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。
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。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、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。同时，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，因此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。
1 PLC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。因此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。
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。因此在进行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，所以采输出值，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，所以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）首先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，而且操作简单，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.
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.InputLen = 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。
5 结束语
本文介绍了由西门子公司S7-200系列PLC构成的温度控制器，并阐述了VB环境下计算机与PLC温控系统的串行通信技术，给出了部分程序，通过实例表明，该系统可靠性高，监控方便。
2.2 变频器的选型及参数设置
基于价格等方面因素的考虑，本次电梯调速控制的设计选用的是VS-616G5 型通用变频器,选择有PG矢量控制作为曳引鼠笼式电动机的控制方式。
PLC通过向安川616G5变频器发出电梯上行输出和电梯下行输出信号，从而控制曳引电动机的转动方向，决定电梯的上/下行运动；PLC通过向安川616G5变频器发出电梯高速运行和电梯低速运行信号，从而间接控制曳引电动机的转动速度，决定电梯的高速/低速运动。电动机通过脉冲发生器(编码器)和PG卡将速度信号及时反馈给安川616G5变频器，从而形成速度闭环控制。接线图如图2所示。
图2 变频器拖动部分线路图
由于本控制系统选择的是有PG矢量控制，因此在运行之前，需要变频器对电机单体进行自学，否则变频器将不能正常工作。其具体做法是先将电机铭牌上面记载的额定电压、额定电流、额定频率、额定转数、PG卡脉冲数及电机极数输入至变频器，然后启动变频器，使电机空载运转，后这些数值通过自学，自动地计算后写入到变频器的电机参数中。因此对于这些参数，没有必要去人工进行设置。VS-616G5通用型变频器设置如表2所示。
Profibus是目前工控系统中的现场总线，得到了广泛的应用。它是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口协议进行信息的交换。Profibus-DP现场总线(Distributed I/O System-分布式I/O系统)是一种经过优化的模块，有较高的数据传输率，适用于系统和外部设备之间的通信，远程I/O系统尤为合适。它允许高速度周期性的小批量数据通信，适用于对时间要求苛刻的自动化控制系统中。Profibus-DP现场总线系统可使许多现场设备(如PLC、智能变送器、变频器)在同一总线进行双向多信息数字通讯，因此可方便地使用不同厂家生产的控制测量系统相互连接成通讯网络。济钢鲍德彩板有限公司是济钢集团公司2003年投资兴建的年产20万吨大型彩板生产基地，其生产线中的固化炉、导热油炉、煤气制氢中的煤气系统必须对煤气通过煤气加压机进行二次加压才能满足生产工艺要求，煤气加压机控制系统采用Profibus-DP过程现场总线通讯技术方案，自动化控制单元与变频器采用不同厂家的产品，分别采用西门子的S7-300 PLC和ABB公司的ACS600变频器。
