基于S7-1200PLC與單相調壓模塊的溫度自動控制系統的設計

馬志新

（甘肅能源化工職業學院電氣工程系，甘肅 蘭州 730000）

1.溫度自動控制系統的概念及組成

溫度與我們的日常生活息息相關，很多設備都需要控制溫度來維持正常生產或運行。工業生產的工藝條件要求生產在一定的溫度、壓力、流量等條件下進行，有時需在高溫、高壓、特低溫、真空的條件下，嚴格按照工藝流程操作使生產正常進行。為了保證工業生產能夠安全、有序、高效地進行，也為了減輕操作工作負擔，人們在工業現場配置了一些專門的裝置，對工業生產過程進行控制，使工業生產不同程度地自動進行。采用特定裝置代替人工直接勞動，對工業生產過程進行有效控制的方法稱為工業過程自動化。為了實現生產過程自動化，就要構成自動控制系統。一個閉環溫度自動控制系統由四個基本部分組成，即被控對象、變送器、控制器和執行器；引起被控變量偏離給定值的一切干擾作用于被控對象，首先由測量與變送元件檢測出被控變量的變化，并把它轉換成與被控變量對應的4-20mA DC電流信號送給控制器；控制器把測量值和給定值進行比較，根據偏差按一定的控制規律運算后輸出控制信號，執行機構按照控制器送來的控制信號執行操作任務，改變操縱介質的能量，使得被控變量溫度C(t)趨近于給定值SP(n)，整個工作過程見圖1。

2.基于S7-1200 PLC與單相調壓模塊的溫度自動控制系統的構成方案闡述

2.1 流程及工藝介紹

本案以安裝于蘭州新區職教園區的甘肅省公共技能實訓中心，由西門子自動化公司生產的SCE-IAI02工業自動化裝置為例。該自動化設備工藝流程方面主要以水的循環來完成物料的傳送，儲水的容器有3個，第一個是水槽，第二個是鐵罐，第三個是有機玻璃做成的透明罐，水槽的位置在下方，鐵罐和透明罐的位置在上方，他們之間本來有落差。這三個容器通過PPR管道連接在一起，構成水循環的流動的通路，介質水通過水泵從水槽先加壓從鐵罐上方注入，從鐵罐下方利用水的落差自然流向透明罐，在透明罐中建立液位后再流向水槽，構成回路。在水槽中安裝有上、下水位檢測開關，管道上安裝有過濾器、電磁流量計、電動調節閥、旁路閥、回流閥。鐵罐中安裝有壓力變送器測量液位，熱電偶測量溫度。透明罐中安裝有測量液位的壓力變送器。通過這些檢測儀表的工作，可以測量四大熱工參數。通過配置其它儀表和PLC、變頻器、工控機、顯示器等設備，在這套裝置上可以組態出溫度、壓力、流量、液位的自動檢測和自動控制系統，應用于生產過程自動化和化工自動化等專業的有關課程的實訓教學工作。設備工藝流程圖見圖2。

圖2 設備工藝流程圖

2.2 實際溫度自動控制系統的構成（被控變量、被控對象的選擇）

在SCE-IAI02工業自動化實訓設備上，鐵罐中有電加熱管，加熱管通電后可以加熱水，通過PLC控制單相調壓模塊進而控制加熱管的電壓和電流可以控制水的加熱速度進而控制鐵罐溫度?？梢赃x擇鐵罐溫度為被控變量，鐵罐為被控對象，選擇單相調壓模塊為執行器，PLC為控制器，就可以構成一個溫度自動控制系統。該自動控制系統是一個閉環自動控制系統，它可以通過PLC和單相調壓模塊的自動控制，把鐵罐中水的溫度控制在給定的恒溫值上。

2.3 主要硬件選型，選擇CPU型號

由于主要設備PLC、變頻器、工控電腦通過網線已經實現物理連接，所以一開始就要在組態軟件中進行硬件組態，這套裝置的工控機中有2個網卡，通過設置PG/PC接口，就可以確定具體的網卡接口是1還是2。先查看工控機網卡用的是哪一個，然后設PG/PC接口，選定一個網卡為工作網卡。打開工控機TIA PORTAL平臺，創建新項目改名并保存在預先新建的文件夾中，在PORTAL軟件中，選擇所用的S7-1200的CPU型號并確定訂貨號，此訂貨號和設備上面安裝的CPU訂貨號要保持一致，否則會報錯，后面的所有工作都進行不下去，選好CPU之后，在CPU屬性窗口設置它的名稱和IP地址，在一些特定場合還可以修改CPU的I/O地址編號，然后編譯下載至PLC中。在下載時，還要選擇好所用的網卡。

