基于西门子PLC温控调速系统的设计

李成春、郭琼

(无锡职业技术学院，江苏无锡，214121）

前言

随着现代化程度的加快，工业控制会变得越来越复杂，产品的更新换代也会成为必然，对核心控制器的要求也会越来越高。S7-300适用于较为复杂的控制系统，其模块化的设计理念既便于系统的升级换代，又不会额外增加较多成本。

温度控制技术应用广泛。如，纺织、电缆、冶金、塑料制品等行业都用到温度控制技术。学习和运用好温度控制技术非常重要，尤其是经典的PID控制。

人机界面的应用。人机界面能够把众多的输入、输出、显示、报警等集成到一个屏幕上，而且画面形象生动，更能有效的反映现场设备的状况。

本文以S7-300PLC为控制核心，结合触摸屏、温度传感器、变频器和风扇实现温度控制。

1 系统结构的整体设计

S7-300，CPU313C-2DP为本系统的控制中心。模块334-0ke-0ab0作为模拟量输入输出通道的接口。其中，温度传感器，热敏电阻Pt100将采集温度模拟信号输送到334-0ke-0ab0的输入引脚。经S7-300中PID处理后，输出的模拟量信号接到三晶变频器的模拟电压控制端，通过输出的模拟电压对应了0～50Hz的频率，这样便可以驱动风扇以达到温度控制风速的功能。

设计中利用昆仑通态MCGS的触摸屏可以显示设定的温度值，同时显示当前的温度值。利用适配器将S7-300的MPI通信口与触摸屏的DB9通信口相连接便可实时显示了。通过实际操作，其界面友好、运行稳定。基本结构如图1所示。

图1 温控调速示意图

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要包括：S7-300与MCGS触摸屏的连接，温度传感器Pt100与模拟量模块的连接，模拟量模块与三晶变频器的连接。其他的如西门子PLC的CPU313C-2DP与模拟量模块的连接，变频器与风扇的连接比较基本，在此不再详细描述。

2.1 S7-300与MCGS的连接

由于MCGS不是西门子同系列的产品，因此连接时要特别注意。由于西门子相关的说明书没有介绍S7-300与MCGS的连接的相关说明。其次，MCGS的相关说明也找不到与西门子产品连接的说明。如果直接拿普通的DB9电缆相连，有可能烧坏器件。必须用西门子的MPI适配器专用电缆连接S7-300与MCGS，这样才能保证通讯的稳定、可靠。

2.2 Pt100与模拟量模块的连接

根据334-0ke00-0ab0端口连接图，电阻测量须是四线制。通常情况下，购买的Pt100是两线制的，必须设计成四线制形式的，否则就测量不出电阻。设计方法是，在两线制Pt100的每一端分别接出两股屏蔽线，以满足334-0ke00-0ab0模拟量四线制测量电阻的要求。

另外，屏蔽线与Pt100连接时，连接端的螺母要拧紧，有条件的情况下应将屏蔽线焊接到Pt100的引脚上。其次，四根屏蔽线的长度尽量等长且不宜过长。

2.3 模拟量模块与变频器的连接

模拟量模块与变频器的连接要注意的是，模拟量的输出值与变频器的输入值形式必须一致，大小必须符合各自的范围。首先，模拟量输出的是电压值，其范围是0～10VDC，所有选择的变频控制输入端必须也是电压形式，范围须大于或等于0～10VDC的范围。设计中选择三晶SAJ800-M型变频器，满足条件。

3、系统软件设计

系统软件的设计，核心是PID对Pt100采集的温度进行控制，以及将控制的结果输出到变频器。其它的还有模拟量输入输出通道的设计以及MCGS触摸屏组态画面的设计。另外，对于加热和制冷，不能同时作用。因此，需要给PID的比例增益参数GAIN赋上不同的数值。如果是制冷作用，那么，GAIN参数须是大于0的数值；如果是加热作用，那么，GAIN参数须是小于0的数值。

3.1 PID参数原则的原则

工程上，CYCLE时间不能超过积分时间TI的10%。为了保证控制精度，脉冲周期时间PER_TM至少是CYCLE_P的50倍。脉冲周期时间CYCLE不超过积分时间TI的5%。设计中调用的是OB35，其中断时间 50mS，则 CYCLE_P须为 0.05S，CYCLE须 1S，PER_TM须3S。

3.2 FB58和DB58中参数的选择

PID控制的核心是在OB35中调用FB58，同时生存DB58。在FB58的引脚PV_PER中输入PIW 256，在LMN_PER中输入PQW256。在DB58中，将PV_PER的实际值输入1，将 CYCLE的实际值输入 1，将CYCLE_P的实际值输入0.05，将SP_INT的实际值输入 25，将 MAN_ON的实际值输入 FALSE，将PER_MODE的实际值输入1，将PVPER_ON的实际值输入TRUE，将GAIN的实际值输入-2，其部分参数的设计如图2所示。

图2 PID部分参数

3.3 模拟量输入参数的设定

334-0ke00-0ab0模块输入选择有deactivated型，即封闭输入通道；有R-4L型，即4线制输入电阻型；有RTD-4L，即4线制输入温度电阻型，如图3所示。

图3 输入通道的设计

其输入要根据项目的实际情况加以选择。用不到的输入通道应封闭起来，否则有可能影响测试的输入结果。本设计中，输入通道选择RTD-4L，即Pt100型输入，其他还有3个输入通道用不到应将其封闭起来。

3.4 模拟量输出参数的设定

334-0ke00-0ab0模块的输出选择有deactivated型，即封闭输出通道；有E型，即电压输出型，如图4所示。

图4 输出通道的设计

其输出要根据项目的实际情况加以选择。用不到的输出通道应封闭起来，否则有可能影响测试的输出结果。本设计中的输出通道选择E，即0～10V电压型输出，其他还有一个输出通道用不到也应将其封闭起来。

4 总结

设计到这里，基本解决了基于西门子PLC的温控调速系统的大部分内容，该系统也能在实际项目中使用。然而，对于PID的控制还须结合实际使用情况，进一步微调。还要经过长期使用，反复实验才能更好地利用PID控制方法。并在此基础上，不断总结经验，为以后进一步研究复杂控制打下基础，如自抗扰控制、模糊控制、神经网络控制等。

[1] 廖常初.S7-300/400PLC应用技术 [M] .北京：机械工业出版社，2005.

[2] 郭琼.PLC应用技术[M] .北京：机械工业出版社，2009.

[3] 刘楷.深入浅出西门子S7-300PLC[M] .北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[4] 张运刚.从入门到精通——西门子S7-300/400PLC技术与应用[M] .北京：人民邮电出版社，2007.

[5] 王美波，李成春.基于S7-300的温度调速装置[N] .北京：科技创新导报，2014-02-01：128-129.