葉 軍,劉海雄,廖勇鋒

(青海大學 機械工程學院,青海 西寧 810016)

基于S7-200PLC和WinCCFlexible2008的PID溫度控制系統(tǒng)

葉 軍,劉海雄,廖勇鋒

(青海大學 機械工程學院,青海 西寧 810016)

對基于S7-200 PLC和Flexible 2008組態(tài)軟件的PID溫度控制系統(tǒng)進行了研究，介紹了基于S7-200 PLC和Flexible 2008組態(tài)軟件的PID溫度控制系統(tǒng)硬件組成及工作原理,給出了實現(xiàn)溫度PID控制的PLC程序設計和Flexible 2008組態(tài)軟件設計要點。該溫度控制系統(tǒng)可通過Flexible 2008組態(tài)軟件實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控，并可設置PID溫度控制閥值。利用PLC可靠性高、抗干擾能力強和組態(tài)軟件開放性好、界面顯示組態(tài)功能強大的特點，使溫度檢測和驅動模塊實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。

可編程序控制器；溫度控制；PID；WinCC Flexible 2008

溫度控制系統(tǒng)硬件及其控制方法的實現(xiàn)在機電專業(yè)理論和實踐教學中擁有非?，F(xiàn)實和重要的地位，是因為溫度控制在機電控制系統(tǒng)應用廣泛，學生不僅可以從溫度控制系統(tǒng)組成中學習到相關的硬件知識，而且可以利用硬件設計和驗證溫度控制系統(tǒng)及其算法和程序，從而達到培養(yǎng)工程實踐能力的目的。

本文中采用的溫度控制系統(tǒng)核心是S7-200 PLC，采用PID溫度控制方式，即proportional(比例),integral(積分)和differential(微分)。PID運算的任務是根據(jù)反饋與給定值的相對差值，按照PID運算規(guī)律計算出結果，輸出到加熱驅動的執(zhí)行機構進行調(diào)節(jié)，以達到自動維持被控制的量跟隨給定變化[1]。基于現(xiàn)代PLC的優(yōu)良性能，采用PLC的溫度控制系統(tǒng)有著良好的溫度控制精度和穩(wěn)定性。

WinCC Flexible 工程系統(tǒng)是用于處理所有基本組態(tài)任務的軟件，WinCC Flexible是一種前瞻性的面向機器的自動化概念的HMI軟件，它具有舒適而高效的設計[2]，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，集動畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設備控制和企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡等功能，廣泛應用于工程領域[3]。PLC和WinCC Flexible 2008結合，能充分發(fā)揮PLC工作穩(wěn)定和組態(tài)軟件直觀顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和便于監(jiān)控等優(yōu)點，本文介紹一種基于S7-200 PLC和WinCC Flexible 2008的PID溫度控制系統(tǒng)。

1 溫度控制系統(tǒng)硬件方案

該控制系統(tǒng)硬件結構組成[4-6]如圖1所示，控制系統(tǒng)核心是西門子S7-200 PLC的CPU模塊CPU 224XP CN，該模塊上有兩個通信端口，一個端口通過PC/PPI電纜與上位電腦相連接，同時該PC/PPI電纜還可用于連接SMT 700觸摸屏，用于下載WinCC Flexible 2008組態(tài)工程到SMT 700觸摸屏。另一個端口用MPI電纜連接SMT 700觸摸屏。該溫度控制系統(tǒng)其他模塊都通過扁平電纜相連接，其中PS 207是24 V電源模塊，EM 223 CN是16點I/O擴展模塊，EM 235 CN是4通道模擬量輸入和1通道模擬量輸出模塊，該模塊外接溫度驅動和檢測模塊，該模塊由加熱器、驅動模塊、Pt 100傳感器+溫度變送器3個模塊組成。以上PLC硬件組成閉環(huán)PID溫度控制系統(tǒng)。

圖1 溫度控制系統(tǒng)硬件結構圖

2 溫度控制系統(tǒng)工作原理

SMT 700觸摸屏上的組態(tài)軟件組成人機界面HMI，可以控制系統(tǒng)啟動停止，監(jiān)控實時溫度數(shù)據(jù)，還可以設置加熱溫度。PLC分別與HMI和EM 235連接通信。EM 235輸出端連接溫度驅動檢測模塊并提供驅動電壓，使加熱器工作，Pt 100溫度傳感器通過電阻值的變化將溫度轉變?yōu)橄鄳妷褐祩骰谽M 235模塊。經(jīng)過模數(shù)轉換后溫度變量傳到PLC，經(jīng)PID運算判斷是否繼續(xù)加熱以及給多少電壓加熱，HMI從PLC中讀取實時溫度并加以顯示。

3 PLC溫控程序設計

3.1 PID溫控原理

PID控制原理基于：

(1)

輸出M(t)等于比例項、積分項和微分項之和[3]。

式中：M(t)為PID回路的輸出，是時間的函數(shù)；Kc為PID回路的增益；e為PID回路的偏差(給定值與過程變量之差)；Minitial為PID回路輸出的初始值。

PID回路指令以回路表的輸入和組態(tài)信息進行PID運算，本設計采用PID回路指令進行PID運算。該指令有兩個操作數(shù)：Table和Loop。其中Table是回路表的起始地址，本設計取VB 200；Loop是回路號，本設計只有一個PID回路，故取默認值0。

