鹽城西門子模塊代理商

基于西門子S7-200系列PLC構(gòu)成及PID溫度控制的實現(xiàn)

本文介紹了基于S7-200系列PLC的智能溫度控制器系統(tǒng)。闡述了溫度控制的實現(xiàn)方法。介紹了VB環(huán)境下實現(xiàn)上位機和PLC溫度監(jiān)控系統(tǒng)的串行通信的技術(shù)。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試表明，本系統(tǒng)具有可靠性高，監(jiān)控方便等優(yōu)點。由于PLC在工業(yè)領(lǐng)域使用的普遍性，該系統(tǒng)有很大的使用范圍。

因為PLC具有控制能力強、可靠性高、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴展等優(yōu)點，成為了當(dāng)今及今后工業(yè)控制領(lǐng)域的主要手段和自動化控制設(shè)備。在許多行業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，溫度控制都是要解決的問題之一。在一些熱處理行業(yè)，由于使用簡單的溫控儀表和溫控電路進行控制，存在控制精度低、超調(diào)量大等缺點，這樣就造成了產(chǎn)品質(zhì)量不高，能源浪費等問題。

基于PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的普及性和溫度控制的重要性，設(shè)計了一個基于PLC的智能溫度控制系統(tǒng)，具有很廣的應(yīng)用空間。同時，由于PLC具有自身的一些缺點，即數(shù)據(jù)的計算處理和管理能力較弱，不能提供良好的用戶界面，因此妨礙了對現(xiàn)場溫度變化的跟蹤與監(jiān)控，而計算機可以很好的彌補的這一缺點。用計算機與PLC 組成的主從式實時監(jiān)控系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮各自在工業(yè)控制中的優(yōu)勢，實現(xiàn)分散控制、集中監(jiān)控等全新功能。本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列PLC，通過PLC串口通訊與計算機連接，監(jiān)控界面友好，運行穩(wěn)定。

1 PLC溫度控制系統(tǒng)

在鍋爐溫度控制系統(tǒng)中，電加熱鍋爐是過程控制工業(yè)中常用的設(shè)備，其溫度控制也是過程控制的一個重點。PLC溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，PLC 通過加熱棒及風(fēng)扇分別控制爐子的加熱及降溫。計算機則實現(xiàn)目標溫度的設(shè)定、動態(tài)顯示、參數(shù)的設(shè)定等功能，從而實現(xiàn)實時溫度監(jiān)控。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

信號處理、溫度調(diào)節(jié)等功能。在，溫一個溫度控制系統(tǒng)一般具有溫度信號采集、PLC的溫度控制系統(tǒng)中度信號的采集可以使用常用的溫度傳感器（熱電偶、熱電阻）。由溫度傳感器檢測來的信號不是標準的電壓（電流）信號，不能直接送給A/D轉(zhuǎn)換模塊。因此溫度傳感器采集到的溫度信號要經(jīng)過變送器的處理后才能被A/D轉(zhuǎn)換器識別并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號。根據(jù)所使用的溫度傳感器選用對應(yīng)的溫度變送器。S7-200系列PLC常用的模擬量輸入輸出混合模塊為EM235，EM235為4路模擬量輸入，1路模擬量輸出。PLC對溫度信號進行處理后，通過模擬量模塊輸出電流信號，電流信號可以通過調(diào)壓器來控制電源的開度（即一周期內(nèi)的導(dǎo)通比率），從而控制電源的輸出功率。加熱器根據(jù)電源輸出功率調(diào)節(jié)加熱強度，從而達到溫度調(diào)節(jié)的效果。

3 溫度PID控制的實現(xiàn)

對于模擬量信號的控制PID（比例+積分+微分）算法控制。S7-200 系列PLC有專門的PID回路指令，對模擬量進行PID控制十分方便。PID指令使用的算法：（ n SP 為第n個采樣時刻的給定值，n為過程變量值，MX 為積分項值）PID 指令根據(jù)表格（TBL）中的輸入和配置信息對引用LOOP執(zhí)行PID 循環(huán)計算。在執(zhí)行PID 指令前，要建立一個參數(shù)表，一般要對表1 中的參數(shù)進行初始化處理。

在實際控制過程中，無論是給定量還是過程量都是工程實際值，它們的取值范圍都是不相同的。因此在進行PID運算前，必須將工程實際值標準化。PLC 在對模擬量進行PID運算后，對輸出產(chǎn)生的控制作用是在［0.0，1］范圍的標準值，不能驅(qū)動實際的驅(qū)動裝置，必須將其轉(zhuǎn)換成工程實際值。

