基于PLC的远程温度控制系统设计

摘　要　
    介绍了一种基于SIMATIC PLC和MCGS的远程温度控制系统的设计和开发。详细阐述了系统的功能、硬件组成、通信以及软件设计。经过系统仿真和组装实验,该系统完全达到设计要求。
关键词　PLC 　MCGS　温度控制　触摸屏

0引言
    在工业自动化领域内,PLC（可编程控制器） 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。目前的工业控制中,常常选用PLC 作为现场的控制设备,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用HMI/ SCADA 软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示,实现监控、管理、分析和存储等功能 。这种监控系统充分利用了PLC 和计算机各自的特点,得到了广泛的应用。在这种方式的基础上设计了一套温度控制系统。以基于PLC 的下位机和完成HMI/ SCADA 功能的上位机相结合,构建成分布式控制系统,实现了温度自动控制。

1、系统工作原理
    将被控系统的温度控制在10摄氏度到100摄氏度之间，当温度低于10摄氏度或高于100摄氏度时，应能自动调节，当调整1分钟后仍不能脱离不正常状态，应使高温报警指示灯闪烁。
    系统设置一个启动按钮来启动控制程序，设置绿、红、蓝，三个指示灯来指示温度状态，被控温度在要求范围内，绿灯亮，表示系统运行正常，当被控温度超过上限或者温度超高景调整不能回到正常范围，红灯亮；当被控温度低于下限，蓝灯亮。为了把温度传感器PT100随温度变化的电阻转换成相应的温度变化值，利用下面的温度公式求得：T℃=（温度数字量-0℃偏置量）/1℃数字量 ，温度数字量=存储在AIWx（x=0,2,4）中的值，0℃偏置量=在0℃测量出的数字量，1℃数字量=温度每升高1℃的数字量。
2、PLC控制系统的构成
    采用西门子S7-200PLC作为控制器，并应具备模拟量输入、输出及运算能力。根据被控系统的要求，选用CPU222 DC\DCPLC基本单元，并配置EM235模拟量输入/输出单元。在被控系统中温度测量点，温度信号经变送器变成4-20mA的电流信号送入EM235的第二个模拟量输入通道AIW2中，PLC读入温度值后，再取其平均值作为被控系统的实际温度值。若被测温度超过允许范围，则温度高报警指示灯亮，且系统自动调整，如果调整时间过长（超过一分钟），系统立即切断电源，停止加热；如果被测温度低于预设值，则温度低报警指示灯亮，系统立即启动加热器，进行加热，直至达到设定温度范围内。

3 温度控制系统的软件设计与实现
    软件设计主要包括上位机监控软件和下位机软件设计。
3.1 下位机软件设计
    下位机软件设计是在监控级利用STEP7 系列的编程软件STEP7 - Micro/ Win4. 0 完成对下位机程序的编制与调试, 然后把调试好的程序通过PPI编程电缆下载到PLC 中。下位机软件主要实现PLC 与监控级的通讯、PLC 对温度自动控制,故障诊断等。上电初始化，当系统开始运行时,为了保证系统运行的安全性,首先将系统的所有输出点置为安全状态。初始化操作包括对RAM、ROM清零,对控制参数的初始化,当前模拟量采样值清零等参数进行预置。系统要求温度控制在10摄氏度-100摄氏度的范围之内，为了控制方便，设定一个温度比较值（50摄氏度），并以此作为被空温度的基准值。在此系统中，PLC通过输出端口Q0.0控制绿灯的亮灭，Q0.1控制红灯的亮灭，Q0.2控制蓝灯的亮灭，Q0.3控制风扇的启停，Q0.4控制加热器的起停。系统流程图设计如图1。
3.2 实现温度监测与控制过程
1） PLC投入运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，包括将温度校准值、设定值等，存入有关的数据寄存器，使定时器复位。
2） 按动启动按钮控制系统投入运行。
3） Pt100传感器把所测量的温度送到温度变送器中进行标准量转换（4-20mA）。
4） 模拟量输入通道AIW2通过读入4-2mA的模拟电流量送入PLC。
5） 经过程序计算后得出实际测量的温度Q。
6） 将Q与Qmax（温度允许上限）比较。如未超过上限，将Q与Qmin（温度允许下限）比较，若也未低于下限，则说明温度正常，绿灯亮，等待下一次采样。
7） 若Q>Qmax，进行上限处理，计算Q与上限温度偏差，根据偏差计算调整量，发出调整命令，并判断调节时间，若调节时间太长，超高温度报警灯闪烁，若未到调节时间超高温度就被调节到正常温度范围内，则温度正常指示灯亮。
8）当采样温度低于下限，即Q<Qmin时，进行下限处理，计算Q与下限温度偏差，计算调节量，发出调节命令，并判断调节时间，调节时间太长，蓝灯亮报警。
3.3 温度控制程序:

