西门子S7_1200的设计与应用第4讲房间温度控制的S7_1200设计

Column专栏AUTOMATIONPANORAMA2011.0850摘要：PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。S7-1200PLC创新性地引入了工艺对象这个概念，使得PID控制的编程更加简洁、方便。关键词：PLC；PID控制；温度传感器Abstract:SincetheadventofPIDcontroller,nearly80yearspast.Withitssimplestructure,stable,reliable,easytoadjust,PIDcontrollerhasbecomeoneofthemaintechnologiesinindustrialcontrol.WithInaninnovativeway,theconceptofprocessobjectsareintroducedintoS7-1200PLCtomakePIDcontrolprogrammingmoresimpleandconvenient.Keywords:PLC;PIDcontrol;Temperaturesensor西门子S7-1200的设计与应用[变频器与PLC]第4讲房间温度控制的S7-1200设计浙江工商职业技术学院李方园1前言自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，使被控量等于给定值或按给定信号变化规律去变化的过程。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制或调节。PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。S7-1200PLC创新性地引入了工艺对象这个概念，使得PID控制的编程更加简洁、方便。2房间温度控制的设计要求在图1所示的房间温度控制中，风机盘管主要依靠风机的强制作用，使空气通过加热器表面时被加热，因而强化了散热器与空气间的对流换热器，能够迅速加热房间的空气。风机盘管是空调系统的末端装置，其工作原理是机组内不断地再循环所在房间的空气，使空气通过冷水（热水）盘管后被冷却（加热），以保持房间温度的恒定。图1房间温度控制示意图本案例采用S7-1200PLC和触摸屏进行控制，其工作原理如图2所示，PLC根据触摸屏设置的温度与实际房间的温度进行比较，并进行PID运算，将运算结果输出到调节阀。图2房间温度控制的工作原理RoomtemperaturecontrolwithS7-12002011.08AUTOMATIONPANORAMA51本案例的控制要求：（1）触摸屏画面设置手动和自动页面；（2）在手动页面，可以设置调节阀的开度（0~100%）；（3）在自动页面，可以进行温度显示和温度设置，并实时显示调节阀的开度值；（4）能进行缺水报警。3S7-1200PLC的硬件设计（1）PLC的设备与网络首先根据案例要求，进行相应设备与网络定义，如图3所示。它具体包括PLC_1（CPU1214C）和HMI_1（KTP600PN），其网络连接为PN/IE_1。图3设备与网络从图2所示的房间温度控制的工作原理中可以知道，S7-1200的PLC其硬件组态包括CPU模块和模拟量模块（如图4所示），其中模拟量模块为SM1234——即AI4/AQ2（即4模拟量输入/2模拟量输出），以连接输入温度传感器、输出调节阀模拟量等。图4PLC硬件组态（2）温度传感器的选型与PLC模拟量模块的配置由于S7-1200没有专用的温度扩展模块，因此往往都会采用一体化的温度传感器，即包含温度传感部分和变送部分，一般为24V供电、二线制、连接热电阻或热电偶、输出4mA~20mA，图5所示为一体化温度传感器的外观。图5一体化温度传感器外观对于电阻式一体化温度传感器的工作原理而言，它是先通过确认阻值的不同计算出当前的温度，再根据热电阻的量程变送输出对应的标准信号值(4mA~20mA），即：温度变化→热电阻阻值变化→一体化温度传感器进行计算→输出4mA~20mA信号。（3）调节阀的选型与PLC模拟量模块的配置一般调节阀都能够接收0V~10V（或4mA~20mA）信号来进行开度调节，其中10V代表100％开度，0V表示0％开度。与调节阀相对应的模拟量输出的硬件组态如图6所示，其选用通道0，模拟量输出类型为电压，范围为+/-10V，并启用短路诊断。图6模拟量输出的硬件组态4PLC软件编程与触摸屏组态（1）PLC的变量定义房间温度控制案例会用到模拟量输入1、模拟量输出1、手动/自动切换（现场开关）、缺水故障等硬件I/O，也会用到程序中所要求的PID块变量（PID设定温度和阀门开度）、触摸屏设置变量（HMI实际温度、HMI设定阀门开度、HMI设定温度、缺水故障报警字、缺水故障报警）等，如表1所示。Column专栏AUTOMATIONPANORAMA2011.0852OB1主程序的梯形图编程、OB200时间循环中断梯形图编程略。（4）触摸屏界面设计房间温度控制的触摸屏共分5个画面（如图9所示），通过建立模板及其事件定义（图10所示），可以在5个画面之间相互切换。图9触摸屏画面图10触摸屏的模板5结束语在本案例中，充分利用S7-1200中用于实现自动和手动模式下都可自我优化调节的PID控制器“PID_Compact”工艺对象。在控制回路中，PID控制器连续采集受控变量的实际测量值，并将其与期望设定值进行比较，在实际应用中取得了良好的效果。参考文献：[1]李方园.图解西门子S7-1200PLC入门到实践[M].北京:机械工业出版社,2011.[2]李方园.自动化综合实践[M].北京:中国电力出版社,2009.[3]李方园.PLC控制技术[M].北京:电子工业出版社,2010.李方园（1973-）男，浙江舟山人，毕业于浙江大学电气自动化专业，高级工程师，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作。现在职就读于浙江工业大学信息学院工程硕士专业。表1变量表格（2）添加PID工艺对象按照上节内容添加房间温度控制PID工艺对象，需要注意的是控制器类型为“温度”，同时要注意到控制温度会有两种情况，即夏天降温为反作用、冬天加热为正作用，所以需要恰当地选择“取反PID控制器输出”选项，如图7所示。图7添加PID工艺对象由于本案例选用的模拟量输入为0℃~100℃，因此需要完成输入标定。（3）PLC程序编程房间温度控制的PLC程序结构如图8所示，具体包括OB1（主程序）、OB200（循环程序模块）、FB1130（PID块）、DB1（PID工艺对象数据块）。图8PLC程序结构