PLC加热炉温度控制系统

PLC加热炉温度控制系统

摘要

传统的加热炉电气控制通常采用继电器控制技术，通过使用固定布线的硬件

实现逻辑控制，使控制系统体积增大，功耗大，效率低，容易发生故障，无法保

证工业生产的正常进行。随着计算机控制技术的发展，传统的继电器控制技术不

可避免地被基于计算机的PLC控制技术所取代。PLC本身的优异性能使得基于PLC

的温度控制系统经济、高效、稳定且易于维护。这种温度控制系统对改造传统的

继电器控制系统有相当大的意义。

在以PLC为核心的控制系统中，加热炉作为自动温度控制的基础，PLC将炉

温设定点与温度传感器测量值之间的偏差根据PID的信号进行运算，以调整输出

电压的大小，从而对加热炉达到自动温度控制的目的。文章介绍了一个基于

S7-200温度控制系统的PID控制器的实施情况。

关键词：PLC,温度控制，PTD控制器,S7-200,温度传感器

1温度控制对象

温度控制是工业控制过程中一个非常重要的预目，因为它直接影响物理和化

学过程，如燃烧、化学反应、发酵、烘烤、蒸储、浓缩、结晶和空气流动。不适

当的温度控制会导致严重的安全事故、产品质量和产量问题。温度控制是许多机

器的重要组成部分，其目的是在所需范围内调节温度，以促进工件的加工和史理。

温度波动，无论是在生活中还是在工业生产中，都会对生活和生产的某些领域产

生不同的影响，因此在适当的时候控制温度是很重要的。

1.1功能特点与技术参数

实践证明，温度对象的特点是时间常数大，滞后现象严重；在响应控制时,

受控温度的变化滞后于控制器的输出。我们知道，热传递需要一定的时间，温度

迅速上升与热容量的大小成正比，通常情况下，温度的升降与时间的关系是一种

指数曲线关系。滞后现象与热传导有关，另外测温元件也有一定惯性，这些都会

产生滞后现象。

在这个设计中，使用了TKPLC-2型温度控制器，它的特点也是大滞后和惯性。

加热器被加热的电压为0V至5Vo

1.2控制手段

从上述分析来看，系统的总延迟时间相对较大，与温度下降相比，温度上升

的延迟时间相对较小。因此，在PID控制中，为了提高系统的质量，除了增加适

当的积分来消除静态误差外，还应加强比例作用，使控制更加灵敏，缩短调整时

间，同时还应增加相应的微分作用，以减少系统的过冲量。

现场总线测控系统设计

2方案设计

硬件的选择主要是根据实验的需要。然后将选定的硬件组成控制系统，根据

任务要求选择西门子S7-200PLC、TKPLC-2加热炉等硬件，硬件选择完成后，根

据选定的硬件提供相应的软件进行编程，只有使用完整的软硬件系统才能提供所

需的功能。以下是对用于设计的硬件和软件的全面介绍。

2.1现场总线概述

全世界大约有40种现场总线，如法国的FIF、英国的ERA、西门子的ProfiBus、

挪威的FINT>Echelon的LONWorks>PhcnixContact的InterBus>RoberBosch的

CAN>Rosemounr的HART^CarloGarazzi的Dupline>丹麦ProcessData的P-net>

PeterHans的F-Mux以及ASI(ActraturSux)oCarloGarazzi的Dupline,丹麦

ProcessData的P-net,PeterHans的F-Mux和ASI(ActraturSux)orosemounr的

HART,CarloGarazzi的Dupline,丹麦ProcessData的P-net,PeterHans的F-Mux

和ASI(ActraturScnsorInterface)»MODBus,SDS,Arcncto国际标准化组织一

现场总线基金会FF：美国的FieldBusFounda国on,WorldFTP,BitBus,DeviceNet

和ControlNet,等等。这些现场总线大多用于过程自动化、医疗、制造、运输、

国防、航空航天、农业和建筑。可能不到十种公交车类型占了大约80%的市场。以

下是对九种最常用的现场总线的详细介绍。

2.1.1基金会现场总线

这些协议是ISP协议，由80家公司开发，包括横河、ABB、西门子和Invis,

由美国的Fisher-Rousemount领导，以及WorldFlP协议，由欧洲和其他地方的150

多家公司开发，由Honeywell领导，于1994年9月合并而成。该总线在过程自动

化中被广泛使用，具有良好的发展前景。

基本的现场总线使用简化的国际标准化组织开放系统互连0SI模型(1、2、7

层)，即物理层、数据链路层、应用层，此外还有用户层。FF分为两个通信速率。

低速H1和高速H2。前者的传输速率为31.25Kbit/s,通信距离可达1900米,并

可支持总线供电和本质安全环境。后者的传输速率为IMbit/s和2.5Mbit/s,通信

距离为750米和500米，支持双绞线、光缆和无线传输，协议符号为IEC1158-2。。

2.1.2LonWorks急线

它由美国的埃施朗公司推出，并由摩托罗拉和东芝进一步开发。它使用

