基于PLC和触摸屏的电加热水浴温度控制系统设计

孟磊，邹志云，赵丹丹，郭宇晴，刘兴红

(防化研究院，北京 102205)



基于PLC和触摸屏的电加热水浴温度控制系统设计

孟磊，邹志云，赵丹丹，郭宇晴，刘兴红

(防化研究院，北京 102205)

水浴装置是一般化工实验中经常用到的设备，需要对温度进行精准的控制。PID控制算法由于其意义明确、结构简单、鲁棒性好，是控制领域应用最为广泛的算法。但是PID中比例、积分、微分3个参数共同影响控制效果，人工整定出一组理想参数较为繁琐且存在较大难度。K.J. Astrom和T. Hagglund在1984年提出的延时反馈自整定算法经过20 a的实践，已经成为工业控制各个领域使用较为广泛的一种自动整定PID参数的方法。西门子S7-200 PLC的PID指令集成了上述的自整定算法，近年来已有学者利用可编程控制器(PLC)和上位机设计了温度控制系统，但实现自整定时需要使用上位机，在西门子Step7-Micro/Win编程软件中进行。

笔者利用西门子Smart Line系列的Smart 1000触摸屏设计友好的人机界面HMI(human machine interaction)，采用S7-200小型PLC作为控制器，具有PID自整定功能，且PLC一次下载完成后即可脱离上位机和编程软件，直接通过触摸屏的HMI，实现PID的自整定，系统硬件简单，使用灵活方便。

1系统硬件架构

系统主要由S7-200 PLC(包括CPU226，模块EM231RTD，模拟量输出模块EM232)、Smart 1000触摸屏、PAC15P调压板、可控硅功率元件、500W电加热套、PT100热电阻等组成。整个系统硬件组成如图1所示。

其中，S7-200 PLC作为系统主控制器，实现PID算法和PID算法的自整定；Smart 1000触摸屏作为人机交互界面，实现人与PLC的动态交互，可以通过Smart 1000设置PID的参数、启动/取消PID自整定、设定控制温度、观察当前温度和实时温度趋势等；PT100与EM231RTD组成测量反馈环节，测得过程变量当前值并送入控制器；调压板、可控硅功率器件和电加热套组成被控对象，其接受控制器的4～20mA电流输出而做出相应调整改变电加热套的加热电压，进而影响被控温度变量。

图1　基于PLC和HMI的水浴系统结构示意

1.1PLC控制器

该套控制系统采用西门子S7-200 PLC(CPU226)作为控制器，其结构紧凑、功能强大、成本低、扩展性强。该型号PLC主机带有24路DI/16路DO，另外可以方便地扩展AI/AO模块来实现对模拟量的采集和控制。通过上位机编程软件Step7-Micro/Win V4.0 SP6编制梯形图，下载至PLC后即可解除与上位机的连接，以后该套系统使用过程不再需要上位机和编程软件。

使用PT100铂热电阻和西门子EM231热电阻扩展模块采集温度，PT100封装在金属套管中，内部用密封材料和导热材料填充，为了消除导线电阻影响，采用四线制接法连接至EM231热电阻模块。EM231将PT100采集的温度模拟量值传送给PLC，实现模数转换。

PLC进行PID计算所得控制量输出在PID回路表中为归一化的值(0～1区间实数)，反归一化转换成6400～32000的整数后，送至EM232模拟量输出扩展模块。EM232进行数模转换，将其转换成4～20mA电流输出至PAC15P单相晶闸管调压器和功率器件可控硅，从而根据控制电流调节电加热套的加热电压，实现对水浴装置温度的控制。

1.2触摸屏HMI

该套控制系统采用西门子Smart 1000智能触摸屏设计HMI，该触摸屏适用于工业控制。目前在国内，已有文献证实将其用于化学反应器监控等化工过程，取得到了较好的效果，另外在工矿等其他工业领域也应用良好。

Smart 1000为高分辨率宽屏显示触摸屏，具有强大且丰富的通信能力，西门子的PPI通信协议确保触摸屏与S7-200建立高速无缝的链接，和S7-200 PLC组成完美的小型自动化解决方案，通信速率最高可达187.5Kbit/s。它具有高性能处理器、高速外部总线及64M DDR内存。此外，其拥有可靠电源设计，内置的24V电子自恢复反接保护，避免因误接线而导致的产品损坏。

Smart 1000触摸屏使用SIMATIC WinCC Flexible 2008进行组态。该型号触摸屏支持IO域、按钮、开关、棒图、时间日期、文本/图形列表等简单对象组态，同时更支持报警和用户管理、趋势视图、配方管理、报表管理等高级组态功能。只需要创建项目时选择该型号设备即可从工具栏中随时组态这些组件。触摸屏程序组态完成后，使用西门子USB/PPI多主电缆将计算机的USB口与触摸屏相连接，设定好相应的传输模式和传输速率，即可将其下载至触摸屏内存中使用。

2PLC编程

在Step7-Micro/Win中编制PLC所需的梯形图程序。首先利用PID指令向导引导创建PID中断子程序。程序自动创建一个120Byte的回路表，其中VB0～VB35存储PID算法的9个实型参数： 过程变量PVn；设定值SPn；输出Mn；增益Kc；采样时间Ts；积分时间TI；微分时间TD；偏差MX；过程变量前值。VB36～VB79用于PID自整定，其中VD36为回路表ID，VB40为AT控制，VB41为AT状态，VB42为AT结果。VB80～VB119为预留的计算存储空间。

