B2 房间恒温 PID 控制系统

本笔记记录在纯仿真环境（无真实 PLC、加热器和温度传感器）下，基于 TIA Portal V19 + S7-PLCSIM + WinCC RT Advanced V17 完成一个房间恒温 PID 闭环控制项目的完整过程，包括程序设计、HMI 组态、报警系统、联调验收和项目归档。

运行演示动图

以下动图录制自 WinCC RT Advanced V17 运行画面（TIA Portal V19 + S7-1500 + S7-PLCSIM 联合仿真，无真实硬件，房间温度由 FB_RoomTempSim 仿真）。先看系统实际运行效果，再看具体实现。

图 D-1　系统启动演示：从冷启动初始状态（指示灯全灰、输出 0.0%）点击"系统启动"后，系统运行、加热允许指示灯点亮，PID 投入自动模式，加热器实际输出升至约 60%，房间实际温度沿趋势曲线平稳爬升并逼近 55 ℃ 设定值，无明显超调。

图 D-2　系统停止演示：在稳定运行状态（实际温度 55.0 ℃、输出 60.0%）点击"系统停止"后，系统运行与加热允许指示灯熄灭，加热器实际输出立即降为 0.0%；系统只有加热、无主动制冷，房间温度失去补偿后沿趋势曲线向环境温度缓慢回落。

1. 项目概述

1.1 项目目标

在 HMI 上设定目标温度（例如 55 ℃），由 PID_Compact 控制加热器，使模拟房间温度稳定在设定值；系统具备启停控制、安全联锁、报警记录和完整的人机界面。

1.2 软件及仿真环境

1.3 最终实现的功能

• PLC 启停控制
• PID 恒温控制
• 房间温度对象仿真
• 安全联锁（停止、超温、PID 错误切断加热输出）
• HMI 启停及复位按钮
• 五个状态指示灯（就绪、运行、加热允许、超温报警、PID 错误）
• 温度实时趋势
• HMI 离散量报警
• 报警确认、消失及历史缓冲记录
• 主画面与报警画面切换
• Runtime 退出按钮
• 冷启动验收
• .zap19 项目归档及重新打开验证

1.4 项目完成状态

项目已全部完成并通过测试，包括 25 ℃升温至 55 ℃闭环跟随测试、55 ℃降至 45 ℃设定值阶跃测试、超温联锁测试、报警全生命周期测试和冷启动验收。

2. 控制系统工作原理

2.1 闭环控制流程

用户在 HMI 设置目标温度 → 启动恒温系统 → PID 比较设定温度与实际温度 → PID 输出 0.0%～100% 的加热控制量 → 温度仿真 FB 根据加热输出计算房间温度变化 → 温度接近设定值后 PID 自动减少输出。

系统停止后，加热输出归零，房间温度逐渐降向环境温度；超温时产生报警并禁止加热。

核心关系式：

温度偏差 = 设定温度 SP - 实际温度 PV

不同偏差下 PID 的动作：

图 2-1　闭环控制的形成过程

这里最关键的是形成一个循环：

PID 输出影响房间温度
    ↓
房间温度反馈给 PID
    ↓
PID 再次调整输出

如果只调用 PID_Compact 而没有温度仿真模型，实际温度不会变化，闭环就无法完成。

2.2 为什么必须建立 FB_RoomTempSim

现实系统中的信号过程是：

PID 输出 → 加热器发热 → 房间温度变化 → 温度传感器反馈

本项目没有真实房间、加热器和传感器，因此用 FB_RoomTempSim 模拟这一过程：

rHeaterOutPct → FB_RoomTempSim → rRoomTempPV

2.3 房间温度计算原理

房间温度受两个作用影响。

加热作用：加热输出越大，升温越快。

加热升温速率 = 加热输出百分比 / 100 × 最大升温速率

散热作用：房间温度高于环境温度越多，散热越快。

散热速率 = （房间温度 - 环境温度）× 散热系数

例如：

房间温度 = 55 ℃
环境温度 = 25 ℃
散热系数 = 0.02
散热速率 = （55 - 25）× 0.02 = 0.6 ℃/s

净温度变化速率（原文"静温度变化速率"为错别字，已更正）：

净温度变化速率 = 加热升温速率 - 散热速率

考虑到 100 ms 的执行周期：

本周期温度变化量 = 净温度变化速率 × 0.1 s

最后：

新房间温度 = 上周期房间温度 + 本周期温度变化量

2.4 完整公式与单位说明

rHeatRate     = (rHeaterOutPct ÷ 100.0) × rHeaterGain
rHeatLossRate = (rRoomTempState - rAmbientTempPV) × rHeatLossGain
rTempChange   = (rHeatRate - rHeatLossRate) × rCycleTimeSec
rRoomTempState = rRoomTempState + rTempChange

各变量含义与单位：

2.5 单加热、无主动制冷的特点

本系统只有加热器，没有制冷设备，因此温度只能上升或依靠自然散热下降。当设定值下调时，实际温度只能缓慢下降到新设定值附近；PID 在稳态时不会输出 0%，因为必须持续补偿房间向环境的散热（详见第 10 章）。

3. 项目结构与程序块规划

说明：原始笔记中曾将仿真 FB 的实例 DB 写作 FB_RoomTempSim_Inst，项目截图中的实际名称为 DB_RoomTempSim_Inst，本文以截图为准。

固定周期非常重要：PID 参数和温度仿真都与时间有关，必须保证计算周期恒定，这也是 PID 必须放在循环中断 OB 中调用的原因。

创建循环中断 OB 的方法：项目树 → PLC_1 → 程序块 → 添加新块，类型选择 Cyclic interrupt，编号 30，循环时间 100 ms。

图 3-1　添加循环中断 OB_Cyclic100ms（编号 30，循环时间 100 ms）

图 3-2　OB_Cyclic100ms 编译完成，错误 0、警告 0

4. 变量命名与最终变量表

4.1 命名规则

命令变量来自 PLCSIM 监控表或 HMI 按钮，不是现场实体按钮；如果是实体按钮，后缀可改用 PB。

以下错误写法已在整理时统一更正：

4.2 最终全局 DB 变量表（DB_B2_Control）

下表以项目最终 DB_B2_Control 截图（图 4-3）为准，按类别整理。

操作命令

系统状态

温度变量

PID 命令与状态

PID 输出

安全输出

安全输出即 rHeaterOutSafePct，其取值逻辑见第 6 章。

报警变量

HMI 报警触发字

温度仿真参数

温度仿真参数以最终项目为准：rHeaterGain = 1.0、rHeatLossGain = 0.02、rCycleTimeSec = 0.1。原始笔记前期说明中出现的 2.0 和 0.03 为旧值，与最终项目不一致，已废弃，不再作为最终值保留。

