摘 要：设计了一种基于S7-200和WINCC实现PID控制的方法，利用PLC200固有的PID功能实现PID控制，通过Wincc进行实时监控，具有图形显示直观，参数设置方便等优点。
关键词：实时监控 Wincc组态 PID PLC
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-025-02
1 引言
随着社会进一步发展，要求制造业等要对市场需求做出迅速的反应，生产出品种多，成本低，质量高的产品。为了满足这一需求，就必须使生产设备的控制系统保持先进，具有极高的可靠性和灵活性，而以工业中广泛用到的温度控制为例，当传感器技术和控制方法进一步创新与发展，对温度控制的精确性和快速性的要求也会进一步提高，而传统的温度控制系统已经不能适应于现代工业对精确性和快速性的要求。本文设计了一种基于PID的温度控制系统，实现了温度的精确控制。
2 系统硬件配置及控制要求
我们通过控制面板上的加热器来实现温度控制模拟系统，具体通过PLC200中的PID控制的编程实现加热器温度保持恒定,并使用WINCC组态画面实现监控与PID设定功能。
2.1 PLC选型
德国西门子公司S7-200系列PLC是一种小型的PLC产品，应用范围广泛，通过与各种小型自动化产品如变频器，传感器等搭配，可以实现各种现场的解决方案。加上其设计合理，价格低廉，有较高的市场占有率，本文即使用S7-200PLC。
2.2 温度传感器选择
温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量信号的传感器，是温度测量仪表的核心部分，目前按照测量方式可以分为接触式和非接触式两大类。按照电子元器件特性以及传感器材料可以分为热电阻和热电偶两类。工业测温常用的热电阻的材料特性是其导体的电阻值随温度的改变而改变，可以通过测量其阻值推算出被测物体的温度。铂电阻值与温度之间的关系接近于线性，其用来测量温度也更为准确，因此铂热电阻现在被广泛应用于工业温度的测量。按0℃时的电阻值R(℃)的大小分为10欧姆（分度号为PT10）和100欧姆（分度号为PT100）等，本文采用分度号为PT100的铂热电阻来测温，即电阻值在0℃时是100欧姆。由于温度传感器所测得温度信号不能直接被PLC所接收，所以需要加入一个变送器，使传感器所采集的温度信号转化成电压或电流信号后再输入PLC。
2.3 控制系统组成
图1 控制系统组成
实现控制要求的系统组成如图1所示，该系统是由执行器、加热器、温度变送器、A/D转换器、PID调节器和D/A转换器等构成一个单回路温度控制系统。PID调节器、D/A和A/D转换器用西门子公司的S7-200，CPU224型PLC来实现，上位机PC安装了STEP7和WINCC组态软件。考虑温度控制属于大滞后系统，调节器采用PI类型。
2.4 控制要求
(1)总体控制要求：模拟量模块输入端从温度变送器端采集物体温度信号，经过程序运算后由模拟量输出端输出控制信号至驱动端控制加热器。
(2)程序运行后，模拟量输出端输出加热信号，对受热体进行加热。
(3)模拟量模块输入端将温度变送器端采集的物体温度信号作为过程变量，经程序PID运算后，由模拟量输出端输出控制信号至驱动端控制加热器。
本系统的给定值（目标值）可以预先设定后直接输入到回路中；过程变量由在受热体中的Pt100测量并经温度变送器给出，为单极性电压模拟量；输出值是送至加热器的电压，其允许变化范围为最大值的0% 至100%。Pt100为热电偶,用来监测受热体的温度，并将采集到的温度信号送入变送器，再由变送器输出单极性模拟电压信号，到模拟量模块，经内部运算处理后，输出模拟量电流信号到调压模块输入端，调压模块根据输入电流的大小，改变输出电压的大小，并送至加热器。
2.5 功能指令使用及程序流程图
(1)PID指令使用(如图2)
图2
(2)程序流程图(如图3)
图3 程序流程图
3 硬件及软件设计
3.1 硬件组态及参数设置
在STEP7中创建一个温度控制系统的项目，在项目下生成一个S7-200的站点，进入HWConfig界面按硬件安装次序和订货号依次插入机架 电源CPU I/O模块等进入CPU属性窗口，设置站点的CP5611地址假设为2，则EM277站点地址设为3，相应的EM277硬件上调拨码开关为3。这里所设置的地址3必须与Wincc通信驱动地址相匹配，如：PLC200中地址也为3，CP板卡号为1。
当STEP7中的硬件组态下载到虚拟主站时，需将再一次设置。此次设置目的是让虚拟主站与Wincc通信。
3.2 软件设计
PLC软件的控制部分是由系统PID控制主程序，子程序以及中断程序组成，当主程序开始后首先进行初始化，接着扫描调用子程序，进入PID配置向导选择要配置的PID回路，设置回路参数，包括设置给定值的的最小值和最大值以及回路过程变量的极性。这时系统数据采集的子程序先开中断，然后进行数据采样和累加，用计数器不断判断采样次数是否达到设定值，若达到，则跳出出循环返回平均值，若未达到，则继续采样直到跳出循环，这时关中断，这样PLC在主程序和子程序之间完成了对数据的采集，也实现了PID控制算法。
PID算法是一种闭环自动控制算法，PID控制器作为最早实用化的控制器，目前仍然是应用最广泛的工业控制器，应用在基于PLC的温度控制系统中，目的是使被控制的物理量追随给定量，自动消除各种因素对控制效果的扰动。
4 PLC200与Wincc通信
SIMATIC WinCC采用了最新的32位技术的过程监控软件，具有良好的开放性和灵活性。WinCC与S7-200系列PLC的通信，可以采用Profibus通信协议进行。本文温度控制的WINCC组态画面设计如图4。
图4 WINCC组态画面
5 结语
通过上机实验可知：PID恒温控制是围绕着设定值进行调节的。若设定温度为23.5℃；当温度低于设定值时，加温蒸汽调节阀始终处于全部打开状态；当温度达到23.5℃，加温用的蒸汽调节阀开始逐渐关闭，在关闭过程中，温度有可能仍在渐渐上升，温度偏离越大，关闭速度越快；直到全部关闭为止；当温度再次低于设定值时，加温蒸汽调节阀则会逐渐打开，打开速度取决于温度偏离值的大小，偏离越大，打开速度越快；直到温度再次达到设定值。若温度长时间未达到设定值，调节功能会将调节阀全部打开，所以，我们可以根据实控情况进行必要的编程，有效的利用低于设定值时PID控制时段；切断高于设定值部分的PID控制，在温度高于设定值后，即可根据生产要求干脆部分或全部关闭加温阀，以防温度上升过高，来求得优越的温控效果。
参考文献：
[1] 刘华波.西门子S-7200PLC编程及应用案例精选[M].北京:机械工业出版社,2009.5.
[2] SIEMENS.SIMATIC57－200可编程序控制器系统手册[S].
[3] 西门子公司 winccflexible2007用户手册[S].