基于西門子S7-200smart的室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)

章嘉恒 葉茜 蔣仲欣

摘? 要：工業(yè)生產(chǎn)和家庭生活，智能化溫度控制系統(tǒng)的設計已成為需要。文章采用西門子S7-200smart PLC為主體的智能溫度調(diào)節(jié)，利用PT100溫度傳感器獲取當前溫度，通過溫度變送器將該數(shù)值輸入PLC的擴展模擬功能塊轉(zhuǎn)換成電信號，使用經(jīng)典PID算法配合PLC內(nèi)部CPU判斷，控制溫度調(diào)節(jié)裝置來獲取精準控溫效果。

關鍵詞：溫度調(diào)節(jié);西門子S7-200smart;PID溫控

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2019）11-0087-02

Abstract： Intelligent temperature control design has played an important role in industrial production. In this paper， Siemens S7-200smart PLC is imposed on intelligent temperature regulation and PT100 temperature sensor is applied to obtain current temperature. The numerical values are converted into electrical signals by a temperature transmitter. The classical PID algorithm and PLC internal CPU judgment are implemented to control temperature adjustment devices for accurate effect.

Keywords： temperature regulation; Siemens S7-200smart; PID temperature control

引言

隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)成熟，許多大型溫控系統(tǒng)或溫控柜已逐漸淡出現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)過程。為更好地適應當代工業(yè)化生產(chǎn)對溫控系統(tǒng)穩(wěn)定性與快速性需求，近年來各種新型溫控系統(tǒng)層出不窮，當前市場上較多的有：基于單片機的溫控系統(tǒng)、基于上位機（IPC）的溫控系統(tǒng)、基于PLC的溫控系統(tǒng)、集散型溫度控制系統(tǒng)等。相對而言，PLC溫控系統(tǒng)憑借穩(wěn)定性高、功能強大、抗干擾性強等優(yōu)勢在溫控領域大受歡迎。本文選用較為常見的一款小型PLC，西門子S7-200smart為主控制元件設計一種智能化室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1 智能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

本文的智能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由溫度檢測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、主控模塊、執(zhí)行模塊四部分組成，用以實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)控制。所采用的閉環(huán)控制，相較于現(xiàn)在市場上的開環(huán)溫度調(diào)節(jié)裝置，精度更高，對外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感;具有應用反饋，可減少誤差。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

在溫度檢測模塊中，使用PT100型溫度傳感器來檢測當前溫度，經(jīng)過模擬量模塊的A/D轉(zhuǎn)換與軟件內(nèi)移動字節(jié)MOV_B將當前溫值被寫入PLC的寄存器，實現(xiàn)溫度檢測功能;在數(shù)據(jù)處理模塊中，通過調(diào)用S7-200smart中自帶的PID功能塊，將當前溫度值寫入該模塊;在主控模塊中，當數(shù)據(jù)通過PID的控制算法后，負責將準確的溫差信息導入;在執(zhí)行模塊中，由PLC內(nèi)部CPU判斷升溫輸出或降溫輸出，最終通過變頻器執(zhí)行相應操作，來實現(xiàn)整體溫度調(diào)節(jié)。

2 智能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本控制系統(tǒng)硬件由PLC控制模塊、室內(nèi)溫度測量模塊和執(zhí)行模塊三大部分組成，主要使用了LM-PT100傳感器、溫度變送器、S7-200 smart CPUSR40、擴展模塊EM AM06、變頻器、電力調(diào)整器、升溫電機、降溫電機。

2.1 PLC控制模塊

考慮到本系統(tǒng)需要采集模擬量數(shù)據(jù)，至少需要4個輸入點，12個輸出點，于是選用CPU SR 40作為主控PLC。（SR40總共有40點IO，24點輸入16點輸出）由于溫度是模擬量，PLC基本單元是數(shù)字量控制設備，需要進過A/D轉(zhuǎn)換，所以本系統(tǒng)的拓展模塊選用EM AM06，它具有四個模擬量輸入通道，兩個模擬量輸出通道，十分接近雙輸入雙輸出要求。其中，L，M口外接24VDC電源，四個輸入口M+，M-，I+，I-，分別接溫度變送器的正極負極（正接正，負接負），2號輸出口接調(diào)整器的正負兩級，1號輸出口短接。

2.2 室內(nèi)溫度測量模塊

本系統(tǒng)溫度檢測模塊的主體為鉑電阻溫度傳感器，通過電阻量的改變，對應溫度的變化。LM-PT100溫度傳感器，該傳感器測溫精度高，性能穩(wěn)定[1]。由于測量鉑電阻的電路是不平衡電橋，而鉑電阻作為電橋中一個橋臂電阻，加上從熱電阻到中控室之間的連接導線未知，會導致其隨環(huán)境溫度而變化，為避免這種誤差，本系統(tǒng)對溫度變送器采用三線制，正極引出單線，負極引出雙線分別連接模擬量模塊的正負端。通過將導線一根接到電橋電源端，另外兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及其相鄰橋臂，不僅可消除連接導線電阻引起的測量誤差，還可準確地將數(shù)值反饋給PID模塊，有助減輕CPU計算負擔，加快溫度采集速率，使執(zhí)行操控更為準確。

