基于S7—300的溫度調速裝置

王美波　李成春

摘 要：隨著工業化程度的加快，控制技術變得更加復雜，產品的更新換代也會成為必然。這樣對可編程控制器的要求也越來越高。S7-300適用于較為復雜的控制系統，模塊化的設計理念更便于系統的升級換代。溫度控制技術應用廣泛，如紡織、電纜、冶金、塑料制品等行業都用到溫度控制技術。學習和運用好溫度控制技術對于現時代控制技術尤為重要。本項項目以S7-300PLC為控制核心，設計了較為通用的溫度控制系統，具體系統參數或部分器件可根據各行業的要求不同來進行調整。

關鍵詞：S7-300PLC Pt100 PID 溫度控制

中圖分類號：TM571.61 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0128-01

溫度控制系統廣泛應用于工農業控制領域，如素菜大棚、橡膠制品廠、化工廠、鋼鐵廠等。溫度是一個大慣性系統，一般采用PID調節進行控制。

該文首先介紹了Pt100溫度傳感器的選擇。然后講述S7-300及其配套的模擬量模塊的使用，并闡述了溫度控制中PID控制器的控制原理。最后，完成系統集成的設計。

1 熱電阻的選擇

熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度測量元件，它是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。其主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的。本文選用的是WZP230。其中，W代表：溫度儀表；Z代表：熱電阻；P代表：鉑。2代表：固定螺紋；0代表：保護管直徑?16。鉑電阻的工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關系即分度特性符合IEC標準。Pt100的含義是在0 ℃時的名義電阻值為100 ?。

2 S7-300PLC及其模擬量模塊的使用

本設計中CPU采用實驗室現成的313C-2DP。模擬量模塊的選擇包括模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊SM332和模擬量輸入/輸出模塊SM334。由于模擬量輸入或輸出模塊提供了不止一種類型信號的輸入或輸出，每種信號的測量范圍又有多種選擇，因此必須對模塊信號類型和測量范圍進行設定。一般采用Step7軟件設定和量程卡兩種方法。

考慮到以后會經常用到模擬量I/O模塊，所以本設計中，模擬量I/O模塊SM334，AI4/AO2（6ES7334-0KE00-0AB0），下面首先在Step7中的HW Config對話框中插入6ES7334-0KE00-0AB0模塊，如圖1所示。

采用的是Step7軟件對模擬量模塊6ES7334-0KE00-0AB0進行設定，如下：通過Step7軟件設定。打開HW Config對話框，雙擊“AI4/AO2”項，打開“Properties”屬性對話框，該對話框有“General”、“Addresses”、“Inputs”、“Outputs”四個選項，選中“Inputs”項，對于第0～1通道，可以在“Measurement type”中選擇“deactivated”禁用、“R-4L”電阻4線制連接、“RTD-4L”熱電阻4線制線性連接；對于第2～3通道，可以在“Measurement type”中選擇“deactivated”禁用、“E”電壓、“R-4L”電阻4線制線性連接、“RTD-4L”熱電阻4線制連接；對于本設計中選擇第0通道，“Measurement type”中選擇“RTD-4L”熱電阻4線制連接，用于測量傳感器PT100鉑熱電阻的溫度值（見圖2）。

其他值使用默認即可。另外，“Measurement range”值，系統會根據“Measurement type”的選項自動生存，不需要人工選擇。選中“Outputs”項，第0～1通道，可以在“Type of Output”中選擇“deactivated”禁用、“E”電壓。對于本設計中選擇第0通道，“Type of Output”中選擇“E”電壓。另外，“Output range”值，系統會根據“Type of Output”的選項自動生存，不需要人工選擇。

PID控制器根據系統誤差，利用比例、積分和微分計算出控制量來進行控制。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，系統控制器的結構和參數依靠經驗和現場調試來確定，這時采用PID控制技術最為合適。PID算法蘊涵了動態控制過程中過去、現在和將來的信息。其中，P（Proportion），比例代表了當前信息，起糾正偏差的作用，使過程反應迅速；I（Integral），代表了過去信息的積累，它能消除靜態誤差、改善系統的靜態特性；D（Derivate），微分在信號變化時有超前控制作用，代表了將來的信息，在過程開始時強迫過程進行，過程結束時減小超調，克服振蕩，提高系統的穩定性，加快系統的過度過程。這三種作用配合得當，可使動態過程快速、平穩、準確，能夠很好控制系統的運行（見圖3）。