ISO/OSI通信协议的所有七层，并遵循面向对象的设计方法，将网络通信的设计减

少到通过网络变量的参数化。Lonworks技术使用封装在Neuron芯片中的LonTalk

协议，并且已经实现。使用Lonworks技术和Neuron芯片的产品被广泛用于各种

行业，如建筑和家庭自动化、安全系统、办公设备、运输和工业过程控制。。

2.1.3Profibus总线

Profibus是现场总线的德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)。它

现场总线测控系统设计

2.1.9DeviceNet总线

DeviceNet是一种低成本的通信链路，是一种具有开放网络标准的简单网络解

决方案。每个网络的最大节点数为64,通信模式为：生产者/消费者，发送多通道

广播信息。DeviceNel网络中的设备可以自由连接或断开，而不影响网络中的其他

设备，而且设备的安装和布线成本很低。oD¥A〃）。

2.1.10PPI总线

该设计使用西门子PPI总线，这是一个专门为SIMATICS7-200开发的点对点

接口（PPI）o然而,其他SIMATICS7控制器（如S7-300和S7-400）或HMI可以

在PPI网络上与S7-200通信。

PPI是一个主从办议，允许一个主设备向一个从设备发送请求。从属设备不发

起消息，而是等待，直到主设备发出请求或查询响应。通信是通过通常的PPI连

接。主设备包括。编程设备带有STEP7Micro/WIN的IWI设备（触摸面板、文本

显示器或操作面板），也是从属设备。S7-200CPU扩展框架（例如EM277）也可以

通过编程来激活S7-200CPU作为PPT主站。

PPI基于PR0F1BUS标准（1EC61158和EN50170）,支持以下总线拓扑结构。

总线类型星形类型通过PPI,可以建立一个最多有32个主站的多主站网络。可

以与从属机构通信的主站数量不受限制。从机可以分配给主机。PPI网络可以用

RS-485中继器进行扩展。也可以将一个调制解调器连接到PPI网络。可以为PPI

创建各种配置。单主PPT网络、多主PPT网络、复杂PPI网络、带S7-300或S7-400

的PPI网络。

2.2WinCC+S7-200温度控制系统的硬件组成

温度控制系统的主要硬件组成：带有WinCC和带有STEP7Micro/WIN软件的计

算机，PLC,PPT数据线，TKPLC-2型加热炉。以下是该系统的硬件结构图，如图

2.2.1所示。

图2.2.1系统硬件图

TKPLC-2加热器带有集成的加热器驱动模块和加热器传感器。这使得硬件系统

的组装变得更加简单和容易。该系统是通过一个简单的控制回路实现的。控制加

热炉温度的系统是由PLC控制的，其设置如图2.2.2所示。该系统的工作情况如

下。首先，给定值（0^100℃）通过键盘输入到PLC主机，再由PLC主机传递给数

3

现场总线测控系统设计

字输出模块，控制固态继电器的开关状态，从而控制电阻炉的加热；其次，热电

偶的温度通过模拟输入模块转换为炉温值的电流信号进入PLC主机，由PLC主机

内部的PID程序和温度给定值，由数字输出模块进行下一度的控制。PLC是整个系

统的主要控制核心。

图222电阻炉温度控制系统图

2.2.1S7-200PLC的选型

S7-200系列PLC是SIEMENS公司新推出的一款紧凑型PLCo其结构紧凑，扩

展性好，指令功能强大，价格低廉，是各种现代小型控制项目的理想控制器。

S7-200PLC包含一个S7-200CPU和各种可选的扩展模块，可以非常容易地组装起

来，以创建不同规模的控制器。S7-200PLC可以很容易地集成到PLC-PLC网络和微

机PLC网络中，实现更大的项目，方便快捷。可以说，S7-200完全可以满足各种

小型控制系统的要求。这些性能直接影响到PLC的控制规模和PLC系统的配置。

目前,S7-200系列的PLC主要有四种类型:CPU221、CPU222、CPU224和CPU226。

最低等级是CPU221,数字输入点有6个，数字输出点有4个，是控制规模最小的

PLCo最高等级应该是CPU226,CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数

字I/0o可以连接7个扩展模块，最大扩展到248个数字I/O点或35个模拟I/O。

这个设计是CPU226。本设计选择了CPU226。

切换式I/O扩展模块当CPU的I/O点不足或需要特殊功能时，应进行I/O扩

展，包括I/O点扩展和功能模块扩展。可切换的I/O模块通常分为三种类型。输

入模块、输出模块和输入/输出模块。为了确保PLC工作的可靠性，在输入模块中

提高了技术措施的可靠性。这包括光隔离、输入保护（过压保护、旁路二极管、

限流电阻）、高频滤波、输入数据缓冲器等。由于PLC是用来控制各种对象的，所

以输出模块也要根据负载情况来选择，7T直流输出块、交流输出模块和交直流输

出模块。根据输出开关装置的不同类型，分为三种类型。继电器输出型、晶体管

