PLC西门子S7-200温度控制系统毕业设计

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摘 要

自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控

制系统中最为常见的控制类型之一。随着PLC技术的飞速发展，通过PLC对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统。而温度控制在许多领域中也有广泛的应用。这方面的应用大多是基于单片机进行PID 控制, 然而单片机控制的DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处, 然而PLC 在这方面却是公认的最佳选择。根据大滞后、大惯性、时变性的特点，一般采用PID调节进行控制。随着PLC功能的扩充，在许多PLC 控制器中都扩充了PID 控制功能, 因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的。 本设计是利用西门子S7-200PLC来控制温度系统。首先研究了温度的PID调节控制，提出了PID的模糊自整定的设计方案，结合MCGS监控软件控制得以实现控制温度目的。

关键词：PLC；PID；温度控制。

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目 次

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1 引言 ................................................................ 2 1.1 温度控制系统的意义 ................................................ 3 1.2 温度控制系统背景 .................................................. 3 1.3 研究技术介绍 ...................................................... 3 2 硬件设计 ............................................................ 6 2.1 硬件配置 .......................................................... 6 2.2 I/O分配表 ......................................................... 8 2.3 硬件接线图 ........................................................ 8 3 软件设计 ........................................................... 10 3.1 PID控制程序设计 .................................................. 10 3.2 S7-200程序设计流程图 ............................................. 14 3.3 内存地址分配与PID指令回路表 ..................................... 15 3.4 S7-200程序设计梯形图 ............................................. 15 4 组态编程 ........................................................... 22 4.1 PLC通信配置与通信方式 ............................................ 22 4.2 网络的通讯PPI协议 ............................................... 22 4.3 组态软件Kingview ................................................. 23 4.4 组态王定义外部设备和数据变量 ..................................... 24 4.5 组态王界面 ....................................................... 26 4.6 启动组态王 ....................................................... 27 结论 .................................................................. 30 附录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 致谢 .................................................................. 31 参考文献 .............................................................. 32

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1 引言

1.1 温度控制系统的意义

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温度及湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的，近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。

1.2 温度控制系统背景

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统发展迅速，并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，一日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都产生了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20实际80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟。形成商品化并在仪表控制系统参数的自整定方面，还没开发性能可靠的自整定软件。参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。

随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。

1.3 研究技术介绍

1.3.1 传感技术

传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础技术。

中华人名共和国国家标准GB7665-1987对传感器（transducer/sensor）的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件或响应的被测量转换成适于传感器或被测量的电

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信号部分。”

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对生产过程的监控首先离不开采集设备工作信息，因此选用合适的传感器至关重要，如果把计算机看作是自动化系统的“大脑”，信道看作是“神经网络”的话，那么传感器就是自动化系统的“五官”。无法对现场数据进行准确、可靠、实时测量，监控也就无从谈起了。 1.3.2 PLC

可编程控制器的英文名称是Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器，简称PLC。

现代制造业必须对市场需求做出快速反应，生产小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，这便要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高可靠性和灵活性。可编程控制器正是顺应这一潮流而出现的，以微处理器为基础的通用工业控制装置。

在20世纪60年代的汽车制造业，传统继电接触器控制装置广泛应用于生产流水线的自动控制系统中。这套装置设备体积庞大，可靠性差，同时维护不便，而且，完全由逻辑硬件构成，接线十分复杂。一旦生产过程某一环节发生改变，控制装置就要重新设计改造。随着汽车生产工业的迅猛发展，对于汽车型号频繁改进，传统控制系统捉襟见肘，弊端日益放大，最终PLC 应运而生。它开创性地引入程序控制功能，使计算机科学技术进入工业生产控制领域应用。

早期PLC仅仅是替代继电器控制装置完成顺序控制、定时等任务，但是其简单易懂、安装方便、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用的特点，使得PLC很快就得到了推广应用。随着超大规模集成电路技术和微处理器性能的飞速发展，PLC的软、硬件功能不能丰富、完善。

国际电工委员会（IEC）对PLC的正式定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟或输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”