一般的溫度控制系統難于控制滯后、復雜、時變的系統。針對各種溫度控制對象，有不同的溫度控制方法。按照操作途徑可分為兩種，手動溫控和自動溫控。按照調節原理可分為：PID控制、模糊控制以及PID加模糊控制。按照調節手段可以分為：調節負載電壓和調節負載功率兩種，前者是調溫調壓方式，屬于連續調節，調節的結果容易實現能量平衡，但在調節過程中容易對電網造成干擾；后者是調功方式，屬于斷續調節，調節過程中實現能量的真正平衡，但對系統軟硬件要求較高。因此，準確的測量和采用合理的溫度控制方式是實現高精度溫度控制的有效途徑。PID控制器是通過對誤差信號e（t）進行比例、積分和微分運算，其結果的的加權，得到控制器的輸出u（t），該值就是控制對象的控制值。PID控制器的數學描述為：

式中u（t）為控制輸入，e（t）=r（t）-y（t）為誤差信號，r（t）為輸入量，y（t）為輸出量。PID控制器是一種有源的超前-滯后校正裝置，在實際控制系統中有著廣泛的應用。當系統模型已知時，可采用超前-滯后校正的設計方法。PID控制結構簡單、穩定性好、可靠性高，在工業控制中得到了廣泛的應用。

3 結語

溫度控制應用廣泛，是現代社會生產和生活不可缺少的部分。使用S7-300實現溫控調速能夠實現較為復雜的控制系統，其模塊化的設計理念更便于系統的升級換代。把S7-300、溫度控制、人機界面等重要知識綜合在一個項目中，系統集成度高，為以后復雜控制打下基礎（自抗擾控制、模糊控制、神經網絡控制等）。

參考文獻

[1] 廖常初.S7-300/400PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 郭瓊.PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3] 劉楷.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[4] 張運剛.從入門到精通——西門子S7-300/400PLC技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2007.endprint

摘 要：隨著工業化程度的加快，控制技術變得更加復雜，產品的更新換代也會成為必然。這樣對可編程控制器的要求也越來越高。S7-300適用于較為復雜的控制系統，模塊化的設計理念更便于系統的升級換代。溫度控制技術應用廣泛，如紡織、電纜、冶金、塑料制品等行業都用到溫度控制技術。學習和運用好溫度控制技術對于現時代控制技術尤為重要。本項項目以S7-300PLC為控制核心，設計了較為通用的溫度控制系統，具體系統參數或部分器件可根據各行業的要求不同來進行調整。

關鍵詞：S7-300PLC Pt100 PID 溫度控制

中圖分類號：TM571.61 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0128-01

溫度控制系統廣泛應用于工農業控制領域，如素菜大棚、橡膠制品廠、化工廠、鋼鐵廠等。溫度是一個大慣性系統，一般采用PID調節進行控制。

該文首先介紹了Pt100溫度傳感器的選擇。然后講述S7-300及其配套的模擬量模塊的使用，并闡述了溫度控制中PID控制器的控制原理。最后，完成系統集成的設計。

1 熱電阻的選擇

熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度測量元件，它是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。其主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的。本文選用的是WZP230。其中，W代表：溫度儀表；Z代表：熱電阻；P代表：鉑。2代表：固定螺紋；0代表：保護管直徑?16。鉑電阻的工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關系即分度特性符合IEC標準。Pt100的含義是在0 ℃時的名義電阻值為100 ?。

2 S7-300PLC及其模擬量模塊的使用

本設計中CPU采用實驗室現成的313C-2DP。模擬量模塊的選擇包括模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊SM332和模擬量輸入/輸出模塊SM334。由于模擬量輸入或輸出模塊提供了不止一種類型信號的輸入或輸出，每種信號的測量范圍又有多種選擇，因此必須對模塊信號類型和測量范圍進行設定。一般采用Step7軟件設定和量程卡兩種方法。

考慮到以后會經常用到模擬量I/O模塊，所以本設計中，模擬量I/O模塊SM334，AI4/AO2（6ES7334-0KE00-0AB0），下面首先在Step7中的HW Config對話框中插入6ES7334-0KE00-0AB0模塊，如圖1所示。

采用的是Step7軟件對模擬量模塊6ES7334-0KE00-0AB0進行設定，如下：通過Step7軟件設定。打開HW Config對話框，雙擊“AI4/AO2”項，打開“Properties”屬性對話框，該對話框有“General”、“Addresses”、“Inputs”、“Outputs”四個選項，選中“Inputs”項，對于第0～1通道，可以在“Measurement type”中選擇“deactivated”禁用、“R-4L”電阻4線制連接、“RTD-4L”熱電阻4線制線性連接；對于第2～3通道，可以在“Measurement type”中選擇“deactivated”禁用、“E”電壓、“R-4L”電阻4線制線性連接、“RTD-4L”熱電阻4線制連接；對于本設計中選擇第0通道，“Measurement type”中選擇“RTD-4L”熱電阻4線制連接，用于測量傳感器PT100鉑熱電阻的溫度值（見圖2）。