输出型和双向晶闸管输出型。在这三种输出类型中，晶体管输出类型最快，继电

器输出类型最差，而晶闸管输出类型在输出响应速度方面处于中间。在实践中，

应仔细检查开关量I/O模块的技术特性，并根据实际情况进行选择。在S7-200中，

单极模拟输入/输出信号的数值范围是0-32000,双极模拟信号的数值范围是

4

现场总线测控系统设计

-32000-+32000o

2.2.2加热炉的选型

本实验选择的加热炉是TKPLC-2型，该加热炉集成了一个驱动模块和一个温

度变送器。它很容易操作，只需要将输入和输出连接到PLC的输出或输入模块。

这消除了对硬件开发的需求。

TKPLC-2型加热炉，还具有惯性大、滞后的特点，在实际控制中会比较麻烦,

而且加热炉要靠环境自然冷却，所以冷却时间较长。然而，通过改进PID控制的

参数，可以勉强控制加热炉的温度，使稳态误差和动态误差满足任务的要求。。

3WinCC+S7-200温度控制系统的软件配置

本设计使用的软件是STEP7-Micro/WIN32>WinCC和PC访问，PLC由

STEP7-Micro/WIN32编程，控制过程通过配置Wince进行控制和监控，PLC和WinCC

之间的通信由PPI总线实现，并实时监控加热炉的运行状况。

3.1STEP7-Micro/WIN32的介绍

STEP7-Micro/WTN32是西门子为SIMATICS7-200系列可编程控制器开发的编

程软件，它是一个功能强大的基于Windows的应用软件，既可用于开发用户程序，

又可实时监控用户程序的执行状态。

STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是支持用户开发应用软件，基本上可

以实现以下功能。

1）创建用户程序，在离线模式下改变和编辑现有的用户程序（脱机）。

在离线模式下，计算机没有连接到PLCo此时，可以进行大部分基本功能，如编程、

编译、调试和系统配置，但所有的程序和参数只能存储在计算机的硬盘上。

（2）在在线（online）模式下，可通过设置与计算机直接通信，对PLC进行各种

操作，如上传、下载用户程序和配置数据。

3）编辑程序时的语法检查可以避免一些语法错误和数据类型错误。语法检查

后，在梯形图中的错误下面会自动插入一条红色的波浪线，在指令表中的错误线

前面会自动画一个红叉，并在错误处加上一条红色波浪线。

4）用户方案的文件管理，加密处理等。

5）设置PLC的运行模式、参数和运行监控等。。

5

现场总线测控系统设计

3.2WinCC的介绍

西门子的WinCC是WlndowsControIConter（Windows控制中心）的缩写。它

集成了先进的技术，如SCADA、组态、脚本语言（scripting）和0PC,并为用户

提供了在Windows操作系统环境下（Wlndows2000或XP）使用各种通用软件的能

力。WinCC处理技术上先进的西门子全集成自动化产品（TIA）的无缝集成。WinCC

WinCC在PC环境下运行，可与各种自动化设备和控制软件集成。它有各种设置元

素、视觉窗口和菜单选项，灵活多变°凭借其用户友好的配置、编程和数据管理

界面，用户可以创建他们想要的操作屏幕、监测屏幕、控制屏幕、报警屏幕、实

时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报告。WinCC的另一个特点是它的开放性，允许

它与各种软件和用户程序相结合，创造一个友好的人机界面，满足实际需要。用

户也可以将WinCC作为系统扩展的基础，通过开放的接口，根据需要开发自己的

应用程序。

3.3PCACCESS的介绍

西门子最新的PCAccess软件是用于S7-200PLC的OPC服务器软件，为OPC

客户端提供数据信息，并能与任何标准的0PC客户端进行通信。正确性。

作为一个工业标准，OPC为工业环境中的信息交换提供了一个统一的标准软件

接口，使数据用户不必为不同制造商的数据源开发驱动程序或服务程序。0PC以标

准化的方式将数据源提供的数据传输给任何客户端应用程序。OPC（OLEfor

ProcessControl）是一个开放的系统接口标准，使OPC可以用于自动化/PLC应用、

现场设备和基于PC的应用。终端应用、现场设备和基于PC的应用（如I1MI或办

公应用），以简单和标准化的方式交换数据。它定义了工.业环境中不同应用之间的

信息交换，并在应用下面工作。你可以在PC上监控、检索和处理来自可编程逻辑

控制器的数据和事件。PCAccess可用于连接西门子或支持OPC技术的第三方上层

软件。

PCAccess可以通过以下硬件连接与S7-200通信。通过PC/PPI电缆（USB/PP1

电缆）将PC的USB端口连接到S7-200,通过PC/PPI电缆（RS-232/PPI电缆）将

PC的串行COM端口连接到S7-200,通过西门子通讯处理器卡（CP）和MPI电缆连

接到S7-200。通过安装在PC上的调制解调器（modem）到S7-200上的EM241模块，

