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温度控制是自动控制领域中常见的应用之一，电加热方式因其设备简单，没有污染及噪音，在工业领域得到十分广泛地应用。
本文向大家介绍了如何使用西门子S7-1200标准PLC设计基于PWM电加热原理的电加热控制系统，包括电气硬件电路设计原理，软件PID工艺对象的组态及编程实现。
电加热温控系统主要元器件：
1 本例使用S7-1200 CPU1214C DC/DC/DC版本，或者扩展晶体管输出模块
2 单相或三相固态继电器 三相固态继电器的触发端串联，带冷却风扇控制，过热保护信号
3 测温元件 热电偶TC或热电阻RTD
4 主电源断路器 带2常开辅助触点
5 冷却风扇电源断路器 带1常开辅助触点
6 主接触器 220VAC线圈，带1常开辅助触点
7 中继或控制继电器 主接触器线圈控制或冷却风机的开关控制
8 单相或三相电加热器 加热管为220VAC Y形连接或380VAC Δ形连接
PLC IO点配置：
DI（直流晶体管输入）：
1 加热主电源故障信号（低电平故障）
2 冷去风扇电源故障信号（低电平故障）
3 固态继电器超温报警（高电平报警）
4 电加热运行信号
DO（直流晶体管输出）：
1 电加热运行输出控制
2 电加热温控PWM脉冲
AI（4-20ma/TC/RTD)：
1 温度测量信号
图纸DI点部分
图纸DO点部分
图纸主电源控制回路
图纸冷却风扇控制回路
图纸主回路原理图
闭环温度控制原理
PWM电加热原理
通过调节单位时间内电加热器接通时间的比例，实现单位时间内电加热器平均输出功率的调节，从而达到温度控制的目的。
CYCLE_P：脉冲采样时间
PER_TM： 周期持续时间
脉宽 = PER_TM ⅹ LmnN/100
PWM电加热参数定义
CYCLE_P：脉冲采样时间
即定时中断的周期，一般采取10ms/20ms/40ms/100ms，除10ms是采用的是50hz周波的半波周期，其余均采用全波周期20ms的整数倍。与脉冲重复周期PER_TM 相比，脉冲发生器的采样时间CYCLE_P 越小，脉宽调制的精度就越高要保证加热控制精度，需满足
CYCLE_P ≤ PER_TM / 50
PER_TM： 脉冲重复周期
脉冲重复周期，为CYCLE_P脉冲采样周期的整数倍，一般应满足
PER_TM ≤ TI / 5
CYCLE：PID采样周期
温控PID的算法采样周期，亦为CYCLE_P脉冲采样周期的整数倍，须满足
CYCLE ≤ TI/10
PER_TM ≤ CYCLE （ 系统默认 PER_TM = CYCLE ）
CYCLE_P = 100ms
CYCLE = 2000ms
PER_TM = 600ms
控制精度 = CYCLE_P / PER_TM × 100% = 16.667%
由于本例中CYCLE不能整除PER_TM，因此一个PID采样周期CYCLE中有3个脉冲重复周期，最后一个脉冲重复周期为800ms。
P_B_TM： 最短脉冲/中断持续时间
通过设定最短脉冲/中断持续时间，可避免执行器上的开或关时间过短。小于 P_B_TM 的脉冲将被抑制。最短的时间为1个CYCLE_P脉冲的时间，过短的通断时间容易造成电源冲击，影响电器的寿命及控制系统的稳定性，而对于保温性能较好但热容量较小的系统，该参数不利于温度的稳定，使用该参数须要慎重。博途下PID_TEMP的该参数具有累计功能，直至满足最短脉冲持续时间。
P_B_TM ≤ 0.1 × PER_TM
CONTROL_ZONE：控制区
控制区限制控制偏差的值范围。如果控制偏差超出此值范围，则使用调节值限制值。使用控制区时，微分作用会导致调节变量迅速减小。因此，控制区仅对启用的微分作用有意义。只有将“PID（温度）”选作制冷或加热过程的控制器结构时，才会在预调节过程中自动设置加热或制冷的控制区宽度。一般满足
CON_ZONE = 250 / GAIN
PID_TEMP指令（TIA PORTAL)
PID_TEMP 可用于加热或加热/制冷应用且始终使用常规控制逻辑。
PID 输出值 (PidOutputSum) 的增大用于增大过程值。在应用 PID 输出值后，相关输出上输出的加热或制冷值取决于输出标定的组态情况。
不支持反转控制逻辑或负比例增益。
硬件组态
PID_TEMP工艺对象组态
PID_TEMP功能块在OB30中调用
加热器逻辑控制
PID_TEMP启动特性（TIA PORTAL）
1、要在 CPU 重启后切换到“未激活”模式，请清除“CPU 重启后激活 Mode”(Activate Mode after CPU restart) 复选框。
要在 CPU 重启后切换到“模式”(Mode) 参数中保存的工作模式，请选中“CPU 重启后激活 Mode”(Activate Mode after CPU restart) 复选框。
2、在“将 Mode 设置为”(Set Mode to) 下拉列表中，选择在执行完整下载到设备后要启用的模式。
