基于西門子S7200和WINCC電加熱烘箱的溫控系統

尹江飛

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，宜昌 430000）

0 引言

高強度浮力材料在深海作業系統中起到極為關鍵的作用，并已在民用、商業及軍事領域得到了廣泛的應用，如聲學多普勒流速剖面儀平臺、零浮力拖體、無人遙控潛水器、載人潛航體等等。而浮力材料的粘接固化質量，決定了產品的吸水率、密度以及耐壓，進而影響這個系統或平臺的可靠性。為了浮力材料的保證粘接固化質量，通過對前期的粘接固化工藝進行了研究，我們開發了一套電加熱烘箱的溫控系統，用于產品的粘接固化。

1 控制系統的硬件設計

1.1 控制原理及流程

控制部分的核心是S7-226CN，另外還有熱電阻PT100、EM231溫度采集模塊以及數顯儀CH6的溫度保護；通信部分的關鍵是DTU無線通信模塊和觸摸屏SMART 700，其中DTU無線通信模塊通過RS485通訊協議與PLC的PORT0進行通訊，實現遠程實時監控和控制指令的收發，觸摸屏SMART 700通過PPI協議與PLC的PORT1進行通訊，實現設置參數和顯示數據的相互傳遞；執行機構主要包括電加熱系統、風機循環系統，它是在PLC控制下，根據設置的不同參數實現相應的溫度控制功能。

圖1 溫控系統的硬件原理圖

控制器CPU為西門子S7-226CN，具體的型號為CPU226DC/AC/Relay，它的輸入模塊采用DC24V供電，輸出模塊采用AC220V供電。為了確保系統的穩定新，PLC的輸出到加熱系統和風機循環系統的控制信號，都采用隔離處理，提高負載的驅動能力，通過中間繼電器進行轉換。控制柜的界面上設計急停和準備按鈕，以及各種工裝狀態的指示。

1.2 硬件安全性設計

硬件上設計急停按鈕，在緊急情況下按下此按鈕，一鍵停機，系統自動斷開加熱系統的主回路，停止加熱。

數顯儀采樣另外一個PT100的溫度，設計單獨一套溫度保護系統，進行溫度上限的設定，并與加熱系統的控制主回路串聯，當溫度超過上限設定值，系統自動斷開加熱系統的主回路，停止試驗，風機依然繼續運轉。

2 PLC程序的設計

本系統的軟件組態、軟件設計、程序燒寫、在線監測及離線仿真均在西門子Step7 MicroWIN軟件中進行。

2.1 主程序設計

Step7 MicroWIN軟件中用戶的主程序寫在組織塊OB1中，用戶的六段子程序分別定義為溫度曲線1～溫度曲線6，主程序根據觸摸屏設定的溫度值和時間，進行自動調用各子程序。

圖2 軟件流程圖

主程序中設定非正常停機（工作中按急停或停止），風機系統也將繼續運行15分鐘，同時加熱過程中不風機必須處于運行狀態；主程序中對PT100的溫度值采集后，通過設計連續5分鐘溫度值不變和溫度值為3276.7時，自動識別出系統故障和熱電阻PT100故障，則系統停止加熱，同時風機循環系統還將繼續運行15分鐘，防止加熱系統中的電熱管由于溫度散不出去而影響壽命；主程序中將運行剩余時間、當前運行設定值、風機狀態、完成狀態、故障狀態等信息通過PPI通訊協議傳遞至觸摸屏并顯示；當烘箱內溫度超出軟件設定的上下限，系統自動停止加熱系統；為了保證固體浮力材料的固化質量，主程序中設計只有當烘箱溫度冷卻至室溫的2℃以內，輸出控制信號點亮開箱指示燈。

2.2 分段曲線程序設計

六段溫度曲線子程序的設計，確保系統可以自動運行于六個不同溫度段，滿足不同體積的固體浮力材料固化要求。每段溫度曲線采用死區控制方法，當溫度達到設定溫度值的5℃內，PLC中斷系統自動響應，并輸出控制信號，停止加熱系統運行，由于加熱系統中的電熱管還存在余溫，隨著風機系統的自動運行，烘箱內的溫度還將繼續上升，造成超調現象；當系統溫度再次降到設定溫度以下時，PLC輸出控制信號，啟動加熱系統運行。通過設置0～5℃的死區，確保系統超調量得到有效控制，減少溫度的大幅波動。試驗運行示意圖如圖3所示。

圖3 系統運行圖

六段子程序之間是互鎖的關系，只有當系統完成當前這段曲線后才能執行下一段溫度曲線。同時系統根據設定值，自動判溫度斷曲線是處于升溫還是降溫環節，若是下一個段是降溫環節，則當前溫度曲線結束之后，風機系統繼續運行15分鐘后停機，這樣可以保證浮力材料慢慢自然冷卻，當溫度值降到死區區間時，則繼續啟動加熱和風機系統，確保冷卻過程中大體積的浮力材料的中心溫度能得到釋放，防止出現龜裂現象。

3 遠程控制系統的實現

3.1 PLC與DTU無線通信模塊的連接

根據烘箱溫控系統需要實現的功能及無線通信模塊的技術特點，選取瓦爾通信科技有限公司的DTUNL882G無線模塊，NL882G模塊中自帶GPRS短信模塊。模塊除了外接電源以外，通過RS485與PLC的Port0進行通信，SIM卡插入SIM卡座內，實現遠程短信實時監測和控制。

3.2 DTU無線模塊的通訊協議及短信收發格式

采用RS485通訊協議，波特率：9600，數據位：8，奇偶校驗：無，停止位：1，短信的收發方式有兩種，TEXT和PDU。

方式1：TEXT發送方式

當PLC收到“溫度值”、“停機”等指令時，PLC執行相應的指令“輸出實時溫度值”、“停機”等，并通過TEXT和PDU讀取PLC反饋的信息，具體格式如下：

方式1：TEXT發送方式

4 結語

系統經過3個月的運行，溫控系統的控制精度準確和多重保護系統均能正常運行，溫度曲線顯示及記錄保存滿足要求，完全達到了預期的設計目標。不但提高了產品的質量，通過對保持的多組試驗數據進行了反復分析，找到了當初質量問題的根源，從而優化了產品的生產工藝，大大提高了產品的合格率。