PLC技术发展至今已十分成熟，生产PLC产品的厂家多达200多个，其中较著名有德国的西门子（Siemens）公司、美国的Rockwell自动化公司所属的A-B（Allen & Bradly）公司、GE-Fanuc公司、法国的施耐德（Schneider）公司、日本的三菱公司

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和欧姆龙（OMRON）公司。 1.3.3 上位机

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即便远离生产现场，操作人员仍可以通过远程计算机—即上位机—直接向生产设备发出控制指令的。上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号变化（液压，水位，温度等），便是人机界面（Human Machine Interface）。而下位机是获取设备状况及直接控制设备的计算机，一般是PLC或单片机。 1.3.4 组态软件

组态软件，处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI（人机接口软件）应用，开发时间长、效率低、可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。

随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，一旦工业被控对象有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格昂贵。通用工业自动化组态软件能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

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2 硬件设计

2.1 硬件配置

2.1.1 西门子S7-200 CUP226

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S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。S7-200系列的基本单元如表2.1所示。

表2.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元

型号 S7-200CPU221 S7-200CPU222 S7-200CPU224 S7-200CPU224XP S7-200CPU226 输入点 6 8 24 24 24 输出点 4 6 10 16 16 可带扩展模块数 0 2个扩展模块 7个扩展模块 7个扩展模块 7个扩展模块 本论文采用的是CUP226。它具有24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35 路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。 2.1.2 传感器

热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、答应误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。本论文采用的是K型热电阻。

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2.1.3 EM 235模拟量输入模块

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EM 235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA（通过250Ω电阻转换DC 1～5V或通过500Ω电阻 转换DC2～10V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。

表2-1所示为如何用DIP开关设置EM 235模块。开关1到6可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。表2.2所示为如何选择单/双极性（开关6）、增益（开关4和5）和衰减（开关1、2和3）。下表2.2中，ON为接通，OFF为断开。

表2.2 EM 235选择模拟量输入范围和分辨率的开关表

单极性 SW1 ON OFF ON OFF ON ON OFF SW2 OFF ON OFF ON OFF OFF ON SW3 OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF SW4 ON ON OFF OFF OFF OFF OFF SW5 OFF OFF ON ON OFF OFF OFF SW6 ON ON ON ON ON ON ON 满量程输入 分辨率 0到50mV 12.5μV 0到100mV 0到500mV 0到1V 0到5V 0到20mA 0到10V 25μV 125uA 250μV 1.25mV 5μA 2.5mV 根据温度检测和控制模块，我设置PID开关为010001

图2.1 DIP开关

2.1.4 温度检测和控制模块

由学校提供，模拟真实锅炉的温度检测和控制模块，可自行将0～10V模拟信号转化为占空比对锅炉进行加热。输出的模拟信号也是0～10V，锅炉外接24V直流电源。

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2.2 I/O分配表

表2.3 I/O分配表

输入 I0.0 I0.1 输出 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 第 8 页 共 28 页

启动按钮 停止按钮 启动指示灯 停止指示灯 正常运行指示灯 温度越上限报警指示灯 锅炉加热指示灯 2.3 硬件接线图

图2.2 硬件连接图

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电流变送器电压变送器未使用输入端第 9 页 共 28 页

电压负载电流负载

图2.3 EM 235 CN连接图

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3 软件设计

3.1 PID控制程序设计

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模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。

比例控制(P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。

在积分控制(I)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。

在微分控制(D)中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分控制具有超前作用，它能猜测误差变化的趋势。避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。

PID控制，P、I、D各有自己的长处和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量。 3.1.1 PID控制算法

图3.1 闭环控制系统

如图3.1所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差e和输入量r、输出量c的关系:

e(t)?r(t)?c(t) （3-1）

控制器的输出为：

1de(t)u(t)?Kp[e(t)??e(t)dt?Td] （3-2）

Ti0dt1

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u(t)---------PID回路输出

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Kp----------比例系数P Ti-----------积分系数I Td-----------微分系数D PID调节的传输函数为

D(s)?U(s)1?Kp[1??TdS] （3-3） E(s)TiS数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。其离散化的规律如表3.1所示：

表3.1 模拟与离散形式

模拟形式 e(t)?r(t)?c(t) de(t) dTtn离散化形式 e(n)?r(n)?c(n) e(n)?e(n?1) Te(t)dt 0?e(i)T?T?e(i) i?0i?0n所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为:

Tu(n)?Kp{e(n)?Ti式中，

?e(i)?i?0nTd[e(n)?e(n?1)]}T （3-4）

?up(n)?ui(n)?ud(n)?u0up(n)?Kpe(n) 称为比例项 Tui(n)?KpTiud(n)?Kp?e(i) 称为积分项

i?0nTd[e(n)?e(n?1)] 称为微分项 T上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。故可利用PLC中的PID指令实现位置式PID控制算法量。

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3.1.2 PID在PLC中的回路指令

西门子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，见表3.2

表3.2 PID回路指令

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名称 指令格式 指令表格式 梯形图 PID运算 PID PID TBL,LOOP 使用方法：当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路号，可以是0～7，不可以重复使用。PID回路在PLC中的地址分配情况如表3.3所示。

表3.3 PID指令回路表

偏移地址 名称 数据类型 说明 0 4 8 12 16 20 24 28 32 过程变量（PVn） 给定值（SPn） 输出值（Mn） 增益（Kc 采样时间（Ts） 采样时间（Ti） 微分时间（Td） 积分项前值（MX） 过程变量前值（PVn-1） 实数 实数 实数 实数 实数 实数 实数 实数 实数 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 比例常数，可正可负 单位为s，必须是正数 单位为min，必须是正数 单位为min，必须是正数 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 3.1.3 回路输入输出变量的数值转换方法

本文中，设定的温度是给定值SP，需要控制的变量是炉子的温度。但它不完全是过程变量PV，过程变量PV和PID回路输出有关。在本文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们

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作比较，那就必须先作一下数据转换。传感器输入的电压信号经过EM235转换后，是一个整数值，但PID指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。使用指令DTR就可以了。如本设计中，是从AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。其转换程序如下:

MOVW AIW0 AC0 DTR AC0 AC0 MOVR AC0 VD100 3.1.4 实数归一化处理

因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值0.0~1.0之间，所以，在执行PID指令之前，必须把PV和SP的值作归一化处理。使它们的值都在0.0~1.0之间。单极性的归一化的公式：

Rnoum?(Rraw/32000) （3-5） 3.1.5 PID参数整定

PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。

经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表3.4所示

表3.4 温度控制器参数经验数据

被控变量 温度 规律的选择 滞后较大 比例度 20～60 积分时间（分钟） 微分时间（分钟） 3～10 0.5～3 根据反复的试凑，调处比较好的结果是P=15，I=2.0，D=0.5

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3.2 S7-200程序设计流程图

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主程序

运行PLC 子程序0

设定温度 初始化运行指示灯 设定PID值 初始化PID 每100ms调用一次中断程序 调用子程序0 返回 中断程序

读入温度并转换 把实际温度值放入VD100 调用PID指令 输出PID值

图3.2 设计流程图

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3.3 内存地址分配与PID指令回路表

3.3.1 内存地址分配

表3.5 内存地址分配

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地址 VD0 VD4 VD30 3.3.2 PID指令回路表

说明 实际温度存放 设定温度存放 实际温度的存放 表3.6 内存地址分配

地址 VD100 VD104 VD108 VD112 VD116 VD120 VD124 VD128 VD132 名称 过程变量（PVn） 给定值（SPn） 输出值（Mn） 增益（Kc 采样时间（Ts） 采样时间（Ti） 微分时间（Td） 积分项前值（MX） 过程变量前值（PVn-1） 说明 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 比例常数，可正可负 单位为s，必须是正数 单位为min，必须是正数 单位为min，必须是正数 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 3.4 S7-200程序设计梯形图

3.4.1 初次上电

1)读入模拟信号，并把数值转化显示锅炉的当前电压

2)判断炉温是否在正常范围，打亮正常运行指示灯/温度越上限报警指示灯

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3.4.2 启动/停止阶段

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启动过程：按下启动按钮后，开始标志位M0.1置位，M0.2复位。打开运行指示灯Q0.0，熄灭并停止指示灯初始化PID。开始运行子程序0。

