葉 軍,劉海雄,廖勇鋒

(青海大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,青海 西寧 810016)

基于S7-200PLC和WinCCFlexible2008的PID溫度控制系統(tǒng)

葉 軍,劉海雄,廖勇鋒

(青海大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,青海 西寧 810016)

對(duì)基于S7-200 PLC和Flexible 2008組態(tài)軟件的PID溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，介紹了基于S7-200 PLC和Flexible 2008組態(tài)軟件的PID溫度控制系統(tǒng)硬件組成及工作原理,給出了實(shí)現(xiàn)溫度PID控制的PLC程序設(shè)計(jì)和Flexible 2008組態(tài)軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)。該溫度控制系統(tǒng)可通過(guò)Flexible 2008組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并可設(shè)置PID溫度控制閥值。利用PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和組態(tài)軟件開(kāi)放性好、界面顯示組態(tài)功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，使溫度檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。

可編程序控制器；溫度控制；PID；WinCC Flexible 2008

溫度控制系統(tǒng)硬件及其控制方法的實(shí)現(xiàn)在機(jī)電專(zhuān)業(yè)理論和實(shí)踐教學(xué)中擁有非常現(xiàn)實(shí)和重要的地位，是因?yàn)闇囟瓤刂圃跈C(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，學(xué)生不僅可以從溫度控制系統(tǒng)組成中學(xué)習(xí)到相關(guān)的硬件知識(shí)，而且可以利用硬件設(shè)計(jì)和驗(yàn)證溫度控制系統(tǒng)及其算法和程序，從而達(dá)到培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的目的。

本文中采用的溫度控制系統(tǒng)核心是S7-200 PLC，采用PID溫度控制方式，即proportional(比例),integral(積分)和differential(微分)。PID運(yùn)算的任務(wù)是根據(jù)反饋與給定值的相對(duì)差值，按照PID運(yùn)算規(guī)律計(jì)算出結(jié)果，輸出到加熱驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到自動(dòng)維持被控制的量跟隨給定變化[1]?；诂F(xiàn)代PLC的優(yōu)良性能，采用PLC的溫度控制系統(tǒng)有著良好的溫度控制精度和穩(wěn)定性。

WinCC Flexible 工程系統(tǒng)是用于處理所有基本組態(tài)任務(wù)的軟件，WinCC Flexible是一種前瞻性的面向機(jī)器的自動(dòng)化概念的HMI軟件，它具有舒適而高效的設(shè)計(jì)[2]，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，集動(dòng)畫(huà)顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制和企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能，廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域[3]。PLC和WinCC Flexible 2008結(jié)合，能充分發(fā)揮PLC工作穩(wěn)定和組態(tài)軟件直觀顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和便于監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，本文介紹一種基于S7-200 PLC和WinCC Flexible 2008的PID溫度控制系統(tǒng)。

1 溫度控制系統(tǒng)硬件方案

該控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成[4-6]如圖1所示，控制系統(tǒng)核心是西門(mén)子S7-200 PLC的CPU模塊CPU 224XP CN，該模塊上有兩個(gè)通信端口，一個(gè)端口通過(guò)PC/PPI電纜與上位電腦相連接，同時(shí)該P(yáng)C/PPI電纜還可用于連接SMT 700觸摸屏，用于下載WinCC Flexible 2008組態(tài)工程到SMT 700觸摸屏。另一個(gè)端口用MPI電纜連接SMT 700觸摸屏。該溫度控制系統(tǒng)其他模塊都通過(guò)扁平電纜相連接，其中PS 207是24 V電源模塊，EM 223 CN是16點(diǎn)I/O擴(kuò)展模塊，EM 235 CN是4通道模擬量輸入和1通道模擬量輸出模塊，該模塊外接溫度驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模塊，該模塊由加熱器、驅(qū)動(dòng)模塊、Pt 100傳感器+溫度變送器3個(gè)模塊組成。以上PLC硬件組成閉環(huán)PID溫度控制系統(tǒng)。

