采用西门子S7-200系列PLC和温度数据采集模块实现控制系统的设计

1 、引言

染色工序在纺织品生产中占有重要地位，染色质量直接决定了纺织品的色泽、外观，甚至还影响纺织品的生产成本。在染色工序中，影响染色的因素主要有染液浓度、温度、液位等，其中温度控制是很重要而又复杂的控制过程。染色过程实际上是执行由工艺人员针对不同织物的一条温度曲线，每个工艺对染色的温度、升降温过程都有严格的要求，否则，容易使织物产生色差、缸差、条痕等疵点，造成复染率上升，生产成本的增加。针对染色过程温度控制的复杂性，设计了基于PLC 的染色机温度控制系统，实现对染色过程温度的控制，从而减少织物疵点，提高生产效率，降低生产成本。

2 、系统控制要求

1）温度曲线存储要求对于不同的染色品种，其对温度的要求是不同的，因此对应的温度工艺曲线也是不同的，若将所有染色品种的温度工艺曲线都存入现场温度控制器中，则对该控制器的内存要求非常高，导致系统臃肿，因此本系统设计通过一台中控机，将工艺人员设定的不同的温度工艺曲线，全部由工作人员在中控机上输入后经PROFIBUS—DP 现场总线下传给现场控制器，现场控制器根据接收的温度工艺曲线进行温度控制，同时现场控制器可以随时向中控机申请修改温度工

艺曲线的参数。在网络中断时，现场控制器可以保存当前的温度工艺曲线，并且具有断电长期保存当前温度曲线的功能。

2）温度控制要求

在染色工艺过程中，典型的工艺曲线如图1 下所示：

图1 典型的工艺曲线

由图 1 可知，染色工艺可以分为多个曲线段，不同的曲线段对应不同的温度。对染色过程的温度控制主要是对染槽升温、保温、降温，结合生产的实际要求又将升温分为直接升温到指定温度和按斜率准确地升温到指定温度；同理，降温也分为直接降温到指定温度和根据斜率准确地降温到指定温度。因此温度控制分为五个子程序：直接升温、按斜率升温、保温、直接降温、按斜率降温。直接升温还是斜率升温、直接降温还是斜率降温根据实际需要通过中控机设定，而后由现场控制器PLC 的主程序调用相应子程序。

3）报警及显示功能

为系统设置了一个 TD 200 文本显示器，显示染色过程中的一些操作和报警信息，该显示器适用于所有西门子S7-200 系列的PLC。

4）中控机监控要求

采用西门子公司的WINCC 实现中控机对现场PLC 的监控，主要实现当前温度显示、动态温度曲线显示、温度等参数设置、报警记录和打印报表等功能。

3 、系统的硬件构成

本系统采用西门子公司推出的 S7-200PLC 作为现场控制器，选用CPU226 主机模块；通过CP5613 卡完成现场控制器同中控机之间的通信。现场控制器S7-200 扩展了一块智能温度数据采集模块EM231，该模块带有4 个模拟输入点，集成有16 位/转换器，分辨率达0.1℃，能自动进行线性化处理，有冷端补偿功能，不再需要外部变送器，一个模块就能完成数据采集及数据处理功能。系统的温度信号的检测采用铂电阻PT100，铂电阻具有测量精度高、性能稳定可靠的特点，在工业上广泛用于-200℃~+500℃之间的温度测量。由于现场控制器S7-200 不能直接同PROFIBUS—DP 现场总线相连，因而为S7-200 外扩了PROFIBUSDP 模块EM277。

对于不同的染色品种，对应的温度工艺曲线也是不同的，若将所有可能用到的温度曲线存入现场控制器中，则对现场控制器的内存要求很高，因此本系统设计通过中控机，将工艺人员设定的不同的温度工艺曲线，全部由工作人员在中控机上输入后经PROFIBUS—DP 现场总线下传给现场控制器，现场控制器根据接收的温度工艺曲线进行温度控制，同时现场控制器可以随时向中控机申请修改温度工艺曲线的参数。在网络中断时，现场控制器可以保存当前的温度工艺曲线，并且具有断电长期保存当前温度曲线的功能，同时可以将现场的温度等信号上传至中控机，形成监控界面，如果需要可以通过网卡将中控机同工厂信息网以及Internet 网相连，实现底层到高层的信息共享。系统的结构图如图2 所示。

