利用S7-200PLC实现电炉温度控制

S7-200 PLC有PID指令，可以方便地进行PID控制。

【例2-1】有一台电炉要求炉温控制在一定的范围内。电炉的工作原理如下：

当设定电炉温度后，S7-200 PLC经过PID运算后由模拟量输出模块EM232输出一个电压信号送到控制板，控制板根据电压信号（弱电信号）的大小控制电热丝的加热电压（强电）的大小（甚至断开），温度传感器测量电炉的温度，温度信号经过控制板的处理后输入到模拟量输入模块EM231，再送到S7-200 PLC进行PID运算，如此循环。整个系统的硬件配置如图2-5所示。请编写控制程序。

【解】

1.主要软硬件配置

①1套STEPS7-Micro／WIN V4.0 SP9。

②1台CPU222CN。

③1台EM231。

④1台EM232。

⑤1根编程电缆（或者CP5611卡）。

⑥1台电炉（含控制板）。

2.主要指令介绍

图2-5 硬件配置图

PID回路（PID）指令，当使能有效时，根据表格（TBL）中的输入和配置信息指定回路执行PID计算。PID指令的格式见表2-1。

表2-1 PID指令格式

PID指令使用注意事项：

①程序中最多可以使用8条PID指令，回路号为0～7，不能重复使用。

②必须保证过程变量和给定值积分项前值和过程变量前值在0.0～1.0之间。

③如果进行PID计算的数学运算时遇到错误，将设置SM1.1（溢出或非法数值）并终止PID指令的执行。

在工业生产过程中，模拟信号PID（由比例、积分和微分构成的闭合回路）调节是常见的控制方法。运行PID控制指令，S7-200将根据参数表中输入测量值、控制设定值及PID参数，进行PID运算，求得输出控制值。参数表中有9个参数，共占用36个字节，全部是32位的实数，部分保留给自整定用。PID控制回路的参数表见表2-2。

表2-2 PID控制回路参数表

3.I／0分配

在I／O分配之前，先计算所需要的I／O点数，输入点为3个，输出点为1个，由于输入输出最好留15％左右的余量备用，所用初步选择的PLC是CPU222CN或者CPU221CN，但CPU221CN不能带扩展模块，所以选择CPU222CN模块。又因为控制对象为接触器，所以PLC最后定为CPU222CN（AC／DC／继电器）。电炉控制系统的I／O分配表见表2-3。

表2-3 I／O分配表

4.设计电气原理图

根据I／O分配表和题意，设计原理图如图2-6所示。

图2-6 原理图

5.编写程序

编写PLC控制程序共有三种方案。第一种方案不需要使用PID指令，直接从底层算法编写程序，这种编程方法，PID的控制精度较高，但对编写者水平要求高，本书不作介绍，读者可以参考相关文献。第二种方法采用指令向导，较常用，后续将介绍。第三种方法直接用PID指令编写程序，其程序如图2-7所示。

【关键点】编写此程序首先要理解PID的参数表各个参数的含义，其次是要理解数据类型的转换。要将整数转化成实数，必须先将整数转化成双整数，因为S7-200中没有直接将整数转化成实数的指令。

6.用指令向导编写PID控制程序

若读者对控制过程了解得比较清楚，用以上的方法编写PID控制程序是可行的，但显然比较麻烦，初学者不容易理解，所幸西门子公司提供了指令向导，读者利用指令向导就比较容易编写PID控制程序。以下将介绍这一方法。

图2-7 电炉PID控制程序

a）主程序 b）子程序 c）中断服务程序

图2-7 电炉PID控制程序（续）

a）主程序 b）子程序 c）中断服务程序

（1）硬件设置(www.xing528.com)

