基于西門(mén)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(shè)計(jì)已成為需要。文章采用西門(mén)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(dāng)前溫度，通過(guò)溫度變送器將該數(shù)值輸入PLC的擴(kuò)展模擬功能塊轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，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(lái)獲取精準(zhǔn)控溫效果。

關(guān)鍵詞：溫度調(diào)節(jié);西門(mén)子S7-200smart;PID溫控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guò)程。為更好地適應(yīng)當(dāng)代工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)溫控系統(tǒng)穩(wěn)定性與快速性需求，近年來(lái)各種新型溫控系統(tǒng)層出不窮，當(dāng)前市場(chǎng)上較多的有：基于單片機(jī)的溫控系統(tǒng)、基于上位機(jī)（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(duì)而言，PLC溫控系統(tǒng)憑借穩(wěn)定性高、功能強(qiáng)大、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)在溫控領(lǐng)域大受歡迎。本文選用較為常見(jiàn)的一款小型PLC，西門(mén)子S7-200smart為主控制元件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

本文的智能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由溫度檢測(cè)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(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。所采用的閉環(huán)控制，相較于現(xiàn)在市場(chǎng)上的開(kāi)環(huán)溫度調(diào)節(jié)裝置，精度更高，對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感;具有應(yīng)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(cè)模塊中，使用PT100型溫度傳感器來(lái)檢測(cè)當(dāng)前溫度，經(jīng)過(guò)模擬量模塊的A/D轉(zhuǎn)換與軟件內(nèi)移動(dòng)字節(jié)MOV_B將當(dāng)前溫值被寫(xiě)入PLC的寄存器，實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)功能;在數(shù)據(jù)處理模塊中，通過(guò)調(diào)用S7-200smart中自帶的PID功能塊，將當(dāng)前溫度值寫(xiě)入該模塊;在主控模塊中，當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò)PID的控制算法后，負(fù)責(zé)將準(zhǔn)確的溫差信息導(dǎo)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(guò)變頻器執(zhí)行相應(yīng)操作，來(lái)實(shí)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(cè)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(kuò)展模塊EM AM06、變頻器、電力調(diào)整器、升溫電機(jī)、降溫電機(jī)。

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(gè)輸入點(diǎn)，12個(gè)輸出點(diǎn)，于是選用CPU SR 40作為主控PLC。（SR40總共有40點(diǎn)IO，24點(diǎn)輸入16點(diǎn)輸出）由于溫度是模擬量，PLC基本單元是數(shù)字量控制設(shè)備，需要進(jìn)過(guò)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(gè)模擬量輸入通道，兩個(gè)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(gè)輸入口M+，M-，I+，I-，分別接溫度變送器的正極負(fù)極（正接正，負(fù)接負(fù)），2號(hào)輸出口接調(diào)整器的正負(fù)兩級(jí)，1號(hào)輸出口短接。

2.2 室內(nèi)溫度測(cè)量模塊

本系統(tǒng)溫度檢測(cè)模塊的主體為鉑電阻溫度傳感器，通過(guò)電阻量的改變，對(duì)應(yīng)溫度的變化。LM-PT100溫度傳感器，該傳感器測(cè)溫精度高，性能穩(wěn)定[1]。由于測(cè)量鉑電阻的電路是不平衡電橋，而鉑電阻作為電橋中一個(gè)橋臂電阻，加上從熱電阻到中控室之間的連接導(dǎo)線(xiàn)未知，會(huì)導(dǎo)致其隨環(huán)境溫度而變化，為避免這種誤差，本系統(tǒng)對(duì)溫度變送器采用三線(xiàn)制，正極引出單線(xiàn)，負(fù)極引出雙線(xiàn)分別連接模擬量模塊的正負(fù)端。通過(guò)將導(dǎo)線(xiàn)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(dǎo)線(xiàn)電阻引起的測(cè)量誤差，還可準(zhǔn)確地將數(shù)值反饋給PID模塊，有助減輕CPU計(jì)算負(fù)擔(dān)，加快溫度采集速率，使執(zhí)行操控更為準(zhǔn)確。