由于電加熱爐具有較大的延時性，所以采輸出值，0.0～1.012 Kc數(shù)正數(shù)雙字，實數(shù)I 回路增益，正、負常數(shù)16 Ts I 采樣時間，單位為s，正20 TI I 積分時間常數(shù)，單位為min，24 Td I 微分時間常數(shù)，單位為min，正數(shù)式控制。大致采用三段控制： *段，開始階段置電源為滿開度，以最大的功率輸出克服熱慣性; 第二段，等到溫度達到一定值轉(zhuǎn)為PID控制; 第三段，接近設(shè)定點時置電源開度為0，提供一個保溫階段，以適應(yīng)溫度的滯后溫升。程序流程圖如圖3 所示，圖中X，Y根據(jù)實際設(shè)定。

PID參數(shù)的調(diào)節(jié)是很重要的，調(diào)節(jié)方法有很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握。在工程實際中，控制系統(tǒng)難以建立起精確的數(shù)學(xué)模型，所以一般采用工程整定法。PID參數(shù)的工程整定法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。在這里選用臨界比例度法，整定步驟如下： （1）首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作; （2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期; （3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。

4 PLC 與計算機通訊的設(shè)計

由于VB具有強大的圖形處理功能，界面可視化性強，而且操作簡單，容易實現(xiàn)，故采用VB來實現(xiàn)上位機和下位機的通信。其下位急是S7-200系列PLC，上位機是通過RS-232 串行口與PLC 相連的計算機。

4.1 PLC程序部分

S7-200 支持多種通訊模式，其中在自由口通訊方式下，用戶可以利用梯形圖程序中的接收完成中斷、發(fā)送完成中斷、發(fā)送指令和接收指令完成S7-200 系列PLC 與上位機的通訊。

PLC 的CPU 處于STOP 模式時，自由口通訊被禁止，只有當(dāng)CPU 處于RUN 模式時，才可使用自由口通訊。SMB30（這里選擇端口0）是自由口模式控制字節(jié)，用來設(shè)定校驗方式、通訊協(xié)議、波特率等通訊參數(shù)。發(fā)送指令XMT 啟動自由端口模式下數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送，它可以方便地發(fā)送1~255 個字符，如果有中斷程序連接到發(fā)送結(jié)束事件上，在發(fā)送完成后，端口0 會產(chǎn)生中斷事件9，也可以監(jiān)視發(fā)送完成狀態(tài)位SM45 的變化。接收指令RCV 可以初始化接收信息服務(wù)，通過的通訊端口接收信息并存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。在接收完最后一個字符時，端口0 產(chǎn)生中斷事件23.

4.2上位機程序部分

VB 帶有專門管理串行通訊的MSComm 控件，利用它只需設(shè)置幾個主要參數(shù)就可以實現(xiàn)PLC與計算機串行通訊。計算機采用VB編程，主要有監(jiān)控界面、當(dāng)前溫度顯示、動態(tài)溫度曲線顯示、參數(shù)設(shè)置以及與PLC通信等方面的設(shè)計。通信參數(shù)設(shè)置程序如下：

5 結(jié)束語

本文介紹了由西門子公司S7-200系列PLC構(gòu)成的溫度控制器，并闡述了VB環(huán)境下計算機與PLC溫控系統(tǒng)的串行通信技術(shù)，給出了部分程序，通過實例表明，該系統(tǒng)可靠性高，監(jiān)控方便。

工業(yè)智能化向前沿推進，芯片設(shè)計助力PLC低功耗、小型化

工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)變革經(jīng)過了幾個時代，當(dāng)前已經(jīng)進入了工業(yè)4.0階段，雖然技術(shù)更迭在加速，但每一次更迭都致力于相同的愿景，即提高生產(chǎn)效率、降低安全隱患、提高產(chǎn)品*性和質(zhì)量、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，以及降低生產(chǎn)過程的浪費。

對此，近些年一直將提升工業(yè)和工廠智能化作為主要目標市場的美信深有體會，2014年該公司推出面向工業(yè)市場的*代微型PLC產(chǎn)品，大幅減小PLC尺寸；2016年推出的第二代Pocket IO產(chǎn)品，較上一代尺寸縮小2.5倍，功耗降低30%，整個模塊體積縮小到可以放入口袋，這也是Pocket IO名稱的來歷。更重要的這一代產(chǎn)品通過引入了IO-Link技術(shù)，一種智能傳感器技術(shù)，讓工業(yè)控制真正實現(xiàn)自適應(yīng)，能夠讓產(chǎn)線針對外界環(huán)境的變化，實現(xiàn)一些動態(tài)響應(yīng)和調(diào)整。由此帶來的是通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)提供生產(chǎn)靈活性，工廠可以用一條產(chǎn)線生產(chǎn)多種產(chǎn)品，不需要增建、擴建更多的產(chǎn)線；按照兩年更新一代的節(jié)奏，到了今年2018年，美信如約推出了第三代工業(yè)平臺Go IO產(chǎn)品，這一代產(chǎn)品的尺寸較上一代縮小10倍，功耗降低50%。

