基于西门子PLC的温度控制系统的设计说明文档格式.docx

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其中PLC的快速发展使得各种控制系统更加的简洁，效率更高，而且系统稳定可靠。

S7-200是西门子公司开发的一种可编程控制器。

PLC（ProgrammableLogicController）可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

是工业控制的核心部分。

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业与民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

如：

冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

温度控制系统在国各行各业的应用虽然十分广泛，但从国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”控制与常规的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与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外必然发展趋势。

本次设计即是利用温度控制硬件设备、计算机与PLC相结合，实现对水箱温度自行控制的测量。

本装置主要由电源、S7-200PLC，模拟量输入模块，模拟量输出模块，计算机，温度传感器与变送器，电力调整器、水箱构成。

本次设计设计以上各个部分。

本论文主要完成温度的采集，温度的调节以与水加热系统的设计。

2系统的介绍

2.1系统的描述

本系统为基于PLC的水箱温度控制系统。

开始的时候打开入口电磁阀箱水箱中加水，在水箱中放置一个浮球用来测试水面的高度。

系统开始工作时，将水箱中得水温通过传感器传送给PLC主机，主机再通过控制加热器来加热水箱中的水，当水箱中的水温达到设定值时，就自动减少功率加热。

当热水层中的水量少于一半时，停止加热，加热层在自动补水，补满后继续加热，以此往复的工作。

2.2系统的功能

本系统中所使用的有温度传感器用来实现对温度的数据的采集，所采集的数据通过温度变数器传送给PLC，中间有个数据的转换，我们所使用的温度传感器是Pt100，它主要是受温度的变化是的电阻也发生变化，根据这个原理来采集温度数据，因为直接采集的不是温度的具体值，所以要通过温度变送器来转化数据，然后通过PLC的程序来调节。

这个被采集的数据不能直接送到PLC中，需要一个输入模块，通过输入模块把数据送到PLC中，因为对数直接加热而不经过调节会使得误差较大，所以在这个系统中用了PID控制，它可以使得误差更小，对水温的调节更加的精确。

经过CPU处理后，输出的数据通过PLC的输出模块，来控制可控硅的偏转角，从而控制加热器。

当达到所要求的水温时，因为水箱会散热，所以加热器不能停止加热，而是小功率的在加热。

2.3系统的框图

电源

开关量

输入模块

输出模块

加热器

PLC主机

水箱

3硬件设计

3.1温度变送器

工作原理:

　温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流与反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的4～20mA电流信号输出。

作用:

将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。

温度变送器是将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，主要用于工业过程温度参数的测量和控制。

电流变送器是将被测主回路交流电流转换成恒流环标准信号，连续输送到接收装置。

温度电流变送器是把温度传感器的信号转变为电流信号，连接到二次仪表上，从而显示出对应的温度。

比如，温度传感器的型号为PT100，那么温度电流变送器的作用就是把电阻信号转变为电流信号，输入仪表，显示温度。

性能指标:

*执行标准：

IEC688：

1992，QB/LF系列2007——1

　　*输入围：

-60℃~175℃

　　*精度等级：

≤0.5%.F.S

　　*整机功耗：

≤0.5VA

　　*绝缘电阻：

≥20MΩ（DC500V）

　　*响应时间：

≤350mS

　　*工作环境：

-10℃~50℃，20%~90%无凝露

　　*贮存环境：

-40℃~100℃，20%~95%无凝露

　　*将被测环境温度隔离转换成按线性比例输出的单路标准直流电压或直流电流；

　　*低功耗、可靠性高；

　　*优良的抗干扰能力；

　　*拔插端子接口、标准导轨（35mm）安装；

*体积小、外型尺寸（mm）：

95（L）×

37（W）×

32（H）；

技术参数:

1、热电偶温度变送器技术指标

※输入

　　输入类型：

K、E、S、B、T、J等型热电偶

　　温度量程围：

（如下图）

　　输入阻抗：

≥20KΩ

　　冷端温度补偿：

0～100℃

※输出

　　输出电流：

4～20mA

　　输出回路供电：

12～30VDC

　　最小工作电压：

12VDC

　　负载电阻与供电电源的关系：

※综合参数

　　标准精度：

±

0.2%

　　温度漂移：

基本误差/10℃

　　热电阻引线补偿：

0.1%（0～10Ω）

　　负载变化影响：

0.1%（允许负载围）

　　电源变化影响：

0.1%（12～30V）

　　开机响应时间：

<

1S（0～90%）

　　工作环境温度：

0～+100℃

　　防护等级：

IP00/IP54（传感器防护等级决定）

　　电磁兼容：

符合IEC61000,EN61000

2、热电阻温度变送器技术指标

Pt100：

-200～850℃Cu50：

-50～150℃

　　最小温度量程：

100℃

　　引线电阻：

≤10Ω

　　负载电阻（包括引线电阻）=供电电源（V）-12（V）/0.02A

0.2%（参见选型表）注：

需要高精度可订制

电磁兼容：

3.2PT100温度传感器

温度传感器种类繁多,但最符合要求的PT100温度传感器.PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

经过仔细的网上搜寻,我觉得中亚传感器的产品性能较好.以下是对它的一些简单的介绍:

它的工作原理：

当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。

但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。

铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式：

-200<

t<

0℃Rt=R0[1+At+Bt*t+C（t-100）t*t*t]