图 4-1　DB_B2_Control 初建时的仿真相关变量（rHeaterGain = 1.0、rHeatLossGain = 0.02、rCycleTimeSec = 0.1）

图 4-2　DB_B2_Control 编译完成，错误 0、警告 0

图 4-3　项目最终完整的 DB_B2_Control 变量表（含 PID 相关变量；wHMIAlarmTrigger 为后期新增，不在本图中）

5. 房间温度仿真 FB

5.1 为什么使用 FB 而不是 FC

温度仿真需要记住"上一周期的房间温度"，例如：

第一次计算：25.00 ℃
第二次计算：25.10 ℃
第三次计算：25.20 ℃

FB 可以通过静态变量（Static）保存上一周期的结果；FC 没有静态存储区，不适合直接保存这种内部状态。因此使用 FB_RoomTempSim，并创建对应的实例 DB DB_RoomTempSim_Inst。

5.2 创建 FB 与接口定义

项目树 → PLC_1 → 程序块 → 添加新块，类型选择 函数块 FB，名称 FB_RoomTempSim，语言 LAD。

图 5-1　添加新块：创建 FB_RoomTempSim（LAD）

图 5-2　FB 接口区：Input 变量定义

图 5-3　FB 接口区：Output、Static 与 Temp 变量定义

接口区知识点：

Input  输入变量：由调用方传入
Output 输出变量：FB 计算结果输出给调用方
Static 静态变量：保存在实例 DB 中，FB 本次执行结束后数值不会消失
Temp   临时变量：只用于本次计算，不需要保存到下一周期

Input

Output

Static

Temp

5.3 LAD 程序段设计

各程序段的实现：

图 5-4　程序段 1：温度仿真状态复位（xSimResetCmd 为 TRUE 时将 rInitialRoomTemp 写入 rRoomTempState）

图 5-5　程序段 2：加热输出百分比限幅

图 5-6　程序段 3：计算加热升温速率

图 5-7　程序段 4：计算房间环境散热速率

图 5-8　程序段 5：计算净温度变化速率

图 5-9　程序段 6：计算当前周期温度变化量

图 5-10　程序段 7：更新房间温度内部状态

图 5-11　程序段 8：输出房间实际温度

图 5-12　FB_RoomTempSim 编译完成，错误 0、警告 0

图 5-13　在 OB_Cyclic100ms 程序段 1 中调用 FB_RoomTempSim（实例 DB 为 DB_RoomTempSim_Inst）

5.4 100 ms 周期的意义

温度模型中的升温速率和散热速率都是"每秒变化量"，必须乘以计算周期才能得到每个周期的温度增量。周期必须固定，否则同样的 PID 输出会产生不同的温度变化速度，导致模型失真。因此 FB 的调用放在循环中断 OB_Cyclic100ms 中，周期固定为 0.1 s，与 rCycleTimeSec = 0.1 一致。

5.5 开环升温验证

FB 编写完成后，先在 PLCSIM 中做开环测试，验证温度模型本身正确。

图 5-14　启动 S7-PLCSIM，下载 B2_RoomTempPID_S71500 项目

图 5-15　PLC 程序下载成功，错误 0、警告 0

测试步骤：

1. 在监控表中 xSimResetCmd 的"修改值"输入 TRUE，点击"立即修改"。
2. 确认 rRoomTempPV 变为 25.0。
3. 将 xSimResetCmd 改回 FALSE，再次点击"立即修改"。
4. 在 rHeaterOutTestPct 中输入 100.0，点击"立即修改"，观察 rRoomTempPV。

正常现象是温度从 25.0 ℃ 连续上升。观察到升至约 30 ℃ 后，把 rHeaterOutTestPct 改为 0.0，温度应逐渐下降并接近 25 ℃。

图 5-16　开环升温与散热测试过程（GIF，演示在监控表中修改 rHeaterOutTestPct 并观察 rRoomTempPV 的变化）

6. 全局 DB 与安全联锁

6.1 安全联锁信号链

在正式接入 PID 之前，先用测试输出 rHeaterOutTestPct 建立"系统启停 + 安全联锁"逻辑：

测试/PID 输出
    ↓
系统运行 ＋ 无超温报警
    ↓
安全加热输出 rHeaterOutSafePct
    ↓
FB_RoomTempSim

对应的变量与逻辑关系：

正常启动（无超温报警）：

xSystemReadySts = TRUE
→ 按下 xSystemStartCmd
→ xSystemRunningSts = TRUE
→ xHeatingEnableSts = TRUE

停止系统：

xSystemStopCmd = TRUE
→ xSystemRunningSts = FALSE
→ xHeatingEnableSts = FALSE
→ rHeaterOutSafePct = 0.0

超温时：

rRoomTempPV ≥ rRoomTempHighLimit（80 ℃）
→ xRoomTempHighAlm = TRUE（置位锁存）
→ 系统停止
→ 禁止加热
→ rHeaterOutSafePct = 0.0

报警复位（温度已下降到复位限值以下，且操作员发出复位命令）：

rRoomTempPV ≤ rRoomTempHighResetLimit（75 ℃）
并且 xAlarmResetCmd = TRUE
→ xRoomTempHighAlm = FALSE
→ xSystemReadySts = TRUE

