S7 系列PLC電氣控制設計與應用第3講 S7-200在流程工業溫度控制中的應用

1 前言

生產流程控制既是對生產過程中工藝參數進行監視、調節與控制，也是對工藝現場參數或指令參數進行數據處理、保存和傳送。以溫度為例，它是一個在時間和數值上都是連續變化的信號，即模擬量信號。它與數字量不同，后者是以離散值表示的數據。自然界中絕大部分的事物可用模擬量來表示。比如，在干燥爐中一段時間內的物品溫度值，溫度不會瞬間地從170℃上升到171℃，之間會有無數個溫度值。相對于一個連續的干燥爐溫度圖，假設每一個小時測量一次溫度。現在有一個24小時內每小時的溫度變化值，可以很快地將這個模擬量轉換成數字編碼表示的每個樣本值。

由于PLC基于數字信號處理的基礎，因此如果要讀入溫度傳感器等模擬量信號，就必須使用專用的模擬量輸入模塊進行A/D轉換；同理，PLC的輸出還必須使用專用的模擬量輸出模塊進行D/A轉換。

2 S7-200的溫度模擬量模塊

溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發，應用最廣的一類傳感器。與PLC控制系統最有關聯的是熱電偶（TC）和熱電阻（RTD），前者是利用熱電勢效應，后者則是利用電阻的變化原理。因此，兩者在模塊的設置上有很大區別，往往被分開使用，圖1所示是西門子S7-200 PLC常見的EM 231的外觀圖。溫度模塊在接線上必須加以注意，包括接線的正負、屏蔽線以及熱電偶補償線等。

圖1 EM 231外觀

每個溫度模擬量擴展模塊與通用的模擬量輸入輸出模塊一樣，按擴展模塊的先后順序進行排序，其中，模擬量根據輸入、輸出不同分別排序。模擬量的數據格式為一個字長，所以地址必須從偶數字節開始。例如：AIW 0，AIW 2，AIW 4……，AQW 0，AQW 2……。每個模擬量擴展模塊至少占兩個通道，即使第一個模塊只有一個輸出AQW 0，第二個模塊模擬量輸出地址也應從AQW 4開始尋址，以此類推。當然，溫度模塊只有AIW，而沒有AQW。

3 基于S7-200的波峰焊溫度檢測與控制

無鉛波峰焊接機能自動完成PCB板從涂覆助焊劑、預加熱、焊錫及冷卻等焊接的全部工藝過程，主要用于無鉛焊接表面貼裝元件、短腳直插式元件及混裝型PCB板的整體焊接。圖2所示為波峰焊的外觀圖，其溫度控制在整個電子制造流程中非常重要，包括預熱和錫爐控制。它主要分為兩部份，即溫度的檢測和溫度的控制。

圖2 波峰焊外觀

（1）溫度的檢測

在本案例中，使用了EM 231 TC4模塊作為波峰焊的溫度檢測，由于SMT生產工藝的特殊性，需要及時掌握溫度模塊的運行情況，包括在熱電偶模塊沒有錯誤的情況下從中讀取模擬量輸入值，并將其存放到固定的存儲位中；若模塊有錯誤，要求將錯誤信息保存，并進行一些存儲和清空操作。

熱電偶模塊提供PLC測量溫度或出錯類型的數據字，狀態位指示輸入范圍錯誤和用戶電源/模塊故障。LED指示模塊狀態，用戶程序必須檢測相應錯誤狀態并采取相應的措施。比如，作為擴展模塊5的EM 231模塊還必須遵守S7-200 PLC對于擴展模塊的基本查錯程序，并以特殊存儲器字節來表示。比如范圍狀態位是模塊出錯寄存器字節中的位3 (SMB 9于用模塊1，SMB 11用于模塊2等)；不良狀態位是模塊出錯存儲器字節中的位2 (SMB 9，SMB 11等)；診斷出錯引起模塊組態錯誤。在模塊組態錯誤之前，用戶電源故障狀態位可能設置或沒有設置。

波峰焊溫度模塊的檢測程序如圖3所示。

圖3 溫度模塊檢測程序

（2）溫度的控制

在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制或調節。溫度控制也是如此。

在連續控制系統中，模擬PID的控制規律形式為

式中e（t）——偏差輸入函數；u（t）——調節器輸出函數；KP——比例系數；T1——積分時間常數；TD——微分時間常數。

西門子S7-200 PLC具有標準的PID回路指令來實現各種溫度控制。PID回路（PID）指令根據表格(TBL)中的輸入和配置信息對引用LOOP執行PID回路計算。同時，邏輯堆棧（TOS）頂值必須是“打開”（使能位）狀態，才能啟用PID計算。

本案例中共有4個溫度PID控制，現在以一個溫度控制為例（即預熱1），程序包括主程序（如圖4所示）、子程序（略）和中斷程序（略）。

圖4 波峰焊溫度控制主程序

4 結束語

在流程工業溫度控制中，采用S7-200的溫度量模塊可以確保系統的安全可靠、穩定運行。當然，在安裝時，必須注意抗干擾要求和必須的防護措施。

[1] 李方園.自動化綜合實訓教程[M].北京:科學出版社,2011.

[2] 李方園.零起點學西門子S7-200 PLC[M].北京:機械工業出版社,2012.