3.2 PID參數(shù)的整定

3.3 PLC程序流程圖

程序的流程如圖2所示。

圖2 程序流程圖

3.4 溫度控制S7-200梯形圖程序

PLC編程采用STEP 7-MicroWIN軟件，在應用時，先在上位電腦上編制PLC溫度控制程序，然后把PLC的梯形圖程序通過通信電纜下載給CPU，并使得溫控程序在PLC的CPU模塊中執(zhí)行。

3.4.1 程序開始運行階段程序段

停止與溫度顯示梯形程序圖如圖3所示。設備上電后，程序實現(xiàn)讀入模擬量并經(jīng)轉化處理在HMI中顯示。程序中M10.1對應著HMI中的啟動/停止開關，能控制程序的運行與停止。當M10.1按下，調(diào)用一次PID初始化子程序SBR_0。

圖3 停止與溫度顯示梯形程序圖

3.4.2 子程序SBR_0

每個PID回路有兩個輸入量，給定值(SP)和過程變量(PV)。給定值和過程變量都可能是現(xiàn)實世界的值，它們的大小、范圍和工程單位可能不一樣。PID指令在對這些量進行運算前，必須把它們轉換成標準的浮點實數(shù)[1]。

PID參數(shù)導入梯形程序圖如圖4所示。程序實現(xiàn)對設定溫度進行標準化處理后與其他PID參數(shù)一起導入PID回路[7]。100 ms后中斷，進入中斷程序。

圖4 PID參數(shù)導入梯形程序圖

4 組態(tài)軟件設計

本文溫度控制系統(tǒng)采用WinCC Flexible 2008組態(tài)軟件。溫度監(jiān)控組態(tài)界面在上位編程與監(jiān)控電腦上開發(fā)，溫度監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)主要包含實時數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、I /O 設備的連接、窗口界面的編輯、動畫鏈接、實時曲線、歷史曲線、報表、用戶權限管理、策略組態(tài)、按鈕、菜單和腳本程序等內(nèi)容[8]。

4.1 變量定義與使用

外部變量使得自動化過程的組件之間(如HMI設備與PLC 之間)能夠進行通信(數(shù)據(jù)交換)。外部變量是PLC 中所定義的存儲位置的映像。 無論是HMI 設備還是PLC，都可對該存儲位置進行讀寫訪問。由于外部變量是在PLC 中定義的存儲位置的映像，因而它能采用的數(shù)據(jù)類型取決于與HMI設備相連的PLC。

在集成的STEP 7中進行組態(tài)，則當創(chuàng)建外部變量時，可以直接訪問在PLC 編程期間用STEP 7創(chuàng)建的所有變量[9-10]。本文設計HMI與PLC建立聯(lián)系的變量表截屏圖如圖5所示。

圖5 變量表截屏圖

4.2 溫度監(jiān)控軟件組態(tài)界面

溫度監(jiān)控組態(tài)畫面如圖6所示，該畫面趨勢圖可用曲線顯示過程溫度和設定溫度之間的關系，觸摸“溫度設定”可以輸入需要的加熱溫度值，“加熱”“保溫”和“報警”為指示燈。按下“啟動”開關，程序運行，再次按下程序停止運行。組態(tài)界面趨勢圖中，實時溫度的數(shù)值是通過變量地址VD 8讀取PLC中讀入模擬量經(jīng)轉化處理后的值。實際運行中的SMT 700觸摸屏溫度控制實物圖如圖7所示。

圖6 溫度監(jiān)控組態(tài)畫面

圖7 實際運行中的SMT700觸摸屏實物圖

5 結束語

該溫度控制系統(tǒng)在實驗室的實際應用證明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，監(jiān)控組態(tài)界面上能實現(xiàn)加熱溫度設定、控制加熱系統(tǒng)啟停，以及直觀顯示設定溫度和當前實際溫度之間的變化趨勢關系，并且當溫度達到設定溫度時，伴隨控制電路的動作，組態(tài)界面的指示也會相應地變化，溫度初始有超調(diào)，隨后幾分鐘，溫度可以穩(wěn)定在設定溫度0.1 ℃左右波動，達到較好溫控精度。同時，基于S7-200 PLC控制系統(tǒng)硬件的開放性，本溫度控制系統(tǒng)也適于開發(fā)和驗證更好的PID溫度控制方法，起到良好的教學和研究效果。

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PIDTemperatureControlSystemBasedonS7-200PLCandWinCCFlexible2008

YE Jun,LIU Haixiong,LIAO Yongfeng

(School of Mechanical Engineering，Qinghai University，Xining 810016，China)

The PID temperature control system based on S7-200 PLC and Flexible 2008 configuration software is studied.The hardware composition and working principle of PID temperature control system based on S7-200 PLC and Flexible 2008 are introduced.Gives the realization of temperature PID control PLC program design and flexible 2008 configuration software design points.The temperature control system can be dynamically monitored via the Flexible 2008 configuration software and PID temperature control thresholds can be set.This kind of control model not only uses the advantage that PLC has high reliability，strong anti-interference capacity,but also uses the merit that configuration software has great openness，excellent interface display configuration，which realizes the temperature closed-loop control in temperature detection and driving module.

PLC；temperature control；PID；WinCC Flexible 2008

2016-02-04；修改日期:2016-10-04

青海大學2016—2017學年教育教學研究項目(JY161735)；青海省科技廳項目(2014-GX-212)

葉軍(1970-)，男，碩士，副教授，主要從事機電領域教學、科研和實驗室管理。

TH273

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.005