基于S7-200PLC和WinCCFlexible2008的PID温度控制系统

叶 军,刘海雄,廖勇锋

(青海大学 机械工程学院,青海 西宁 810016)

基于S7-200PLC和WinCCFlexible2008的PID温度控制系统

叶 军,刘海雄,廖勇锋

(青海大学 机械工程学院,青海 西宁 810016)

对基于S7-200 PLC和Flexible 2008组态软件的PID温度控制系统进行了研究，介绍了基于S7-200 PLC和Flexible 2008组态软件的PID温度控制系统硬件组成及工作原理,给出了实现温度PID控制的PLC程序设计和Flexible 2008组态软件设计要点。该温度控制系统可通过Flexible 2008组态软件实现动态监控，并可设置PID温度控制阀值。利用PLC可靠性高、抗干扰能力强和组态软件开放性好、界面显示组态功能强大的特点，使温度检测和驱动模块实现温度闭环控制。

可编程序控制器；温度控制；PID；WinCC Flexible 2008

温度控制系统硬件及其控制方法的实现在机电专业理论和实践教学中拥有非常现实和重要的地位，是因为温度控制在机电控制系统应用广泛，学生不仅可以从温度控制系统组成中学习到相关的硬件知识，而且可以利用硬件设计和验证温度控制系统及其算法和程序，从而达到培养工程实践能力的目的。

本文中采用的温度控制系统核心是S7-200 PLC，采用PID温度控制方式，即proportional(比例),integral(积分)和differential(微分)。PID运算的任务是根据反馈与给定值的相对差值，按照PID运算规律计算出结果，输出到加热驱动的执行机构进行调节，以达到自动维持被控制的量跟随给定变化[1]。基于现代PLC的优良性能，采用PLC的温度控制系统有着良好的温度控制精度和稳定性。

WinCC Flexible 工程系统是用于处理所有基本组态任务的软件，WinCC Flexible是一种前瞻性的面向机器的自动化概念的HMI软件，它具有舒适而高效的设计[2]，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制和企业监控网络等功能，广泛应用于工程领域[3]。PLC和WinCC Flexible 2008结合，能充分发挥PLC工作稳定和组态软件直观显示系统工作状态和便于监控等优点，本文介绍一种基于S7-200 PLC和WinCC Flexible 2008的PID温度控制系统。

1 温度控制系统硬件方案

该控制系统硬件结构组成[4-6]如图1所示，控制系统核心是西门子S7-200 PLC的CPU模块CPU 224XP CN，该模块上有两个通信端口，一个端口通过PC/PPI电缆与上位电脑相连接，同时该PC/PPI电缆还可用于连接SMT 700触摸屏，用于下载WinCC Flexible 2008组态工程到SMT 700触摸屏。另一个端口用MPI电缆连接SMT 700触摸屏。该温度控制系统其他模块都通过扁平电缆相连接，其中PS 207是24 V电源模块，EM 223 CN是16点I/O扩展模块，EM 235 CN是4通道模拟量输入和1通道模拟量输出模块，该模块外接温度驱动和检测模块，该模块由加热器、驱动模块、Pt 100传感器+温度变送器3个模块组成。以上PLC硬件组成闭环PID温度控制系统。

图1 温度控制系统硬件结构图

2 温度控制系统工作原理

SMT 700触摸屏上的组态软件组成人机界面HMI，可以控制系统启动停止，监控实时温度数据，还可以设置加热温度。PLC分别与HMI和EM 235连接通信。EM 235输出端连接温度驱动检测模块并提供驱动电压，使加热器工作，Pt 100温度传感器通过电阻值的变化将温度转变为相应电压值传回EM 235模块。经过模数转换后温度变量传到PLC，经PID运算判断是否继续加热以及给多少电压加热，HMI从PLC中读取实时温度并加以显示。

3 PLC温控程序设计

3.1 PID温控原理

PID控制原理基于：

(1)

输出M(t)等于比例项、积分项和微分项之和[3]。

式中：M(t)为PID回路的输出，是时间的函数；Kc为PID回路的增益；e为PID回路的偏差(给定值与过程变量之差)；Minitial为PID回路输出的初始值。

PID回路指令以回路表的输入和组态信息进行PID运算，本设计采用PID回路指令进行PID运算。该指令有两个操作数：Table和Loop。其中Table是回路表的起始地址，本设计取VB 200；Loop是回路号，本设计只有一个PID回路，故取默认值0。

3.2 PID参数的整定

3.3 PLC程序流程图

程序的流程如图2所示。

图2 程序流程图

3.4 温度控制S7-200梯形图程序

PLC编程采用STEP 7-MicroWIN软件，在应用时，先在上位电脑上编制PLC温度控制程序，然后把PLC的梯形图程序通过通信电缆下载给CPU，并使得温控程序在PLC的CPU模块中执行。