通过以太网到S7-200上的CP243-1或CP243-1IT模块，上述S7-200的通信端口

可以是CPU通信端口或EM277通信端口。

PCAccess支持的协议:PPI（通过RS-232Ppi和USB/PPI电缆），MPI（通过

相关CP卡），Profibus-DP（通过CP卡），$7协议（以太网），调制解调器（内部

或外部，通过TAPI驱动）。所有协议允许8个PLC同时连接，一个PLC通信端口

允许4个PC连接，其中一个保留给Micro/WIN,PC访问和Micro/WIN可以同时访

问CPU,支持S7-200的所有内存数据类型。

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现场总线测控系统设计

3.4WinCC+S7-200温度控制系统的网络结构

WinCC和S7-200之间的网络连接只是通过RS232或USB接口进行数据传输。数据传输

率在1.2kbps和115.2kbps之间。WinCC和S7-200之间的网络连接是一个点对点的连接，并

遵循PPI通信协议。网络结构主要有三种类型：有一个主站的PPI网络、有几个主站的PPI

网络和复:杂的PPI网络,卜.面详细介绍不同的网络结构。

3.4.1单主站PPI网络

通常，一个单主PP1网络由以下部分组成：一个带有STEP7-Micro/WIN的编程

设备/PC或一个HMI设备（面板）作为主设备，一个或多个S7-200作为从设备。

单主站PPI网络结构如图3.4.1所示。

PG.PC

PanelS7-200

图3.4.1单主站PPI网络结构图

342多主站PPI网络

PPI网络还形成了一个多主站网络结构，即由几个主站计算机或HMI设备组成

的网络连接结构。通过这种网络结构，我们可以配置一个具有多个主设备的PPI

网络，这些主设备可以与一个或多个S7-200作为从设备进行通信。每个主站（编

程设备/PC或面板）可以与网络中的任何从站交换数据。多主站网络的原理如图

3.4.2所示。

S7-200

HMI

图3.4.2多主站网络原理图

3.4.3复杂PPI网络

PPT网络还形成了一个多主站网络结构，即由几个主站计算机或HMI设备组成

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现场总线测控系统设计

的网络连接结构。通过这种网络结构，我们可以配置一个具有多个主设备的PPI

网络，这些主设备可以与一个或多个S7-200作为从设备进行通信。每个主站(编

程设备/PC或面板)可以与网络中的任何从站交换数据。多主站网络的原理如图

3.4.2所示。

HMI

图3.4.3复杂网络原理图

虽然PPI网络能够成很多种网络结构，本次根据设计的要求，我们只需控制一

台S7-200,所以我使用了单主站网络结构。

3.5温度控制算法

在工程实践中，最广泛使用的控制器控制法为比例、积分、微分控制，即所

谓的PID控制，又称PID控制。PID控制器已有近80年的历史，它以其结构简单、

稳定性好、工作可靠、调节方便而成为工业控制的重要技术之一。如果对被控对

象的结构和参数不能完全掌握，或者没有获得准确的数学模型，控制理论中的其

他技术难以使用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，此

时应用PID控制技术最为方便［5］.也就是说，如果我们不完全了解一个系统和被

控对象，或者不能通过有效的测量手段获得系统参数，最适合采用PID控制技术。

比例控制(P)：比例控制是最简单和最常用的控制方法之一［4］。控制器的输

出与输入误差信号成正比。如果只有比例控制，系统输出将有一个稳态误差。

积分控制(I)：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比。

在自动控制系统中，如果在系统进入稳态后出现稳态误差，则被称为稳态误差，

或者简单地称为差动系统。为了消除稳态误差，必须在控制器中引入一个〃积分

顶〃。积分项取决于误差对时间的积分，并随着时间的推移而增加。即使误差很小，

积分项也会随着时间的推移而增加，导致控制器的输出增加，稳态误差也会进一

步减少，直至为零。因此，比例积分(PI)控制器允许系统进入稳定状态，没有

稳态误差。

差动控制(D-control)：在差动控制中，控制器的输出与输入误差信号的差

值成正比(即误差的变化率)。在控制过程中，自动控制系统可能会出现波动，甚

至变得不稳定，以克服误差。这是因为存在大的惯性分量(链接)或滞后分量(延

迟)，造成对误差的抑制，其变化总是滞后了误差的变化。解决办法是〃提前〃进

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现场总线测控系统设计

行误差抑制的改变，即当误差接近于零时，误差抑制的效果应该为零。这说明在

控制器中引入〃比例〃项往往是不够的，比例项只是放大了误差的大小，而目前