停止过程：按下停止按钮后，开始标志位M0.1复位，点亮停止指示灯，熄灭运行指示灯。并把输出模拟量AQW0清零，停止锅炉继续加热。停止调用子程序0，仍然显示锅炉温度。

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停止时模拟量输出清零，防止锅炉继续升温。

调用子程序。 3.4.3 子程序

1）输入设定温度

2）把设定温度、P值、I值、D值都导入PID 3）每100ms中断一次子程序进行PID运算

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导入DIP。

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中断程序。

3.4.4 中断程序，PID的计算

1）模拟信号的采样处理，归一化导入PID 2）DIP程序运算

3）输出DIP运算结果，逆转换为模拟信号

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4 组态编程

4.1 PLC通信配置与通信方式

4.1.1 串行数据传送和并行数据传送

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1)并行数据传送：并行数据传送时所有数据位是同时进行的，以字或字节为单位传送。并行传输速度快，但通信线路多、成本高，适合近距离数据高速传送。

2)串行数据传送：串行数据传送时所有数据是按位(bit)进行的。串行通信仅需要一对数据线就可以。在长距离数据传送中较为合适。

PLC网络传送数据的方式绝大多数为串行方式，而计算机或PLC内部数据处理、存储都是并行的。若要串行发送、接收数据，则要进行相应的串行、并行数据转换，即在数据发送前，要把并行数据先转换成串行数据；而在数据接收后，要把串行数据转换成并行数据后再处理。 4.1.2 异步方式与同步方式

根据串行通信数据传输方式的不同可以分为异步方式和同步方式。

1)异步方式：又称起止方式。它在发送字符时，要先发送起始位，然后才是字符本身，最后是停止位。字符之后还可以加入奇偶校验位。异步传送较为简单，但要增加传送位，将影响传输速率。异步传送是靠起始位和波特率来保持同步的。

2)同步方式：同步方式要在传送数据的同时，也传递时钟同步信号，并始终按照给定的时刻采集数据。同步方式传递数据虽提高了数据的传输速率，但对通信系统要求较高。

PLC网络多采用异步方式传送数据。

4.2 网络的通讯PPI协议

PPI是一种主从设备协议：主设备给从属装置发送请求，从属装置进行响应。从属装置不发出讯息，而是一直等到主设备发送请求或轮询时才作出响应。

主设备与从属装置的通讯将通过按PPI协议进行管理的共享连接来进行。PPI不限制与任何一个从属装置进行通讯的主设备的数目，网络上最多可安装32个主设备。

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图4.1 PPI网络

如果在用户程序中激活PPI主设备模式，则S7--200 CPU在处于RUN（运行）模式时可用作主设备。激活PPI主设备模式之后，可使用“网络读取”或“网络写入”指令从其它S7--200读取数据或将数据写入其它S7--200。当S7--200用作PPI主设备时，它将仍然作为从属装置对来自其他主设备的请求进行响应。

对于简单的单台主设备网络，编程站和S7--200 CPU既可以通过PPI多台主设备电缆连接，也可以通过安装在编程站中的通讯处理器（CP）卡连接。

在图上部的范例网络中，编程站（STEP7--Micro/WIN）是网络主设备。在图下部的范例网络中，人机界面（HMI）设备（例如TD 200、TP或OP）是网络主设备。

在两个范例网络中，S7--200 CPU是对主设备的请求进行响应的从属装置。

图4.2 单台主设备PPI网络

4.3 组态软件Kingview

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对

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现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势 曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

4.4 组态王定义外部设备和数据变量

4.4.1 外部设备的定义

组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都做为外部设备使用。外部硬件设备在本文中就是PLC S7-200。可使用“设备配置向导”一步步完成设备的连接。

4.4.2 定义数据变量

要实现组态王对S7-200的在线控制，就必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和“I/O变量”两类。内存变量是组态王内部的变量，不跟监控设备进行交换。而I/O变量时两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200和组态王的数据交换是双向的，一者的数据发生变化，另外一者的数据也跟着变化。所以需要在创建连接前新建一些变量。

