基于西门子plc的温度pid调节.doc

青岛农业大学海都学院本科毕业论文（设计）

青岛农业大学
毕业论文(设计)

题 目： 基于西门子PLC的温度PID调节
姓 名： 李海超
学 院： 青岛农业大学海都学院
专 业： 电气工程及其自动化
班 级： 09级电气2班
学 号： 200901040
指导教师： 李波

2013年 6 月 01 日

摘 要
从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案 也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统 的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜， 可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

关键字：温度控制系统 、 西门子S7—-200PLC 、 PID控制算法

ABSTRACT
From the last century to 90 in the mid 80's, PLC has been rapid development in this period, PLC capability in dealing with analog and digital computing power, man-machine interface capabilities and network capabilities are greatly improved, PLC gradually entering the field of process control, replaced in some applications in the field of process control dominant DCS.PLC has the versatility, ease of use, wide adaptation, high reliability and strong anti-interference, simple to program and so on.PLC control, especially in the industrial automation sequence control the position, in the foreseeable future, is no substitute.
This paper introduces the boiler as the charged object to the boiler water temperature of the main accused of the export parameters to furnace temperature as deputy accused of parameters to control the heating resistance wire voltage parameters to PLC, controller, constitutes a series of boiler temperaturelevel control system; using PID algorithm the use of PLC ladder programming language, programming, boiler temperature control.
Electric boilers a wide range of applications, in a considerable number of field, the electric boiler performance advantages and disadvantages of the decision The quality of the product.Electric boiler control systems currently used mostly for computer control microprocessor core technology, both to improve the automation equipment have improved the control precision equipment.
This paper on the heating boiler control system works, selection of temperature transmitter, PLC configurations, the configuration software design aspects were described.Through the transformation of electric boiler control system has fast response, good stability, high reliability, control accuracy and good features, practical significance for industrial control.

Key words: temperature control system SIMATIC S7-200 Programmable Logic Controller classic PID control

摘 要 1
第一章 绪论 4
1.1 温度控制系统的意义 4
1.2 温度控制系统背景 4
2.1 传感技术 5
2.2 PLC技术 6
2.3 PID回路算法 7
第三章 硬件设计 12
3.1 西门子PLC的特点 12
3.2 PLC各部分的作用 13
3.3 硬件配置 15
3.4 硬件接线图 18
第四章PLC控制系统的软件设计 18
4.1 PLC程序设计的方法 18
4.1 编程软件STEP7--Micro/WIN 概述 19
4.2. 计算机与PLC的通信 20
4.3 程序设计 21
4.4 程序编写 31
第五章 系统仿真及调试 34
5.1 控制程序运行及其分析 34
5.2 PID自整定失败原因及解决方法 37
结 论 40
参考文献 42

第一章 绪论
1.1 温度控制系统的意义
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。

第二章 研究技术介绍
2.1 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。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。
随着新的技术的发展，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到fm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。
传感器的特点包括：微型化、 数字化、智能化、多功能化、系统化、 网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器 。
2.2 PLC技术
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。

2.3 PID回路算法
在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称 PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。
控制点包含三种比较简单的PID控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 这三种PID算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。 2.3.1 PID算法
控制器的输出：
公式（2-1）
注：各符号含义如下
u(t);;;;; 控制器的输出值。
e(t);;;;; 控制器输入与设定值之间的误差。
Kp;;;;;;; 比例系数。
Ti;;;;;;; 积分时间常数。
Td;;;;;;; 微分时间常数。
T;;;;;;;; 调节周期。
对于增量式算法，可以选择的功能有：
(1) 滤波的选择
可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。
(2) 系统的动态过程加速
在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。
由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。
为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围v，当偏差|e(t)|< β时，即被控量接近给定值时，就按正常规律调节，而当|e(t)|>= β时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)-e(t-1)|，其符号与积分项一致。利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。
(3) PID增量算法的饱和作用及其抑制
在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行PID位置算法
离散公式：
公式（2-2）

