西门子模块6ES7214-1AD23-0XB8功能介绍
因为PLC具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点,成为了当今及今后工业控制领域的主要手段和自动化控制设备.在许多行业的工业控制系统中, 温度控制都是要解决的问题之一.在一些热处理行业,由于使用简单的温控仪表和温控电路进行控制, 存在控制精度低、超调量大等缺点, 这样就造成了产品质量不高, 能源浪费等问题.
基于PLC在工业控制领域的普及性和温度控制的重要性, 设计了一个基于PLC的智能温度控制系统,具有很广的应用空间.由于PLC具有自身的一些缺点, 即数据的计算处理和管理能力较弱, 不能提供良好的用户界面, 妨碍了对现场温度变化的跟踪与监控,而计算机可以很好的弥补的这一缺点.用计算机与PLC 组成的主从式实时监控系统, 能够充分发挥各自在工业控制中的优势,实现分散控制、集中监控等全新功能.本系统采用西门子公司S7-200系列PLC, 通过PLC串口通讯与计算机连接, 监控界面友好,运行稳定.
1PLC温度控制系统
在锅炉温度控制系统中, 电加热锅炉是过程控制工业中常用的设备,其温度控制也是过程控制的一个重点.PLC温度控制系统的结构如图1所示, PLC通过加热棒及风扇分别控制炉子的加热及降温.计算机则实现目标温度的设定、动态显示、参数的设定等功能, 从而实现实时温度监控.
2 系统构成
信号处理、温度调节等功能.在,温一个温度控制系统一般具有温度信号采集、PLC的温度控制系统中度信号的采集可以使用常用的温度传感器(热电偶、热电阻).由温度传感器检测来的信号不是标准的电压(电流)信号,不能直接送给A/D转换模块.温度传感器采集到的温度信号要经过变送器的处理后才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号.根据所使用的温度传感器选用对应的温度变送器.S7-200系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块为EM235,EM235为4路模拟量输入, 1路模拟量输出.PLC对温度信号进行处理后, 通过模拟量模块输出电流信号,电流信号可以通过调压器来控制电源的开度(即一周期内的导通比率), 从而控制电源的输出功率.加热器根据电源输出功率调节加热强度,从而达到温度调节的效果.其系统如图2所示.
3温度PID控制的实现
对于模拟量信号的控制PID(比例+积分+微分)算法控制.S7-200 系列PLC有专门的PID回路指令,对模拟量进行PID控制十分方便.PID指令使用的算法:( n SP 为第n个采样时刻的给定值, n为过程变量值, MX为积分项值)
PID 指令根据表格(TBL)中的输入和配置信息对引用LOOP执行PID 循环计算.在执行PID 指令前, 要建立一个参数表,一般要对表1 中的参数进行初始化处理.
在实际控制过程中, 无论是给定量还是过程量都是工程实际值, 它们的取值范围都是不相同的.在进行PID运算前,必须将工程实际值标准化.PLC 在对模拟量进行PID运算后, 对输出产生的控制作用是在[0.0,1]范围的标准值,不能驱动实际的驱动装置, 必须将其转换成工程实际值.
由于电加热炉具有较大的延时性, 采输出值, 0.0～1.012 Kc数正数双字, 实数I 回路增益, 正、负常数16 Ts I采样时间, 单位为s, 正20 Ti I 积分时间常数, 单位为min,24 Td I 微分时间常数, 单位为min,正数式控制.大致采用三段控制: 段, 开始阶段置电源为满开度, 以大的功率输出克服热惯性; 第二段,等到温度达到一定值转为PID控制; 第三段, 接近设定点时置电源开度为0, 提供一个保温阶段, 以适应温度的滞后温升.程序流程图如图3所示, 图中X,Y根据实际设定.
PID参数的调节是很重要的, 调节方法有很多, 概括起来有两大类：一是理论计算整定法.它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数.二是工程整定方法, 它主要依赖工程经验, 直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握.在工程实际中, 控制系统难以建立起**的数学模型,一般采用工程整定法.PID参数的工程整定法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法.在这里选用临界比例度法, 整定步骤如下:(1)预选择一个足够短的采样周期让系统工作; (2)仅加入比例控制环节, 直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期; (3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数.
