现场总线测控系统设计 方案设计
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[6]。
图3.4.1 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3.4.2 单台主设备PPI网络
3.5 温度控制算法
炉温控制采用PID算法，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
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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[5]。
3．5．1 PID回路定义表
从在PID指令框中输入的表格（TBL）起始地址为回路表分配八十（80）个字节，S7-200的PID指令引用一个包含回路参数的回路表，此表起初的长度为36个字节，在增加了PID自动调谐后，回路表现已扩展到80个字节。 偏移量 0 4 8 12 16 20 24
域
格式
类型 入
入
说明
包含进程变量，必须在0.0至 1.0范围内。
包含设定值，必须在0.0至1.0 范围内。
包含计算输出，在0.0至1.0范 围内。
包含增益，此为比例常数，可 为正数或负数。
包含采样时间，以秒为单位， 必须为正数。
包含积分时间或复原，以分钟 为单位，必须为正数。 包含微分时间或速率，以分钟 为单位，必须为正数。 包含0.0和1.0之间的偏差或积 分和数值。
包含最后一次执行PID指令存 储的进程变量以前的数值。
PVn SPn Mn
双字－实数 双字－实数
双字－实数 双字－实数 双字－实数 双字－实数 双字－实数 双字－实数 双字－实数
进程变量 设定值 输出 Kc
增益
Ts TI TD
入/出 入 入 入 入
采样时间 积分时间 微分时间
28 MX
偏差
32
入/出 入/出
PVn-1
以前的进程变量
3．5．2 PID回路算法
S7-200 CPU提供PID回路指令（比例、积分、微分回路），执行PID计算。PID回路操作取决于存储在36个字节回路表中的9个参数。
在稳定状态操作中，PID控制器管理输出数值，以便将错误（e）驱动为零。错误测量由设定值（所需的操作点）和进程变量（实际操作点）之间的差别决定。PID控制原则基于以下公式，其中将输出M(t)表示为比例项、积分项和微分项的函数：
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tM(t)?Kc*e?Kc?edt?Minitial?Kc*de/dt
0输出 ＝ 比例项 + 积分项 + 微分项 其中： M(t) Td E
作为时间函数的回路输出 回路增益
回路错误（设定值和进程变量之间的差别） 回路输出的初始值
M initial
为了在数字计算机中运行该控制函数，必须将连续函数量化为错误值的定期样本，并随后计算输出。数字计算机运算以下列相应的公式为基础：
nMn ?Kc*en?KI*?Minitial?KD*(en-en-1)
1输出 ＝ 比例项 + 积分项 + 微分项 其中：
M n 采样时间n的回路输出计算值 Kc 回路增益
en 采样时间n的回路错误值
Minitial 微分项的比例常数
KI 积分项的比例常数
KD 微分项的比例常数
en-1 回路错误的前一个数值（在采样时间n – 1）
在该公式中，积分项被显示为全部错误项的函数，从第一个样本至当前样本。微分项是当前样本和前一个样本的函数，而比例项仅是当前样本的函数。在数字计算机中，既不可能也没有必要存储所有的错误项样本。
因为从第一个样本开始，每次对错误采样时数字计算机都必须计算输出值，因此仅需存储前一个错误值和前一个积分项数值。由于数字计算机计算结果的重复性，可在任何采样时间对公式进行简化。简化后的公式为：
Mn?Kc*en?KI*en?MX?KD*(en-en-1)
output ＝ proportional term + integral term + differential term 计算回路输出值时，CPU使用对上述简化公式的修改格式。修改后的公式为：
Mn?MPn?MIn?MDn输出 ＝ 比例项 + 积分项 + 微分项
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其中： Mn MPn MIn
采样时间n的回路输出计算值 采样时间n的回路输出比例项数值 采样时间n的回路输出积分项数值 采样时间n的回路输出微分项数值
MDn
比例项MP是增益和错误（e）的乘积，其中增益控制输出计算的敏感度，错误是在某一特定采样时间设定值（SP）和进程变量（PV）之间的差别。CPU采用的计算比例项的公式为：
MP ＝
Kc*（SP－PV）
积分项MI在时间上与错误（e）和成正比。CPU采用的积分项公式为：
Min = Kc * Ts/TI * (SPn － PVn) + MX
积分和或偏差（MX）是积分项所有先前数值的运行和。每次计算后，根据的数值更新偏差，该数值可能被调节或截取。偏差的初始值通常被设为第一次回路输出计算之前的输出值。其他几个常数也是积分项的一部分，例如增益、采样时间（即PID回路重新计算输出值的循环时间）以及积分时间或复原（即用于控制积分项对输出计算影响的时间）。
微分项MD与错误变化成比例。计算微分项的公式为：
MDn ＝ Kc * TD/TS * ((SPn － PVn) － (SPn-1 － PVn-1))
为了避免步骤改变或由于对设定值变化求导带来的输出变化，对该公式进行修改，假定设定值为常数。如下所示，会导致计算进程变量的变化，而不计算错误的变化：
MDn ＝ Kc * TD/TS * (SPn － PVn － SPn-1 ＋ PVn-1) 或 MDn ＝ Kc * TD/TS * ( PVn-1 － PVn)
必须保存进程变量，而不必保存错误，用于下一次微分项计算。第一次采样时，数值PVn-1被初始化，等于PVn。
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现场总线测控系统设计 S7－200 PLC控制程序的设计
4 S7-200 PLC控制程序的设计
4.1 控制程序的组成
本设计整个控制程序由温度采集程序、数字滤波程序和PID控制程序组成。温度采集程序将完成温度采集与标度换算；数字滤波主要是将采集的不符合实际情况的温度值滤掉，减少干扰；PID控制程序功能则是用得到的测量值与输入的设定作的偏差，再和输入的比例增益、积分时间以及微分时间三个PID参数作一系列的PID运算，最得到一个输出值从而达到控制温度的目的。
4.2 温度采集程序设计
温度采集使用的是内置在加热炉的热电阻，因为热电偶的标度与PLC模拟量输入标度不同，热电阻为4～20mA，而PLC模拟量输入为0～10V，所以本设计将在温度采集程序里完成温度采集与标度换算。
为了方便采集温度，故将此段程序放到了中断中，每1S执行一次中断，即采集一次温度。温度采集程序如下图所示：
网络1 网络2
图4.2温度采集程序梯形图
4.3 数字滤波程序设计
在数字滤波程序中采取的方法是以采集的10个温度数据为一组，将每组的最大值和最小值去掉，再除以8即可得到这一组的平均温度，完成滤波。采用此种滤波方法的好处是能将干扰引起的突然增大或是减小的值滤掉，从而减小了干扰对后面将要进行的PID计算的影响。
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