3.4.1 程序开始运行阶段程序段

停止与温度显示梯形程序图如图3所示。设备上电后，程序实现读入模拟量并经转化处理在HMI中显示。程序中M10.1对应着HMI中的启动/停止开关，能控制程序的运行与停止。当M10.1按下，调用一次PID初始化子程序SBR_0。

图3 停止与温度显示梯形程序图

3.4.2 子程序SBR_0

每个PID回路有两个输入量，给定值(SP)和过程变量(PV)。给定值和过程变量都可能是现实世界的值，它们的大小、范围和工程单位可能不一样。PID指令在对这些量进行运算前，必须把它们转换成标准的浮点实数[1]。

PID参数导入梯形程序图如图4所示。程序实现对设定温度进行标准化处理后与其他PID参数一起导入PID回路[7]。100 ms后中断，进入中断程序。

图4 PID参数导入梯形程序图

4 组态软件设计

本文温度控制系统采用WinCC Flexible 2008组态软件。温度监控组态界面在上位编程与监控电脑上开发，温度监控系统的组态主要包含实时数据库的创建、I /O 设备的连接、窗口界面的编辑、动画链接、实时曲线、历史曲线、报表、用户权限管理、策略组态、按钮、菜单和脚本程序等内容[8]。

4.1 变量定义与使用

外部变量使得自动化过程的组件之间(如HMI设备与PLC 之间)能够进行通信(数据交换)。外部变量是PLC 中所定义的存储位置的映像。 无论是HMI 设备还是PLC，都可对该存储位置进行读写访问。由于外部变量是在PLC 中定义的存储位置的映像，因而它能采用的数据类型取决于与HMI设备相连的PLC。

在集成的STEP 7中进行组态，则当创建外部变量时，可以直接访问在PLC 编程期间用STEP 7创建的所有变量[9-10]。本文设计HMI与PLC建立联系的变量表截屏图如图5所示。

图5 变量表截屏图

4.2 温度监控软件组态界面

温度监控组态画面如图6所示，该画面趋势图可用曲线显示过程温度和设定温度之间的关系，触摸“温度设定”可以输入需要的加热温度值，“加热”“保温”和“报警”为指示灯。按下“启动”开关，程序运行，再次按下程序停止运行。组态界面趋势图中，实时温度的数值是通过变量地址VD 8读取PLC中读入模拟量经转化处理后的值。实际运行中的SMT 700触摸屏温度控制实物图如图7所示。

图6 温度监控组态画面

图7 实际运行中的SMT700触摸屏实物图

5 结束语

该温度控制系统在实验室的实际应用证明，系统运行稳定可靠，监控组态界面上能实现加热温度设定、控制加热系统启停，以及直观显示设定温度和当前实际温度之间的变化趋势关系，并且当温度达到设定温度时，伴随控制电路的动作，组态界面的指示也会相应地变化，温度初始有超调，随后几分钟，温度可以稳定在设定温度0.1 ℃左右波动，达到较好温控精度。同时，基于S7-200 PLC控制系统硬件的开放性，本温度控制系统也适于开发和验证更好的PID温度控制方法，起到良好的教学和研究效果。

[1]蔡行建.深入浅出西门子S7-200 PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社,2003.

[2]SIEMENS.SIMATIC HMI WinCC Flexible 2008系统手册[M].慕尼黑：西门子公司,2008.

[3]SIEMENS.MCGS组态软件培训教程[M].北京：北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，2009.

[4]张洋.基于PLC与组态软件的智能物料安装系统的设计与实现[D].吉林：吉林大学，2015：4-12.

[5]叶军，徐东舟.PLC课程教学改革在“卓越工程师”培养计划中的实践[J].机械，2015,42(2)：16-19.

[6]曹锦江，朱晓春，汪木兰,等.S7-200 PLC 和触摸屏在堆叠单元控制系统中的应用[J].制造业自动化,2006，28(9)：51-52.

[7]SIEMENS.S7-200可编程序控制器系统手册[M].北京：北京维乐福自控设备有限公司,2005.

[8]郭继周，刘渭峰，高晓宁.温度压力计的标定算法及软件实现[J].油气井测试， 2009(6)：34-37.

[9]孙松丽，王荣林，张桂新.基于MCGS的PLC仿真实训系统设计[J].实验室研究与探索,2015，34(1)：50-57.

[10]蔡建刚，金巨槐，卢世忠.基于组态软件MCGS 聚丙烯装置催化剂搅拌器监控系统的设计与开发[J].电气自动化,2015，37(1)：108-110.

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

青海大学2016—2017学年教育教学研究项目(JY161735)；青海省科技厅项目(2014-GX-212)

叶军(1970-)，男，硕士，副教授，主要从事机电领域教学、科研和实验室管理。

TH273

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.005