4 、系统的软件设计

由图 1 可知，染色工艺可以分为几个曲线段，不同的曲线段对应不同的目的温度、升降温时间、保温时间。对染色过程的温度控制主要是对染槽升温、保温、降温，结合生产的实际要求又将升温分为直接升温到指定温度和按斜率准确地升温到指定温度；同理，降温也分为直接降温到指定温度和根据斜率准确地降温到指定温度。因此温度控制分为五个子程序：直接升温、按斜率升温、保温、直接降温、按斜率降温。直接升温还是斜率升温、直接降温还是斜率降温根据实际需要通过中控机设定，而后由现场控制器PLC 的主程序调用相应子程序。由于间歇式染色机的染缸体积较大，加热管道与冷水管道相对较小，造成比较大的温度惯性，一般可将其认为是一种具有纯滞后大惯性的被控对象，因而在升/降温段采用趋势判断补偿法，如果是升温，则在温度到达T 目标温度-△Ti 时停止升温；若是降温，则在温度到达T 目标温度+△Tj 时，停止降温，其中△Ti、△Tj 为补偿温度。由于温度控制的程序都在现场控制器PLC中，但是染色工艺参数是从中控机下传给PLC的，因而在PLC 的主程序中，需要根据接收到的来自中控机的数据进行判别，再执行相应的子程序。在下传的数据中包括目标温度、斜率、保温时间等，因而PLC 可以根据这些数值判断升温、保温、还是降温。但是判断升温、降温、保温，光凭目标温度、斜率、保温时间不能得到精确的判断，因而使用前一曲线段的目标温度辅助进行判断。由下面温度控制判断表1 表示。（说明：T*为本曲线段的目标温度，T*′为前一曲线段的目标温度）

表1 温度控制判断表

根据表1，PLC 可以进行染色过程的温度控制。

下面以斜率降温为例，说明 PLC 的温控过程。首先在主程序中判断当前目标温度是否小于上一步目标温度，再判断斜率不等于零，若满足这两个条件，就按照指定斜率降温。在斜率降温时，将降温段曲线按时间分成若干个相等的小间隔，对每一小间隔计算出相应的温度作为这

一小段的温度给定值，因而工艺曲线的降温段可以用阶梯性表示，如图3 所示，又因为染机的大惯性，因而降温曲线段可由图4 表示。只要每一间隔的时间足够小，则计算的每一间隔的温度给定值与理想值的偏差就可忽略。本系统采用采样时间将降温段曲线分成相两次。

目标温度比较斜率K 保温时间t 当前动作图示

K≠0 t=“0” 按斜率升温

T*-T*′》0 K≠0 t≠0 按斜率升温后保温

K=0 t=“0” 直接升温

K=0 t≠0 直接升温后保温

K≠0 t=“0” ERROR

T*-T*′=0 K≠0 t≠0 保温

K=0 t=“0” ERROR

K=0 t≠0 保温

K≠0 t=“0” 按斜率降温

T*-T*′《0 K≠0 t≠0 按斜率降温后保温

K=0 t=“0” 直接降温

K=0 t≠0 直接降温后保温

等的小间隔，每个间隔的温度设定值可由下式计算（其中 T 设J 为每一间隔的温度给定值）：

同理，根据采样周期、降温斜率计算出降温时间 t，再计算总采样周期数N、温差△T（其

中T0 为温控前的实际温度，KJ 为降温斜率，Tt 为采样周期，T 为当前温度）：

△T= T -T 设J在斜率降温时，为了能准确的控制温度值，设定了差温报警值Te 和控制输出域值Tc，根据

温差△T 与它们的比较，得出以下控制规律：

a． △T＞0

1． △T≥Te，则全开冷却阀并显示“降温太慢”，同时报警。

2． Tc＜△T＜Te，则开始PID 控制，得出控制量U 作为冷却阀开启时间。

3． △T＜Tc，自然动作，当前采样周期数加1。

b． △T ＜0

1．|△T|≥Te，全开加热阀并显示“降温太快”，同时报警。

2．|△T|＜Te， 关闭冷却阀，并将当前采样周期数加1。

5 、结束语

本系统结构灵活，通过PROFIBUS-DP 总线将现场控制器互连成网，用户可以在中控机上编辑各种条件下的温度曲线，通过总线快速下传给现场的控制器，使其依据接收到的温度曲线控制染色过程中的温度，同时可通过PROFIBUS—DP 控制网络实现现场数据的上载。

本系统不但可以实现温度控制，而且根据需要还可扩展其他染色工艺过程的控制如水位、液位等参数的控制，具有良好的发展前景。

本文作者创新点：采用S7-200PLC 作为生产现场的控制器，完成温度控制，本系统能及时准确地控制染色产品的质量，将产品的质量隐患消灭在现场，保证染色一致性和一次准确化；通过PROFIBUS—DP 总线实现快速响应、高效率、低成本生产，大大提高染整设备的自动化、连续化、智能化水平，同时，应用网络通信技术可为间歇式染色机与染色厂企业信息管理层、互连网的连网提供了基础，使设备的控制系统具有开放性的体系结构。

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