摘 要：文章講述了以PLC為核心的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)S7-200的程序編輯和PID算法原理的運(yùn)用給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的閉環(huán)控制。

關(guān)鍵詞：PLC；加熱器；溫度控制；PID

引言

PLC以其自有的可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被越來(lái)越多的應(yīng)用于生活以及工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，其中S7-200編程軟件STEP7Micro/WIN編程簡(jiǎn)單且功能強(qiáng)大。其強(qiáng)大的通信功能以及豐富的CPU模塊，讓設(shè)計(jì)者可以方便的選取所需功能的CPU和對(duì)應(yīng)的通訊協(xié)議。靈活的控制和強(qiáng)大的指令集使PLC能夠控制各種設(shè)備以滿足自動(dòng)化控制要求。PLC通過(guò)模擬量I/O模塊實(shí)現(xiàn)A/D和D/A之間的轉(zhuǎn)換，以便PLC用PID指令實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

1 系統(tǒng)工作原理及溫度控制的基本思路

本設(shè)計(jì)是由PLC控制變頻器調(diào)速裝置與傳感器、加熱器以及恒溫箱組成閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示。通過(guò)對(duì)溫度值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)來(lái)進(jìn)行恒溫控制，由于加熱器不能接收模擬量調(diào)節(jié)，所以溫控主要采用PLC對(duì)其工作的占空比來(lái)控制，PID運(yùn)算結(jié)果控制接通加熱器。

溫度傳感器檢測(cè)到溫度信息，交由PLC處理，經(jīng)PID運(yùn)算得到一個(gè)0-1的實(shí)數(shù)，再經(jīng)比例換算為0-100的整數(shù)，把這個(gè)整數(shù)當(dāng)作一個(gè)0-10s的時(shí)間t。設(shè)計(jì)一個(gè)周期為10s的脈沖，脈沖寬度為t，把這個(gè)脈沖加給電加熱器達(dá)到控制溫度的目的。

系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件選型及連接

PLC的選型及參數(shù)設(shè)定：采用S7-200系列的CPU266，規(guī)格是：供電120-240VAC；CPU輸入：24*24VDC；CPU輸出：16*繼電器。

溫度傳感器：溫度傳感器采用熱電阻作為測(cè)溫元件，帶變送器。測(cè)量范圍是0-100℃，輸出4-20mA，串接電阻把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1-5V電壓信號(hào)，送入PLC的模擬量輸入通信。

系統(tǒng)的硬件連接：計(jì)算機(jī)和PLC之間通訊協(xié)議為PPI協(xié)議，用PC/PPI電纜將二者連接；在溫度控制控制部分采用PLC的一個(gè)繼電器輸出口串接到加熱回路中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度控制的軟件設(shè)計(jì)：整個(gè)系統(tǒng)的工作原理是利用熱電阻采集由恒溫箱中的信號(hào)然后輸出以模擬量電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬量輸入通道送入PLC再經(jīng)過(guò)PID指令運(yùn)算由PLC數(shù)字量輸出通道對(duì)加熱器的占空比進(jìn)行控制，以脈沖輸出方式控制加熱器周期性工作，即改變加熱器的通斷時(shí)間比來(lái)改變加熱速度，從而達(dá)到預(yù)設(shè)值。

溫度控制的基本思路是：PLC以脈沖方式控制其占空比來(lái)控制加熱器的工作。先設(shè)定好系統(tǒng)的目標(biāo)溫度值也就是預(yù)期的恒溫箱溫度，PLC輸出一個(gè)周期的方波，在這個(gè)周期里，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度未達(dá)到預(yù)設(shè)值的1/2時(shí)，PLC輸出高電平，加熱器以最大功率工作，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值的1/2卻沒(méi)到預(yù)設(shè)值的4/5時(shí)，PLC輸出半個(gè)高電平半個(gè)低電平，加熱器以最大功率的50%工作，實(shí)測(cè)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值的4/5卻沒(méi)到預(yù)設(shè)值，PLC輸出1/4個(gè)高電平3/4個(gè)低電平，加熱以最大功率的25%工作。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)，程序如下：

NETWORK 1

LD SM0.1//首次掃描時(shí)SM0.1=1

CALL SBR//初始化

NETWORK 2

LD SM0.0//AM0.0總為1

CALL SBR_1//采樣，求平均值

CALL SBR_2//比較，輸出

END //主程序結(jié)束

初始化子程序的設(shè)計(jì)：子程序0實(shí)現(xiàn)的是初始化，即對(duì)計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)區(qū)間清零，以保證采樣值的準(zhǔn)確性。本程序中所有除法是簡(jiǎn)單的移位除法（用采樣次數(shù)的2的方次），輸入字是12位長(zhǎng)，如果采樣次數(shù)大于16（2的4次方），那么和的長(zhǎng)度將大于一個(gè)字（16位），于是需用雙字（32位）存儲(chǔ)采樣和。