注意：报警复位后系统不会自动重新启动（xSystemRunningSts 仍为 FALSE），必须再次执行启动命令，这符合安全原则。

6.2 OB_Main 程序段实现

OB_Main 共 10 个程序段，本章覆盖程序段 1～8，程序段 9、10（HMI 报警触发字）见第 11 章。

图 6-1　程序段 1：超温报警置位（锁存）

图 6-2　程序段 2：报警复位

图 6-3　程序段 3：系统就绪判断（无超温报警且无 PID 错误时允许启动）

图 6-4　程序段 4：系统启动保持

图 6-5　程序段 5：停止与报警复位运行状态

图 6-6　程序段 6：生成加热允许

图 6-7　程序段 7：生成安全加热输出

图 6-8　程序段 8：修改循环中断，统一 100 ms 执行周期

程序段 8：生成 PID 控制器复位请求

在 DB_B2_Control 中增加变量：

注意区分两个变量：xPIDResetCmd 是操作员发出的复位命令；xPIDResetReq 是程序综合判断后的实际复位请求。

程序段 8 建立两个并联条件：上方 xSystemRunningSts 常闭触点，下方 xPIDResetCmd 常开触点，连接普通线圈 xPIDResetReq：

系统没有运行 OR 操作员发出 PID 复位命令
→ xPIDResetReq = TRUE

运行关系：

系统停止 → PID 复位并进入 State 0
系统启动 → Reset 由 TRUE 变 FALSE → PID 进入 Mode 3 自动模式

同时修改程序段 3 的系统就绪逻辑：原来只有 NOT xRoomTempHighAlm，现在增加 PID 错误的常闭触点：

NOT xRoomTempHighAlm AND NOT xPIDErrorAlm → xSystemReadySts

即超温报警或 PID 错误任何一个出现，系统都不允许运行。

6.3 两个加热输出变量的区别

• rHeaterOutPct 是 PID 原始计算输出，只反映 PID 想要多少加热量。
• rHeaterOutSafePct 是经过停止、超温和 PID 错误联锁后的最终执行输出。

系统运行 且 无报警：rHeaterOutSafePct = rHeaterOutPct
系统停止 或 存在报警：rHeaterOutSafePct = 0.0

发生停止、超温或 PID 错误时，rHeaterOutSafePct 一定被切断为 0，这才是现场加热器最终收到的命令。HMI 最终显示的应是 rHeaterOutSafePct，画面名称为"加热器实际输出"（见第 9 章）。

接入 PID 后的控制链条：

rRoomTempSP（设定温度）
    ↓
PID_RoomTempCtrl（PID_Compact）
    ↑ rRoomTempPV（实际温度反馈）
    ↓
rHeaterOutPct（PID 计算输出）
    ↓
安全联锁
    ↓
rHeaterOutSafePct
    ↓
FB_RoomTempSim
    ↓
新的 rRoomTempPV

6.4 安全联锁测试

测试使用监控表完成，四个场景均通过。

a. 停止状态禁止加热

设置：xSystemStartCmd = FALSE、xSystemStopCmd = FALSE、rHeaterOutTestPct = 100.0。

预期：xSystemReadySts = TRUE、xSystemRunningSts = FALSE、xHeatingEnableSts = FALSE、rHeaterOutSafePct = 0.0。

虽然测试输出为 100%，系统没有启动，安全输出必须是 0%。

图 6-9　测试一：停止状态禁止加热（GIF，演示系统未启动时 rHeaterOutSafePct 保持 0%）

b. 启动系统

修改 xSystemStartCmd = TRUE，然后恢复 FALSE。

预期：xSystemRunningSts = TRUE、xHeatingEnableSts = TRUE、rHeaterOutSafePct = 100.0、rRoomTempPV 持续上升。启动命令恢复 FALSE 后，xSystemRunningSts 仍保持 TRUE（自保持）。

图 6-10　测试二：启动系统（GIF，演示启动后运行状态自保持并开始升温）

c. 停止系统

修改 xSystemStopCmd = TRUE，然后恢复 FALSE。

预期：xSystemRunningSts = FALSE、xHeatingEnableSts = FALSE、rHeaterOutSafePct = 0.0、rRoomTempPV 逐渐下降。

图 6-11　测试三：停止系统（GIF，演示停止后输出归零、温度回落）

d. 模拟超温报警与复位

为了不用等到 80 ℃，临时设置 rRoomTempHighLimit = 30.0、rRoomTempHighResetLimit = 28.0。将温度仿真复位到 25 ℃ 后解除复位，再启动系统并保持测试输出 100%。

温度达到 30 ℃ 时预期：xRoomTempHighAlm = TRUE、xSystemReadySts = FALSE、xSystemRunningSts = FALSE、xHeatingEnableSts = FALSE、rHeaterOutSafePct = 0.0。

温度下降到 28 ℃ 以下后，报警仍应保持 TRUE（因为使用了置位线圈）。此时给 xAlarmResetCmd 一个 TRUE → FALSE 脉冲，预期：xRoomTempHighAlm = FALSE、xSystemReadySts = TRUE，但 xSystemRunningSts = FALSE，系统不会自动重启。

全部测试完成后，把报警限值恢复为 rRoomTempHighLimit = 80.0、rRoomTempHighResetLimit = 75.0。

7. PID_Compact 配置

7.1 创建 PID 工艺对象

插入 PID_Compact 的路径：项目树 → PLC_1 → 工艺对象 → 添加新对象 → PID 控制 → PID_Compact。

创建实例数据块时选择"单实例"，名称填写 DB_PID_RoomTempCtrl_Inst。

在 OB_Cyclic100ms 中调用 PID_Compact，程序段前面不要放触点，让 PID 每 100 ms 无条件调用。

图 7-1　OB_Cyclic100ms 中调用 PID_Compact（程序段 1：房间温度 PID 控制；程序段 2：调用房间温度对象仿真）

7.2 设定值、过程值与输出的连接

PID_Compact 的输入输出连接如下：

图 7-2　PID_Compact 组态：Input/Output 参数连接

7.3 控制器类型与 PID 参数

组态要点：

• 控制器类型：温度，单位 ℃。
• 未勾选"反转控制逻辑"。
• 勾选"CPU 重启后激活 Mode"，并将 Mode 设为手动模式（保证上电后 PID 不会立即投入自动）。
• 本项目先手动输入一组保守 PID 参数，再通过闭环测试微调。

