基于西门子S7-200smart的室内温度智能控制系统

章嘉恒 叶茜 蒋仲欣

摘  要：工业生产和家庭生活，智能化温度控制系统的设计已成为需要。文章采用西门子S7-200smart PLC为主体的智能温度调节，利用PT100温度传感器获取当前温度，通过温度变送器将该数值输入PLC的扩展模拟功能块转换成电信号，使用经典PID算法配合PLC内部CPU判断，控制温度调节装置来获取精准控温效果。

关键词：温度调节;西门子S7-200smart;PID温控

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2019）11-0087-02

Abstract： Intelligent temperature control design has played an important role in industrial production. In this paper， Siemens S7-200smart PLC is imposed on intelligent temperature regulation and PT100 temperature sensor is applied to obtain current temperature. The numerical values are converted into electrical signals by a temperature transmitter. The classical PID algorithm and PLC internal CPU judgment are implemented to control temperature adjustment devices for accurate effect.

Keywords： temperature regulation; Siemens S7-200smart; PID temperature control

引言

随着现代传感技术成熟，许多大型温控系统或温控柜已逐渐淡出现代工业化生产过程。为更好地适应当代工业化生产对温控系统稳定性与快速性需求，近年来各种新型温控系统层出不穷，当前市场上较多的有：基于单片机的温控系统、基于上位机（IPC）的温控系统、基于PLC的温控系统、集散型温度控制系统等。相对而言，PLC温控系统凭借稳定性高、功能强大、抗干扰性强等优势在温控领域大受欢迎。本文选用较为常见的一款小型PLC，西门子S7-200smart为主控制元件设计一种智能化室内温度调节系统。

1 智能温度调节系统总体结构设计

本文的智能温度调节系统由温度检测模块、数据处理模块、主控模块、执行模块四部分组成，用以实现温度的自动调节控制。所采用的闭环控制，相较于现在市场上的开环温度调节装置，精度更高，对外部扰动和系统参数变化不敏感;具有应用反馈，可减少误差。其系统结构图如下图1所示。

在温度检测模块中，使用PT100型温度传感器来检测当前温度，经过模拟量模块的A/D转换与软件内移动字节MOV_B将当前温值被写入PLC的寄存器，实现温度检测功能;在数据处理模块中，通过调用S7-200smart中自带的PID功能块，将当前温度值写入该模块;在主控模块中，当数据通过PID的控制算法后，负责将准确的温差信息导入;在执行模块中，由PLC内部CPU判断升温输出或降温输出，最终通过变频器执行相应操作，来实现整体温度调节。

2 智能温度调节系统硬件构成

本控制系统硬件由PLC控制模块、室内温度测量模块和执行模块三大部分组成，主要使用了LM-PT100传感器、温度变送器、S7-200 smart CPUSR40、扩展模块EM AM06、变频器、电力调整器、升温电机、降温电机。

2.1 PLC控制模块

考虑到本系统需要采集模拟量数据，至少需要4个输入点，12个输出点，于是选用CPU SR 40作为主控PLC。（SR40总共有40点IO，24点输入16点输出）由于温度是模拟量，PLC基本单元是数字量控制设备，需要进过A/D转换，所以本系统的拓展模块选用EM AM06，它具有四个模拟量输入通道，两个模拟量输出通道，十分接近双输入双输出要求。其中，L，M口外接24VDC电源，四个输入口M+，M-，I+，I-，分别接温度变送器的正极负极（正接正，负接负），2号输出口接调整器的正负两级，1号输出口短接。