1）打开指令向导。单击菜单栏中的“工具”→“指令向导”，即可打开指令向导画面，如图2-8所示。或者单击左侧“工具”→“指令向导”也可以打开指令向导画面。

2）选择PID选项。指令向导有三个选项，即PID、网络读写和高速计数器，选择“PID”选项，单击“下一步”按钮，如图2-9所示。

3）指定回路号码。S7-200最多允许8个回路，当只有一个回路时，可选择默认的回路号为“0”，如图2-10所示，单击“下一步”按钮。

图2-8 打开指令向导

图2-9 选择PID选项

图2-10 指定回路号码

4）设置回路参数。如图2-11所示，比例增益就是比例环节的参数（即P），本例设置为“2”；采样时间是0.2s，如果参数的变化快于0.2s将不能采样，S7-200规定最小采样时间是0.1s；本例积分时间是10min（即I），如果要取消积分环节，则在积分事件中填入“INF”（即无穷大）；本例的微分时间为0min（即D），也就是微分环节被取消。本例给定的范围为0.0～100.0，可以理解为温度范围是0～100℃（如果实际温度是-10～1000℃，则按照实际填入），也可以理解为范围是0～100％。以上参数可在调试时修改。单击“下一步”按钮。

图2-11 设置回路参数

5）设置回路输入和输出选项。

①回路输入选项。“标定”中有单极性和双极性2个选项，代表输入信号的极性（过零则为双极性，如±2V，不过零为单极性），如果输入信号是DC 4～20mA的信号，可选择“使用20％偏移量”；“过程变量”和回路给定值有一个对应关系，过程变量0，对应回路给定值0℃，过程变量32000，对应回路给定值100℃。如图2-12所示。

图2-12 设置回路输入和输出选项

②回路输出选项。“输出类型”有模拟量和数字量两个选项，本例使用的是EM232模拟量模块，所以选择“模拟量”；“标定”中有单极性和双极性两个选项，代表输出信号的极性（过零则为双极性，如±2V，不过零为单极性），如果输出信号是DC 4～20mA，可选择“使用20％偏移量”；范围低限和范围高限是D-A转换的数字量的范围，选择默认值。最后单击“下一步”按钮。

6）设置回路报警选项。当达到报警条件时，输出被置位，产生报警。如图2-13所示，当温度低于100℃（10％）时报警，当温度高于90℃（90％）时也报警。单击“下一步”按钮。

图2-13 设置回路输入和输出选项

7）为计算指定存储区。PID指令使用V存储区中的一个36个字节的参数表，存储用于控制回路操作的参数。这个V存储区可以由读者分配也可以使用系统默认V存储区，但要注意，这个V存储区被系统占用后，读者编程时，不可以再使用，否则可能导致错误的结果。如图2-14所示，单击“下一步”按钮。

图2-14 为计算指定存储区

　　8）指定子程序和中断程序。图2-15所示为子程序和中断程序的名称，这两个名称读者可以修改，也可以使用系统默认的名称，由于有多个回路时，初始化子程序不同，但多个回路使用同一个中断程序（如PID_EXE），修改名称容易出错，所以不建议修改名称。如果需要手动控制，则勾选“增加PID手动控制”选项。单击“下一步”按钮。

图2-15 指定子程序和中断程序

【关键点】本例的中断程序PID_EXE，使用了定时中断0，所以读者若还要使用定时中断，则只能使用定时中断1。

9）生成PID代码。如图2-16所示，单击“完成”按钮，即可生成PID代码。

图2-16 生成PID代码

（2）编写和下载程序

程序和符号表如图2-17所示，并将程序下载到PLC中。

图2-17 程序

（3）调试

1）打开PID调节控制面板。单击“工具”→“PID调节控制面板”，PID调节控制面板如图2-18所示。PID调节控制面板只能在使用指令向导生成的PID程序中使用。

从图2-18可以看出当过程值（传感器测量数值）与给定值（即设定值，本例为60.0℃）相差较大时，输出值很大，随着过程值接近给定值时，输出值减小，并在一定的范围内波动。

图2-18 PID调节控制面板

2）选择手动调节模式。在“增益”（P）、“积分时间”（I）和“微分时间”（D）中输入参数，并单击“更新PLC参数”按钮，这样P、I、D三个参数就写入到PLC中。调试完成后可以看到如图2-19所示的画面，过程值和给定值基本重合（此图的给定值为33.5℃）。

图2-19 PID调节控制面板（1）

【关键点】为了保证PID自整定的成功，在启动PID自整定前，需要调节PID参数，使PID调节器基本稳定，输出、反馈变化平缓，并且使反馈比较接近给定；设定合适的给定值，使PID调节器的输出远离趋势图的上下坐标轴，以免PID自整定开始后输出值的变化范围受限制。