基于S7-300 PLC 的电镀恒温控制系统设计

徐竟天，张甜甜*，程瑞洲，赵晓姣

（西安石油大学电子工程学院，陕西 西安 710065）

出于成本和操作考虑，早期电镀生产线的工艺参数监控多以继电器方式实现，尽管能满足控制要求，但可靠性和故障率存在诸多问题。通过PLC(可编程逻辑控制器)监控电镀生产线，可减少继电器控制出现的问题，同时减轻了工作人员的劳动强度，产品质量稳定，生产效率大幅度提高，经济效益很好[1-3]。

某旧式手工生产线，工件电镀时间的“开始/停止”和电镀工艺的“启/停”按钮靠手动操作。电镀过程中的电流和电压由智能仪表显示，控温过程由PID(比例-积分-微分)仪表完成，但控制冷水和热蒸汽的电磁阀却需人工切换，因此，控制精度不高，产品质量不稳定。针对此问题，根据工厂原有的电镀设备，本文以西门子S7-300 PLC 为核心设计了电镀生产线智能监控系统，实现了恒温控制。

1 控制系统结构

电镀工艺有镀铬、活化、热水洗、冷水洗等工序，运行中的电镀槽如图1 所示。镀铬槽、活化槽、热水洗槽依据工艺要求分别配有不同功率的风机，工艺槽编号及排列如图2 所示。镀铬槽需监控的参数有电流、槽电压、槽液温度、液位、电镀时间等，考虑到需监控的点数较多，通过合理分配I/O 点以确保系统发挥最佳控制功能，AI、AO、DI、DO 信号在各个模块按相同顺序接线，分配相似变量地址。最终生产线的模拟量输入输出点数总共有128 个，数字量输入输出158 个，并留有扩展余地。

图1 电镀槽运行中的照片Figure 1 Photo of the running plating tank

图2 电镀工艺槽编号及平面布置图Figure 2 Layout drawing of the plating tanks and their numbering

该电镀控制系统由工控机、西门子S7-300 PLC 和PROFINET 总线组成。2 台工控机(上位机)实现软冗余，安装有组态王KingView 6.55 软件，监控现场相关数据，并根据工艺要求作出适当的操作和处理。下位机采用西门子公司S7-300 PLC，采集数据并将信息及时上传至上位机。现场安装了西门子SmartLine 7 寸触摸屏(图3)，监控镀槽工艺流程，可根据要求更改参数。由昌辉智能仪表实时显示镀槽内电流、电压、槽液温度等参数。

图3 触摸屏照片Figure 3 Photo of touch screen

S7-300 PLC 电镀生产线智能控制系统结构如图4 所示。

图4 控制系统结构Figure 4 Framework of the control system

本控制系统电源模块选用PS307 10A，CPU 模块选用CPU 315-2PN/DP，其带有1 个PROFIBUS 总线接口。模拟量输入模块选用SM331，AI 8 × 13 位；模拟量输出模块选用SM332，AO 8 × 12 位；数字量输入模块选用SM321，DI32 × DC24V；数字量输出模块选用SM322，DO32 × DC24V/0.5A；参数可通过模板上的量程模块或编程软件设定。控制系统硬件组成如图5 所示。

图5 控制系统的硬件组成Figure 5 Hardware of the control system

因为315-2PN/DP 配置有1 个PROFINET 工业以太网接口，所以工控机通过以太网与PLC 通信。S7-300 PLC的编程软件为STEP 7 V5.4，可完成PLC 编程、参数设置、地址分配等。西门子SmartLine 7 寸触摸屏的组态软件为Simatic WinCC flexible 2008，主要完成触摸屏编程以实现现场监控、操作、参数设定等，通过以太网与PLC进行数据传输。