2.4 ADD擴展模塊，并組態模塊I/O信號地址、類型和范圍

在設備完成溫度自動控制的過渡過程中，CPU處理的是數字信號，但檢測儀表的輸出信號是模擬信號，執行器的動作信號也是模擬信號，所以此系統中會有模擬信號至數字信號的轉換和數字信號至模擬信號的轉換過程，這個對向的轉換過程需要AI和AQ模塊來實現，AI模塊配合變送器主要完成模擬量采集和A/D轉換，AQ模塊主要完成D/A轉換工作。在TIA PORTAL 組態平臺，對照硬件設施的配置增加1個擴展模塊AI/AQ，AI模塊做A/D轉換用，AQ模塊做D/A轉換用。還需要對AI/AQ模塊進行I/O通道設置，I/O的起始地址設為10，4個模擬量輸入通道IW10、IW12、IW14、IW16信號類型均為4-20mA電流信號，2個模擬量輸出通道之一的QW12信號類型設為4-20mA電流，并且用QW12控制單相調壓模塊，組態好后，編譯下載至PLC中。

2.5 操作站的組態和聯網

這套裝置中由于沒有配置觸模屏顯示采集到的模擬量和其他一些參數，因此可以將工控電腦組態為工程師站，此站點還可以完成操作員站和上位機的工作。整套設備采用現場總線控制系統，對工程師站的組態，可以在在TIA PORTAL平臺的設備視圖中，點擊增加PC -STATION，設置IP地址，此IP地址一定要和工控電腦主機的IP地址一致，因此有必要一開始就查看工控機的IP地址并記錄下來。PC -STATION和PLC的聯網，具體可以通過拖網口的方式完成2臺設備的組態聯網，這時的PC-STATION已經具備上位機的功能了，再給上位機添加新畫面，在新畫面增加顯示單元，顯示單元和有關需要顯示的變量進行關聯就可以顯示有關的模擬量、趨勢畫面、總貌畫面。新畫面中增加按鈕控制加熱管啟、停。增加文字可以使畫面更具豐富性。

2.6 ADD變量表并組態

在整個組態和編程調試過程中會用到好多變量，有模擬量采集前后的變量，還有經過換算之后的中間變量，為了同一個變量在不同場合多次引用，可以在本組態工作流程中通過TIA PORTAL平臺增加一個變量表，通過變量表設置各個參與自動控制系統設計的變量的“名稱”“數據類型”“地址”，并做到“名稱”“數據類型”“地址”的唯一性和對稱性，比如通過調用地址就可以知道此變量的名稱和數據類型。此變量表組態好后自覺的配合程序，并且和程序中出現的所有變量一一對應，并互為表里。

2.7 主程序編程

主程序主要做模擬量采集和電加熱管啟動、停止控制，在樹目錄下Main主程序界面中，先增加幾個Real型的臨時數據temp，采集幾個模擬量就增加幾個臨時數據temp,溫度等諸多模擬量采集在梯形圖中可以通過不同的指令實現，本案中采用除法DIV指令，使儀表的測量下限、輸出下限4mA和0對應，儀表的測量上限、輸出上限20mA和27648對應，并有一一對應的比例關系。通過除法指令完成模擬量采集的換算工作。主程序編寫完畢，編譯下載到CPU中。將變頻器設為手動狀態，給一個轉速值，使水路循環，給單相調壓模塊的控制端QW12 MOVE一個初始值，在鐵罐中水位大于一定值時加熱管開始工作，啟動程序監視，進入在線模式后，在DIV模塊的OUT端會出現各模擬量的實時測量值。

2.8 在控制系統中加入PID模塊，對鐵罐溫度進行自動控制

在項目樹工藝對象下，新增PID_Compact模塊，并對該模塊進行設置，設置控制器類型及Input和Output參數。然后調用PID_Compact指令。在樹目錄下添加一個循環中斷組織塊，從工藝指令中將PID_Compact背景數據塊拖入子程序，設置Set point的具體溫度數值，將Input和溫度反饋值關聯，將Output per和QW 12關聯，模式激活上連一常開觸點，模式開關Mode關聯一個中間寄存器。工作時，PID控制器連續的采集溫度的實際值，并與設定值比較，根據偏差，PID控制器進行運算，輸出信號給單相調壓器,使單相調壓器動作，輸出電壓和頻率可調的交流電控制加熱管的功率和加熱速度，進而控制鐵罐溫度。

2.9 調試

程序下載完成后，將變頻器G120的工作狀態設為手動狀態，手動輸出一個電壓值，使電機和泵運轉。直到水路循環并且鐵罐的液位超過下限值后，再設置循環中斷子程序處于運行狀態，模式激活方式開關外接的常開觸點接通一次，模式開關Mode修改操作數為3，使PID模塊工作于自動狀態，主程序和子程序同時工作，這時整個自動控制系統開始工作。通過程序啟動單相調壓器，使單相調壓器接收PLC的輸出信號，完成溫度的調節和控制，通過加熱管的可控的工作，循環系統中的水溫靠近于Set point值上。以單相調壓器為執行器，PLC為控制器的溫度自動控制系統組態調試完畢。

3.結語

此類控制方案由于采用智能變送器、智能控制器和現場總線控制技術，通過網絡傳輸信號，降低了儀表工的體力勞動強度，還提高了被控變量的控制精度。由于以PLC為核心的工業生產裝置綜合采用控制技術、通信技術和計算機技術，配合其他智能設備可以構成各種規模的集散控制系統和現場總線控制系統，使網絡型工業控制方案在工業自動化領域獲得了更多的應用，相信在不久的將來，這一技術在各種工業自動控制領域會遍地開花。