图 7-3　控制器类型：温度，CPU 重启后激活 Mode

图 7-4　PID 参数（手动输入）：比例增益 2.0，积分时间 50.0 s，微分时间 0.0 s，采样时间 0.1 s，控制器结构 PID

7.4 自动模式激活：xPIDModeActivateCmd 与 iPIDState

iPIDMode 表示希望 PID 进入什么模式：

0 = 未激活
1 = 预调节
2 = 精确调节
3 = 自动模式
4 = 手动模式

本项目使用 iPIDMode = 3。

iPIDMode = 3 只是告诉 PID"目标是自动模式"，还需要给 xPIDModeActivateCmd 一个 FALSE → TRUE 的上升沿，PID 才会执行模式切换。西门子规定 Mode = 3 代表自动模式，并通过 ModeActivate 上升沿激活。

iPIDState 表示 PID 当前实际处于什么模式。正常自动控制时必须看到：

iPIDMode  = 3
iPIDState = 3

如果 iPIDMode = 3 而 iPIDState = 0，说明虽然目标模式是自动，但 PID 还没有真正激活。

操作方法：在监控表中给 xPIDModeActivateCmd 一个上升沿——输入 TRUE 并"立即修改"，等待监视值变为 TRUE 后，再改回 FALSE。

正确结果：

iPIDState        = 3
xPIDErrorAlm     = FALSE
dwPIDErrorCode   = 16#00000000
rHeaterOutPct    > 0.0

图 7-5　监控表验证：iPIDMode = 3、iPIDState = 3、dwPIDErrorCode = 0，系统闭环运行中

7.5 PID 复位

xPIDResetReq 在系统停止或操作员发出 PID 复位命令时为 TRUE，使 PID 进入复位（State 0）状态；系统启动后 xPIDResetReq 变为 FALSE，PID 才能在 ModeActivate 上升沿作用下进入自动模式。这样保证了"先复位、再启动"的顺序（程序段 8 见第 6 章）。

7.6 为什么必须在 OB_Cyclic100ms 中周期调用

PID_Compact 内部的积分、微分计算和抗饱和处理都与采样时间有关。放在普通 OB1 中调用时，扫描周期会随程序负荷波动，导致 PID 实际采样时间不恒定、控制效果变差；放在 100 ms 循环中断中调用，可以保证 PID 每 100 ms 精确执行一次，与组态的 PID 算法采样时间 = 0.1 s 一致。

8. PLC 与 HMI 通信组态

8.1 添加 HMI 设备

项目树 → 设备和网络 → 添加新设备 → PC 系统 → WinCC RT Advanced，版本选择 V17，设备名称 HMI_B2_PC。

图 8-1　添加新设备 HMI_B2_PC（PC 系统 → WinCC RT Advanced V17）

8.2 添加 PC 通信接口

保持在设备视图，在右侧打开"硬件目录"，找到路径：通信模块 → PROFINET/Ethernet → IE General（常规 IE），将它拖到 PC 站中 WinCC RT Advanced 旁边的空槽位。

图 8-2　在 PC 站中添加 IE general_1 通信模块

8.3 建立 PN/IE 网络

点击上方网络视图，应能同时看到 PLC_1 和 HMI_B2_PC。

找到两个设备上的绿色以太网接口（PLC_1 的 PN/IE 接口和 IE general_1 的绿色接口），用鼠标从 IE general_1 的绿色方框拖线到 PLC_1 的绿色 PN 接口。连接成功后，两台设备接入同一条网络 PN/IE_1。

图 8-3　网络视图：PLC_1 与 HMI_B2_PC 接入 PN/IE_1 子网

8.4 设置 IP 地址

最终成功配置：

两台设备必须在同一网段，但 IP 不能相同；子网均为 PN/IE_1。

设置 PLC 地址：

1. 在网络视图中单击 PLC_1 下方的绿色接口方块。
2. 在下方巡视窗口中选择：属性 → 常规 → PROFINET 接口 [X1] → 以太网地址。
3. 在"IP 协议"区域选中在项目中设置 IP 地址。
4. 填写 IP 地址 192.168.0.1、子网掩码 255.255.255.0，子网保持 PN/IE_1。
5. 取消勾选在设备中直接设定 PROFINET 设备名称，保持自动生成 PROFINET 设备名称（原因见第 13 章）。

图 8-4　PLC_1 PROFINET 接口以太网地址设置（图中为修改前的错误状态：勾选了"在设备中直接设定 PROFINET 设备名称"）

设置 PC 地址：

1. 单击 HMI_B2_PC 中 CP IE 下方的绿色接口。
2. 在下方属性中进入：属性 → 常规 → IE general → 以太网地址。
3. 填写 IP 地址 192.168.0.2、子网掩码 255.255.255.0、子网 PN/IE_1。

如果界面下方没有"属性"窗口，点击 TIA 底部的"属性"标签，或选择视图 → 巡视窗口。

图 8-5　IE general_1 以太网地址设置：IP 192.168.0.2，自动生成 PROFINET 设备名称

8.5 建立 HMI 连接

1. 回到网络视图，点击上方连接。
2. 在旁边的连接类型下拉框中选择HMI 连接。
3. 用鼠标从 PC 站中的 HMI_RT_1 / WinCC RT Advanced 拖到 PLC_1。

注意：这次不是拖绿色网口，而是从 WinCC 运行系统模块拖到 PLC。连接成功后会出现一条 HMI 连接线（虚线），名称改为 HMI_Conn_PLC1。可以双击连接线名称修改；如果不能修改，就在项目树的HMI 连接编辑器中改名。

命名含义：HMI 人机界面，Conn Connection 连接，PLC1 通信对象。

图 8-6　建立 HMI 连接 HMI_Conn_PLC1（WinCC RT Advanced ↔ S7-1500）

8.6 关于本机仿真的说明

• 本机 WinCC Runtime 仿真不需要将整个 PC Station 下载到 192.168.0.2。
• 正确做法是：在项目树中选中 HMI_RT_1 [WinCC RT Advanced]，先执行编译 → 软件（全部重新编译），编译无错误后直接点击开始仿真，而不是"下载到设备"。

9. HMI 主画面

本章界面均为 WinCC RT Advanced V17，属性位置可能与其他版本不同。

9.1 建立 HMI 变量表

项目树 → HMI_B2_PC → HMI_RT_1 → HMI 变量，双击添加新变量表，名称 HMI_B2_Tags。

建立变量时：连接选择 HMI_Conn_PLC1，访问模式为符号访问，PLC 变量从 DB_B2_Control 中选择，采集周期 1 s。数据类型会根据 PLC 变量自动识别，不要手动输入绝对地址。

