基于PLC S7—200温度控制系统设计与实现

摘 要：文章讲述了以PLC为核心的温度控制系统的设计，通过对S7-200的程序编辑和PID算法原理的运用给出了系统的硬件设计和软件设计过程，实现了对温度的闭环控制。

关键词：PLC；加热器；温度控制；PID

引言

PLC以其自有的可靠性高，适应性强等优点已经被越来越多的应用于生活以及工业的各个领域，其中S7-200编程软件STEP7Micro/WIN编程简单且功能强大。其强大的通信功能以及丰富的CPU模块，让设计者可以方便的选取所需功能的CPU和对应的通訊协议。灵活的控制和强大的指令集使PLC能够控制各种设备以满足自动化控制要求。PLC通过模拟量I/O模块实现A/D和D/A之间的转换，以便PLC用PID指令实现系统的闭环控制。

1 系统工作原理及温度控制的基本思路

本设计是由PLC控制变频器调速装置与传感器、加热器以及恒温箱组成闭环控制系统如图1所示。通过对温度值进行PID调节来进行恒温控制，由于加热器不能接收模拟量调节，所以温控主要采用PLC对其工作的占空比来控制，PID运算结果控制接通加热器。

温度传感器检测到温度信息，交由PLC处理，经PID运算得到一个0-1的实数，再经比例换算为0-100的整数，把这个整数当作一个0-10s的时间t。设计一个周期为10s的脉冲，脉冲宽度为t，把这个脉冲加给电加热器达到控制温度的目的。

系统工作原理如图1所示。

2 系统的硬件选型及连接

PLC的选型及参数设定：采用S7-200系列的CPU266，规格是：供电120-240VAC；CPU输入：24*24VDC；CPU输出：16*继电器。

温度传感器：温度传感器采用热电阻作为测温元件，带变送器。测量范围是0-100℃，输出4-20mA，串接电阻把电流信号转换成1-5V电压信号，送入PLC的模拟量输入通信。

系统的硬件连接：计算机和PLC之间通讯协议为PPI协议，用PC/PPI电缆将二者连接；在温度控制控制部分采用PLC的一个继电器输出口串接到加热回路中。

3 系统软件设计

温度控制的软件设计：整个系统的工作原理是利用热电阻采集由恒温箱中的信号然后输出以模拟量电压信号，经过模拟量输入通道送入PLC再经过PID指令运算由PLC数字量输出通道对加热器的占空比进行控制，以脉冲输出方式控制加热器周期性工作，即改变加热器的通断时间比来改变加热速度，从而达到预设值。

温度控制的基本思路是：PLC以脉冲方式控制其占空比来控制加热器的工作。先设定好系统的目标温度值也就是预期的恒温箱温度，PLC输出一个周期的方波，在这个周期里，当实测温度未达到预设值的1/2时，PLC输出高电平，加热器以最大功率工作，当实测温度达到预设值的1/2却没到预设值的4/5时，PLC输出半个高电平半个低电平，加热器以最大功率的50%工作，实测温度超过预设值的4/5却没到预设值，PLC输出1/4个高电平3/4个低电平，加热以最大功率的25%工作。

4 软件程序设计

主程序设计，程序如下：

NETWORK 1

LD SM0.1//首次扫描时SM0.1=1

CALL SBR//初始化

NETWORK 2

LD SM0.0//AM0.0总为1

CALL SBR_1//采样，求平均值

CALL SBR_2//比较，输出

END //主程序结束

初始化子程序的设计：子程序0实现的是初始化，即对计数器和存储区间清零，以保证采样值的准确性。本程序中所有除法是简单的移位除法（用采样次数的2的方次），输入字是12位长，如果采样次数大于16（2的4次方），那么和的长度将大于一个字（16位），于是需用双字（32位）存储采样和。

程序如下：

LD SM0.0

MOVW +0，VW0

MOVW +256，VW2

MOVW +0，VD10

MOVW +0，VD14

MOVW +0，VD18

MOVW +0，VD108

MOVW +0，VD118

CRET

采样子程序的设计

子程序1如下：

LD SM0.0//SM0.0总为1

MOVW AEW2，VW12//在VW12中放置模拟量输入值

LDW>= VW12，+0//检查输入信号

MOVW +0，VW10//把输入值转换成双字

NOT //即VD10=模拟量输入值（当前采样值）

MOVW 16#FFFF，VW10

LD SM0.0

+D SM0.0//把当前采样值加到采样和中

INCW VW0//采样计数器加1

LDW>= VW0，VW2//达到采样次数

MOVD VD14，VD18//把采样和VD14复制到VD18中

ENCO VW2，AC1//计算移位数

SRD VD18，AC1//求采样平均值

MOVD +0，VD14//重新初始化

MOVW +0，VW0

CRET//子程序结束

控制子程序的设计：系统通过EM235采样，从AEW2中取输入值，为了增加稳定性求多次采样值的平均值，在依据计算出的平均值与给定值比较，看在哪个取件是对应的数字输出工作，驱动加热器以相应的占空比工作。

温度变送器的量程为0-100℃，对应转化为标准信号4-20mA，EM2335取采样值后，以字的形式将其存储，12位数据对应的精度为1/32000，所以AEW2中的读数与温度存在着下面的函数关系：

Y=256*X+6400 （1）

其中Y是采样值在CPU中存储的十进制形式，X是温度，单位是℃

子程序2如下：

LD SM0.0

MOVW +16640，VW110//给定值等于40℃

MOVW +11520，VW114//给定值的1/2等于20℃

MOVW +14592，VW118//给定值的4/5等于32℃

NETWORK 2

LDW<=VW 20，VW114//采样值给定值比较

= Q0.1//采样值小于给定值的1/2时Q0.1导通，似的加热器全速工作

NETWORK 3

LDW> VW20，VW114//采样值大于给定值的1/2小于给定值的4/5时，调用子程序3

AW<= VW20，VW118

CALL SBR_3//加热器以占空比为1/2工作

NETWORK 4

LDW> VW20，VW114//采样值大于给定值的4/5小于给定值时，调用子程序4

AW<= VW20，VW110

NETWORK 5

LDW> VW20，VW110//采样值大于给定值时Q0.0复位

R Q0.1，8//加热器停止工作

CRET

输出子程序的设计：为了准确的控制加热器的占空比，用定时器控制PLC的数字输出端Q0.1。设定加热器的一个周期为10s，实测温度未达到预设值的一半时，Q0.1输出高电平，加热器以最大功率工作，实测温度超过预设值的1/2未到4/5时Q0.1输出10s周期的方波，加热器以最大功率的50%工作，实测温度超过预设值的4/5却没达到设定值时，PLC输出2.5s高电平7.5s低电平，即加热器以最大功率的25%工作。子程序3和4实现了Q0.1输出不同波形。

具体程序如下：

5 结束语

综上所述可知PLC的灵活性和适应性在工业控制方面得到很好的应用。很多工业现场需要达到的要求，用PLC编程总能很精确且可靠的满足，在对恒温箱设计的闭环控制系统，经过模拟实驗基本达到所需要求。

参考文献

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[5]王春亮，李茜.Fuzzy-smith 控制器在温度控制中的应用[J].自动化与仪表，2011，26（12）：41-43.

作者简介：郭志伟，男，汉族，研究生，河北大学。