本文中，PLC用内存VD0来存放当前的实际温度。并规定温度超过105℃为温度过高，立即要作出相应警示信号。如图4.3所示。

点击工程管理器中的“数据词典”再双击右边窗口的新建，在出现的定义变量口中填写相应的要求项，并可在“报警定义”中设定报警。如图4.4所示。

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图4.3 定义画面变量设置

图4.4 定义变量报警

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4.4.3 数据类型

只对I/O类型的变量起作用，共有9种类型： Bit：1位， 0或1 Byte：8位， 一个字节 Short：16位， 2个字节 Ushort：16位， 2个字节 BCD：16位， 2个字节 Long：32位， 4个字节 LongBCD：32位， 4个字节 Float：32位， 4个字节 String：128个字符长度

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4.5 组态王界面

4.5.1 温度控制主界面

图4.5 监控画面

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4.6 启动组态王

4.6.2 初次上电

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初次上电，没有模拟量输入，只显示PID值和当前温度，曲线图为锅炉温度的实时曲线图。

图4.6 初次上电

4.6.3 启动

启动后，锅炉开始升温，并维持在50摄氏度左右。

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图4.7 启动加热

4.6.4 停止

按下停止按钮后，锅炉停止加热，停止灯亮，温度开始下降。

图4.8 停止

4.6.5 报警

当温度越上限时，系统报警。

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图4.9 报警

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结论

本课题设计了基于PLC的温度控制系统。

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。

PID闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效果。组态软件组态王因其简单易用的特点，在HMI设计中深受用户的喜欢而得到广泛的使用。

在西门子S7-200系列PLC和组态软件组态王的基础上，我们成功设计出了温度控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。再加上由组态王设计的人机界面，整个系统操作简单，控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。

该温度控制系统也有一些有不足的地方需要改进，编程时我们用了编程软件自带的PID指令向导模块，这样虽然方便，但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大，若不直接调用该模块，而是自己编写PID控制子程序的话，控制效果可能会更好。还有人机界面内容不够丰富，若再加上报表系统、打印功能的话，那就更完美了。

日后，随着对PLC硬件系统和通信方式的深入了解，还可以丰富远程控制指令，以应对运行过程中的各种突发事件，增加其他PLC，通过构建复杂的多级网络适应大型的工业控制，使该系统运行时更加稳定可靠，性能更加完善。

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附录2 PID温度控制的PLC程序设计

需要设置的参数有六个，分别是比例带、积分时间、微分时间、滞后值、控制周期、偏移量。它们在PLC的地址与一些开关的地址如下所列。

比例带 : DM51 积分时间 : DM52 微分时间 : DM53 滞后值 : DM54 控制周期 : DM55 偏移量 : DM56 数据刷新 : 22905 PLC程序部分

002：PID的输入字 102：PID的输出字 [NETWORK]

Name=\常规检查 [STATEMENTLIST] LD 253.13 //常ON OUT TR0

CMP 002 #FFFF //确定温控单元是否完成初始化 AND NOT 255.06 //等于 OUT 041.15 //初始化完成 LD TR0 AND 041.15 OUT TR1

AND NOT 040.10 //不在参数设置状态

MOV DM0050 102 //将设置温度DM50传送给PID输出字 LD TR1

MOV 002 DM0057 //将002传送到DM57

[NETWORK]

Name=\设置开始 [STATEMENTLIST] LD 253.13

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OUT TR0

AND 229.05 //触摸屏上的开始设置开关 DIFU 080.05 //设置微分 LD TR0 AND 041.15 AND 080.05

SET 040.01 //开始设置标志位1 SET 040.10 //开始设置标志位2

[NETWORK]

Name=\比例带设置 [STATEMENTLIST] LD 040.01 OUT TR0 AND NOT 042.01

MOV #C110 102 //读输出边与输入边的比例带 CMP 002 #C110 //比较输入字是否变成C110 AND 255.06 //等于

SET 042.01 //设置比例带标志 LD TR0 AND 042.01

MOV DM0051 102 //将比例带的设定值写入输出字 CMP 002 DM0051 //是否写入 AND 255.06

RSET 040.01 //复位标志1 RSET 042.01 //复位比例带标志 SET 040.02 //向下继续设置标志

[NETWORK]