图 9-1　HMI 变量表 HMI_B2_Tags（连接 HMI_Conn_PLC1，符号访问，采集周期 1 s）

9.2 新建主画面与布局规划

项目树 → HMI_RT_1 → 画面，双击添加新画面，名称 Scr_B2_Overview（Scr = Screen 画面，B2 = 项目编号，Overview = 总览）。

画面区域规划：

顶部：项目标题"B2 房间恒温PID控制系统"
左侧：操作按钮
中间：系统状态指示灯
右侧：温度和输出数据显示
底部：趋势曲线

图 9-2　项目树：HMI_RT_1 的画面、HMI 变量与运行系统设置

9.3 四个操作按钮

按钮采用 WinCC RT Advanced V17 中实际验证成功的点动方式：属性 → 事件 → 按下，添加系统函数位处理 → 按下按钮时置位（SetBitWhileKeyPressed），变量选择对应命令变量。

该函数在按住按钮时写入 TRUE，松开后自动恢复 FALSE，因此不需要另外设置"释放"事件，比单独配置"按下 SetBit、释放 ResetBit"更安全，也不会出现命令一直保持 TRUE 的问题。

图 9-3　"系统启动"按钮事件配置：按下按钮时置位 xSystemStartCmd

9.4 三个数值显示框

注意两点：

1. I/O 域本身没有"显示名称"，需要单独放置文本对象，与 I/O 域、单位文本（℃/℃/%）摆放在同一行：

温度设定值    [ 55.0 ] ℃
房间实际温度  [ 25.0 ] ℃
加热器实际输出 [ 60.0 ] %

2. 画面最初显示的是 rHeaterOutPct（名称"PID 加热输出"），项目后期已改为显示经过安全联锁的 rHeaterOutSafePct，名称改为"加热器实际输出"。原因见 6.3 节。

温度设定值的输入范围在 HMI 变量中设置：打开 HMI 变量 → HMI_B2_Tags，选中 rRoomTempSP，在下方属性 → 限值中设置下限：常数 0.0、上限：常数 75.0。如果变量表中看不到限值列，右键列标题 → 显示/隐藏 → 上限、下限。WinCC Advanced 的输入范围由 HMI 变量限值控制，而不是给 I/O 域添加"显示名称"。

I/O 域连接变量的方法：选中 I/O 域 → 属性 → 常规 → 找到变量 / 过程变量，选择对应 HMI 变量，并设置模式（输入/输出 或 输出）与显示格式（一位小数）。

图 9-4　主画面初版：四个按钮与三个数据区、单位

9.5 设置启动画面

本项目在 TIA Portal V19 + WinCC RT Advanced V17 中验证成功的方法：

1. 在项目树中右键画面 Scr_B2_Overview。
2. 选择定义为启动画面。

执行后项目树中该画面会出现启动画面标记，不需要再在其他地方设置。

说明：也可以通过 HMI_RT_1 → 运行系统设置 → 常规 → 画面 → 启动画面 选择启动画面，两种方法等效；本项目采用右键定义为启动画面的方式。

9.6 五个状态指示灯

从右侧工具箱选择基本对象 → 圆，在中间区域画一个小圆，旁边添加文本。选中圆形，进入属性 → 动画 → 添加新动画 → 外观，连接变量并设置颜色：

建议排列：

● 系统就绪   ● 系统运行   ● 加热允许
● 超温报警   ● PID 错误

正常运行时：系统就绪绿色、系统运行绿色、加热允许橙色、超温报警灰色、PID 错误灰色。

图 9-5　状态灯外观动画：变量 xRoomTempHighAlm，值 0 灰色不闪烁，值 1 红色闪烁

图 9-6　复制生成其余状态灯，五个指示灯布局完成

图 9-7　主画面完整布局：按钮、状态灯、数据显示与标题

9.7 报警记录按钮与退出仿真按钮

报警记录按钮：在主画面放置普通按钮，文本报警记录，属性 → 事件 → 单击 → 画面 → 激活屏幕，参数画面名称：Scr_B2_Alarms、对象名：0（报警画面见第 11 章）。

退出仿真按钮：在主画面放置普通按钮，文本退出仿真，属性 → 事件 → 单击添加系统函数停止系统运行（即本版本对应的退出 Runtime 函数）。点击后 WinCC Runtime 画面关闭并自动返回 TIA Portal，虚拟机和 S7-PLCSIM 保持运行（背景见第 13 章）。

9.8 通信验证

完成 HMI 编译（目标：错误 0）后，启动 S7-PLCSIM 并下载 PLC 程序，确认 CPU 处于 RUN，再选中 HMI_RT_1 [WinCC RT Advanced] 点击开始仿真。

运行画面打开后先检查初始状态：

• 温度设定值显示正常（如 55.0 ℃）
• 房间实际温度显示正常数值
• 加热输出显示 0.0%
• "系统就绪"灯变成绿色
• 数值框没有显示 ####

以上正常即说明 HMI 与 PLC 通信成功。

图 9-8　HMI 与 PLC 通信正常：就绪灯绿色，设定值、实际温度、输出显示正确

10. 温度趋势

10.1 趋势视图组态

1. 退出 HMI 仿真，打开 Scr_B2_Overview。
2. 在右侧工具箱中找到控件 → 趋势视图（本项目画面中趋势标题为"房间温度实时趋势"）。
3. 将趋势视图拖到画面下方空白区域，横向铺满，不遮挡按钮和数据显示。

选中趋势视图，进入属性 → 常规 → 趋势，添加两条趋势：

坐标轴设置：

趋势值：100（约 100 个采样点）
Y 轴（左侧值轴，取消自动范围）：0 ～ 80 ℃
时间范围：约 1 分钟

注意选择的是 HMI 变量表中的变量（HMI_B2_Tags.rRoomTempSP、HMI_B2_Tags.rRoomTempPV），不要直接手动输入 PLC 地址。