需要增加〃微分项〃，它可以预测误差的变化趋势，所以采用比例+微分的控制器

这样，采用比例和微分的控制器可以使误差抑制的控制效果从一开始就等于零甚

至是负数，避免了被控变量的强烈过冲。在被控系统有较大惯性或滞后的情况下，

比例和微分(PD)控制器可以改善控制过程中系统的动态特性。。

3.5.1PID算法的种类

基本的PID方程是。位置方程、增量方程和速度方程，其中增量方程是最常

用的。如果u(n)是本周期的PID控制器输出(控制量)，e(n)是本周期的PID

输入偏差信号，e(n-1)是上一周期的偏差信号，e(n-2)是上一周期的偏差信号，

kp是比例增益，Ti是积分时间，Td是微分时间，那么PID基本方程的公式如下.：

1)位置型PID算式

〃(〃)=Kp{e(ti)+—^(0+—[e(/?)--1)]}(3.1)

万MT

如果微分方程中的积分运算对应于微分方程的累积运算，微分方程对应于一个时期的增

量变化，那么很容易得出表达式3.1。

2)增量型PID算式

nprp1

△〃(〃)=Kp{Ae(n)+—e(n)H---[A^(w)--1)]}

TiT(3.2)

由增量型PID算式也可以得到PTD控制器的位置输出：

〃(〃)=+△〃(〃)/qOX

3)速度型P1D算式

速度型PID算式的输出值和执行器的位置变化率(如调节阀的开度变化率、直

流伺服电机的转动速度等)相对应，它是由增量型PID算式除以T得到：

△〃(〃)KpTFd

——=笠｛Ae(〃)+—e(〃)+—-Ae(7?-l)](

TTTiT(3.4)⑶

3.5.2回路定义表

从PID指令字段中输入的表的起始地址(TBL)开始，给循环表分配八十(80)

个字节。S7-200的PID指令指的是一个包含循环参数的循环表。该表最初的长度

为36字节。随着PID自动调整功能的增加，循环表已经扩展到80字节。当使用

PID调谐控制面板时，所有与PID回路表的互动都由该控制面板代表您进行。如果

操作面板要提供自动调谐功能，你的程序必须允许操作者和PID环路表之间的互

动，以启动和监测这个自动调谐过程，然后应用推荐的调谐值。

表3.1回路定义表

偏移量类型

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现场总线测控系统设计

0PVn双字■实数入包含进程变量，必须在0.0

进程变量至1.0范围内。

4SPn双字-实数入包含设定值，必须在0.0至

设定值1.0范围内。

8Mn双字-实数入/出包含计算输出，在00至1.0

输出范围内。

12Kc双字-实数入包含增益，此为比例常数，

增益可为正数或负数。

16Ts双字-实数入包含采样时间，以秒为单

采样时间位，必须为正数。

20TI双字-实数入包含积分时间或复原，以分

积分时间或复原钟为单位，必须为:E数。

24TD双字■实数入包含微分时间或速率，以分

微分时间或速率钟为单位，必须为卫数。

28MX双字-实数入/出包含0.0和1.0之间的偏差

偏差或积分和数值。

32PVn-1双字-实数入/出包含最后一次执行PID指

以前的进程变量令存储的进程变量以前的

数值。

3.5.3PID回路计算方法

S7-200CPU提供PTD回路指令(比例、积分和微分回路)来进行PID计算。

PID环路操作取决于存储在36字节环路表中的9个参数。在稳态运行中，PID控

制器管理输出值，使控制偏差(e)为零。误差测量由设定点(期望的操作点)和

过程变量(实际操作点)之间的差异决定。PID控制原理基于以下公式，其中输出

信号M(t)被表示为比例、积分和微分项的函数：

；de

M(i)=KC*e+KC\edt+Minitial+KC*一

。dt(3.5)

其中：

M(t)作为时间函数的回路输出

TD回路增益

E回路错误(设定值和进程变量之间的差别)

Minitial回路输出的初始值

为了在数字计算机中运行该控制函数，必须将连续函数量化为错误值的定期

样本，并随后计算输出。“数字计算机运算以下列相应的公式为基础：

M〃=Kc*〃+K,*£+Ma+KD*)(3.6)

其中：,

Mn采样时间n的回路输出计算值

Kc回路增益

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现场总线测控系统设计

en采样时间n的回路错误值

en-1回路错误的前一个数值(在采样时间n-1)

KI积分项的比例常数

Minitial微分项的比例常数

KD微分项的比例常数

在这个公式中，积分项被表示为从第一个样本到当前样本总误差项的函数。

差分项是当前样本和前一个样本的函数，而比例项仅是当前样本的函数.在数字

计算机中，既不可能也没有必要存储所有误差灰的样本。由于数字计算机必须在

每次对故障进行采样时计算输出值，因此只需要从第一个采样开始，存储上一个

故障值和上一个积分项值。由于数字计算机计算的可重复性，该公式可以在采样

期间的任何时候进行简化。简化后的方程式为：

=+)(3.7)