2、系统配置及通讯协议
(1) 系统配置
该系统以西门子公司和ABB公司的相关产品来实现全数字交流调速系统在Profibus-DP网中的通讯及控制原理。附图为该系统的Profibus-DP网的网络配置图，其中PLC为西门子公司的SIMATIC S7-315-2DP，变频器为ACS600系列，NPBA-12为与变频器配套的通讯适配器。编程软件为STEP7 V5.2软件，用于对S7-300 PLC编程和对Profibus-DP网进行组态和通讯配置。上位机画面操作采用WinCC5.1进行画面编程和操作，与PLC通讯采用以太网通讯方式。
在本系统中，S7-300 PLC作为主站，变频器作为从站时，主站向变频器传送运行指令，同时接受变频器反馈的运行状态及故障报警状态的信号。变频器与NPBA-12通讯适配器模块相连，接入Profibus-DP网中作为从站，接受从主站SIMATIC S7-315-2DP来的控制。NPBA-12通讯适配器模块将从Profibus-DP网中接收到的过程数据存入双向RAM中，的每一个字都被编址，在变频器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向变频器写入控制字、设置值或读出实际值、诊断信息等参量。变频器现场总线控制系统若从软件角度看，其核心内容是现场总线的通讯协议。Profibus-DP通讯协议的数据电报结构分为协议头、网络数据和协议层。网络数据即PPO包括参数值PKW及过程数据PZD。参数值PKW是变频器运行时要定义的一些功能码;过程数据PZD是变频器运行过程中要输入/输出的一些数据值，如频率给定值、速度反馈值、电流反馈值等。
Profibus-DP共有两类型的网络PPO:一类是无PKW而有2个字或6个字的PZD;另一类是有PKW且还有2个字、6个字或10个字的PZD。将网络数据这样分类定义的目的，是为了完成不同的任务，即PKW的传输与PZD的传输互不影响，均各自独立工作，从而使变频器能够按照上一级自动化系统的指令运行。
3、STEP7项目系统组态及通讯编程
(1) 使用STEP7V5.2组态软件，进入Hardware Configure完成S7-300 PLC硬件组态;
(2) 选定S7-315-2DP为主站系统，将NPBA-12的GSD(设备数据库)文件导入STEP7的编程环境中，软件组态NPBA-12到以S7-315-2DP为主站的DP网上，并选定使用的PPO类型，本设计使用PPO4，设定站点网络地址。在变频传动装置Profibus的结构中，ABB变频器使用Profibus-DP通信模块(NPBA-12)进行数据传输，主要是周期性的:主机从从站读取输入信息并把输出信息反送给从站，因此需要在PLC主程序中调用两个系统功能块SFC14和SFC15来读写这些数据，实现到变频器的通信控制;
(3) 在主PLC程序中建立一个数据块，用于于变频器的数据通信;建立一变量表，用于观测实时通讯效果。
4、变频器运行设置
变频器与PLC应用Profibus-DP现场总线连成网络后，除在PLC自动化系统中进行编程外，在每个变频器上也要进行适当的参数设置。
通讯电缆联接后，启动变频器，完成对变频器通讯参数的
4.1 基本设置。
(1) 51.01—模块类型，本参数显示由传动装置探测到的模块型号。其参数值用户不可调整。如果本参数没有定义，则不能在模块与传动之间建立通讯。
(2) 51.02—本参数选择通讯协议，“0”为选择Profibus-DP通讯协议。
(3) 51.03—本参数为Profibus连接选择的PPO类型，“3”为PPO4，但变频器上的PPO类型应与PLC上组态的PPO类型一致。
(4) 51.04—本参数用于定义设备地址号，即变频器的站点地址，在Profibus连路上的每一台设备都必须有一个单独的地址。本次设计中两台变频器分别为2、3号站。[1]
4.2 过程参数的连接
过程参数互联完成NPBA-12双端口RAM连接器与变频器相应参数的定义和连接，包括主站(PLC)到变频器的连接和变频器到主站(PLC)的连接两部分。在变频器上设定下列连接参数。
(1) 从PLC发送到传动装置变频器的PZD值
