基于PLC和觸摸屏的電加熱水浴溫度控制系統(tǒng)設計

孟磊，鄒志云，趙丹丹，郭宇晴，劉興紅

(防化研究院，北京 102205)

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基于PLC和觸摸屏的電加熱水浴溫度控制系統(tǒng)設計

孟磊，鄒志云，趙丹丹，郭宇晴，劉興紅

(防化研究院，北京 102205)

水浴裝置是一般化工實驗中經常用到的設備，需要對溫度進行精準的控制。PID控制算法由于其意義明確、結構簡單、魯棒性好，是控制領域應用最為廣泛的算法。但是PID中比例、積分、微分3個參數共同影響控制效果，人工整定出一組理想參數較為繁瑣且存在較大難度。K.J. Astrom和T. Hagglund在1984年提出的延時反饋自整定算法經過20 a的實踐，已經成為工業(yè)控制各個領域使用較為廣泛的一種自動整定PID參數的方法。西門子S7-200 PLC的PID指令集成了上述的自整定算法，近年來已有學者利用可編程控制器(PLC)和上位機設計了溫度控制系統(tǒng)，但實現自整定時需要使用上位機，在西門子Step7-Micro/Win編程軟件中進行。

筆者利用西門子Smart Line系列的Smart 1000觸摸屏設計友好的人機界面HMI(human machine interaction)，采用S7-200小型PLC作為控制器，具有PID自整定功能，且PLC一次下載完成后即可脫離上位機和編程軟件，直接通過觸摸屏的HMI，實現PID的自整定，系統(tǒng)硬件簡單，使用靈活方便。

1系統(tǒng)硬件架構

系統(tǒng)主要由S7-200 PLC(包括CPU226，模塊EM231RTD，模擬量輸出模塊EM232)、Smart 1000觸摸屏、PAC15P調壓板、可控硅功率元件、500W電加熱套、PT100熱電阻等組成。整個系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

其中，S7-200 PLC作為系統(tǒng)主控制器，實現PID算法和PID算法的自整定；Smart 1000觸摸屏作為人機交互界面，實現人與PLC的動態(tài)交互，可以通過Smart 1000設置PID的參數、啟動/取消PID自整定、設定控制溫度、觀察當前溫度和實時溫度趨勢等；PT100與EM231RTD組成測量反饋環(huán)節(jié)，測得過程變量當前值并送入控制器；調壓板、可控硅功率器件和電加熱套組成被控對象，其接受控制器的4～20mA電流輸出而做出相應調整改變電加熱套的加熱電壓，進而影響被控溫度變量。

圖1　基于PLC和HMI的水浴系統(tǒng)結構示意

1.1PLC控制器

該套控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC(CPU226)作為控制器，其結構緊湊、功能強大、成本低、擴展性強。該型號PLC主機帶有24路DI/16路DO，另外可以方便地擴展AI/AO模塊來實現對模擬量的采集和控制。通過上位機編程軟件Step7-Micro/Win V4.0 SP6編制梯形圖，下載至PLC后即可解除與上位機的連接，以后該套系統(tǒng)使用過程不再需要上位機和編程軟件。

使用PT100鉑熱電阻和西門子EM231熱電阻擴展模塊采集溫度，PT100封裝在金屬套管中，內部用密封材料和導熱材料填充，為了消除導線電阻影響，采用四線制接法連接至EM231熱電阻模塊。EM231將PT100采集的溫度模擬量值傳送給PLC，實現模數轉換。

PLC進行PID計算所得控制量輸出在PID回路表中為歸一化的值(0～1區(qū)間實數)，反歸一化轉換成6400～32000的整數后，送至EM232模擬量輸出擴展模塊。EM232進行數模轉換，將其轉換成4～20mA電流輸出至PAC15P單相晶閘管調壓器和功率器件可控硅，從而根據控制電流調節(jié)電加熱套的加熱電壓，實現對水浴裝置溫度的控制。