执行完整下载到设备后，PID_Temp 将以所选工作模式启动。以后每次重启时，PID_Temp 都以上次保存在“模式”(Mode) 中的模式启动。
选择预调节或精确调节时，还必须设置或复位 Heat.EnableTuning 与Cool.EnableTuning 变量，以便在加热调节和制冷调节之间选择。
3、PID_TEMP V1.1版本，添加了新选项 IntegralResetMode = 4，并将其定义为默认设置。如果IntegralResetMode = 4，从“未激活”工作模式切换到“自动模式”时会自动预分配积分作用，以便控制偏差导致带有相同符号的 PID 输出值发生跳变。
示例：
您已选中“CPU 重启后激活 Mode”(Activate Mode after CPU restart) 复选框以及“将 Mode设置为”(Set Mode to) 列表中的“预调节” (Pretuning) 条目。在执行了完整“下载到设备”后，PID_Temp 将以“预调节”模式启动。如果预调节仍处于激活状态，则 PID_Temp 在CPU 重启后再次以“预调节”模式启动（加热/制冷取决于变量 Heat.EnableTuning 和Cool.EnableCooling）。如果预调节已成功完成并且自动模式处于激活状态，则PID_Temp 在 CPU 重启后将以“自动模式”启动。
自动模式下积分作用的初始化
自版本 V1.1 起，PID_Temp 通过提供一个用于更新未激活控制器的简单过程，支持超驰控制：通过使用变量 OverwriteInitialOutputValue 和 PIDCtrl.PIDInit，可以预分配自动模式下控制器的积分作用，好像在上一周期中 PID 算法已为 PID 输出值计算
PidOutputSum = OverwriteInititalOutputValue。
为此，OverwriteInitialOutputValue 与当前可以访问执行器的控制器的输出值互连。通过设置位 PIDCtrl.PIDInit，触发积分作用的预分配以及控制器循环和 PWM 周期的重启。根据预分配的（并针对所有控制器同步的）积分作用，以及当前控制偏差的比例作用与积分作用，在当前循环中进行输出值的后续计算。通过 PIDCtrl.PIDInit = TRUE 调用期间，微分作用未激活，因此对输出值不起作用。
此过程可以确保仅根据当前的过程状态和 PI 参数对当前输出值进行计算，并从而决定可以访问执行器的控制器。可防止未激活控制器的饱和效应，并因此防止切换逻辑的错误决定。
只有在激活了积分作用时（变量 Retain.CtrlParams.Heat.Ti 和Retain.CtrlParams.Cool.Ti > 0.0），PIDCtrl.PIDInit 才有效。
您必须在用户程序中自行分配 PIDCtrl.PIDInit 和 OverwriteInitialOutputValue（请参见下面的示例）。PID_Temp 不会自动更改这些变量。
仅当 PID_Temp 处于自动模式（参数 State = 3）时，PIDCtrl.PIDInit 才有效。
如果可能，请选择 PID 算法的采样时间（ Retain.CtrlParams.Heat.Cycle 和Retain.CtrlParams.Cool.Cycle 变量）以使所有控制器的采样时 间均相同，并在同一个循环中断 OB 中调用所有控制器。这样，可以确保在一个控制器循环或 PWM 周期内不发生切换。
使用 PLCSIM 仿真 PID_TEMP
（TIA PORTAL)
不支持通过 PLCSIM 针对 CPU S7-1200 仿真 PID_Temp。
只能通过 PLCSIM 针对 CPU S7-1500 仿真 PID_TEMP。
对于使用 PLCSIM 进行的仿真，仿真 PLC 的时间特性与 “真实” PLC 并不完全相同。仿真PLC 循环中断 OB 的实际周期时钟波动比 “真实” PLC 的波动大。
在标准组态中，PID_Temp 会自动确定调用之间的时间，并监视波动情况。因此，使用 PLCSIM 仿真 PID_Temp 时，可能检测到采样时间错误 (ErrorBits =DW#16#00000800)。
这会导致进行中的调节中止。
自动模式下的响应取决于 ActivateRecoverMode 变量的值。
为防止此类情况发生，应按下列方式为使用 PLCSIM 进行的仿真组态 PID_Temp：
CycleTime.EnEstimation = FALSE
CycleTime.EnMonitoring = FALSE
CycleTime.Value：以秒为单位为此变量分配调用循环中断 OB 的周期时钟。
与CPU和FW的兼容性
PID_Temp V1 的 CPU 处理时间和
存储器要求
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