lPZD1—控制字，如变频器的启动使能、停止、急停等控制命令;
lPZD2—变频器的频率设定值。
(2) 从传动装置变频器发送到PLC的PZD值
lPZD1—状态字,如报警、故障等变频器运行状态;
lPZD2—变频器的速度实际值、电流实际值等。
5、结束语
变频器控制系统采用了Profibus-DP现场总线控制模式后，不但整个系统可靠性强，操作简便，而且可根据工艺需要进行灵活的功能修改。
图中R1、R2是阻值为10欧的普通电阻，其作用是防止RS485信号D+和D-短路时产生过电流烧坏芯片，Z1、Z2是钳制电压为6V，大电流为10A的齐纳二极管，24V电源和5V电源共地未经隔离，当D+或D-线上有共模干扰电压灌入时，由桥式整流电路和Z1、Z2可将共模电压钳制在±6.7V，从而保护RS485芯片SN75176（RS485芯片的允许共模输入电压范围为：-7V～+12V）。该保护电路能承受共模干扰电压功率为60W，保护电路和芯片内部没有防静电措施。
二、常发生的故障现象分析：
当PLC的RS485口经非隔离的PC/PPI电缆与电脑连接、PLC与PLC之间连接或PLC与变频器、触摸屏等通信时有通信口损坏现象发生，较常见的损坏情况如下：
R1或R2被烧断，Z1、Z1和SN75176完好。这是由于有较大的瞬态干扰电流经R1或R2、桥式整流、Z1或Z1到地，Z1、Z2能承受大10A电流的冲击，而该电流在R1或R2上产生的瞬态功率为：102×10=1000W，当然会将其烧断。
SN75176损坏，R1、R2和Z1、Z2完好。这主要可能是受到静电冲击或瞬态过电压速度快于Z1、Z2的动作速度造成的，静电无处不在，仅人体模式也会产生±15kV的静电。
Z1或Z2、SN75176损坏，R1和R2完好。这可能是受到高电压低电流的瞬态干扰电压将Z1或Z2和SN75176击穿，由于电流较小和发生时间较短因而R1、R2不至于发热烧断。
由以上分析得知PLC接口损坏的主要原因是由于瞬态过电压和静电造成，产生瞬态过电压和静电的原因很多也较复杂，如由于PLC内部24V电源和5V电源共地，24V电源的输出端子L+、M为其它设备混合供电可能导致地电位变化，从而造成共模电压出允许范围。所以EIA-485标准要求将各个RS485接口的信号地用一条低阻值导线连接在一起以保证各节点的地电位相等，消除地线环流！
当带电插拔未隔离的连接电缆时，由于两端电位不相等电路中又存在诸多电感、电容之类的器件，插拔瞬间必然产生瞬态过电压或过电流。
连接在RS485总线上的其它设备产生的瞬态过电压或过电流同样会流入到PLC，总线上连接的设备站点数越多，产生瞬态过电压的因素也越多。
当通信线路较长或有室外架空线时，雷电必然会在线路上造成过电压，其能量往往是巨大的，常有用户沮丧地说：“联网的几十台PLC全部遭打坏了！”。
三、 解决办法：
1、从PLC内部考虑：
采用隔离的DC/DC将24V电源和5V电源隔离，分析了三菱、欧姆龙、施耐德PLC以及西门子的PROFIBUS接口均是如此。
选用带静电保护、过热保护、输入失效保护等保护措施完善的高挡次RS485芯片，如：SN65HVD1176D、MAX3468ESA等，这些芯片价格一般在十几元至几十元，而SN75176的价格仅为1.5元。
采用响应速度更快、承受瞬态功率更大的保护器件TVS或BL浪涌吸收器，如P6KE6.8CA的钳制电压为6.8V，承受瞬态功率为500W，BL器件则可抗击4000A以上大电流冲击。
R1和R2采用正温度系数的自恢复保险PTC，如JK60-010，正常情况下的电阻值为5欧，并不影响正常通信，当受到浪涌冲击时，大电流流过PTC和保护器件TVS（或BL），PTC的电阻值将骤然增大，使浪涌电流迅速减小。
2、从PLC外部考虑：
使用隔离的PC/PPI电缆，尽量不用廉价的非隔离电缆（特别是在工业现场）。西门子公司早期出产的PC/PPI电缆（6ES7 901-3BF00-0XA0）是不隔离的，现在也改成隔离的电缆了！
PLC的RS485口联网时采用隔离的总线连接器.
与PLC联网的第三方设备，如变频器、触摸屏等的RS485口均使用RS485隔离器BH-485G进行隔离，这样各RS485节点之间就无“电”的联系，也无地线环流产生，即使某个节点损坏也不会连带其它节点损坏。
RS485通信线采用PROFIBUS总线屏蔽电缆，保证屏蔽层接到每台设备的外壳并后接大地。
对于有架空线的系统，总线上好设置专门的防雷击设施。