其中：

Mn采样时间n的回路输出计算值

Kc回路增益

en采样时间n的回路错误值

en-1回路错误的前一个数值(采样时间n-1)

KI积分项的比例常数

MX积分项的前一个数值(采样时间n-l)

KD微分项的比例常数

计算回路输出值时，CPU使用对上述简化公式的修改格式。修改后的公式为；

Mn=MPn+Mhi+MDn(3.8)

其中：

Mn采样时间n的回路输出计算值

MPn采样时间n的回路输出比例项数值

Mln采样时间n的回路输出积分项数值

MDn采样时间n的回路输出微分项数值

比例项MP是增益(Kc)和偏差(e)的乘积。其中Kc决定输出对偏差的灵敏

度，偏差(e)是给定值(SP)与过程变量值(PV)之差，S7-200解决的求比例项

的算式是：

MPn=Kc*(SP『PVm(39)

其中：MPn第n采样时刻比例项的值

Kc增益

SPn第n采样时刻的给定值

BVn第n采样时刻的过程变量的值

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现场总线测控系统设计

积分项值MI与偏差和成正比。S7-200解决的求积分的算式是：

MIn=Kc^Ts/Ti（SPn-PVn）+MX（310）

其中：Mln第n采样时刻积分项的值

Kc增益

Ts采样时间间隔

Ti积分时间

SPn第n采样时刻的给定值

PVn第n采样时刻的过程变量的值

MX第n-1采样时刻积分项（积分项前值）

积分总和（MX）是所有积分项以前的值的总和，在每次计算完Mln后用于更

新MX,其中Mln可以调整或限制，在第一次计算输出之前，MX的处置通常被设置

为minitial。积分项还包括其他几个常数。增益（Kc）,采样时间（Ts）和积分时

间（Ti）。采样时间是重新计算输出的时间间隔，而积分时间控制积分项对整个输

出结果的影响程度。

微分项Md的值与偏差的变化成正比，S7-200使用以下公式计算微分项：

Mdn=Kc*Td/Ts*（（SPlt-PV'TSyPV.^））（3」1）

为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变，假定给定值不变SPn=SPn-l,

这样可以用过程变量的变化替代偏差的变化，计算算式可改进为：

Mdn=Kc^Td!Ts^（PVn_}+PVtl）（3%）

其中：Mdn第n采样时刻的微分项值

Kc回路增益

Ts回路采样时间

Td微分时间

SPn第n采样时刻的给定值

SPn-1第n-1采样时刻的给定值

PVn第n采样时刻的过程变量的值

PVn-1第n-1采样时刻的过程变量的值

对于下一次差分项数值的计算，过程变量，而不是偏差，必须在笫一次采样

时被存储并初始化为PVn-1二PVn。

在许多控制系统中，只需要一个或两个控制环类型。例如，只需要比例或比

例-积分控制回路，通过设置常数参数，可以选择所需的控制回路类型。

如果不需要积分动作（PTD计算中没有〃1〃），积分时间（复位）可以设置为

无限〃INFJ即使没有积分作用，积分项也不是零，因为有一个MX的初始值。

如果你不想要差分回路，你可以把差分时间设置为零。

如果你不需要比例环路，而是需要积分或积分-微分环路，你可以将增益设置

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现场总线测控系统设计

为0.0,在计算积分和微分项时，系统会将增益视为1.0。。[5]