（1）

0≤t<

850℃Rt=R0（1+At+Bt2）

（2）

Rt为t℃时的电阻值，R0为0℃时的阻值。

公式中的A,B,系数为实验测定。

这里给出标准的

DINIEC751系数：

A=3.9083E-3、B=-5.775E-7、C=-4.183E-12

根据韦达公式求得阻值大于等于100欧姆的Rt-〉t的换算公式：

　　0≤t<

850℃t=（sqrt（（A*R0）^2-4*B*R0*（R0-Rt））-A*R0）/2/B/R0

PT100温度感测器是一种以白金（Pt）作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：

R=Ro（1+αT）　其中α=0.00392,Ro为100Ω（在0℃的电阻值）,T为摄氏温度<

br>

因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。

1：

Vo=2.55mA×

100（1+0.00392T）=0.255+T/1000。

2：

量测Vo时,不可分出任何电流,否则测量值会不准。

电路分析由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,由于7.2V齐纳二极体的作用,使得1K电阻和5K可变电阻之电压和为6.5V,靠5K可变电阻的调整可决定电晶体的射（集极）极电流,而我们须将集极电流调为2.55mA,使得量测电压V如箭头所示为0.255+T/1000。

其后的非反向放大器,输入电阻几乎无限大,同时又放大10倍,使得运算放大器输出为2.55+T/100。

6V齐纳二极体的作用如7.2V齐纳二极体的作用,我们利用它调出2.55V,因此电压追随器的输出电压V1亦为2.55V。

其后差动放大器之输出为Vo=10（V2-V1）=10（2.55+T/100-2.55）=T/10,如果现在室温为25℃,则输出电压为2.5V。

PT100铂电阻RT曲线图表

温度（度）

阻值（欧姆）

100

10

103.9

20

107.79

30

111.67

40

115.54

50

119.4

60

123.24

70

127.07

80

130.89

90

134.7

138.5

Pt100分度表

3.3PLC的简介

PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC与其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

PLC=ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

3.3.1PLC主机的选型

CPU单元设计：

集成的24V负载电源：

可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU224，输出280，可用作负载电源。

CPU224具有14个输入点和10个输出点。

本次选用的PLC的CPU是CPU224。

S7-200Cpu224

3.3.2PLC的输入和输出模块的选型

PLC有多种输出和输入模块，本系统中的输入信号是温度信号，所以选择EM231作为它的输入模块，总共有四个模拟量输入。

EM232作为它的输出模块，有两个模拟量输出。

热电偶选型：

热电阻选用Pt100，其温度测量围为0℃~100℃，测量精度为0.1摄氏度。

水箱中的温度一般在：

20℃~100℃，不超过100℃，控制恒温水供很多恒温装置实用。

EM231的模块设定如下：

SW1/SW2/SW3/=010（热电偶选型为T型热电偶）。

SW4=0（OFF）状态。

SW5=0正向断线检查。

SW6=0断线检查使能，模块向输入端加入20uA的检测电流，判断模块是否断线。

SW7=0温度单位选为（℃）。

SW8=0冷端补偿使能。

型号

名称

主要参数

DC5V消耗

功耗

EM231

模拟量输入

4点，DC0~10V/0~20mA输入，12位

20mA

2W

2点，热电阻输入，16位

87mA

1.8W

4点，热电偶输入，16位

EM232

模拟量输出

2点，-10V~+10V/0~20mA，12位

3.4PID

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，控制与时，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。

图3.1闭环控制系统

如图3.1所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。

偏差e和输入量r、输出量c的关系:

（3-1）

控制器的输出为：

（3-2）

---------PID回路输出

----------比例系数P

-----------积分系数I

-----------微分系数D

PID调节的传输函数为

（3-3）

数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。

其离散化的规律。

表3.1模拟与离散形式

模拟形式

离散化形式

所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为:

（3-4）

式中，

称为比例项

称为积分项

称为微分项

上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。

计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。

故可利用PLC中的PID指令实现位置式PID控制算法量。

3.4.1PID在PLC中的回路指令

西门子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，见表3.2

表3.2PID回路指令

PID运算

指令格式

PID

指令表格式

PIDTBL,LOOP

梯形图

使用方法：

当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。

指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD400到VD432都被占用了。

LOOP是回路号，可以是0～7，不可以重复使用。

PID回路在PLC中的地址分配情况如表3.3所示。

表3.3PID指令回路表

偏移地址

数据类型

说明

过程变量（PVn）

实数

必须在0.0~1.0之间

4

给定值（SPn）

8

输出值（Mn）

12

增益（Kc）

比例常数，可正可负

16

采样时间（Ts）

单位为s，必须是正数

采样时间（Ti）

单位为min，必须是正数

24

微分时间（Td）

28

积分项前值（MX）

32

过程变量前值（PVn-1）

3.4.2回路输入输出变量的数值转换方法

本文中，设定的温度是给定值SP，需要控制的变量是水箱的温度。

但它不完全是过程变量PV，过程变量PV和PID回路输出有关。

在本文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。

传感器输入的电流信号经过EM231转换后，是一个整数值，但PID指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。

使用指令DTR就可以了。

如本设计中，是从AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。

3.4.3实数归一化处理

因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值0.0~1.0之间，所以，在执行PID指令之前，必须把PV和SP的值作归一化处理。

使它们的值都在0.0~1.0之间。

单极性的归一化的公式：

3.4.4PID参数整定

PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。

一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。

目前，应用最多的还是工程整定法：

如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。

经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验。

3.5可控硅

可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。

具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。

该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。

家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机与工