其他值使用默認即可。另外，“Measurement range”值，系統會根據“Measurement type”的選項自動生存，不需要人工選擇。選中“Outputs”項，第0～1通道，可以在“Type of Output”中選擇“deactivated”禁用、“E”電壓。對于本設計中選擇第0通道，“Type of Output”中選擇“E”電壓。另外，“Output range”值，系統會根據“Type of Output”的選項自動生存，不需要人工選擇。

PID控制器根據系統誤差，利用比例、積分和微分計算出控制量來進行控制。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，系統控制器的結構和參數依靠經驗和現場調試來確定，這時采用PID控制技術最為合適。PID算法蘊涵了動態控制過程中過去、現在和將來的信息。其中，P（Proportion），比例代表了當前信息，起糾正偏差的作用，使過程反應迅速；I（Integral），代表了過去信息的積累，它能消除靜態誤差、改善系統的靜態特性；D（Derivate），微分在信號變化時有超前控制作用，代表了將來的信息，在過程開始時強迫過程進行，過程結束時減小超調，克服振蕩，提高系統的穩定性，加快系統的過度過程。這三種作用配合得當，可使動態過程快速、平穩、準確，能夠很好控制系統的運行（見圖3）。

一般的溫度控制系統難于控制滯后、復雜、時變的系統。針對各種溫度控制對象，有不同的溫度控制方法。按照操作途徑可分為兩種，手動溫控和自動溫控。按照調節原理可分為：PID控制、模糊控制以及PID加模糊控制。按照調節手段可以分為：調節負載電壓和調節負載功率兩種，前者是調溫調壓方式，屬于連續調節，調節的結果容易實現能量平衡，但在調節過程中容易對電網造成干擾；后者是調功方式，屬于斷續調節，調節過程中實現能量的真正平衡，但對系統軟硬件要求較高。因此，準確的測量和采用合理的溫度控制方式是實現高精度溫度控制的有效途徑。PID控制器是通過對誤差信號e（t）進行比例、積分和微分運算，其結果的的加權，得到控制器的輸出u（t），該值就是控制對象的控制值。PID控制器的數學描述為：

式中u（t）為控制輸入，e（t）=r（t）-y（t）為誤差信號，r（t）為輸入量，y（t）為輸出量。PID控制器是一種有源的超前-滯后校正裝置，在實際控制系統中有著廣泛的應用。當系統模型已知時，可采用超前-滯后校正的設計方法。PID控制結構簡單、穩定性好、可靠性高，在工業控制中得到了廣泛的應用。

3 結語

溫度控制應用廣泛，是現代社會生產和生活不可缺少的部分。使用S7-300實現溫控調速能夠實現較為復雜的控制系統，其模塊化的設計理念更便于系統的升級換代。把S7-300、溫度控制、人機界面等重要知識綜合在一個項目中，系統集成度高，為以后復雜控制打下基礎（自抗擾控制、模糊控制、神經網絡控制等）。

參考文獻

[1] 廖常初.S7-300/400PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 郭瓊.PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3] 劉楷.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[4] 張運剛.從入門到精通——西門子S7-300/400PLC技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2007.endprint

摘 要：隨著工業化程度的加快，控制技術變得更加復雜，產品的更新換代也會成為必然。這樣對可編程控制器的要求也越來越高。S7-300適用于較為復雜的控制系統，模塊化的設計理念更便于系統的升級換代。溫度控制技術應用廣泛，如紡織、電纜、冶金、塑料制品等行業都用到溫度控制技術。學習和運用好溫度控制技術對于現時代控制技術尤為重要。本項項目以S7-300PLC為控制核心，設計了較為通用的溫度控制系統，具體系統參數或部分器件可根據各行業的要求不同來進行調整。

關鍵詞：S7-300PLC Pt100 PID 溫度控制

中圖分類號：TM571.61 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0128-01

溫度控制系統廣泛應用于工農業控制領域，如素菜大棚、橡膠制品廠、化工廠、鋼鐵廠等。溫度是一個大慣性系統，一般采用PID調節進行控制。

該文首先介紹了Pt100溫度傳感器的選擇。然后講述S7-300及其配套的模擬量模塊的使用，并闡述了溫度控制中PID控制器的控制原理。最后，完成系統集成的設計。

1 熱電阻的選擇

熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度測量元件，它是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。其主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的。本文選用的是WZP230。其中，W代表：溫度儀表；Z代表：熱電阻；P代表：鉑。2代表：固定螺紋；0代表：保護管直徑?16。鉑電阻的工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關系即分度特性符合IEC標準。Pt100的含義是在0 ℃時的名義電阻值為100 ?。