2.3 執(zhí)行模塊

本系統(tǒng)的執(zhí)行模塊由變頻器、電機(jī)和調(diào)整器三部分組成。采用PLC的開(kāi)關(guān)量輸出來(lái)控制變頻器，不僅節(jié)省成本，而且接線(xiàn)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)[2]。通過(guò)PLC開(kāi)關(guān)量輸出來(lái)控制變頻器的啟動(dòng)/停止，正/反轉(zhuǎn)，點(diǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速和加減時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制要求。因?yàn)槭怯屑?jí)調(diào)速，為增強(qiáng)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(chēng)做調(diào)功器，主要利用晶閘管電力控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)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(fù)載，當(dāng)室內(nèi)溫度已接近設(shè)定溫值時(shí)，僅靠變頻器無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫，則由PLC調(diào)節(jié)器控制調(diào)功器，通過(guò)調(diào)整電機(jī)功率來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：I/O點(diǎn)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(yùn)算是按掃描周期進(jìn)行，檢測(cè)值需根據(jù)設(shè)定時(shí)間周期進(jìn)行采樣，再對(duì)采樣值進(jìn)行運(yùn)算，連續(xù)性不強(qiáng)。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(guò)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(jī)構(gòu)，由執(zhí)行 機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)某一規(guī)定對(duì)象執(zhí)行控制任務(wù)[3]。通過(guò)將CPU控制和PID功能結(jié)合，增強(qiáng) PID功能。直接通過(guò)在指令向?qū)Т翱谥羞x擇PID指令便可進(jìn)行直接調(diào)用。

3.3 PLC控制程序

本系統(tǒng)分三段進(jìn)行控制。第一段，即開(kāi)始階段，調(diào)溫電機(jī)處于大功率狀態(tài)，以最大功率輸出，用于減少當(dāng)前溫度與設(shè)定溫值的溫差;第二段，當(dāng)溫度達(dá)到一定值后轉(zhuǎn)換為PID控制;第三段，接近設(shè)定溫度時(shí)置電機(jī)工作電源開(kāi)度為0，提供一個(gè)保溫階段，來(lái)適應(yīng)溫度的滯后升溫。

根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的溫度調(diào)節(jié)策略，如圖2所示，通過(guò)PID系統(tǒng)內(nèi)的SP與PV差值來(lái)進(jìn)行判。PID控制面板包含以下字段：顯示SP（設(shè)定值）、PV（過(guò)程變量）、OUT（輸出）、“采樣時(shí)間”、“增益”、積分時(shí)間和微分時(shí)間的值[4]。（1）當(dāng)SP-PV>5時(shí)，實(shí)際溫值與設(shè)定溫值相差較大，當(dāng)高于設(shè)定溫度時(shí)圖中M10閉合將AC2值寫(xiě)入AWQ0（降溫變頻器），功率調(diào)到最大，即給降溫電機(jī)最大電壓供電，反之，則M12閉合，令升溫電機(jī)最大電壓，最終使溫差迅速減小;（2）當(dāng)SP-PV>-5或者SP-PV<5時(shí)，當(dāng)前溫值已經(jīng)較為接近設(shè)定，要精準(zhǔn)控溫進(jìn)行PID控制，輸出值為PD的值;（3）當(dāng)SP-PV<5時(shí)，當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度約為等于，輸出值最小值0寫(xiě)入兩個(gè)變頻器中，電壓調(diào)制器開(kāi)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(mén)子PLC可編程控制器及其模擬量擴(kuò)展模塊，與PLC內(nèi)部的PID操作指令集成，運(yùn)用成熟的PLC 控制設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度恒定控制。不僅比單片機(jī)控制更為精準(zhǔn)，還兼具可靠、高效性，易操作。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]朱細(xì)敏，龔文楊.基于PLC的智能溫控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)報(bào)，2018.

[3]范庭超.對(duì)西門(mén)子PLC的PID參數(shù)整定問(wèn)題分析[J].中國(guó)設(shè)備工程，2018.

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