圖1 溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 溫度控制系統(tǒng)工作原理

SMT 700觸摸屏上的組態(tài)軟件組成人機(jī)界面HMI，可以控制系統(tǒng)啟動(dòng)停止，監(jiān)控實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，還可以設(shè)置加熱溫度。PLC分別與HMI和EM 235連接通信。EM 235輸出端連接溫度驅(qū)動(dòng)檢測(cè)模塊并提供驅(qū)動(dòng)電壓，使加熱器工作，Pt 100溫度傳感器通過(guò)電阻值的變化將溫度轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓值傳回EM 235模塊。經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后溫度變量傳到PLC，經(jīng)PID運(yùn)算判斷是否繼續(xù)加熱以及給多少電壓加熱，HMI從PLC中讀取實(shí)時(shí)溫度并加以顯示。

3 PLC溫控程序設(shè)計(jì)

3.1 PID溫控原理

PID控制原理基于：

(1)

輸出M(t)等于比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)之和[3]。

式中：M(t)為PID回路的輸出，是時(shí)間的函數(shù)；Kc為PID回路的增益；e為PID回路的偏差(給定值與過(guò)程變量之差)；Minitial為PID回路輸出的初始值。

PID回路指令以回路表的輸入和組態(tài)信息進(jìn)行PID運(yùn)算，本設(shè)計(jì)采用PID回路指令進(jìn)行PID運(yùn)算。該指令有兩個(gè)操作數(shù)：Table和Loop。其中Table是回路表的起始地址，本設(shè)計(jì)取VB 200；Loop是回路號(hào)，本設(shè)計(jì)只有一個(gè)PID回路，故取默認(rèn)值0。

3.2 PID參數(shù)的整定

3.3 PLC程序流程圖

程序的流程如圖2所示。

圖2 程序流程圖

3.4 溫度控制S7-200梯形圖程序

PLC編程采用STEP 7-MicroWIN軟件，在應(yīng)用時(shí)，先在上位電腦上編制PLC溫度控制程序，然后把PLC的梯形圖程序通過(guò)通信電纜下載給CPU，并使得溫控程序在PLC的CPU模塊中執(zhí)行。

3.4.1 程序開(kāi)始運(yùn)行階段程序段

停止與溫度顯示梯形程序圖如圖3所示。設(shè)備上電后，程序?qū)崿F(xiàn)讀入模擬量并經(jīng)轉(zhuǎn)化處理在HMI中顯示。程序中M10.1對(duì)應(yīng)著HMI中的啟動(dòng)/停止開(kāi)關(guān)，能控制程序的運(yùn)行與停止。當(dāng)M10.1按下，調(diào)用一次PID初始化子程序SBR_0。

圖3 停止與溫度顯示梯形程序圖

3.4.2 子程序SBR_0

每個(gè)PID回路有兩個(gè)輸入量，給定值(SP)和過(guò)程變量(PV)。給定值和過(guò)程變量都可能是現(xiàn)實(shí)世界的值，它們的大小、范圍和工程單位可能不一樣。PID指令在對(duì)這些量進(jìn)行運(yùn)算前，必須把它們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)實(shí)數(shù)[1]。

PID參數(shù)導(dǎo)入梯形程序圖如圖4所示。程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)定溫度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后與其他PID參數(shù)一起導(dǎo)入PID回路[7]。100 ms后中斷，進(jìn)入中斷程序。

圖4 PID參數(shù)導(dǎo)入梯形程序圖

4 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

本文溫度控制系統(tǒng)采用WinCC Flexible 2008組態(tài)軟件。溫度監(jiān)控組態(tài)界面在上位編程與監(jiān)控電腦上開(kāi)發(fā)，溫度監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)主要包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建、I /O 設(shè)備的連接、窗口界面的編輯、動(dòng)畫(huà)鏈接、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、報(bào)表、用戶權(quán)限管理、策略組態(tài)、按鈕、菜單和腳本程序等內(nèi)容[8]。

4.1 變量定義與使用

外部變量使得自動(dòng)化過(guò)程的組件之間(如HMI設(shè)備與PLC 之間)能夠進(jìn)行通信(數(shù)據(jù)交換)。外部變量是PLC 中所定義的存儲(chǔ)位置的映像。 無(wú)論是HMI 設(shè)備還是PLC，都可對(duì)該存儲(chǔ)位置進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)。由于外部變量是在PLC 中定義的存儲(chǔ)位置的映像，因而它能采用的數(shù)據(jù)類(lèi)型取決于與HMI設(shè)備相連的PLC。