2 S7-300PLC及其模擬量模塊的使用

本設計中CPU采用實驗室現成的313C-2DP。模擬量模塊的選擇包括模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊SM332和模擬量輸入/輸出模塊SM334。由于模擬量輸入或輸出模塊提供了不止一種類型信號的輸入或輸出，每種信號的測量范圍又有多種選擇，因此必須對模塊信號類型和測量范圍進行設定。一般采用Step7軟件設定和量程卡兩種方法。

考慮到以后會經常用到模擬量I/O模塊，所以本設計中，模擬量I/O模塊SM334，AI4/AO2（6ES7334-0KE00-0AB0），下面首先在Step7中的HW Config對話框中插入6ES7334-0KE00-0AB0模塊，如圖1所示。

采用的是Step7軟件對模擬量模塊6ES7334-0KE00-0AB0進行設定，如下：通過Step7軟件設定。打開HW Config對話框，雙擊“AI4/AO2”項，打開“Properties”屬性對話框，該對話框有“General”、“Addresses”、“Inputs”、“Outputs”四個選項，選中“Inputs”項，對于第0～1通道，可以在“Measurement type”中選擇“deactivated”禁用、“R-4L”電阻4線制連接、“RTD-4L”熱電阻4線制線性連接；對于第2～3通道，可以在“Measurement type”中選擇“deactivated”禁用、“E”電壓、“R-4L”電阻4線制線性連接、“RTD-4L”熱電阻4線制連接；對于本設計中選擇第0通道，“Measurement type”中選擇“RTD-4L”熱電阻4線制連接，用于測量傳感器PT100鉑熱電阻的溫度值（見圖2）。

其他值使用默認即可。另外，“Measurement range”值，系統會根據“Measurement type”的選項自動生存，不需要人工選擇。選中“Outputs”項，第0～1通道，可以在“Type of Output”中選擇“deactivated”禁用、“E”電壓。對于本設計中選擇第0通道，“Type of Output”中選擇“E”電壓。另外，“Output range”值，系統會根據“Type of Output”的選項自動生存，不需要人工選擇。

PID控制器根據系統誤差，利用比例、積分和微分計算出控制量來進行控制。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，系統控制器的結構和參數依靠經驗和現場調試來確定，這時采用PID控制技術最為合適。PID算法蘊涵了動態控制過程中過去、現在和將來的信息。其中，P（Proportion），比例代表了當前信息，起糾正偏差的作用，使過程反應迅速；I（Integral），代表了過去信息的積累，它能消除靜態誤差、改善系統的靜態特性；D（Derivate），微分在信號變化時有超前控制作用，代表了將來的信息，在過程開始時強迫過程進行，過程結束時減小超調，克服振蕩，提高系統的穩定性，加快系統的過度過程。這三種作用配合得當，可使動態過程快速、平穩、準確，能夠很好控制系統的運行（見圖3）。

一般的溫度控制系統難于控制滯后、復雜、時變的系統。針對各種溫度控制對象，有不同的溫度控制方法。按照操作途徑可分為兩種，手動溫控和自動溫控。按照調節原理可分為：PID控制、模糊控制以及PID加模糊控制。按照調節手段可以分為：調節負載電壓和調節負載功率兩種，前者是調溫調壓方式，屬于連續調節，調節的結果容易實現能量平衡，但在調節過程中容易對電網造成干擾；后者是調功方式，屬于斷續調節，調節過程中實現能量的真正平衡，但對系統軟硬件要求較高。因此，準確的測量和采用合理的溫度控制方式是實現高精度溫度控制的有效途徑。PID控制器是通過對誤差信號e（t）進行比例、積分和微分運算，其結果的的加權，得到控制器的輸出u（t），該值就是控制對象的控制值。PID控制器的數學描述為：

式中u（t）為控制輸入，e（t）=r（t）-y（t）為誤差信號，r（t）為輸入量，y（t）為輸出量。PID控制器是一種有源的超前-滯后校正裝置，在實際控制系統中有著廣泛的應用。當系統模型已知時，可采用超前-滯后校正的設計方法。PID控制結構簡單、穩定性好、可靠性高，在工業控制中得到了廣泛的應用。

3 結語

溫度控制應用廣泛，是現代社會生產和生活不可缺少的部分。使用S7-300實現溫控調速能夠實現較為復雜的控制系統，其模塊化的設計理念更便于系統的升級換代。把S7-300、溫度控制、人機界面等重要知識綜合在一個項目中，系統集成度高，為以后復雜控制打下基礎（自抗擾控制、模糊控制、神經網絡控制等）。

參考文獻

[1] 廖常初.S7-300/400PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 郭瓊.PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3] 劉楷.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[4] 張運剛.從入門到精通——西門子S7-300/400PLC技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2007.endprint