对于位置式算法，可以选择的功能有：
a、滤波：同上为一阶惯性滤波
b、饱和作用抑制：
遇限削弱积分法
一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。具体地说，在计算Ui时，将判断上一个时刻的控制量Ui-1是否已经超出限制范围，如果已经超出，那么将根据偏差的符号，判断系统是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。
积分分离法
在基本PID控制中，当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时， 由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动。特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象将更严重。为此可以采用积分分离措施即偏差较大时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。另外积分分离的阈值应视具体对象和要求而定。若阈值太大，达不到积分分离的目的，若太小又有可能因被控量无法跳出积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。
离散化公式：
Δu(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2) 公式（2-3）
当|e(t)|≤β时
q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T)
q1 = -Kp(1+2Td/T)
q2 = Kp Td /T
当|e(t)|>β时
q0 = Kp(1+Td/T)
q1 = -Kp(1+2Td/T)
q2 = Kp Td /T
u(t) = ut-1) + Δu(t)
注：各符号含义如下
u(t);;;;; 控制器的输出值。
e(t);;;;; 控制器输入与设定值之间的误差。
Kp;;;;;;; 比例系数。
Ti;;;;;;; 积分时间常数。
Td;;;;;;; 微分时间常数。（有的地方用"Kd"表示）
T;;;;;;;; 调节周期。
β;;;;;;; 积分分离阈值
当控制系统的给定值发生阶跃时，微分作用将导致输出值大幅度变化，这样不利于生产的稳定操作。因此在微分项中不考虑给定值，只对被控量（控制器输入值）进行微分。微分先行PID算法又叫测量值微分PID算法。
离散化公式：
公式（2-4）
参数说明同上
对于纯滞后对象的补偿
控制点采用了Smith预测器，使控制对象与补偿环节一起构成一个简单的惯性环节。
PID参数整定：
(1) 比例系数Kp对系统性能的影响：
比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Kp太大时，系统会趋于不稳定。Kp太小，又会使系统的动作缓慢。Kp可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Kc的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况Kp的符号就一定要取反。
(2) 积分控制Ti对系统性能的影响：
积分作用使系统的稳定性下降，Ti小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。
(3) 微分控制Td对系统性能的影响
微分作用可以改善动态特性，Td偏大时，超调量较大，调节时间较短。Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Td合适，才能使超调量较小，减短调节时间。
第三章 硬件设计
本控制系统硬件设计由PLC控制系统硬件、监视系统硬件以及其他辅助硬件设计组成。在设计中应考虑以下原则:
1.可靠性。可靠性是控制系统的生命，系统不可靠，即使功能再完善，经济性再好也没有用，可靠性不好的设备是没有市场的。在设计中，尽可能选择可靠的元件和产品，虽然初始投资可能多一点但是考虑到因为可靠性不好造成的生产和维修费用，还是值得的。
2.功能完善。在保证控制功能的基础上，尽可能的将自检、报警等功能纳入设计方案。
3.经济性。在保证控制功能和可靠性的基础上，尽可能降低成本。
4.在保证前三条的基础上，考虑系统的先进性和可扩展性。
3.1 西门子PLC的特点
可以这样归纳一下西门子PLC的特点，真是基于下面的这些优越性是我们选择了它的重要原因。
（1）SIMATIC CPU将技术功能和运动控制集于一身，最大限度的减少成本。
（2）在同一个S7应用程序中同时完成PLC和运动控制的编程组态。
（3）现有的S7程序可以再利用，减少编程的工作量。
（4）对于各种控制任务可以提供灵活多样的高级的运动控制功能。
（5）从驱动到运动控制再到PLC，一切尽在STEP 7 中完成。
（6）全部的编程使用SIMATIC 平台，降低培训费用。
（7）运动控制功能符合PLC open 标准，方便工程实施和服务。
（8）同步的PRIFIBUS DP(DRIVE)保证在高速处理过程中高质量的控制水平。
（9）广泛、全面的SIMATIC 产品线，包括多种集中式和分布式的模块化扩展方
3.2 PLC各部分的作用
3.2.1.中央处理单元(CPU)
1）CPU 在 P LC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所斌予的功能，完成以下任务:
(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；
(2) 诊 断 电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；
(3) 用 扫 描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；
(4) PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；
(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。
2）现代PLC使用的CPU主要有以下几种:
(1) 通用微处理器，如808018 08812等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。
(2) 单片机 ，如8051等。单片机由于集成度高体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。
(3) 位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器二改变程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若千个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。
3.2.2 存储器
根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:
(1) 系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能山用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。
(2) 用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(视电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。
(3) 工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映像寄存器和数据表。
元件映像寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。
数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/D转换得到的数字和数学运算的结果等。
根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。
3.2.3 I/0单元
I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系，输入单元接收操作指令和现场的状态信息，加控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驰动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。
3.3 硬件配置
3.3.1 西门子S7-200 CPU222CN
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。

型号
输入点
输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6
4
0
S7-200CPU222
8
6
2个扩展模块
S7-200CPU224
24
10
7个扩展模块
S7-200CPU224XP
24
16
7个扩展模块
S7-200CPU226
24
16
7个扩展模块
表3.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
本文采用的是CPU222CN。它具有8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O点或10 路模拟量I/O点。6K字节程序和数据存储空间。4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。1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。
3.3.2 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。
3.3.3 EM231模拟量输入模块
EM 231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）。
EM231CN端子连接图：