关于趋势类型名称：本项目界面为 WinCC RT Advanced V17，下拉选项为触发的实时值、实时位触发、触发的缓冲区位、数据记录。其中触发的实时值按时间周期读取当前变量，适合温度趋势。早期笔记中"选择循环的实时趋势"的说法不适用于 V17，见第 13 章故障排查。

图 10-1　趋势视图组态：两条趋势的名称、趋势值 100、趋势类型与变量来源

图 10-2　趋势类型下拉选项（WinCC RT Advanced V17）

10.2 测试一：25 ℃ 升温至 55 ℃ 闭环跟随

点击系统启动后观察趋势：

• 蓝线（设定温度）稳定在 55 ℃
• 绿线（实际温度）从约 25 ℃ 平稳上升
• 实际温度逐渐逼近设定值，无明显超调或振荡
• PID 输出稳定在约 60%

图 10-3　升温跟随测试：实际温度从 25 ℃ 附近开始上升

图 10-4　升温跟随测试：温度持续逼近设定值

图 10-5　升温跟随测试：实际温度达到 54.3 ℃，逐渐逼近 55 ℃ 设定值，PID 输出稳定

为什么接近设定值以后 PID 输出不会降为零：房间一直在向环境散热，散热速率与温差成正比。要维持 55 ℃ 恒温，加热器必须持续输出约 60% 来抵消这部分热损失；如果输出降为 0，房间温度会立刻开始下降。这也是"单加热、无制冷"系统的正常特性。

10.3 测试二：设定值由 55 ℃ 阶跃降至 45 ℃

系统保持运行，将温度设定值从 55.0 ℃ 改成 45.0 ℃，观察趋势约 1～2 分钟。

预期现象：蓝线立即从 55 降到 45；PID 输出快速降低（本项目中从约 60% 降到约 40%，未降到 0）；由于系统只有加热、没有制冷，实际温度只能依靠自然散热缓慢下降；接近 45 ℃ 后，PID 重新给出一定加热输出以维持温度。

实际结果与预期一致：设定值蓝线立即降到 45 ℃，实际温度绿线从约 55 ℃ 开始缓慢下降，PID 输出降到约 40%。此时输出虽低于维持 52 ℃ 所需的量（房间因此降温），但接近 45 ℃ 后的约 40% 输出正好用于抵消房间散热。

图 10-6　阶跃测试：设定值由 55 ℃ 降至 45 ℃，实际温度缓慢跟随下降

11. HMI 离散量报警

11.1 报警原理

PLC 报警变量变为 TRUE
    ↓
HMI 生成带时间和文本的报警记录
    ↓
报警视图显示"进入、确认、离开"

11.2 使用 Word 报警触发字（关键结论）

WinCC RT Advanced V17 的离散量报警不能直接用 BOOL 变量触发——直接选择 PLC 中的 BOOL 变量会提示"变量的数据类型不适用于此类报警"。因此本项目在 DB_B2_Control 中增加一个 Word 类型的报警触发字，用不同位代表不同报警：

位分配：

对应数值：

11.3 PLC 侧逻辑（OB_Main 程序段 9、10）

程序段 9：生成 HMI 离散量报警触发字（超温）

|----[ xRoomTempHighAlm ]----( wHMIAlarmTrigger.%X0 )----|

即 "DB_B2_Control".xRoomTempHighAlm 驱动 "DB_B2_Control".wHMIAlarmTrigger.%X0。

图 11-1　程序段 9：xRoomTempHighAlm 驱动 wHMIAlarmTrigger.%X0

程序段 10：生成 HMI 的 PID 错误触发位

|----[ xPIDErrorAlm ]----( wHMIAlarmTrigger.%X1 )----|

即 "DB_B2_Control".xPIDErrorAlm 驱动 "DB_B2_Control".wHMIAlarmTrigger.%X1。

两个程序段只是把两个 BOOL 报警"装进"一个 WORD 变量让 HMI 读取，并不重新判断报警。%X0/%X1 表示 WORD 变量的第 0 位/第 1 位。完成后编译 PLC，目标错误 0。

11.4 HMI 变量

在 HMI_B2_Tags 新增：

11.5 建立离散量报警

项目树 → HMI_RT_1 → HMI 报警 → 离散量报警，点击第一行<添加>建立两条报警：

填写注意：

• ID 让系统自动生成，不要手动修改。
• 触发变量 通过下拉按钮从 HMI_B2_Tags 中选择 wHMIAlarmTrigger；不要选择 iPIDState，它是 PID 运行状态，不是报警触发字。
• 触发器地址 自动生成（分别为 .x0、.x1）。
• HMI 确认变量、HMI 确认位、HMI 确认地址和报表暂时全部留空。

图 11-2　离散量报警编辑器（V17 列布局）

图 11-3　两条报警的最终配置：触发变量 wHMIAlarmTrigger，触发位 0 和 1

11.6 报警画面 Scr_B2_Alarms

项目树 → HMI_RT_1 → 画面，双击添加新画面，名称 Scr_B2_Alarms。不把报警列表塞进主画面（主画面已有趋势图），独立报警画面更符合工程项目结构。

画面布局：

顶部：标题"B2 房间恒温PID系统——报警记录"
右上角："返回主画面"按钮
中间及下方：报警视图

放置报警视图：工具箱 → 控件 → 报警视图，拖到画面中下部，对象名称改为 AlmView_B2。

报警视图配置（选中 AlmView_B2 → 属性）：

其他类别（Warnings、System、Diagnosis events、Acknowledgement、No Acknowledgement）暂不勾选；不启用删除报警，避免误清空记录；也不选报警记录（需要另外建立报警日志）。

图 11-4　报警视图常规属性：报警缓冲区，仅勾选 Errors

图 11-5　报警视图"列"属性：显示列与排序设置

图 11-6　报警视图"工具栏"属性：启用确认按钮

返回主画面按钮：在 Scr_B2_Alarms 放置普通按钮，文本返回主画面，属性 → 事件 → 单击添加函数画面 → 激活屏幕（ActivateScreen），画面名称设为 Scr_B2_Overview，对象名保持 0。该按钮不绑定任何 PLC 变量。