如果說*代和第二代工業(yè)平臺產(chǎn)品的推出背后是隨著自動化水平的提高，工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谀K體積要求越來越高，對分布式控制的需求也越來越多。那么到了第三代產(chǎn)品，我們能看到工業(yè)4.0對工廠建設(shè)的新要求和新趨勢，即隨工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能化的不斷推進，整個工廠網(wǎng)絡(luò)面臨重建，智能化控制正在加速向前沿、邊緣推進，而工業(yè)設(shè)備邊緣側(cè)的小型化、低功耗要求顯著更高。下圖數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前市場對小型PLC的需求量幾乎是大型PLC的2倍，明顯見證了這一趨勢，Go IO正是為此而來。

美信工業(yè)及醫(yī)療健康事業(yè)部總經(jīng)理Jeff DeAngelis

“實際上Go IO的引入可以讓客戶實時監(jiān)測產(chǎn)線運行的健康狀況，每個環(huán)節(jié)是不是在正常健康的運轉(zhuǎn)，同時引入一些診斷的功能，從而實現(xiàn)更加智能化的管理。而且從前沿智能傳感器收集大量信息，能夠獲取更準確的數(shù)據(jù)，對人工智能的引入也是有幫助的，因為人工智能的算法可以基于這些精準的數(shù)據(jù)來做運算，從而做出正確的判斷。Go IO的部署，可以讓終端設(shè)備將收集到的數(shù)據(jù)送到云端，對于AI數(shù)據(jù)管理非常有利。”美信工業(yè)及醫(yī)療健康事業(yè)部總經(jīng)理Jeff DeAngelis這樣介紹Go IO對未來智能化工廠建設(shè)的意義。

一代Go IO產(chǎn)品在尺寸、功耗方面表現(xiàn)的顯著改善得益于幾顆核心器件的集成化設(shè)計和性能優(yōu)化。包括將上一代通信模塊MAX14949與變壓器集成在一起，構(gòu)成MAXM22510，尺寸減小了40%；IO部分的數(shù)字隔離器MAX14930和數(shù)字串行器MAX22190集成在一起，構(gòu)成MAX22192，尺寸減小了31%；電源部分通過美信專有的uSLIC電源模塊技術(shù)實現(xiàn)輸出電流可達300mA工業(yè)電源模塊MAXM15462，將高效同步整流的高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器和電感、電容全部集成到一起，較上一代解決方案的尺寸減小了65%。最終實現(xiàn)的Go IO電路板尺寸只有12K mm3 。

Go IO PLC板卡大小不及一張名片

然而在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域，芯片產(chǎn)品的高集成度優(yōu)勢并不那么明顯。對此，Jeff也坦言，因為工業(yè)領(lǐng)域的客戶需求相對分散，如何在高集成度和靈活性之間取得平衡確實是產(chǎn)品定義中的一大難題。美信的做法是聽取客戶聲音，與客戶進行廣泛溝通，了解他們的需求，在產(chǎn)品定義中以解決客戶的實際問題為出發(fā)點是其經(jīng)驗之談。

用一個細節(jié)來說明美信在產(chǎn)品定義中對客戶實際需求的考量。MAX14912是一款8路數(shù)字輸出芯片，以非常小的尺寸提供8通道的數(shù)字輸出，它除了可以實現(xiàn)快速切換外，還具有安全的去磁功能，這點在工業(yè)控制里很重要，因為系統(tǒng)中的一些傳感器是感性負載，在開關(guān)瞬間會產(chǎn)生很強的反沖，這個能量如果不能很好的處理會造成機器設(shè)備的損壞。MAX14912這顆IC里集成了釋放通道，讓它具有了去磁的功能，可以把感性負載的瞬間反沖吸收掉，為設(shè)備和其他單元提供有效的保護。幫助用戶擺脫設(shè)計的局限性。

Jeff提到，之所以命名為Go IO，意在這款平臺產(chǎn)品因為其小型化的特征可以進入更多的應(yīng)用場景，不只局限于工業(yè)自動化應(yīng)用，還可以進入包括樓宇自動化、機器人等同樣對低功耗、小型化有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域。“很多客戶已經(jīng)在design in階段。”Jeff如是說。

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