2.2 室内温度测量模块

本系统温度检测模块的主体为铂电阻温度传感器，通过电阻量的改變，对应温度的变化。LM-PT100温度传感器，该传感器测温精度高，性能稳定[1]。由于测量铂电阻的电路是不平衡电桥，而铂电阻作为电桥中一个桥臂电阻，加上从热电阻到中控室之间的连接导线未知，会导致其随环境温度而变化，为避免这种误差，本系统对温度变送器采用三线制，正极引出单线，负极引出双线分别连接模拟量模块的正负端。通过将导线一根接到电桥电源端，另外两根分别接到热电阻所在的桥臂及其相邻桥臂，不仅可消除连接导线电阻引起的测量误差，还可准确地将数值反馈给PID模块，有助减轻CPU计算负担，加快温度采集速率，使执行操控更为准确。

2.3 执行模块

本系统的执行模块由变频器、电机和调整器三部分组成。采用PLC的开关量输出来控制变频器，不仅节省成本，而且接线简单、抗干扰性强[2]。通过PLC开关量输出来控制变频器的启动/停止，正/反转，点动，转速和加减时间来实现较为复杂的控制要求。因为是有级调速，为增强变频器调速精度，本系统配置了电力调整器。调整器又被称做调功器，主要利用晶闸管电力控制器来实现负载功率的调节分配，将其与智能PID调节器或PLC配套使用，并使用三相变压性负载，当室内温度已接近设定温值时，仅靠变频器无法实现精准控温，则由PLC调节器控制调功器，通过调整电机功率来实现温度的精准控制。

3 系统软件设计

本系统软件设计主要包括：I/O点分配、PID功能模块调用和PLC控制程序。

3.2 PID功能模块调用

考虑到PLC运算是按扫描周期进行，检测值需根据设定时间周期进行采样，再对采样值进行运算，连续性不强。由于CPU支持PID自整定功能，STEP 7-Micro/WIN SMART 中也添加了PID整定控制面板。输入通过微分（D）、比例（P）以及积分（I）获得输出结果，并将输出结果传递至执行机构，由执行 机构负责对某一规定对象执行控制任务[3]。通过将CPU控制和PID功能结合，增强 PID功能。直接通过在指令向导窗口中选择PID指令便可进行直接调用。

3.3 PLC控制程序

本系统分三段进行控制。第一段，即开始阶段，调温电机处于大功率状态，以最大功率输出，用于减少当前温度与设定温值的温差;第二段，当温度达到一定值后转换为PID控制;第三段，接近设定温度时置电机工作电源开度为0，提供一个保温阶段，来适应温度的滞后升温。

根据实际情况选择合适的温度调节策略，如图2所示，通过PID系统内的SP与PV差值来进行判。PID控制面板包含以下字段：显示SP（设定值）、PV（过程变量）、OUT（输出）、“采样时间”、“增益”、积分时间和微分时间的值[4]。（1）当SP-PV>5时，实际温值与设定温值相差较大，当高于设定温度时图中M10闭合将AC2值写入AWQ0（降温变频器），功率调到最大，即给降温电机最大电压供电，反之，则M12闭合，令升温电机最大电压，最终使温差迅速减小;（2）当SP-PV>-5或者SP-PV<5时，当前温值已经较为接近设定，要精准控温进行PID控制，输出值为PD的值;（3）当SP-PV<5时，当前温度与设定温度约为等于，输出值最小值0写入两个变频器中，电压调制器开度为零，即停止调温。

4 结论

室内温度控制是现代生活和生产必不可少的智能控制系统之一。本文采用西门子PLC可编程控制器及其模拟量扩展模块，与PLC内部的PID操作指令集成，运用成熟的PLC 控制设计，来实现室内温度恒定控制。不僅比单片机控制更为精准，还兼具可靠、高效性，易操作。

参考文献：

[1]范金玲，许月琳.基于三菱PLC的温度控制系统设计[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2014.

[2]朱细敏，龚文杨.基于PLC的智能温控系统的研究与设计[J].岳阳职业技术学报，2018.

[3]范庭超.对西门子PLC的PID参数整定问题分析[J].中国设备工程，2018.

[4]SIMATICS7-200SMART.系统手册[M].11.7PID整定控制面板：620.