画面切换关系：

主画面"报警记录"  → Scr_B2_Alarms
报警画面"返回主画面" → Scr_B2_Overview

图 11-7　"激活屏幕"函数选择

图 11-8　"激活屏幕"参数：画面名称 Scr_B2_Overview，对象名 0

11.7 报警测试

测试方法：在 PLC 监控表中临时将 rRoomTempHighLimit 从原值改小（如 20.0），使当前房间温度高于上限，触发：

xRoomTempHighAlm = TRUE
wHMIAlarmTrigger = W#16#0001

进入 HMI 报警记录 画面，报警列表出现"房间温度超过允许上限，系统已停止加热"。

报警进入：

图 11-9　超温报警进入：状态 I，报警文本完整

报警确认：选中报警记录，点击工具栏带对勾的确认按钮。确认只改变 HMI 中该条报警的状态标记，不会清除 PLC 报警，也不会恢复系统运行。

图 11-10　报警确认：新增 (I)A 记录，超温灯仍为红色，系统保持停止

图 11-11　确认后的报警视图：I 与 (I)A 两条记录并存

报警消失与复位：将 rRoomTempHighLimit 恢复原值，确认 rRoomTempPV ≤ rRoomTempHighResetLimit，返回主画面单击一次报警复位。预期：超温报警灯变灰、系统就绪灯重新变绿、系统运行仍为灰色、加热允许仍为灰色、输出保持 0%。报警缓冲区保留原记录并新增"报警离开"状态。

图 11-12　报警复位后的主画面：超温灯熄灭、就绪恢复绿色、系统仍停止、输出为 0

图 11-13　报警全生命周期记录：I（进入）、(I)A（已确认）、(IA)O（确认后离开）

报警状态标记含义：

11.8 HMI 报警确认与 PLC 报警复位的区别

这两个是不同的动作，不能混淆：

HMI 报警确认：操作员表示已经看到报警（只改变 HMI 报警记录的状态）
PLC 报警复位：故障条件消失后，由 PLC 程序清除报警位

报警确认不会清除 PLC 的报警位，也不会让系统恢复运行；只有故障条件消失并执行 PLC 报警复位后，系统才重新就绪。

12. 联合仿真与验收测试

本章汇总整台系统的联调与验收结果。测试环境：TIA Portal V19 + S7-PLCSIM + WinCC RT Advanced V17，PLC 与 HMI 通过 HMI_Conn_PLC1 通信。

12.1 验收测试记录

测试过程截图较多，正文中保留代表性结果图（图 9-8、图 10-3～图 10-6、图 11-9～图 11-13），联锁四项测试的动态过程见图 6-9～图 6-11 的 GIF。

12.2 闭环运行与停止的代表性画面

图 12-1　闭环运行画面：就绪/运行绿色、加热允许橙色，设定 55.0 ℃，实际 38.9 ℃，输出 60.1%

图 12-2　系统停止画面：运行/加热变灰，就绪保持绿色，输出降为 0.0%，温度 43.2 ℃ 后逐渐回落

启动与停止的完整运行演示动图见文首「运行演示动图」（图 D-1、图 D-2）。

12.3 冷启动验收要点

冷启动指关闭 WinCC Runtime 和当前 S7-PLCSIM 实例后，重新启动 S7-PLCSIM、重新下载完整 PLC 程序并启动 HMI 仿真，验证项目不依赖上一次的运行状态。冷启动后报警缓冲区可能被清空，这是正常的；报警的完整生命周期已在冷启动前验证通过，冷启动不再重复制造超温或 PID 错误。

13. 常见问题与故障排查

本章集中记录项目中实际遇到的问题，均已在项目中验证解决。

13.1 HMI 仿真全屏后无法退出

• 现象：进入 WinCC Runtime 仿真后无法退出全屏画面。
• 原因：HMI 画面没有配置"退出运行系统"按钮。
• 解决方法：临时可用 Alt + F4；若无反应，用 Alt + Tab 切回 TIA Portal 点击工具栏红色方块停止仿真/停止运行系统；仍无法退出时，用 Ctrl + Shift + Esc 打开任务管理器，结束 SIMATIC WinCC Runtime Advanced 进程。根本解决方法是在主画面增加退出仿真按钮，在单击事件中调用系统函数停止系统运行（见 9.7 节）。
• 验证结果：点击退出仿真后 Runtime 画面关闭，自动返回 TIA Portal，虚拟机和 S7-PLCSIM 保持运行。

13.2 PROFINET 设备名称编译错误

• 现象：编译 PLC 报错，错误 1、警告 2，信息为"'在设备中直接设置 PROFINET 设备名称'选项必须与在设…"，位置为 PLC_1 → PROFINET 接口 → X1。
• 原因：IP 地址选择了"在项目中设置"，但 PROFINET 设备名称选择了"在设备中直接设置"，两种方式不一致。
• 解决方法：PLC_1 → 设备组态，选中 CPU 绿色网口 X1，进入属性 → 常规 → 以太网地址，保持在项目中设置 IP 地址（192.168.0.1），取消勾选在设备中直接设定 PROFINET 设备名称，保持自动生成 PROFINET 设备名称，重新编译。两个黄色警告（CPU 未设置访问保护密码）可暂时忽略，目标结果为错误 0、警告 2。
• 验证结果：修改后编译通过，PLC 下载成功（错误 0、警告 0）。

图 13-1　项目树中出现编译错误标记

图 13-2　编译错误信息：PROFINET 设备名称设置方式与 IP 设置方式不一致

13.3 错误下载 PC Station

• 现象：在线记录中出现"通过地址 IP=192.168.0.2 连接到 IE general_1 失败"，项目树上留下红色标记。
• 原因：误选中 HMI_B2_PC [SIMATIC PC station] 执行了"下载到设备"。本项目做的是本机 WinCC Runtime 仿真，PC 站硬件组态不需要下载到 192.168.0.2。
• 解决方法：改为选中 HMI_RT_1 [WinCC RT Advanced]，先编译 → 软件（全部重新编译），编译无错误后直接开始仿真，不是"下载到设备"。项目树上的红色标记是下载失败残留的状态，不影响 HMI 仿真。
• 验证结果：PLC 下载成功（错误 0、警告 0，已通过地址 IP=192.168.0.1 连接到 PLC_1），HMI 仿真正常启动。

