基于西門子S7-200PLC的溫度控制

孫 靜

(黎明職業大學 機電工程系，福建 泉州 362000)

在工農業生產和生活中，溫度往往作為一個非常重要的物理量，需要準確地加以控制調節.隨著傳感器技術和各種控制方法的不斷發展，人們對控制的精度和速度也提出越來越高的要求[1].PID調節是經典控制理論中常見的一種控制方式，對存在較大慣性環節或滯后環節的物理量(如溫度)具有較好的調節作用.而PID調節中至關重要的就是對控制器的參數整定.PID整定方法主要有兩種：一是理論計算整定法，主要依靠系統的數學模型，經過理論計算確定控制參數，并通過工程實際進行調整；二是工程整定法，依靠經驗，直接在試驗中進行整定.本文采用工程整定法，利用西門子S7-200PLC溫度控制模塊詳細介紹了PID參數進行整定的過程，給出相應整定過程曲線，達到最優參數組合，實現對溫度的控制.并通過WinCC flexible組態軟件建立友好人機界面，實現在線監控.

1 控制系統原理

系統采用S7-200PLC作為控制器，主機模塊選用CPU224XP.CPU224XP本體提供了兩路模擬量輸入端子A+和B+，對應地址通道為AIW0和AIW2.這里采用AIW2作為信號輸入地址，輸入信號范圍-10～+10V電壓信號.溫度信號的檢測傳感器采用鉑電阻PT100，其測量精度高、性能穩定可靠，測量范圍為0～100℃.傳感器將溫度信號轉化成0～10V的電壓信號送至CPU224XP，再將電壓信號轉化為0～32000的數字信號.PLC將當前測量值與設定值進行比較產生一個比較偏差，經PID運算后發出控制信號，當溫度低于設定溫度時，由PLC輸出端Q0.6控制加熱電阻加熱，當溫度高于設定溫度時，由PLC輸出端Q0.7開啟風扇(如圖1)，最終實現溫度的自動控制.

圖1 控制原理示意圖

2 PID控制原理

PID控制即比例、積分、微分控制，是一種自動控制方法，目的是使被控物理量追隨給定值并快速趨于穩定，且能夠自動消除各種因素對控制效果的擾動[2].PID控制系統是典型的閉環控制系統，系統框圖如圖2所示，其中Sp(t)是設定值，Pv(t)為過程變量(反饋量)；c(t)為系統的輸出量，PID控制器的輸入輸出關系如式(1)所示：

圖2 PID閉環控制系統框圖

(式1)

式1中，u(t)為控制器輸出；uo為回路輸出初始值；e(t)=sp(t)-pv(t)為誤差；Kc為比例系數；Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數.從該式可以看出，控制器的輸出量與比例系數和微分時間常數成正比例關系，而與積分時間常數成反比例關系.采用PID調節其目的就是調節Kc、Ti和Td這三個參數.比例控制是一種最簡單的控制方式，增大比例系數有利于減小靜差，加速系統的響應，但比例系數過大會使系統產生大的超調，甚至震蕩，使穩定性變差.積分調節，其控制器輸出與偏差的積分成正比，隨著時間增大，推動控制器輸出變大，使穩態誤差減少，可消除靜差，但是降低了系統響應速度.微分調節，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關系，使系統對反饋變化趨勢預測調整，具有超前調節作用.

3 S7-200PLC溫度模塊參數整定

S7-200CPU提供了8路PID功能，通過PID指令功能塊實現控制.STEP7-Micro/WIN提供了PID指令向導，在向導中填寫參數，便可自動生成PID子程序.這里我們將反饋的過程量輸入到模擬量輸入通道AIW2，加熱電阻由PLC的輸出端子Q0.6控制，風扇由輸出端子Q0.7控制，生成的子程序PID0-INIT通過SM0.0調用，控制程序如圖3所示，其中PID子程序中Seption為設定值，這里設定理想溫度為45.0℃，I1.2為手動模式控制按鈕，當其為ON時為手動模式，這里我們設置其為自動模式，即通過PID參數整定進行輸出控制.本系統中輸入的過程變量的范圍為0～32000，對應溫度值為0～100℃，要顯示當前溫度需將數字量轉化成溫度值.Scale-I-to-R即是將過程變量(數字量)轉化成溫度值子程序.系統還設置了上下限報警，當溫度超過55℃時，Q1.0控制的指示燈亮，低于35℃時，Q1.1控制的指示燈亮.