1.2觸摸屏HMI

該套控制系統(tǒng)采用西門子Smart 1000智能觸摸屏設計HMI，該觸摸屏適用于工業(yè)控制。目前在國內，已有文獻證實將其用于化學反應器監(jiān)控等化工過程，取得到了較好的效果，另外在工礦等其他工業(yè)領域也應用良好。

Smart 1000為高分辨率寬屏顯示觸摸屏，具有強大且豐富的通信能力，西門子的PPI通信協議確保觸摸屏與S7-200建立高速無縫的鏈接，和S7-200 PLC組成完美的小型自動化解決方案，通信速率最高可達187.5Kbit/s。它具有高性能處理器、高速外部總線及64M DDR內存。此外，其擁有可靠電源設計，內置的24V電子自恢復反接保護，避免因誤接線而導致的產品損壞。

Smart 1000觸摸屏使用SIMATIC WinCC Flexible 2008進行組態(tài)。該型號觸摸屏支持IO域、按鈕、開關、棒圖、時間日期、文本/圖形列表等簡單對象組態(tài)，同時更支持報警和用戶管理、趨勢視圖、配方管理、報表管理等高級組態(tài)功能。只需要創(chuàng)建項目時選擇該型號設備即可從工具欄中隨時組態(tài)這些組件。觸摸屏程序組態(tài)完成后，使用西門子USB/PPI多主電纜將計算機的USB口與觸摸屏相連接，設定好相應的傳輸模式和傳輸速率，即可將其下載至觸摸屏內存中使用。

2PLC編程

在Step7-Micro/Win中編制PLC所需的梯形圖程序。首先利用PID指令向導引導創(chuàng)建PID中斷子程序。程序自動創(chuàng)建一個120Byte的回路表，其中VB0～VB35存儲PID算法的9個實型參數： 過程變量PVn；設定值SPn；輸出Mn；增益Kc；采樣時間Ts；積分時間TI；微分時間TD；偏差MX；過程變量前值。VB36～VB79用于PID自整定，其中VD36為回路表ID，VB40為AT控制，VB41為AT狀態(tài)，VB42為AT結果。VB80～VB119為預留的計算存儲空間。

然后自定義梯形圖程序所需的一些變量，其中PV為轉換后的過程變量值，用于與HMI連接，顯示當前實際溫度；SP為設定值，用于接收觸摸屏輸入設定要控制的溫度；PID_Gain，PID_I_Time，PID_D_Time分別為增益、積分時間和微分時間，用于接收觸摸屏參數設定，并傳遞至PID指令回路表；PID自整定為布爾變量，用于人工控制PID自整定的啟動與停止。

完成PID指令創(chuàng)建和自定義所需變量后，編制梯形圖程序。程序主要由以下模塊組成：

1) 過程變量值轉換模塊用于將EM231RTD所測得數值轉換成實際溫度值用于HMI顯示。

2) PID參數傳遞模塊用于將HMI人工輸入的PID參數傳遞給PID指令。

3) PID執(zhí)行模塊調用執(zhí)行PID運算，并將結果輸出至EM232的AQW0。

4) 啟動/取消自整定模塊用于接收HMI指示來啟動或取消自整定算法。

5) 自整定初始化模塊，在自整定啟動前將AT狀態(tài)和AT結果清零。

6) 自整定輸出模塊用于傳遞自整定過程推薦的增益、積分時間、微分時間給PID算法。

3觸摸屏組態(tài)

使用SIMATIC WinCC Flexible 2008對Smart 1000觸摸屏進行組態(tài)，WinCC Flexible是人機界面組態(tài)軟件，具有良好的開放性和靈活性，功能強大，具有圖形界面管理、報警系統(tǒng)、歸檔系統(tǒng)、報表系統(tǒng)、配方管理系統(tǒng)等強大的組態(tài)功能。