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现场总线测控系统设计

4S7-200PLC控制程序的设计

一旦硬件设计完成，软件设计是系统满足设计要求的必要条件，所以软件设

计在设计过程中也非常重要。有了一个好的和合适的程序，该系统可以被最佳地

用来控制加热炉的温度。。

4.1控制程序的组成

控制程序主要包括一个温度采集程序、一个数据过滤程序和一个PID控制程

序。温度采集程序的功能是将温度值转换成PLC可以识别的数值。数据过滤程存

是为了消除干扰对测量结果的影响。在PID控制之前，必须对收集到的数据进行

处理，以避免由于外部干扰造成的PID操作错误。因此，过滤程序是非常重要的。

4.2温度采集程序设计

图4.2.1温度采集程序

由于温度变送器发送的是标准的4-20mA电流信号，信号采集模块将采集的

电流转换为数字信号，然后经过一系列的数据类型转换，将采集的数据转换为标

准的温度数据信号，便于识别。同时，收集的数值也必须转换为PLC的PID操作

所需的标准数据类型。识别烤箱的实际温度包括将温度量转换为PLC可识别的量,

因此温度变送器输出的值首先从16位整数转换为32位双整数，然后再从双整数

转换为实数类型，其中实数类型在小数点后可以有6位，这样就比较准确。此时，

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现场总线测控系统设计

为得到测量的温度值，在PLC中计算出相应的数字，该数字将被送到变量寄存器

VD296中。

4.3数字滤波程序设计

SM0.0ADD.R

7

E、EXOA

T:\D2961X10L7•\D300

VD3001\2

图4.3.1网络一

网络1被编程为对每次收集的数值进行求和，将求和的数值存储在VD300中，并进行求

网络二是找出最大值和最小值。

图4.3.3网络三

网络三是将VBO寄存器中的数据清零。

图4.3.4网络四

网络四是将最大值和最小值从所求的总和中减去，从而实现，减去一个最大

值和减去一个最小值，达到限幅的作用。

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现场总线测控系统设计

图4.3.5网络五

网络五是将剩下的总和求平均，从而得到设计中想的到的温度值。

图4.3.6网络六

第六个网络的功能是初始化所有使用的寄存错。

数据过滤的方法有很多，其中软件过滤的方法包括以下几种。极限滤波、中

值滤波、算术平均滤波、递归平均源波（又称移动平均滤波）、中值平均滤波（又

称抗脉冲干扰平均滤波）、极限平均滤波、一阶延迟滤波、加权递归平均滤波、

抖动流波和极限抖动滤波。图4.3.1至4.3.6中的方案图使用了极限过滤。基本

的想法是将收集到的10个数据，去掉一个最大值，再去掉一个最小值，然后将

剩下的8个数字相加，找到平均数。。

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现场总线测控系统设计

4.4PID控制程序设计

图4.4.1PID控制程序

PID控制方案是整个方案的重要组成部分，通过PID控制方案，可以很

好地控制加热炉的工作状态。PID控制方案是整个方案的重要组成部分,通过PID

控制方案，可以很好地控制加热炉的工作状态。如果对被控对象的结构和参数不

能完全掌握，或无法获得准确的数学模型，其他控制理论技术就难以使用，系统

控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定何时应用PID控制技术最

为方便。

在这个设计中，使用了一个闭环控制系统。根据回路定义表的要求，比例增

益、积分时间和比例时间分别存储在VD332、VD340和VD344中…

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现场总线测控系统设计

5WinCC组态

WinCC的配置是创建HMI的一个重要过程。只有在WinCC中正确的变量组

合，我们才能监测烤箱的运行状态，并实时控制它。。

5.1变量组态

变量配置是通过S7-200PLC的OPC服务器软件PCACCESS完成的，它为OPC

客户端提供数据信息，并能与任何标准的OPC客户端通信。配置好变量后，可以

使用提供的OPC客户端测试终端来检查项目的变量是否被正确地通信和配置。

在屏幕配置之前，变量配置是一项非常重要的任务。只有在OPC客户端测试

终端检查了通信是否正确后，WinCC配置后的变量才能与PLC正常通信。

使用OPC的步骤：设置通信访问通道，创建一个PLC,创建一个文件夹，创

建一个项目，测试通信质量。如果测试通信的质量很好，变量的配置就完成了。

变量的配置见表5.1oo

表5.1变量组态表

名称地址数据类型存取

TVD296REALRW

INPUTVD200REALRW

KcVD332REALRW

TiVD340REALRW

TdVD344REALRW

PVD204REALRW

5.2画面组态

打开WinCC资源管理器窗口创建一个WinCC单用户项目，在变量管理器中

插入新的0PC驱动程序在0PC项目管理器中插入S7-200的系统参数。在变量管

理器中插入所有需要的变量。然后右击WinCC资源管理器中的〃图形编辑器〃，

在弹出的菜单中选择"新屏幕〃并选择新屏幕。"（pdl为屏幕描述文件），双击

〃NewPdl.pdl〃打开图形编辑器。

进入图形编辑界面后，我们需要对图形进行编辑，第一个静态文本是用来显

示输出值的，这个窗口中的数据只能看到，不能更改，所以它只用于我的温度输

出值显示。如果你需要输入数据，请使用输入和输出文本。该文本中的数据可以

实时改变，改变后的变量值可以传输给PLC,例如，温度设定值、P1D算法的增

益、积分时间、微分时间一所有这些都必须以这种方式使用。然后创建图表，主

要用于比较设定值和显示值。配置后的整个屏幕示意图如图5.2.1所示。。

