Go IO的引入可以让客户实时监测产线运行的健康状况，每个环节是不是在正常健康的运转，同时引入一些诊断的功能，从而实现更加智能化的管理。而且从前沿智能传感器收集大量信息，能够获取更准确的数据，对人工智能的引入也是有帮助的，因为人工智能的算法可以基于这些精准的数据来做运算，从而做出正确的判断。Go IO的部署，可以让终端设备将收集到的数据送到云端，对于AI数据管理非常有利。”美信工业及医疗健康事业部总经理Jeff DeAngelis这样介绍Go IO对未来智能化工厂建设的意义。

一代Go IO产品在尺寸、功耗方面表现的显著改善得益于几颗核心器件的集成化设计和性能优化。包括将上一代通信模块MAX14949与变压器集成在一起，构成MAXM22510，尺寸减小了40%；IO部分的数字隔离器MAX14930和数字串行器MAX22190集成在一起，构成MAX22192，尺寸减小了31%；电源部分通过美信专有的uSLIC电源模块技术实现输出电流可达300mA工业电源模块MAXM15462，将高效同步整流的高压DC-DC转换器和电感、电容全部集成到一起，较上一代解决方案的尺寸减小了65%。最终实现的Go IO电路板尺寸只有12K mm3 。

Go IO PLC板卡大小不及一张名片

然而在传统的工业领域，芯片产品的高集成度优势并不那么明显。对此，Jeff也坦言，因为工业领域的客户需求相对分散，如何在高集成度和灵活性之间取得平衡确实是产品定义中的一大难题。美信的做法是听取客户声音，与客户进行广泛沟通，了解他们的需求，在产品定义中以解决客户的实际问题为出发点是其经验之谈。

用一个细节来说明美信在产品定义中对客户实际需求的考量。MAX14912是一款8路数字输出芯片，以非常小的尺寸提供8通道的数字输出，它除了可以实现快速切换外，还具有安全的去磁功能，这点在工业控制里很重要，因为系统中的一些传感器是感性负载，在开关瞬间会产生很强的反冲，这个能量如果不能很好的处理会造成机器设备的损坏。MAX14912这颗IC里集成了释放通道，让它具有了去磁的功能，可以把感性负载的瞬间反冲吸收掉，为设备和其他单元提供有效的保护。帮助用户摆脱设计的局限性。

Jeff提到，之所以命名为Go IO，意在这款平台产品因为其小型化的特征可以进入更多的应用场景，不只局限于工业自动化应用，还可以进入包括楼宇自动化、机器人等同样对低功耗、小型化有较高要求的应用领域。“很多客户已经在design in阶段。”Jeff如是说。

盐城西门子模块代理商