4 PLC与计算机通讯的设计
由于VB具有强大的图形处理功能,界面可视化性强, 操作简单, 容易实现, 故采用VB来实现上位机和下位机的通信.其下位急是S7-200系列PLC, 上位机是通过RS-232 串行口与PLC 相连的计算机.
4.1 PLC程序部分
S7-200 支持多种通讯模式, 其中在自由口通讯方式下,用户可以利用梯形图程序中的接收完成中断、发送完成中断、发送指令和接收指令完成S7-200 系列PLC 与上位机的通讯.
PLC 的CPU 处于STOP 模式时,自由口通讯被禁止, 只有当CPU 处于RUN 模式时,才可使用自由口通讯.SMB30(这里选择端口0)是自由口模式控制字节, 用来设定校验方式、通讯协议、波特率等通讯参数.发送指令XMT启动自由端口模式下数据缓冲区中的数据发送, 它可以方便地发送1~255 个字符,如果有中断程序连接到发送结束事件上, 在发送完成后,端口0 会产生中断事件9, 也可以监视发送完成状态位SM45 的变化.接收指令RCV 可以初始化接收信息服务,通过指定的通讯端口接收信息并存储在数据缓冲区内.在接收完后一个字符时, 端口0 产生中断事件23. PLC 初始化程序如下:
4.2上位机程序部分
VB 带有专门管理串行通讯的MSComm 控件，利用它只需设置几个主要参数就可以实现PLC与计算机串行通讯.计算机采用VB编程,主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、参数设置以及与PLC通信等方面的设计.通信参数设置程序如下:
MSComm1.CommPort = 1// 设置通讯口为COM1
MSComm1.Settings = "9600, n, 8, 1"//波特率9600bps, 无奇偶校验,8位数据, 1位停止
MSComm1.bbbbbLen = 8//一次读取8 个字节
MSComm1.PortOpen= True//打开通信端口.计算机端的VB程序利用MSComm控件与S7-200交换数据,通过自由口通讯程序从现场采集温度信号.并且上位机程序可以设定初始温度和PID参数、显示动态温度曲线.程序运行界面如图4所示.
5 结束语
本文介绍了基于S7-200系列PLC的智能温度控制器系统.阐述了温度控制的实现方法.介绍了VB环境下实现上位机和PLC温度监控系统的串行通信的技术.经过现场调试表明,本系统具有可靠性高, 监控方便等优点.由于PLC在工业领域使用的普遍性, 该系统有很大的使用范围
在一些电子部件产品测试时，早先很多生产厂家都使用继电接触控制系统。该系统由分立元件组成，由于线路简单，元件控制精度不高，加上抗干扰能力级差控制工程网版权所有，运行不够稳定，误动作频繁，使产品的测试和分析不准确。
随着现代工艺的高精度要求，为了适应市场需求，采用可编程控制器对原继电电气控制系统进行改造，但由于各PLC厂家硬件模块和软件结构绝大多数都是专用的、互不兼容的，系统各模块间的交互方式、通信机制也各不相同，这使得控制系统相对独立、彼此封闭。随着技术的进步和市场竞争的加剧，这种专用体系结构的控制系统越来越暴露了其固有的缺陷。由于基于PC平台的软件PLC无需专门的编程器，可充分利用PC机的软硬件资源，直接采用梯形图或语言编程，具有良好的人机界面等优点，逐渐取代了硬件PLC，成为研究的热点。
1 电气测试系统原理介绍
该寿命测试系统能够利用定时器控制电子部件产品的动作频率，利用计时器来控制动作的次数，基本原理如图1所示。
图1 电气测试基本原理
PLC使用OMRON CQM1H-CPU11 PLC加上扩展模块，其I/O点数可达26个，可满足多路测试，利用控制动