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现场总线测控系统设计

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图5.2.1画面组态

5.3变量连接

S7-200与WinCC的通信是PPI协议，PPI协议是西门子S7-200系列PLC通

用的通信协议，但WinCC没有集成到该协议中，也就是说，府nCC不能直接监控

S7-200系列PLC的控制。S7-2000PC服务器是西门子专门为解决上位机监控

S7-200系列PLC控制器而推出的。S7-2000PC服务器是西门子的接口软件，用

于监控S7-200系列PLC的控制系统。因此，WinCC可以通过该软件轻松地与

S7-200系列PLC建立通信。

在WinCC变量管理器中添加一个新的驱动程序，新驱动程序选择OPC.CHN,

在OPCGROUP中创建一个新的连接，打开属性，选择OPCGroupSetting,OPC

ServerName为OPCServer.MicroComputing,在新添加的连接中创建一个新的变

量，该变量的项目名称与S7-200系列PLC中用于监控的变量名称相同。变量连

接的基本步骤如下。

1）使用STEP7MleR0WIN完成S7完成的项目创建和编程,准备OPC的符号

表。请注意，表中的符号表名和变量名是禁用中文的，这是OPC的一个要求。

2）安装PCACCESS,导入先前创建的S7-200符号表，并定义从PCAccess

到S7-200的通信。这在PG/PCINTERFACE中完成。根据所使用的硬件，这可以

通过PPI、MPI、PROFIBUS,以太网或MODEM来完成。

3）进入WinCC,添加OPC驱动，在定义OPC属性时点击浏览。搜索路径为

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现场总线测控系统设计

LOCAL/STMATICS7-200OPCSERVER0按照说明，将PCACCESS中导入的变量添

加到WinCC中。

4）进入WinCC,完成其余的配置，你可以参考S7-200中的变量。

变量连接好后，运行WinCC,相应的变量值就会显示在WinCC中。结果显示

在图5.3.1中.

图531变最显示图

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现场总线测控系统设计

6程序调试

程序调试是一个非常重要的阶段，我们不可能第一次就把程序写对，在写的

过程中会出现这样那样的问题，当然需要对程序进行调试，使程序正确运行，达

到预期的功能，通过走程序的修改和调试，质量也能得到更高的控制。

6.1PLC调试方法与结果

PLC程序的调试分为模拟调试和现场调试两和，调试前先对PLC的外部接线

进行仔细测试，外部接线必须准确。你也可以使用事先准备好的测试程序来检查

外部接线，发现接线中的错误。为了安全起见，最好是断开主电路。

仔细地逐行检查完成的方案，并纠正写作过程中出现的任何错误。当我写完

程序后，我首先编译并检查了它的错误，看看所使用的指令是否违反了PLC的使

用规则，发现错误后立即更改了指令。在第一次运行时，有一条指令显示为红色，

当程序运行时，有乱码，后来经过计算和分析，发现调用数据设置错误，那里的

数据只能是0到1之间的数字。

我把程序分块编写，首先是数据采集块，数据采集主要是对采集的数据进行

处理，经过一系列的数据转换，得到最终的显示值和测量的温度值一致。在编写

数据采集程序时遇到了一些问题，但在同学们的帮助下，这些问题都得到了解决,

数据采集得以正常实施。数据输出程序还包括一个P1D算法，但在编写程序后,

出现了数据溢出，后来经过分析，发现是PID算法内的数据出现了错误。最后,

在一位同学的帮助下，编写了数据过滤程序。经过多日的调试和修改，整个程序

通过状态表进行了监控，基本上达到了设计要求。该方案是为编写人机界面而准

备的。

6.2WinCC调试方法与结果

WinCC调试最重要的也是检查每个变量是否连接准确，是否能正常通讯，

WinCC人机界面生产相当顺利，除了曲线设置的问题外，其他都能正常通讯，通

过连接变量，可以通过眄nCC实时改变PID参数。得到了控制曲线，通过一系列

的调整WinCC终于我在保存时遇到了一些问题，WinCC关闭后就打不开了，后来

老师给我们指导了方法，按照老师的方法，终于正常了。。

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现场总线测控系统设计

7PID参数的整定

精确选择PID控制潜的结构及其参数，可以在发生故障后保持系统稳定，并

将静态和动态误差降至最低。在设置控制器的参数之前，应该确定控制器的结构。

对于具有平衡特性的控制对象或生产过程，应选择具有整体链接的控制器；对于

具有纯滞后特性的控制对象，通常应在控制器中加入微分链接。在选择控制器参

数时，必须考虑到过程控制的具体技术要求，必须结合实验、经验和测试方法来

确定。

7.1整定方法

该控制器参数的整定，是按照已确定的控制器参数值来获得最佳控制质量的。

特别是要确定最合适的控制器比例度P、积分时间TI和微分时间TD。控制器的

参数调整方法主要有两大类，一类是理论计算方法，另一类是工程调整方法。

工程校准方法主要包括。

1）稳定极限法（临界比例法）。

稳定极限法属于闭环整定法，根据纯比例控制系统的临界振荡试验得到的数

据（临界比例度Pni和振荡周期Tm）,按经验公式确定控制潜的整定参数。

2）衰减曲线法

衰减曲线法也属于控制回路匹配法，但不需要找到振幅相同的振荡状态，只

需要找到最佳衰减振荡状态即可。

3）响应曲线法

响应曲线法是一种开放的调整方法。根据被控对象的控制通道的阶跃响应，

通过经验公式找到控制器的最住参数设置值。

4）经验法

经验法依靠的是做研究的经验。关键是要〃看到曲线并调整参数〃。在控制

过程中，首先将控制器参数设定为经验值，通过改变给定值施加扰动，在记录仪

上观察过渡过程的曲线，根据P、