Name=\积分时间设置 [STATEMENTLIST] LD 040.02 OUT TR0 AND NOT 042.02

MOV #C220 102 //读输出边与输入边的积分

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CMP 002 #C220 //比较输入字是否变成C220 AND 255.06

SET 042.02 //设置积分标志 LD TR0 AND 042.02

MOV DM0052 102 //将积分的设定值写入输出字 CMP 002 DM0052 //是否写入 AND 255.06 RSET 040.02 RSET 042.02

SET 040.03 //向下继续设置标志

[NETWORK]

Name=\微分时间设置 [STATEMENTLIST] LD 040.03 OUT TR0 AND NOT 042.03

MOV #C330 102 //读输出边与输入边的微分 CMP 002 #C330 //比较输入字是否变成C330 AND 255.06

SET 042.03 //设置微分标志 LD TR0 AND 042.03

MOV DM0053 102 /将微分的设定值写入输出字 CMP 002 DM0053 //是否写入 AND 255.06 RSET 040.03 RSET 042.03

SET 040.04 //向下继续设置标志

[NETWORK]

Name=\滞后值设置 [STATEMENTLIST] LD 040.04

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OUT TR0 AND NOT 042.04

MOV #C440 102 //读输出边与输入边的滞后值 CMP 002 #C440 //比较输入字是否变成C440 AND 255.06

SET 042.04 设置滞后值标志 LD TR0 AND 042.04

MOV DM0054 102 /将滞后值的设定值写入输出字 CMP 002 DM0054 //是否写入 AND 255.06 RSET 040.04 RSET 042.04

SET 040.05 //向下继续设置标志

[NETWORK]

Name=\控制周期设置 [STATEMENTLIST] LD 040.05 OUT TR0 AND NOT 042.05

MOV #C550 102 //读输出边与输入边的控制周期 CMP 002 #C550 //比较输入字是否变成C550 AND 255.06

SET 042.05 //设置控制周期标志 LD TR0 AND 042.05

MOV DM0055 102 将控制周期的设定值写入输出字 CMP 002 DM0055 是否写入 AND 255.06 RSET 040.05 RSET 042.05

SET 040.06 //向下继续设置标志

[NETWORK]

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Name=\偏移量设置 [STATEMENTLIST] LD 040.06 OUT TR0 AND NOT 042.06

MOV #C660 102 //读输出边与输入边的偏移量 CMP 002 #C660 //比较输入字是否变成C660 AND 255.06

SET 042.06 //设置偏移量标志 LD TR0 AND 042.06

MOV DM0056 102 //将偏移量的设定值写入输出字 CMP 002 DM0056 //是否写入 AND 255.06 RSET 040.06 RSET 042.06 SET 040.00

[NETWORK]

Name=\返回 [STATEMENTLIST] LD 040.00 OUT TR0 AND NOT 042.00

MOV #C070 102 //读输入边的处理值 CMP 002 #C070 比较输入字变成C070 AND 255.06

SET 042.00 //返回标志 LD TR0 AND 042.00

MOV DM0050 102 将设定温度值写入输出字 RSET 040.00 RSET 042.00 RSET 040.10

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致谢

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本课题的研究是在我的导师李强李老师的悉心指导下完成的，李老师学识渊博、治学态度严谨、工作一丝不苟，更有诲人不倦的师者风范，在此谨向李老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！

此外，衷心感谢本组的其他成员，组长郑剑杰认真细致、责任感强烈，组员之间互相讨论帮助，若是没有他们，也就不会有这篇论文的产生。

毕业在即，衷心感谢指导过我的各位老师，四年的成长离不开他们的谆谆教诲；感谢南京理工大学紫金学院，大学生涯是人生中的一笔宝贵财富；感谢06级电光系郑浩主任，四年的大学生活对我们关怀备至；感谢相伴度过四年的舍友、感谢同窗四年的同学、感谢帮助关心过我的学长，感谢默默关心我支持我的朋友们，祝大家在今后的生活中幸福快乐！

最后感谢含辛茹苦抚养我的父母，感谢他们多年来的支持与付出！

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参考文献

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[5] 郑凤翼,金沙.图解西门子S7-200系列PLC应用88例[J].北京:电子工业出 版社,2009.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/g2i6.html