3.4 MCGS监控软件设计
    上位机软件设计采用北京昆仑通态的MCGS嵌入版组态软件。MCGS是HMI/ SCADA 软件中应用非常广泛的其中一个。通过MCGS 开发的组态系统能够使整个系统通过完整和丰富的编程系统实现了双向的开放性;实现了数据库系统的全面开放;广泛的采用了最新的开放性软件技术和标准,能面向多种操作系统平台。在本系统中,依靠MCGS系统开发过程流程画面、监控画面、实时调节曲线、历史曲线、报警画面、历史报警信息,从而实现对现场的实时监控。
1）系统画面综述
    系统画面上有“实际温度” 输入框，“最高温度” 输入框，“最低温度” 输入框，“超高温度”输入框，通过这些输入框来设置温度，调整时间，以便控制加热器；“实时曲线”是为了更好的反映实际温度的曲线图，通过它可以观察比较每一时刻的温度变化值；“温度表”指示来配合实时曲线反映实际温度；“温度报警”按钮，“实时数据”按钮，“历史数据”按钮，通过这些按钮可以更方便的打开温度报警信息，实时数据信息，历史数据和历史曲线信息，这样让用户获得更多的数据，为以后调整系统作充分的准备；“工作状态”输入框来反映风扇的运行状态，以便更好的保护加热器；另外，系统还设置了启动、停止按钮，同这两个按钮可以通过触摸屏或上位机来启动和停止加热器，“退出”按钮用来退出整个系统，为了更好的反映加热器工作的状态，系统设置了红、绿、蓝三只指示灯，若加热器工作正常，则温度正常绿灯亮，若加热器温度超过设置温度的上限值或温度超过上上限值，温度高报警、温度超高报警指示灯（红灯）亮，并且闪烁，若温度低于下限值，则温度低报警指示灯（蓝灯）亮，这些指示灯状态可以使用户能更好，更及时地对加热系统进行维护。系统画面如图1



2）实时数据库
    实时数据库是整个系统的关键所在，是MCGS组态软件的核心，也是应用系统的数据处理中心，系统各部分均以实时数据库为公共区，进行数据交换、数据处理和实现数据的可视化处理。
    通过对系统的分析，整个温度系统需要13个开关型、9个数值型和一个组对象，通过对这些数据属性设置，用户可以利用它们在需要的地方直接调用。在本系统中实时数据库设置如图5。

3） 通讯连接
    既然用MCGS控制此系统，那么怎么才能让其与西门子PLC相互通讯，起到监控的作用？MCGS组态软件在设备窗口中建立系统与外部硬件设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。根据此系统的控制要求以及控制方式，可以利用PPI电缆，相互传数据，以便实现监控。
    在设备窗口中需要设置设备0-[通用串行口父设备]属性和设备1-[西门子S7-200PPI]属性，此时，还需要设置设备内部属性增加相应的PLC通道，和通道读写类型，输入通道多数用到的是内部寄存器，读写类型是只读类型，输出寄存器Q0.0～Q0.6读写类型，Q1.0.和Q1.1只读类型值读取SA313和SA32的开关信号，在实际通讯过程中，在设备属性设置中“串口端口号”设为0-COM1,通讯波特率设为：6-9600，数据位位数：3-8位，数据校验方式：偶校验，一位停止位，数据采集方式：同步采集。设置完后单击“确认”按钮返回。 
    为了西门子S7-200PLC与MCGS更好的通讯，必须在设备属性设置：[设备1]对话框中设置属性设备注释为：西门子S7-200PPI,初始工作状态为：启动，最小采样周期为：1000ms,PLC地址为：2，内部属性设置PLC通道要与实施数据库中所定义的名字相对应。如图8。
    
    编辑完毕组态画面，在上位机上试验成功，便可以通过上位机的网线接口用一根网线和触摸屏上的网线借口相连接，并且在MCGS嵌入式组态软件菜单栏中“工具”\“下载配置”设置好IP地址，便可以下载到触摸屏中，然后，用PPI电缆连接触摸屏和PLC，母头连接触摸屏COM5口，公头连接在PLC接口上，即可实现丢掉控制柜面板上的按钮控制，用触摸屏的软按钮控制，画面生动，清晰。

4 结论
    基于PLC 的下位机与HMI/ SCADA 的上位机形成分布式温度控制系统是一个可行的、高效率的系统。在我们的仿真和组装实验中,调节后,温度可以控制在目标温度-0. 5 —+0. 5 ℃范围内,而且加一个扰动后,能够很快实现平衡。从而符合我们系统所要求达到的目标。总之,基于PLC 和MCGS的温度控制系统充分考虑了中小化工企业的现状和控制要求,可以应用于大量类似的工况环境和场合。由于PLC和MCGS 构建的控制系统可靠、灵活、具有较强适应性,它在类似的控制系统领域具有很强的生命力。