S7 系列PLC電氣控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用第3講 S7-200在流程工業(yè)溫度控制中的應(yīng)用

1 前言

生產(chǎn)流程控制既是對(duì)生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視、調(diào)節(jié)與控制，也是對(duì)工藝現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)或指令參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、保存和傳送。以溫度為例，它是一個(gè)在時(shí)間和數(shù)值上都是連續(xù)變化的信號(hào)，即模擬量信號(hào)。它與數(shù)字量不同，后者是以離散值表示的數(shù)據(jù)。自然界中絕大部分的事物可用模擬量來表示。比如，在干燥爐中一段時(shí)間內(nèi)的物品溫度值，溫度不會(huì)瞬間地從170℃上升到171℃，之間會(huì)有無數(shù)個(gè)溫度值。相對(duì)于一個(gè)連續(xù)的干燥爐溫度圖，假設(shè)每一個(gè)小時(shí)測(cè)量一次溫度?，F(xiàn)在有一個(gè)24小時(shí)內(nèi)每小時(shí)的溫度變化值，可以很快地將這個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼表示的每個(gè)樣本值。

由于PLC基于數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)，因此如果要讀入溫度傳感器等模擬量信號(hào)，就必須使用專用的模擬量輸入模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；同理，PLC的輸出還必須使用專用的模擬量輸出模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。

2 S7-200的溫度模擬量模塊

溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。與PLC控制系統(tǒng)最有關(guān)聯(lián)的是熱電偶（TC）和熱電阻（RTD），前者是利用熱電勢(shì)效應(yīng)，后者則是利用電阻的變化原理。因此，兩者在模塊的設(shè)置上有很大區(qū)別，往往被分開使用，圖1所示是西門子S7-200 PLC常見的EM 231的外觀圖。溫度模塊在接線上必須加以注意，包括接線的正負(fù)、屏蔽線以及熱電偶補(bǔ)償線等。

圖1 EM 231外觀

每個(gè)溫度模擬量擴(kuò)展模塊與通用的模擬量輸入輸出模塊一樣，按擴(kuò)展模塊的先后順序進(jìn)行排序，其中，模擬量根據(jù)輸入、輸出不同分別排序。模擬量的數(shù)據(jù)格式為一個(gè)字長(zhǎng)，所以地址必須從偶數(shù)字節(jié)開始。例如：AIW 0，AIW 2，AIW 4……，AQW 0，AQW 2……。每個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊至少占兩個(gè)通道，即使第一個(gè)模塊只有一個(gè)輸出AQW 0，第二個(gè)模塊模擬量輸出地址也應(yīng)從AQW 4開始尋址，以此類推。當(dāng)然，溫度模塊只有AIW，而沒有AQW。

3 基于S7-200的波峰焊溫度檢測(cè)與控制

無鉛波峰焊接機(jī)能自動(dòng)完成PCB板從涂覆助焊劑、預(yù)加熱、焊錫及冷卻等焊接的全部工藝過程，主要用于無鉛焊接表面貼裝元件、短腳直插式元件及混裝型PCB板的整體焊接。圖2所示為波峰焊的外觀圖，其溫度控制在整個(gè)電子制造流程中非常重要，包括預(yù)熱和錫爐控制。它主要分為兩部份，即溫度的檢測(cè)和溫度的控制。

圖2 波峰焊外觀

（1）溫度的檢測(cè)

在本案例中，使用了EM 231 TC4模塊作為波峰焊的溫度檢測(cè)，由于SMT生產(chǎn)工藝的特殊性，需要及時(shí)掌握溫度模塊的運(yùn)行情況，包括在熱電偶模塊沒有錯(cuò)誤的情況下從中讀取模擬量輸入值，并將其存放到固定的存儲(chǔ)位中；若模塊有錯(cuò)誤，要求將錯(cuò)誤信息保存，并進(jìn)行一些存儲(chǔ)和清空操作。

熱電偶模塊提供PLC測(cè)量溫度或出錯(cuò)類型的數(shù)據(jù)字，狀態(tài)位指示輸入范圍錯(cuò)誤和用戶電源/模塊故障。LED指示模塊狀態(tài)，用戶程序必須檢測(cè)相應(yīng)錯(cuò)誤狀態(tài)并采取相應(yīng)的措施。比如，作為擴(kuò)展模塊5的EM 231模塊還必須遵守S7-200 PLC對(duì)于擴(kuò)展模塊的基本查錯(cuò)程序，并以特殊存儲(chǔ)器字節(jié)來表示。比如范圍狀態(tài)位是模塊出錯(cuò)寄存器字節(jié)中的位3 (SMB 9于用模塊1，SMB 11用于模塊2等)；不良狀態(tài)位是模塊出錯(cuò)存儲(chǔ)器字節(jié)中的位2 (SMB 9，SMB 11等)；診斷出錯(cuò)引起模塊組態(tài)錯(cuò)誤。在模塊組態(tài)錯(cuò)誤之前，用戶電源故障狀態(tài)位可能設(shè)置或沒有設(shè)置。

波峰焊溫度模塊的檢測(cè)程序如圖3所示。

圖3 溫度模塊檢測(cè)程序

（2）溫度的控制

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制或調(diào)節(jié)。溫度控制也是如此。

在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬PID的控制規(guī)律形式為

式中e（t）——偏差輸入函數(shù)；u（t）——調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)；KP——比例系數(shù)；T1——積分時(shí)間常數(shù)；TD——微分時(shí)間常數(shù)。

西門子S7-200 PLC具有標(biāo)準(zhǔn)的PID回路指令來實(shí)現(xiàn)各種溫度控制。PID回路（PID）指令根據(jù)表格(TBL)中的輸入和配置信息對(duì)引用LOOP執(zhí)行PID回路計(jì)算。同時(shí)，邏輯堆棧（TOS）頂值必須是“打開”（使能位）狀態(tài)，才能啟用PID計(jì)算。

本案例中共有4個(gè)溫度PID控制，現(xiàn)在以一個(gè)溫度控制為例（即預(yù)熱1），程序包括主程序（如圖4所示）、子程序（略）和中斷程序（略）。

圖4 波峰焊溫度控制主程序

4 結(jié)束語

在流程工業(yè)溫度控制中，采用S7-200的溫度量模塊可以確保系統(tǒng)的安全可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)然，在安裝時(shí)，必須注意抗干擾要求和必須的防護(hù)措施。

[1] 李方園.自動(dòng)化綜合實(shí)訓(xùn)教程[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[2] 李方園.零起點(diǎn)學(xué)西門子S7-200 PLC[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.