2.3 執(zhí)行模塊

本系統(tǒng)的執(zhí)行模塊由變頻器、電機和調(diào)整器三部分組成。采用PLC的開關量輸出來控制變頻器，不僅節(jié)省成本，而且接線簡單、抗干擾性強[2]。通過PLC開關量輸出來控制變頻器的啟動/停止，正/反轉(zhuǎn)，點動，轉(zhuǎn)速和加減時間來實現(xiàn)較為復雜的控制要求。因為是有級調(diào)速，為增強變頻器調(diào)速精度，本系統(tǒng)配置了電力調(diào)整器。調(diào)整器又被稱做調(diào)功器，主要利用晶閘管電力控制器來實現(xiàn)負載功率的調(diào)節(jié)分配，將其與智能PID調(diào)節(jié)器或PLC配套使用，并使用三相變壓性負載，當室內(nèi)溫度已接近設定溫值時，僅靠變頻器無法實現(xiàn)精準控溫，則由PLC調(diào)節(jié)器控制調(diào)功器，通過調(diào)整電機功率來實現(xiàn)溫度的精準控制。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計主要包括：I/O點分配、PID功能模塊調(diào)用和PLC控制程序。

3.2 PID功能模塊調(diào)用

考慮到PLC運算是按掃描周期進行，檢測值需根據(jù)設定時間周期進行采樣，再對采樣值進行運算，連續(xù)性不強。由于CPU支持PID自整定功能，STEP 7-Micro/WIN SMART 中也添加了PID整定控制面板。輸入通過微分（D）、比例（P）以及積分（I）獲得輸出結(jié)果，并將輸出結(jié)果傳遞至執(zhí)行機構(gòu)，由執(zhí)行 機構(gòu)負責對某一規(guī)定對象執(zhí)行控制任務[3]。通過將CPU控制和PID功能結(jié)合，增強 PID功能。直接通過在指令向?qū)Т翱谥羞x擇PID指令便可進行直接調(diào)用。

3.3 PLC控制程序

本系統(tǒng)分三段進行控制。第一段，即開始階段，調(diào)溫電機處于大功率狀態(tài)，以最大功率輸出，用于減少當前溫度與設定溫值的溫差;第二段，當溫度達到一定值后轉(zhuǎn)換為PID控制;第三段，接近設定溫度時置電機工作電源開度為0，提供一個保溫階段，來適應溫度的滯后升溫。

根據(jù)實際情況選擇合適的溫度調(diào)節(jié)策略，如圖2所示，通過PID系統(tǒng)內(nèi)的SP與PV差值來進行判。PID控制面板包含以下字段：顯示SP（設定值）、PV（過程變量）、OUT（輸出）、“采樣時間”、“增益”、積分時間和微分時間的值[4]。（1）當SP-PV>5時，實際溫值與設定溫值相差較大，當高于設定溫度時圖中M10閉合將AC2值寫入AWQ0（降溫變頻器），功率調(diào)到最大，即給降溫電機最大電壓供電，反之，則M12閉合，令升溫電機最大電壓，最終使溫差迅速減小;（2）當SP-PV>-5或者SP-PV<5時，當前溫值已經(jīng)較為接近設定，要精準控溫進行PID控制，輸出值為PD的值;（3）當SP-PV<5時，當前溫度與設定溫度約為等于，輸出值最小值0寫入兩個變頻器中，電壓調(diào)制器開度為零，即停止調(diào)溫。

4 結(jié)論

室內(nèi)溫度控制是現(xiàn)代生活和生產(chǎn)必不可少的智能控制系統(tǒng)之一。本文采用西門子PLC可編程控制器及其模擬量擴展模塊，與PLC內(nèi)部的PID操作指令集成，運用成熟的PLC 控制設計，來實現(xiàn)室內(nèi)溫度恒定控制。不僅比單片機控制更為精準，還兼具可靠、高效性，易操作。

參考文獻：

[1]范金玲，許月琳.基于三菱PLC的溫度控制系統(tǒng)設計[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2014.

[2]朱細敏，龔文楊.基于PLC的智能溫控系統(tǒng)的研究與設計[J].岳陽職業(yè)技術(shù)學報，2018.

[3]范庭超.對西門子PLC的PID參數(shù)整定問題分析[J].中國設備工程，2018.

[4]SIMATICS7-200SMART.系統(tǒng)手冊[M].11.7PID整定控制面板：620.