程序如下：

LD SM0.0

MOVW +0，VW0

MOVW +256，VW2

MOVW +0，VD10

MOVW +0，VD14

MOVW +0，VD18

MOVW +0，VD108

MOVW +0，VD118

CRET

采樣子程序的設(shè)計(jì)

子程序1如下：

LD SM0.0//SM0.0總為1

MOVW AEW2，VW12//在VW12中放置模擬量輸入值

LDW>= VW12，+0//檢查輸入信號(hào)

MOVW +0，VW10//把輸入值轉(zhuǎn)換成雙字

NOT //即VD10=模擬量輸入值（當(dāng)前采樣值）

MOVW 16#FFFF，VW10

LD SM0.0

+D SM0.0//把當(dāng)前采樣值加到采樣和中

INCW VW0//采樣計(jì)數(shù)器加1

LDW>= VW0，VW2//達(dá)到采樣次數(shù)

MOVD VD14，VD18//把采樣和VD14復(fù)制到VD18中

ENCO VW2，AC1//計(jì)算移位數(shù)

SRD VD18，AC1//求采樣平均值

MOVD +0，VD14//重新初始化

MOVW +0，VW0

CRET//子程序結(jié)束

控制子程序的設(shè)計(jì)：系統(tǒng)通過(guò)EM235采樣，從AEW2中取輸入值，為了增加穩(wěn)定性求多次采樣值的平均值，在依據(jù)計(jì)算出的平均值與給定值比較，看在哪個(gè)取件是對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出工作，驅(qū)動(dòng)加熱器以相應(yīng)的占空比工作。

溫度變送器的量程為0-100℃，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4-20mA，EM2335取采樣值后，以字的形式將其存儲(chǔ)，12位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的精度為1/32000，所以AEW2中的讀數(shù)與溫度存在著下面的函數(shù)關(guān)系：

Y=256*X+6400 （1）

其中Y是采樣值在CPU中存儲(chǔ)的十進(jìn)制形式，X是溫度，單位是℃

子程序2如下：

LD SM0.0

MOVW +16640，VW110//給定值等于40℃

MOVW +11520，VW114//給定值的1/2等于20℃

MOVW +14592，VW118//給定值的4/5等于32℃

NETWORK 2

LDW<=VW 20，VW114//采樣值給定值比較

= Q0.1//采樣值小于給定值的1/2時(shí)Q0.1導(dǎo)通，似的加熱器全速工作

NETWORK 3

LDW> VW20，VW114//采樣值大于給定值的1/2小于給定值的4/5時(shí)，調(diào)用子程序3

AW<= VW20，VW118

CALL SBR_3//加熱器以占空比為1/2工作

NETWORK 4

LDW> VW20，VW114//采樣值大于給定值的4/5小于給定值時(shí)，調(diào)用子程序4

AW<= VW20，VW110

NETWORK 5

LDW> VW20，VW110//采樣值大于給定值時(shí)Q0.0復(fù)位

R Q0.1，8//加熱器停止工作

CRET

輸出子程序的設(shè)計(jì)：為了準(zhǔn)確的控制加熱器的占空比，用定時(shí)器控制PLC的數(shù)字輸出端Q0.1。設(shè)定加熱器的一個(gè)周期為10s，實(shí)測(cè)溫度未達(dá)到預(yù)設(shè)值的一半時(shí)，Q0.1輸出高電平，加熱器以最大功率工作，實(shí)測(cè)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值的1/2未到4/5時(shí)Q0.1輸出10s周期的方波，加熱器以最大功率的50%工作，實(shí)測(cè)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值的4/5卻沒(méi)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，PLC輸出2.5s高電平7.5s低電平，即加熱器以最大功率的25%工作。子程序3和4實(shí)現(xiàn)了Q0.1輸出不同波形。

具體程序如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述可知PLC的靈活性和適應(yīng)性在工業(yè)控制方面得到很好的應(yīng)用。很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要達(dá)到的要求，用PLC編程總能很精確且可靠的滿足，在對(duì)恒溫箱設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)基本達(dá)到所需要求。

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作者簡(jiǎn)介：郭志偉，男，漢族，研究生，河北大學(xué)。