－ 图3.1 EM231CN接线图

单极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3

ON
OFF
ON
0到10V
2.5mV

ON
OFF
0到5V
1.25mV

0到20mA
5uA
双极性
满量程输入
分辨率
OFF
OFF
ON
±5V
2.5mV
ON
OFF
±2.5V
1.25mV
表3.2 EM 231 CN选择模拟量输入范围的开关表

注意：
－－模拟量到数字量转换器(ADC)的12位读数，其数据格式是左端对齐的。最高有效位是符号位：0表示是正值数据字，对单极性格式，3个连续的0使得ADC计数数值每变化1个单位则数据字的变化是以8为单位变化的。对双极性格式，4个连续的0使得ADC计数数值每变化1个单位，则数据字的变化是以16为单位变化的。
3.3.4 温度检测和控制模块
温度采集由传感器来完成，由灯加热作为加热器模拟热源，输出的模拟信号是4—20MA。
3.4 硬件接线图
PLC主机
计算机
PID调节
执行机构
温度检测装置
图3.2 温度控制系统图
——
实际温度
加热器

硬件接线图见附录

第四章PLC控制系统的软件设计
PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分本在硬件基础上，详细介绍本项目的软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法、编程软件STEP7-Micro/WIN的介绍以及本项目的程序设计。
4.1 PLC程序设计的方法
PLC程序设计常用的方法：主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。
1.经验设计法：经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。
2.继电器控制电路转换为梯形图法：用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。
3.顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。
4. 逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。
4.1 编程软件STEP7--Micro/WIN 概述
STEP7-Micro/WIN 编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。
以 STEP7-Micro/WIN创建程序，为接通STEP7-Micro/WIN，可双击STEP7 -Micro/WIN的图标，如图4-1所示，STEP7-Micro/WIN项目窗口将提供用于创建程序的工作空间。浏览条给出了多组按钮，用于访问STEP7--Micro/WIN的不同编程特性。指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象指令。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的的底部按标签显示。

图 4.1 STEP7--Micro/WIN项目窗口
本项目中我们利用 STEP7--Micro/WIN V4.0 SP5编程软件，其界面如图4-1所示。项目包括的基本组件：程序块、数据块系统块、符号表、状态表、交叉引用表。
4.2. 计算机与PLC的通信
在STEP7-Micro/WIN 中双击指令树中的“通信”图标，或执行菜单命令的“查看”/“组件”/“通信”，将出现“通信”对话框,见图4-2。在将新的设置下载到S7-200之前，应设置远程站的地址，是它与S7-200的地址。双击“通信”对话框中“双击刷新”旁边的蓝色箭头组成的图标，编程软件将会自动搜索连接在网络上的S7-200，并用图标显示搜索到的S7-200。

图4.2 通信窗口
4.3 程序设计
4.3.1 程序设计思路
PLC运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，设置温度给定值，PID参数值等存入数据寄存器，随后系统开始温度采样，温度采集由传感器来完成，由灯加热作为加热器模拟热源，输出的模拟信号是4—20MA，温度变送器将采集温度信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW0进入PLC，作为主回路的反馈值，经过主控制器（PID0）的PI运算产生输出信号，作为副回路的给定值。输出的4-20mA电流信号通过控制送电频率，从而控制加热模拟源，完成对温度的控制。
4.3.2 PLC控制系统设计的一般步骤
设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：
1．熟悉被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。
2．确定I／O设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的I／O点数。
3．选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、I／O模块、电源的选择。
4．分配PLC的I／O地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入／输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I／O接线图和编制程序。
5．设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。
6．联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。

图 4.3 PLC控制系统设置步骤图

4.3.3 PID指令向导
编写PID控制程序时，首先要把过程变量（PV）转化为0.00-1.00之间的标准实数。PID运算结束之后，需要把回路输出（0.00--1.00之间的标准化实数）转换为可以送给模拟量输出模块的整数。

图4.4 PID初始化指令

如图,PV_I是模拟量输入模块提供的反馈值的地址，Setpoint_R是以百分比为单位的实数给定值（SP）,Output是PID控制器的INT型的输出地址。HighAlarm和LowAlarm分别是超过上限和下限的报警信号输出，ModuleErr 是模拟量模块的故障输出信号。
主回路PID指令向导，如图

图4.5 主回路用0号PID回路

2.设置PID参数，如图。
a.  定义回路设定值（SP，即给定）的范围：
    在低限（Low Range）和高限（High Range）输入域中输入实数，缺省值为 0.0 和100.0，表示给定值的取值范围占过程反馈量程的百分比。
    这个范围是给定值的取值范围。它也可以用实际的工程单位数值表示。参见：设置给定－反馈的量程范围。以下定义 PID 回路参数，这些参数都应当是实数：
b.  Gain（增益）：即比例常数。 
c.  Integral Time（积分时间）：如果不想要积分作用，可以把积分时间设为无穷大