圖3 PID控制程序

將程序下載至PLC，并切換到運行狀態，此時利用STEP7-Micro/WIN4.0提供的PID控制面板對參數進行自整定[3].在系統自整定之前，先進行手動整定，當參數接近系統自整定參數時再選擇自動整定，提高整定的成功率.下面將整定過程介紹如下：

首先整定比例增益，這時先不設置積分和微分環節，即將積分時間常數設置為無窮大，微分時間設置為0，采用臨界值震蕩法進行整定.先給Kc設定一個大值，這里設置20，將這幾個參數下載到PLC中，觀測控制效果圖如圖4，此時可以看出圖中產生了大的震蕩，且過程量PV迅速增大并超過設定值Sp，說明比例系數太大，出現超調.因為比例與輸出成正比關系，因此需要慢慢減小Kc，當Kc值降低到13時，系統震蕩幾乎消失，如圖5所示，PV趨于穩定且接近設定值，當前Kc值即為我們手動調整的比例增益.

圖4 整定Kc=20.0的控制曲線

圖5 整定Kc=13.0的控制曲線

從圖5中看出，Kc調整后，雖然PV已經很接近Sp，但是仍然存在靜差，為消除系統靜差，我們引入積分環節.調節時依然使用臨界值震蕩法.因為積分時間常數與系統輸出成反比例關系，我們先取一個較小的積分時間常數Ti=0.01，比例系數保持不變，此時系統會再次出現震蕩，需要慢慢增大積分時間，當增大到Ti=0.03時，系統震蕩慢慢消除，且過程量PV更趨近甚至基本等于設定值Sp，如圖6所示，這時Kc、Ti值即為系統手動整定參數值.

圖6 整定Kc和Ti后的控制曲線

微分環節能夠提前預測趨勢變化，實現超前調節，適用于像溫度這樣的大慣性對象.這里在采用PI調節后，再引入微分調節，提高系統響應速度.微分調節與上述調節方法一樣，先給Td一個大參數，使其產生震蕩，然后慢慢減小參數值，直到震蕩基本消除，取此時的Td為手動整定值，Td=0.02，如圖7所示.

圖7 整定Kc=13.0，Ti=0.03，Td=0.02后的控制曲線

手動整定后，選擇自動調節，這樣系統就根據我們已經整定好的參數進行自整定，以得到PID調節的最優參數值.最后將自整定好的參數下載到PLC中，系統將保留當前參數作為PID調整的最終參數.

4 組態畫面設計

為了實現在線監控，使控制系統的界面更加直觀，采用WinCC flexible2007組態軟件對畫面進行組態，利用變量編輯器創建PLC連接變量，將畫面中各對象地址與PLC地址相對應[4].組態的溫度控制主畫面如圖8所示.畫面中顯示出PID整定的最優參數值，當前溫度可以通過棒圖顯示，當超過溫度上限或者低于溫度下限時，對應的指示燈進行閃爍顯示，點擊風扇按鈕啟動風扇，系統能夠快速調整并迅速達到設定值.

5 結論

本文利用西門子S7-200PLC，結合PID溫度控制模塊對PID參數進行整定，并使用WinCC flexible2007設計人機界面，實現對溫度的實時監控.調節最佳系統參數后，溫度可以控制在目標溫度-0.3℃～+0.3℃范圍內，而且加入擾動，系統也可以快速接近目標值[5].

圖8 溫度控制組態畫面

參考文獻：

[1]李國萍.基于PLC的溫度控制系統[J].科技創新導報，2010(7).

[2]蔡行健，黃文鈺.深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京航空航天大學出版社，2006.

[3]曾喜娟，莊其仁，吳志華.基于S7-200PLC的PID參數自整定方法[J].控制與檢測，2010(1).

[4]劉偉，房奎竹，蘭波.基于西門子WinCC flexible和STEP7的虛擬電梯設計[J].中國科技信息，2009(13).

[5]俞海珍，張維山，史旭華.基于PLC和WinCC的溫度控制系統[J].工業控制計算機，2009(12).