作RELAY的定时器和负载反馈RELAY的定时器时间差进行判断产品或负载的不良状态，并对系统进行停机保护，实验完成后利用产品或负载在机械和电气方面的特性对其产品进行评价。
其中，遮断保护、动作RELAY和负载反馈RELAY都是用PLC内部高精度定时器进行控制的，其原理都是用低电压控制高电压，实现高低压分离控制工程网版权所有，保证了测试系统的安全性，这里的遮断保护用的是FujiELECTRICCo.Ltd。JapanSC-13AA型接触器，耐压可达600V，单触点额定电流是32A，动作RELAY和负载反馈RELAY(也可以用光电耦合或电流互感器)都是用的OMRON的MY系列继电器。
实际用DL750 scoper测量发现这两种精度都不是很高，误差往往有8-10ms。
实际中对产品评价需要很多数据，需要测试很多产品，这样需要多独立回路，接线走线困难，会产生寄生电路，从PLC产品的兼容性及测试成本考虑，采用目前先进的嵌入式软PLC技术，可大大缩短实验周期并降低成本。
2 软PLC技术
传统的PLC经过十几年的发展，技术已经非常成熟，以高速度、高稳定性、高性能在工业控制领域得到了广泛应用，随着现代计算机技术和电子技术的发展，在工程方面逐渐表现出其缺点：传统的PLC厂商垄断市场，其产品户不兼容，缺少明确一致的标准，难以构建开放的硬件体系结构;各厂商产品的编程方法差别很大，技术专有性较强，工作人员培训时间长，造成PLC的性价比增长很缓慢。
20世纪90年代中期，计算机和微电子技术的迅猛发展以及PLC的IEC61131的制定，产生了软PLC技术，所有"软PLC技术"，就是用PC作为硬件支撑平台，利用软件实现标准硬件PLC的基本功能，也就是将PLC的控制功能封装在软件内，运行于PC的环境中，以PC为基础的控制系统，提供了PLC的相同功能，却具备了PC的各种优点。
软PLC技术一般由开发系统和运行系统两个部分组成。开发系统运行在PC平台上，而运行系统则运行在嵌入式硬件平台上，一般而言，嵌入式硬件平台上都要运行某种嵌入式操作系统，比如μC/OS-II、μClinux等。
现代开发系统的特点一般都是集成化开发环境，界面友好，易于使用。软PLC嵌入式系统是基于IEC61131的，必然要支持其中的几种语言，系统运行在嵌入式硬件平台上，负责解释执行由开发系统编译、链接后产生的目标文件，运行系统一般由运行内核、通信接口和系统管理三大部分组成，其设计和实现精度很高，它的执行效率将直接影响到系统在现场控制中的反应速度。
3 嵌入式平台的虚拟运行系统
运行系统的结构组成如图2所示。系统管理器的主要任务是处理不同任务、协调程序执行及从I/O映象读写变量。I/O接口可与本地I/O系统和远程I/O系统通信。通信接口使运行系统可以与开发系统或其他设备进行通信。内核解释器是运行系统的核心部分，负责解释执行由开发系统编译完成的PLC应用程序的目标代码。
图2 运行系统的结构组成
运行系统可在多种支持平台上运行，它通过将数据区和代码区分离，实现程序的动态更新和代码的高效率动态下载。
(1)在μClinux平台上实现软PLC虚拟机实现步骤
将梯形图的指令翻译成宏汇编并建立一个宏库;
把用户编写的梯形图程序编译成中间代码形式的PLM文件;
将PLM文件转变为汇编程序;
用汇编器汇编变成功的汇编程序，将解释执行内部指令(PLM文件)转换为程序，汇编成机器码执行，实现PLC指令机器码执行方案，大大地提高了执行速度控制工程网版权所有，大大节约了内存空间;
将PLC指令对应的机器码移植到嵌入式操作系统中执行。
(2)运行系统的两大模块
运行系统主要由两大模块组成：1)梯形图到机器码程序的转换;2)执行机器码文件。每个模块的功能如下：
1)梯形图到机器码程序的转换。把用户编写的梯形图程序编译成中间代码形式的PLM文件，将PLM文件转变为汇编程序，后用汇编器汇编转变成功的汇编程序CONTROLENGINEERING China版权所有，产生机器码从而生成可执行的PLE文件。