图 13-3　修改后重新下载，项目树仍残留下载失败留下的红色标记（不影响仿真）

图 13-4　在线记录：IE general_1（192.168.0.2）连接失败与 PLC_1（192.168.0.1）下载成功的对比

13.4 HMI 无法直接使用 BOOL 报警变量

• 现象：离散量报警的触发变量直接选择 PLC 中的 BOOL 变量（如 xRoomTempHighAlm、xPIDErrorAlm）时，提示"变量的数据类型不适用于此类报警"。
• 原因：WinCC RT Advanced V17 的离散量报警需要 Word/Int 类型的"报警触发字"，再用不同位区分不同报警，不支持 BOOL 变量直接触发。
• 解决方法：在 DB_B2_Control 中新增 Word 变量 wHMIAlarmTrigger，在 OB_Main 程序段 9、10 中把两个 BOOL 报警分别装入 bit0、bit1，HMI 报警改用该 Word 变量触发（完整方案见第 11 章）。
• 验证结果：报警配置保存成功，超温报警进入、确认、离开全流程测试通过。

图 13-5　选择 BOOL 变量作为触发变量时报错：变量的数据类型不适用于此类报警

图 13-6　触发变量列表中 BOOL 变量无法选择

13.5 WinCC V17 趋势类型名称不同

• 现象：按其他版本资料选择"循环的实时趋势"时，在本项目 V17 界面中找不到该选项。
• 原因：不同版本的趋势类型名称不同。本项目界面为 WinCC RT Advanced V17，实际选项为触发的实时值、实时位触发、触发的缓冲区位、数据记录。
• 解决方法：两条曲线均选择触发的实时值（按时间周期读取当前变量，适合连续温度趋势），趋势值 100。
• 验证结果：趋势连续显示正常，升温跟随与阶跃测试曲线完整。

13.6 HMI I/O 域属性位置与其他版本不同

• 现象：按其他版本资料在 I/O 域上找不到"显示名称"等属性。
• 原因：V17 中 I/O 域本身只负责显示或输入数值，不包含名称；数值说明需要单独放置文本对象。连接变量在属性 → 常规 → 变量 / 过程变量中设置。
• 解决方法：每个数值框左侧放置文本对象，右侧放置单位文本（℃/%），三者同一行；输入范围通过 HMI 变量的属性 → 限值设置，而不是给 I/O 域添加属性。
• 验证结果：三个数值框显示与输入均正常。

13.7 报警确认后 PLC 报警仍然存在

• 现象：在报警视图点击确认后，主画面超温报警灯仍然为红色，系统仍未恢复。
• 原因：HMI 报警确认只是操作员"已看到报警"的标记，不会清除 PLC 报警位，也不会恢复系统运行。
• 解决方法：先在监控表恢复 rRoomTempHighLimit 原值使故障条件消失，再在主画面执行报警复位清除 PLC 报警位（区别见 11.8 节）。
• 验证结果：复位后超温灯熄灭、就绪恢复绿色、系统保持停止，需重新启动。

13.8 报警缓冲区在 Runtime 重启后可能清空

• 现象：冷启动重新下载并再次打开 Runtime 后，之前的报警缓冲记录不见了。
• 原因：WinCC RT Advanced 的报警缓冲区保存在 Runtime 内存中，Runtime 重启后会被清空；如需长期保存须另外配置报警记录/日志。
• 解决方法：本项目接受该行为，冷启动验收时不再重复报警测试；重要报警的长期存储留待后续项目用数据记录实现。
• 验证结果：冷启动后报警视图为空属正常现象，报警功能本身正常。

13.9 趋势表格短暂出现

• 现象：趋势下方表格的时间/数值列短暂显示 ########。
• 原因：光标对应的时间点还没有有效数据（或列宽不足），属于显示问题，不是通信故障。
• 解决方法：等待数据刷新或适当加宽列。
• 验证结果：后续截图中显示正常，不影响趋势功能。

14. 项目归档与重新打开

14.1 生成归档文件

TIA Portal 项目应使用自带的归档功能生成 .zap19 文件，不要直接压缩项目文件夹。

操作步骤：

1. 关闭 WinCC Runtime 仿真，停止在线监控。
2. 保存项目（Ctrl + S）。
3. 点击顶部菜单：项目 → 归档（英文界面为 Project → Archive）。
4. 选择保存位置，建议新建文件夹 B2_RoomTempPID项目归档。
5. 归档文件名建议：B2_RoomTempPID_S71500_V1.0_20260907，TIA 自动生成 B2_RoomTempPID_S71500_V1.0_20260907.zap19。
6. 如出现"丢弃可恢复数据"等附加选项，保持默认。
7. 点击归档，等待完成。

说明：原始笔记中"项目 → 恢复"的说法不准确——归档用项目 → 归档；重新打开归档文件应使用项目 → 打开直接选择 .zap19（方法见下节）。

14.2 重新打开归档（本项目实测方法）

在本机 TIA Portal V19 中实际验证成功的打开方法：

1. 启动 TIA Portal V19。
2. 选择项目 → 打开。
3. 选择 .zap19 归档文件。
4. 选择一个新的恢复目录。
5. 等待恢复并打开项目。
6. 编译 PLC 和 HMI，检查错误为 0。

14.3 推荐归档资料结构

B2_RoomTempPID项目归档
├── 01_TIA项目
│   └── B2_RoomTempPID_S71500_V1.0_20260907.zap19
├── 02_程序截图
├── 03_HMI截图
├── 04_测试记录
├── 05_项目说明
└── 06_仿真视频

15. 项目总结

15.1 本项目已掌握的能力

• PLC 结构化编程（OB/FB/DB 的分工与调用关系）
• FB 和实例 DB（静态变量保存周期之间的状态）
• 循环中断 OB（固定周期执行与时间相关的程序）
• PID 闭环控制（PID_Compact 组态、模式激活、状态监控）
• 被控对象仿真（用 FB 建立一阶热平衡模型补全闭环）
• 安全联锁（停止、超温、PID 错误三级切断，报警锁存与复位）
• HMI 变量、按钮、状态灯（点动命令、外观动画）
• 趋势和报警（实时趋势、Word 触发字离散量报警、缓冲区记录）
• PLC/HMI 联合仿真（网络组态、HMI 连接、联合调试）
• 项目归档（.zap19 归档与重新打开验证）