基于西门子S7-200PLC的温度控制

孙 静

(黎明职业大学 机电工程系，福建 泉州 362000)

在工农业生产和生活中，温度往往作为一个非常重要的物理量，需要准确地加以控制调节.随着传感器技术和各种控制方法的不断发展，人们对控制的精度和速度也提出越来越高的要求[1].PID调节是经典控制理论中常见的一种控制方式，对存在较大惯性环节或滞后环节的物理量(如温度)具有较好的调节作用.而PID调节中至关重要的就是对控制器的参数整定.PID整定方法主要有两种：一是理论计算整定法，主要依靠系统的数学模型，经过理论计算确定控制参数，并通过工程实际进行调整；二是工程整定法，依靠经验，直接在试验中进行整定.本文采用工程整定法，利用西门子S7-200PLC温度控制模块详细介绍了PID参数进行整定的过程，给出相应整定过程曲线，达到最优参数组合，实现对温度的控制.并通过WinCC flexible组态软件建立友好人机界面，实现在线监控.

1 控制系统原理

系统采用S7-200PLC作为控制器，主机模块选用CPU224XP.CPU224XP本体提供了两路模拟量输入端子A+和B+，对应地址通道为AIW0和AIW2.这里采用AIW2作为信号输入地址，输入信号范围-10～+10V电压信号.温度信号的检测传感器采用铂电阻PT100，其测量精度高、性能稳定可靠，测量范围为0～100℃.传感器将温度信号转化成0～10V的电压信号送至CPU224XP，再将电压信号转化为0～32000的数字信号.PLC将当前测量值与设定值进行比较产生一个比较偏差，经PID运算后发出控制信号，当温度低于设定温度时，由PLC输出端Q0.6控制加热电阻加热，当温度高于设定温度时，由PLC输出端Q0.7开启风扇(如图1)，最终实现温度的自动控制.

图1 控制原理示意图

2 PID控制原理

PID控制即比例、积分、微分控制，是一种自动控制方法，目的是使被控物理量追随给定值并快速趋于稳定，且能够自动消除各种因素对控制效果的扰动[2].PID控制系统是典型的闭环控制系统，系统框图如图2所示，其中Sp(t)是设定值，Pv(t)为过程变量(反馈量)；c(t)为系统的输出量，PID控制器的输入输出关系如式(1)所示：

图2 PID闭环控制系统框图

(式1)

式1中，u(t)为控制器输出；uo为回路输出初始值；e(t)=sp(t)-pv(t)为误差；Kc为比例系数；Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数.从该式可以看出，控制器的输出量与比例系数和微分时间常数成正比例关系，而与积分时间常数成反比例关系.采用PID调节其目的就是调节Kc、Ti和Td这三个参数.比例控制是一种最简单的控制方式，增大比例系数有利于减小静差，加速系统的响应，但比例系数过大会使系统产生大的超调，甚至震荡，使稳定性变差.积分调节，其控制器输出与偏差的积分成正比，随着时间增大，推动控制器输出变大，使稳态误差减少，可消除静差，但是降低了系统响应速度.微分调节，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系，使系统对反馈变化趋势预测调整，具有超前调节作用.

3 S7-200PLC温度模块参数整定

S7-200CPU提供了8路PID功能，通过PID指令功能块实现控制.STEP7-Micro/WIN提供了PID指令向导，在向导中填写参数，便可自动生成PID子程序.这里我们将反馈的过程量输入到模拟量输入通道AIW2，加热电阻由PLC的输出端子Q0.6控制，风扇由输出端子Q0.7控制，生成的子程序PID0-INIT通过SM0.0调用，控制程序如图3所示，其中PID子程序中Seption为设定值，这里设定理想温度为45.0℃，I1.2为手动模式控制按钮，当其为ON时为手动模式，这里我们设置其为自动模式，即通过PID参数整定进行输出控制.本系统中输入的过程变量的范围为0～32000，对应温度值为0～100℃，要显示当前温度需将数字量转化成温度值.Scale-I-to-R即是将过程变量(数字量)转化成温度值子程序.系统还设置了上下限报警，当温度超过55℃时，Q1.0控制的指示灯亮，低于35℃时，Q1.1控制的指示灯亮.