2)执行机器码文件。将PLE文件嵌入配置好的执行环境中并执行，通过工控机的面版指示灯监测程序的正确性。
(3)虚拟机总体设计
根据虚拟机的原理和执行机制，对虚拟机的机器码执行方案进行了总体设计，如图3所示。PLC文件是梯形图程序的保存文件，通过对PLC文件进行词法分析、语法分析和语义分析编译产生PLM文件，调用宏汇编库，并进行一系列的转换生成机器码，产生PLE文件;后创建机器运行环境来执行机器码，宏汇编库中是每个梯形图指令对应的宏汇编段。
图3 虚拟运行总体设计框图
(4)交叉开发调试算法研究
非嵌入式通常采用本机开发、本机调试、本机运行的开发方式;而嵌入式开发需要交叉开发，绝大多数采用宿主机开发、宿主机和目标机之间交叉调试、目标机运行的方式开发。
交叉开发调试算法：
在宿主机平台上编写程序代码;
固化监控器至目标机上;
连接宿主机和目标机;
编译链接应用程序，生成可执行代码;
将可执行代码下载到目标机;
使用交叉调试器进行调试;
如果程序调试没有发现异常，转至11);
调试程序时发生错误，利用交叉调试器定位错误;
修改错误代码;
重复4)-10);
将目标机程序固化在目标机上。
4 嵌入式软PLC改造后的控制系统
以测试继电器TV5实验为例。其要求如下：每次测试5个继电器，每个继电器的动作频率是5s开，5s关。根据要求，试验好的结果是每个继电器用6个TV负载，即每个TV负载是5s开，55s管。输入点有：开关，检出，复位M个，停止次数设定量N次，动作频率设定L个，常开/触点转换。其中，M=测试产品个数，N、L个数由实际需要确定。其算法如下：
设定一个循环周期，使累积误差小;
在循环周期内设计动作时间和动作频率，以及动作次数;
设计相关联动、互锁、紧急停车和复位等功能;
执行动作与反馈根据产品相关标准进行比较，判定结果和设定中断程序。
采用模块化程序设计编程，各模块均由主程序调用，且为了程序不出误动作，还要考虑电流谐波和冲击对高电源的要求。用了算法优化设计，5个继电器每隔2s一个动作，5个刚好10s。其中一个动作频率程序如下：
与之对应的动作如下：
该程序检出判断程序如下：
图4 TV负荷电压电流波形
由图4可知：启动时突入电流大值约为55A，突入时间约为54ms，定常为8A。
图5 电机电压和电流波形
由图5可知：电流滞后电压约为0.9ms，其功率因素为0.96。
实验结果与测试要求基本一致。如果不采用优化算法程序设计，则对电源要求很高，该控制系统可以应用实现，无形中降低了成本。
5 改进后优点和维护
很明显，经过以上改进后有以下优势：
使用PLC后通用性大大提高，改进了以前单一PLC，并缩短了工作人员的培训周期;
用嵌入式软PLC代替传统的硬PLC，外部线路简化;
模块化可实现各种复杂的控制系统，方便地增加和改变控制功能;
PLC可进行故障自动检测和报警显示，提高运行安全性，且便于检修;
便于**制，提高运行效率;
更改控制方案时无需改动外部线路。
测试及维护需注意的事项：
为了提高系统效率并降低开销，尽量少用I/O;
要有紧急停车和适当联锁按钮环节;
输入和输出不能用同一电缆线;
直流电感性负载并联浪涌二极管，以延长触点的使用寿命;交流感性负载并联电容吸收器以降低噪声。
为保证控制系统工作的可靠性，做好接地、防尘、访油、防辐射工作。
6 结语
此系统可用于继电器、马达、电感、充电器等产品的测试。改进后仍存在以下几点缺陷：其一，如果负载断路，其本身并不能检测和保护;如果负载短路，产品在短时间内产生过电流控制工程网版权所有，会造成产品破坏甚至威胁人身安全。其二，数据采集不全，不能实时监控。利用电流计可以弥补点的不足;采用数据采集卡可以实现实时数据采集。