在對Smart 1000組態(tài)時，首先創(chuàng)建新項目，設備類型選擇“Smart Line-Smart 1000”，這樣可以組態(tài)Smart 1000所支持的功能。在“通信-連接”中定義SIMATIC S7-200PLC，建立HMI與S7-200PLC的連接。進而在“通信-變量”中定義要與PLC交互的變量，如SP，PV，PID自整定啟動/取消變量，PID參數等，這些變量的數據類型和地址必須與PLC中對應的元素一致。

1) 組態(tài)主畫面時，主要分為系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測區(qū)域、系統(tǒng)參數設定區(qū)域和自整定區(qū)域。系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測區(qū)域使用棒圖對象圖形化顯示設定溫度、當前溫度；系統(tǒng)設定區(qū)域可以設置溫度及PID算法的增益、積分時間和微分時間等；自整定區(qū)域用撥碼開關來啟動或者取消PID自整定，并通過指示燈顯示自整定狀態(tài)，另外自整定完成后的推薦參數會在IO域內顯示出來。

2) 組態(tài)實時趨勢曲線畫面時，創(chuàng)建實時趨勢曲線增強對象，并將SP，PV的變化趨勢顯示在實時趨勢曲線中。

4實驗應用

將編制好的梯形圖下載至PLC、組態(tài)好的組態(tài)程序傳送至觸摸屏，將PLC與觸摸屏連接，其他硬件參照系統(tǒng)框圖一并連接，系統(tǒng)組建完成。

設定控制溫度為30 ℃，初始參數： 增益5，積分時間20min，微分時間0，當過程變量值接近設定值且基本穩(wěn)定時，點擊觸摸屏啟動自整定。自整定程序采用延時反饋自整定算法自動整定出一組推薦參數： 增益10.1，積分時間22.3min，微分時間0。使用自整定出的推薦參數進行溫度控制，控制穩(wěn)態(tài)精度可達0.2 ℃左右，效果較好，可以滿足實際需要。

5結論

將PLC與觸摸屏HMI相結合設計了一套電加熱智能水浴溫度控制系統(tǒng)，它利用觸摸屏即可啟動或取消自整定，比傳統(tǒng)方法利用在上位機的編程軟件中使用PID調諧面板進行自整定更加方便快捷、界面友好，在實際應用中，當空間或成本有限時優(yōu)勢會更加明顯。此外，利用HMI可設置控制溫度，手動設置PID參數，觀測溫度變化等。

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摘要：利用可編程控制器(PLC)和觸摸屏設計了一套智能電加熱水浴溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用S7-200PLC作為控制器，Smart 1000觸摸屏作為人機界面(HMI)，采用數字PID控制算法，具有自動整定功能且可以通過觸摸屏靈活調用。實際應用表明，該控制系統(tǒng)界面友好、操作方便，自整定效果好，控制精度高，可以滿足化工過程水浴實驗的需求。

關鍵詞：可編程控制器觸摸屏PID自整定溫度控制

Design of Electric-heated Water Bath Temperature Control System Based on PLC and Touch ScreenMeng Lei， Zou Zhiyun， Zhao Dandan， Guo Yuqing， Liu Xinghong

(Research Institute of Chemical Defense, Beijing, 102205, China)

Abstract：A set of electric-heated water bath temperature control system based on PLC and touch screen is designed. A Siemens PLC is used as controller with touch screen used as human machine interace (HMI). Digit PID control algorithm is used, which has auto-tuning function and can be called by touch screen. Application shows the system has friendly interface, easy operation, good self auto-tuning control result and high control precision. It can satisfy temperature control needs of water bath for chemical process experiments.

Key words：programmable logic controller; touch screen; PID auto-tuning; temperature control

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0038-03

作者簡介：孟磊(1990—)，男，河南開封人，2013年畢業(yè)于西安交通大學自動化專業(yè)，現為防化研究院在讀碩士研究生，主要從事過程控制方面研究。

稿件收到日期： 2015-02-05，修改稿收到日期： 2015-03-31。