图3 PID控制程序

将程序下载至PLC，并切换到运行状态，此时利用STEP7-Micro/WIN4.0提供的PID控制面板对参数进行自整定[3].在系统自整定之前，先进行手动整定，当参数接近系统自整定参数时再选择自动整定，提高整定的成功率.下面将整定过程介绍如下：

首先整定比例增益，这时先不设置积分和微分环节，即将积分时间常数设置为无穷大，微分时间设置为0，采用临界值震荡法进行整定.先给Kc设定一个大值，这里设置20，将这几个参数下载到PLC中，观测控制效果图如图4，此时可以看出图中产生了大的震荡，且过程量PV迅速增大并超过设定值Sp，说明比例系数太大，出现超调.因为比例与输出成正比关系，因此需要慢慢减小Kc，当Kc值降低到13时，系统震荡几乎消失，如图5所示，PV趋于稳定且接近设定值，当前Kc值即为我们手动调整的比例增益.

图4 整定Kc=20.0的控制曲线

图5 整定Kc=13.0的控制曲线

从图5中看出，Kc调整后，虽然PV已经很接近Sp，但是仍然存在静差，为消除系统静差，我们引入积分环节.调节时依然使用临界值震荡法.因为积分时间常数与系统输出成反比例关系，我们先取一个较小的积分时间常数Ti=0.01，比例系数保持不变，此时系统会再次出现震荡，需要慢慢增大积分时间，当增大到Ti=0.03时，系统震荡慢慢消除，且过程量PV更趋近甚至基本等于设定值Sp，如图6所示，这时Kc、Ti值即为系统手动整定参数值.

图6 整定Kc和Ti后的控制曲线

微分环节能够提前预测趋势变化，实现超前调节，适用于像温度这样的大惯性对象.这里在采用PI调节后，再引入微分调节，提高系统响应速度.微分调节与上述调节方法一样，先给Td一个大参数，使其产生震荡，然后慢慢减小参数值，直到震荡基本消除，取此时的Td为手动整定值，Td=0.02，如图7所示.

图7 整定Kc=13.0，Ti=0.03，Td=0.02后的控制曲线

手动整定后，选择自动调节，这样系统就根据我们已经整定好的参数进行自整定，以得到PID调节的最优参数值.最后将自整定好的参数下载到PLC中，系统将保留当前参数作为PID调整的最终参数.

4 组态画面设计

为了实现在线监控，使控制系统的界面更加直观，采用WinCC flexible2007组态软件对画面进行组态，利用变量编辑器创建PLC连接变量，将画面中各对象地址与PLC地址相对应[4].组态的温度控制主画面如图8所示.画面中显示出PID整定的最优参数值，当前温度可以通过棒图显示，当超过温度上限或者低于温度下限时，对应的指示灯进行闪烁显示，点击风扇按钮启动风扇，系统能够快速调整并迅速达到设定值.

5 结论

本文利用西门子S7-200PLC，结合PID温度控制模块对PID参数进行整定，并使用WinCC flexible2007设计人机界面，实现对温度的实时监控.调节最佳系统参数后，温度可以控制在目标温度-0.3℃～+0.3℃范围内，而且加入扰动，系统也可以快速接近目标值[5].

图8 温度控制组态画面

参考文献：

[1]李国萍.基于PLC的温度控制系统[J].科技创新导报，2010(7).

[2]蔡行健，黄文钰.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京航空航天大学出版社，2006.

[3]曾喜娟，庄其仁，吴志华.基于S7-200PLC的PID参数自整定方法[J].控制与检测，2010(1).

[4]刘伟，房奎竹，兰波.基于西门子WinCC flexible和STEP7的虚拟电梯设计[J].中国科技信息，2009(13).

[5]俞海珍，张维山，史旭华.基于PLC和WinCC的温度控制系统[J].工业控制计算机，2009(12).