然后自定义梯形图程序所需的一些变量，其中PV为转换后的过程变量值，用于与HMI连接，显示当前实际温度；SP为设定值，用于接收触摸屏输入设定要控制的温度；PID_Gain，PID_I_Time，PID_D_Time分别为增益、积分时间和微分时间，用于接收触摸屏参数设定，并传递至PID指令回路表；PID自整定为布尔变量，用于人工控制PID自整定的启动与停止。

完成PID指令创建和自定义所需变量后，编制梯形图程序。程序主要由以下模块组成：

1) 过程变量值转换模块用于将EM231RTD所测得数值转换成实际温度值用于HMI显示。

2) PID参数传递模块用于将HMI人工输入的PID参数传递给PID指令。

3) PID执行模块调用执行PID运算，并将结果输出至EM232的AQW0。

4) 启动/取消自整定模块用于接收HMI指示来启动或取消自整定算法。

5) 自整定初始化模块，在自整定启动前将AT状态和AT结果清零。

6) 自整定输出模块用于传递自整定过程推荐的增益、积分时间、微分时间给PID算法。

3触摸屏组态

使用SIMATIC WinCC Flexible 2008对Smart 1000触摸屏进行组态，WinCC Flexible是人机界面组态软件，具有良好的开放性和灵活性，功能强大，具有图形界面管理、报警系统、归档系统、报表系统、配方管理系统等强大的组态功能。

在对Smart 1000组态时，首先创建新项目，设备类型选择“Smart Line-Smart 1000”，这样可以组态Smart 1000所支持的功能。在“通信-连接”中定义SIMATIC S7-200PLC，建立HMI与S7-200PLC的连接。进而在“通信-变量”中定义要与PLC交互的变量，如SP，PV，PID自整定启动/取消变量，PID参数等，这些变量的数据类型和地址必须与PLC中对应的元素一致。

1) 组态主画面时，主要分为系统状态监测区域、系统参数设定区域和自整定区域。系统状态监测区域使用棒图对象图形化显示设定温度、当前温度；系统设定区域可以设置温度及PID算法的增益、积分时间和微分时间等；自整定区域用拨码开关来启动或者取消PID自整定，并通过指示灯显示自整定状态，另外自整定完成后的推荐参数会在IO域内显示出来。

2) 组态实时趋势曲线画面时，创建实时趋势曲线增强对象，并将SP，PV的变化趋势显示在实时趋势曲线中。

4实验应用

将编制好的梯形图下载至PLC、组态好的组态程序传送至触摸屏，将PLC与触摸屏连接，其他硬件参照系统框图一并连接，系统组建完成。

设定控制温度为30 ℃，初始参数： 增益5，积分时间20min，微分时间0，当过程变量值接近设定值且基本稳定时，点击触摸屏启动自整定。自整定程序采用延时反馈自整定算法自动整定出一组推荐参数： 增益10.1，积分时间22.3min，微分时间0。使用自整定出的推荐参数进行温度控制，控制稳态精度可达0.2 ℃左右，效果较好，可以满足实际需要。

5结论

将PLC与触摸屏HMI相结合设计了一套电加热智能水浴温度控制系统，它利用触摸屏即可启动或取消自整定，比传统方法利用在上位机的编程软件中使用PID调谐面板进行自整定更加方便快捷、界面友好，在实际应用中，当空间或成本有限时优势会更加明显。此外，利用HMI可设置控制温度，手动设置PID参数，观测温度变化等。

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摘要：利用可编程控制器(PLC)和触摸屏设计了一套智能电加热水浴温度控制系统。该系统采用S7-200PLC作为控制器，Smart 1000触摸屏作为人机界面(HMI)，采用数字PID控制算法，具有自动整定功能且可以通过触摸屏灵活调用。实际应用表明，该控制系统界面友好、操作方便，自整定效果好，控制精度高，可以满足化工过程水浴实验的需求。

关键词：可编程控制器触摸屏PID自整定温度控制

Design of Electric-heated Water Bath Temperature Control System Based on PLC and Touch ScreenMeng Lei， Zou Zhiyun， Zhao Dandan， Guo Yuqing， Liu Xinghong

(Research Institute of Chemical Defense, Beijing, 102205, China)

Abstract：A set of electric-heated water bath temperature control system based on PLC and touch screen is designed. A Siemens PLC is used as controller with touch screen used as human machine interace (HMI). Digit PID control algorithm is used, which has auto-tuning function and can be called by touch screen. Application shows the system has friendly interface, easy operation, good self auto-tuning control result and high control precision. It can satisfy temperature control needs of water bath for chemical process experiments.

Key words：programmable logic controller; touch screen; PID auto-tuning; temperature control

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)03-0038-03

作者简介：孟磊(1990—)，男，河南开封人，2013年毕业于西安交通大学自动化专业，现为防化研究院在读硕士研究生，主要从事过程控制方面研究。

稿件收到日期： 2015-02-05，修改稿收到日期： 2015-03-31。