2 温度控制策略

2.1 工作原理

镀液温度在工艺中发挥着关键作用，其参数变化会直接影响电镀质量。温度控制系统是一个闭环反馈控制系统。

原生产线中，主要通过电热丝和热蒸汽升温镀液，通冷水降温。热蒸汽和冷水在槽内共用1 个管道，槽外由电磁阀控制切换热蒸汽和冷水，控温原理如图6 所示。电热丝功率较小，加热缓慢，热蒸汽和冷水可快速加热与降温。原生产线用PID 表控制电热丝进行慢加热，但因为其无法同时控制冷水和热蒸汽电磁阀自动切换，所以只能手动切换。实际使用时频繁切换无形中加大了操作工人的工作强度，更重要的是工人往往会忘记适时切换冷水和热蒸汽电磁阀，致使槽液温度超调严重，镀件质量不稳定。鉴于此，选用PID 控制电热丝连续加热，热蒸汽和冷水阀自动切换方式来实现镀液恒温控制。

图6 电镀槽温度控制示意图Figure 6 Schematic diagram of temperature control of plating tank

新的电镀槽液温控制原理是：热电偶检测液温，经温度变送器将采集的数值转换成对应的4 ～ 20 mA 电流信号，通过S7-300 SM331 模块A/D 转换后进入PLC，PLC 的CPU 模块将它与设定值进行比较，根据PID 控制算法进行运算，再将结果送给S7-300 SM332 模拟量输出模块，经D/A 转换后变为4 ～ 20 mA 的电流信号，控制电热丝的功率，实现温度恒值PID 控制。同时PLC 通过逻辑编程，自动控制冷水和热蒸汽电磁阀切换，实现快速加热与降温，整个过程无需人员参与，控温可达到理想效果。

2.2 控制策略

由于PID 控制具有算法简单、易实现、灵活性较强、准确性较高等特点，在控温方面应用十分广泛[4-5]。PLC模拟量闭环控制系统如图7 所示。

图7 PID 控制系统Figure 7 PID control system

由于温度梯度效应以及现场环境的影响，温度必定存在一定的误差。但该误差很小且不会影响电镀质量，因此不予考虑。在实际生产中，根据镀槽内实际温度C(θ)与设定温度Sp(θ)相比较，进行温度控制。由PID 程序控制电热丝加热，过程中一直处于工作状态。系统根据程序判断，当E(θ) = C(θ) - Sp(θ) ＞2 °C 时，PLC 发出指令关闭热蒸汽阀，打开冷水电磁阀；当E(θ) ＜ -2 °C 时，关闭冷水电磁阀，打开热蒸汽电磁阀；当-2 °C ＜ E(θ) ＜2 °C 时，冷水电磁阀和热蒸汽电磁阀全部关闭，PID 程序控制电热丝实现小温度区域内的恒温控制。温度控制流程如图8 所示。

图8 温度控制流程图Figure 8 Flow chart for temperature control

2.3 连续PID 控制器FB41

S7-300 PLC 提供了2 种PID 温度控制方式，第一种是FM 355 闭环控制模块，第二种是利用普通的信号模块与PID 控制编程功能块(FB)相结合来实现[6-7]。由于FM 355 的价格太高，因此选用第二种方式。

FB41“CONT_C”(连续控制器)的输出为连续变量，输出数值一般用AO 模块转换为连续的模拟量，FB41采用位置式PID 算法，比例运算、积分运算和微分运算三部分并联[8-10]。DB41 为其背景数据块。因为温度是连续变量，所以本次项目温度控制主要选用FB41 功能块完成，其需要调试的主要参数见表1。

表1 FB41 功能块主要参数Table 1 Main parameters of FB41 block

温度变送器将测得的温度通过SM331 的PIW258 通道送进CPU 后，在模块FB41 中进行PID 运算，结果经EM332 的PQW256 通道输出。FB41 程序块控制原理如图9 所示。

图9 FB41 程序块实现控制的原理Figure 9 Principle of FB41 block controlling

通过使用FB41 功能块实现了PID 控制，输出通道PQW256 控制电热丝的功率。部分STL 语言如下：

3 结语

基于S7-300 PLC 的恒温电镀控制系统具有较强的适应能力。系统运行1 年多来，稳定性好，基本无需日常维护；能较好地实现恒温效果，控温精度明显改善，并有效地将温度波动控制在误差允许范围内；精确的时间监控保证了所需的镀层厚度；工人工作量显著下降，仅需按照系统报警信号提示，在电镀工序结束后将工件移出镀槽；操作界面简单、明确、清晰，极大地方便了工人的操作。

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