S7-200的温度控制系统设计实习报告
一、实验目的
1、掌握温度控制系统工作原理、系统框图及传递函数
2、掌握S7200编程软件及梯形图编程
3、掌握电气原理图及接线
4、掌握温度信号的标定
5、掌握组态软件采集飞升曲线，并根据飞升曲线进行参数识别
6、掌握PID算法及编程,并分析PID参数对控制性能的影响
二、实验电路和原理
1、温度控制系统电气图
如图1，S7200CPU226通过EM231模拟量采集模块将温度采集下来，并根据反馈控制Q0.0口输出占空比可调的脉冲(PWM波形)，来控制主电路上固态继电器的通断，从而控制加热功率，实现温度的控制。
PLC直流供电方式：
选择Q0.0输出接线图:
S7-200型PLC的CPU电源的接线直流供电图 S7-200型PLC的输出的接线图
模块EM231输入接线方法：
S7-200型PLC 模块EM231输入接线图
最终电气接线图：
图1 电气接线图(改正图)
图2 PWM控制原理
PWM温度控制的原理如图2。图中，固态继电器的
3、4端口接收控制信号，电压U34如图所示，当其为高电平时，1和2之间导通，所以加热电阻两端的电压U如图。从宏观上而言，加热电阻的加热功率为P=Us*Ton/T，通过程序控制Ton的大小，就可以改变加热电阻的功率，从而实现温度控制。
2、系统传递函数模型
系统的组成图如图3。PLC控制程序中先将设定的温度值减去反馈的温度值得到e(k)，再将e(k)经过PID变换求的u(k)，然后将u(k)赋值给PWM波形的Ton，T为PWM的周期，再将固态继电器到加热电阻到水温作为是1阶纯滞后环节，如此可得系统的传递函数如图4。其中，1阶纯滞后环节的参数K，T1，τ通过实验测定飞升曲线的方法来确定。
设定值PLCρ固态继电Us*ρP加热电阻器水壶里的水水温EM231(A/D)变送器Pt100 图3 温度控制系统框图
R(s)e(k)u(k)TonρC(s)+-PID11/TK*e-τ*s/(T1*S+1)B(s)1图4 温度控制系统传递函数
3、温度标定
PLC通过EM231模块读取的值为1个数字，地址为AIW6，需要进行标定才能知道。标定过程如图5，先标定2点，本例是测定0度和100度时的AIW6，设为X、Y，即(0,X)，(100,Y)，设该2点之间为直线，则根据线性关系可以将读取的AIW6转换为温度。公式为：(AIW6-X)/(Y-X)=T/100，则T=(AIW6-X)/(Y-X)*100。T为转换后的温度。
图5 温度标定
三、系统参数的整定 飞升曲线的测定
为了设计使系统获得较好的性能指标的数字控制器,首先要了解被控对象的特性,并用以作为设计自动控制系统的依据。可以利用动特性(飞升曲线)来识别传递函数。具体做法如下：
1) 编制温度采集PLC程序，下载至PLC中。程序如下，程序中M10.0的值通过组态软件中开始采集按钮设定。(其中标定温度经过计算
得到：0度对应AIW6的值为6400.0,100度对应AIW6的值为32000.0) 具体程序如下:
2) 编制温度采集组态软件对PLC的温度进行采集，存盘。操作过程如下：
a)创建设备窗口。打开mcgs组态环境，新建一个工程，进入设备窗口，如图。双击设备窗口，进入设备组态窗口，在空白处单击右键，弹出对话框选设备工具箱，单击设备管理，双击通用串口父设备，然后单击PLC，单击西门子，选S7200-PPI，在设备管理器里就上述2个设备，然后再双击该设备，则设备组态窗口就存在该2个设备，如图。
双击串口父设备，将串口端口号设置和S7200的通讯号相同；将数据校验方式设置为偶校验。
双击S7200PPI，弹出对话框，在内部属性里增加2个通道，1个通道的寄存器类型选V寄存器，数据类型选32位浮点数，寄存器地址设为0，通道数量设为1，即创建一个通道指向PLC中的VD0；另1个通道的寄存器类型选M寄存器，数据类型选通道的00位，寄存器地址设为10，通道数量设为1，即创建一个通道指向PLC中的M10.0。在选中通道连接，在该地址上输入data01和data02，如图。
变量data01就对应M10.0，data02对应VD0，组态软件对该2个变量进行读写就相当于对M10.0和VD0进行读写。至此设备窗口设置完毕。
b)创建用户窗口如图，图中实时曲线中的画笔属性中，曲线1对应data02，即可显示PLC中VD0的值，开始采集按钮的操作属性设为数据对象值操作将data02置1即将M10.0置1，结束按钮将M10.0置0。
C)设置存盘属性，点击实时数据库，双击data0
1、data02，将它们的存盘属性设为定时存盘，存盘周期1s。
3) 进入组态运行环境，点击开始按钮，开始采集存盘。观察温度曲线，直至到达稳态值，结束采集。用excel打开存盘文件，绘制
曲线，根据曲线的特点确定和1阶纯滞后环节的参数K，T1，τ。如图，则kc()/,本例0.06，T1和τ从图中直接读出。
4) 确定PID参数。PID参数按照如下经验公式选取，
Kp/T1.2T1/K，Ti2，Td0.5 ，式中T为PWM的周期。
经过曲线的分析我们知道K，T，τ，最后得到Kp=0.4 ，Ti=6，Td=1.5。
实验所得的飞升曲线
5）PID算法
Main开始SBR0开始初始化Kp→VD0，Ti→VD4，Td→VD8T2→VD12,0→VD16,0→VD20，0→VD24，50→VD28，16#DB→SMB67,200→SMW68VD0*(1+VD12/VD4+VD8/VD12)→VD32,VD0*(1+2*VD8/VD12)→VD36VD0*VD8/VD12→VD40AIW6转化为温度赋值给VD44VD28≥VD440→SMW70PLS 0YVD28-VD44→VD48T31开始计时(计时时间设采用周期T2)VD24+VD32*VD48-VD36*VD16+VD40*VD20→VD52T32计时时间到？等待VD52→VD24VD52为u(k)VD24为u(k-1）VD16→VD20VD16为e(k-1)VD20为e(k-2)调用子程序SBR0复位T32VD48→VD16VD48为e(k)VD52→SMW70SWM70为PWM的TonPLS 0
VD16对应e(k-1)，VD20对应e(k-2)，VD24对应u(k-1)，VD28对应设定的温度，VD32为a0，VD36为a1，VD40为a2。本程序将PID变换后的u(k)赋值给SWM70作为PWM波形Ton的大小。
6）结果分析与结论
本设计课题是针对基于S7-200PLC温度控制系统，采用西门子S7-200PLC+EM231扩展模块，并利用MCGS工控软件对温度控制过程进行实时监控。用户可以通过系统在组态界面中输入想要达到的目标温度，通过过程监控，用户能够实时掌握实时温度，通过显示加热占空比，用户能更好的了解实时状态的加热情况。并设置了PID三参数的输入及显示功能，可以让用户在控制过程中，改变PID三个参数，完成分阶段PID等过程控制动作。使系统适应性更加提高，更能使用
于运用于工业生产中。本套系统软硬件简单，适用于工业温度控制，其控制精度高，超调小等优点，并设置分段PID可以进行PID分阶段各个参数的更改，使在温度调试的过程能够人为的控制，更具有适应性和良好的应用性。
四、实习心得
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