在集成的STEP 7中進(jìn)行組態(tài)，則當(dāng)創(chuàng)建外部變量時(shí)，可以直接訪問(wèn)在PLC 編程期間用STEP 7創(chuàng)建的所有變量[9-10]。本文設(shè)計(jì)HMI與PLC建立聯(lián)系的變量表截屏圖如圖5所示。

圖5 變量表截屏圖

4.2 溫度監(jiān)控軟件組態(tài)界面

溫度監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面如圖6所示，該畫(huà)面趨勢(shì)圖可用曲線顯示過(guò)程溫度和設(shè)定溫度之間的關(guān)系，觸摸“溫度設(shè)定”可以輸入需要的加熱溫度值，“加熱”“保溫”和“報(bào)警”為指示燈。按下“啟動(dòng)”開(kāi)關(guān)，程序運(yùn)行，再次按下程序停止運(yùn)行。組態(tài)界面趨勢(shì)圖中，實(shí)時(shí)溫度的數(shù)值是通過(guò)變量地址VD 8讀取PLC中讀入模擬量經(jīng)轉(zhuǎn)化處理后的值。實(shí)際運(yùn)行中的SMT 700觸摸屏溫度控制實(shí)物圖如圖7所示。

圖6 溫度監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面

圖7 實(shí)際運(yùn)行中的SMT700觸摸屏實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

該溫度控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際應(yīng)用證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，監(jiān)控組態(tài)界面上能實(shí)現(xiàn)加熱溫度設(shè)定、控制加熱系統(tǒng)啟停，以及直觀顯示設(shè)定溫度和當(dāng)前實(shí)際溫度之間的變化趨勢(shì)關(guān)系，并且當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，伴隨控制電路的動(dòng)作，組態(tài)界面的指示也會(huì)相應(yīng)地變化，溫度初始有超調(diào)，隨后幾分鐘，溫度可以穩(wěn)定在設(shè)定溫度0.1 ℃左右波動(dòng)，達(dá)到較好溫控精度。同時(shí)，基于S7-200 PLC控制系統(tǒng)硬件的開(kāi)放性，本溫度控制系統(tǒng)也適于開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證更好的PID溫度控制方法，起到良好的教學(xué)和研究效果。

[1]蔡行建.深入淺出西門(mén)子S7-200 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[2]SIEMENS.SIMATIC HMI WinCC Flexible 2008系統(tǒng)手冊(cè)[M].慕尼黑：西門(mén)子公司,2008.

[3]SIEMENS.MCGS組態(tài)軟件培訓(xùn)教程[M].北京：北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司，2009.

[4]張洋.基于PLC與組態(tài)軟件的智能物料安裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].吉林：吉林大學(xué)，2015：4-12.

[5]葉軍，徐東舟.PLC課程教學(xué)改革在“卓越工程師”培養(yǎng)計(jì)劃中的實(shí)踐[J].機(jī)械，2015,42(2)：16-19.

[6]曹錦江，朱曉春，汪木蘭,等.S7-200 PLC 和觸摸屏在堆疊單元控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2006，28(9)：51-52.

[7]SIEMENS.S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)[M].北京：北京維樂(lè)福自控設(shè)備有限公司,2005.

[8]郭繼周，劉渭峰，高曉寧.溫度壓力計(jì)的標(biāo)定算法及軟件實(shí)現(xiàn)[J].油氣井測(cè)試， 2009(6)：34-37.

[9]孫松麗，王榮林，張桂新.基于MCGS的PLC仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015，34(1)：50-57.

[10]蔡建剛，金巨槐，盧世忠.基于組態(tài)軟件MCGS 聚丙烯裝置催化劑攪拌器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].電氣自動(dòng)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

青海大學(xué)2016—2017學(xué)年教育教學(xué)研究項(xiàng)目(JY161735)；青海省科技廳項(xiàng)目(2014-GX-212)

葉軍(1970-)，男，碩士，副教授，主要從事機(jī)電領(lǐng)域教學(xué)、科研和實(shí)驗(yàn)室管理。

TH273

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.005