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论文PLC的温度控制

国家职业资格全国统一鉴定

维修电工技师论文

（国家职业资格二级）

论文题目：

PLC的炉温控制系统

目录

摘要：

1

1.摘要1

1.1炉体结构1

1.2退火工艺要求2

2.基于PLC的炉温控制系统的硬件设计3

2.1系统的控制要求3

2.2系统设计思路4

2.3系统的硬件配置5

3炉温PID控制算法5

3.1模拟PID算法6

4.PLC的炉温控制系统的软件设计6

4.1STEP7软件介绍：

7

4.2输入输出设置7

4.3系统流程图8

4.4系统程序实现9

4.4.1炉温实际温度检测10

5.基于触摸屏的监控软件的设计10

5.1MT500系列触摸屏概述12

5.2监控软件设计流程图12

5.3系统联机调试12

参考文献13

1摘要

1.1课题背景

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中，温度是一个非常重要的过程变量。

例如：

在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制[1]。

这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。

随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

因此，PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。

这也正是本课题所重点研究的内容。

1.2研究的主要内容

本课题的研究内容主要有：

1）温度的检测；

2）采用PLC进行恒温控制；

3）PID算法在PLC中如何实现；

4）PID参数对系统控制性能的影响；

5）温控系统人机界面的实现。

2基于PLC的炉温控制系统的硬件设计

2.1系统控制要求

本PLC温度控制系统的具体指标要求是：

对加热器加热温度调整范围为0℃—150℃，温度控制精度小于3℃，系统的超调量须小于15%。

软件设计须能进行人机对话，考虑到本系统控制对象为电炉，是一个大延迟环节，且温度调节范围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。

2.2系统设计思路

根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。

整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。

系统硬件框图结构如图所示:

图2.1系统硬件框图

被控对象为炉内温度，温度传感器检测炉内的温度信号，经温度变送器将温度值转换成0～10V的电压信号送入PLC模块。

PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出控制信号，经调压装置输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现炉温的连续控制。

2.3系统的硬件配置

2.3.1S7-200PLC选型

S7-200系列PLC是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。

由于它具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用[2]

S7-200系列可以根据对象的不同,可以选用不同的型号和不同数量的模块。

并可以将这些模块安装在同一机架上。

SiemensS7-200主要功能模块介绍：

（1）CPU模块S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元,电源以及数字I/O点,这些都被集成在一个紧凑,独立的设备中。

CPU负责执行程序,输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载.从CPU模块的功能来看,CPU模块为CPU22*,它具有如下五种不同的结构配置CPU单元：

①CPU221它有6输入/4输出,I/0共计10点.无扩展能力,程序和数据存储容量较小,有一定的高速计数处理能力,非常适合于少点数的控制系统。

②CPU222它有8输入/6输出，I/0共计14点，和CPU221相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。

③CPU224它有14输入/10输出，I/0共计24点，和前两者相比,存储容量扩大了一倍,它可以有7个扩展模块,有内置时钟,它有更强的模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多S7-200产品。

④CPU226它有24输入/16输出,I/0共计40点,和CPU224相比,增加了通信口的数量,通信能力大大增强。

它可用于点数较多,要求较高的小型或中型控制系统。

⑤CPU226XM它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和CPU226相同。

（2）开关量I/O扩展模块当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行I/O扩展,I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。

通常开关量I/O模块产品分3种类型:

输入模块,输出模块以及输入/输出模块。

为了保证PLC的工作可靠性,在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。

如光电隔离,输入保护（浪涌吸收器,旁路二极管,限流电阻）,高频滤波,输入数据缓冲器等。

由于PLC要控制的对象有多种,因此输出模块也应根据负载进行选择,有直流输出模块,交流输出模块和交直流输出模块。

按照输出开关器件种类不同又分为3种：

继电器输出型,晶体管输出型和双向晶闸管输出型。

这三种输出方式中,从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中；若从与外部电路安全隔离角度看,继电器输出型最好。

在实际使用时，亦应仔细查看开关量I/O模块的技术特性，按照实际情况进行选择。

由于本系统是单回路的反馈系统，CPU224XP相比与其他型号具有更好的硬件指标，其上自带有模拟量的输入和输出通道，因此节省了元器件的成本，CPU224XP自带的模拟量I/O规格如表：

表2.1模拟量I/O配置表

I/O信号信号类型

电压信号

电流信号

模拟量输入*2

±10V

/

模拟量输出

0~10V

0~20mA

CPU224XP自带的模拟量输入通道有2个，模拟量输出通道1个。

在S7-200中，单极性模拟量的输入/输出信号的数值范围是0~32000，双极性模拟信号的数值范围是-32000~+32000[3]

2.3.2温度传感器

温度传感器有四种主要类型：

热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定，典型的有铜热电阻、铂热电阻等。

其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，它的阻值会随着温度的变化而改变，通常用PT100来表示。

其中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。

PT100是广泛应用的测温元件，在-50~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。

由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。

校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值[4]。

常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。

常用的采样电路有两种：

一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。

本设计采用的就是三线制接线。

由于铂热电阻测出的是温度变化，需要在将信号输入PLC前加一个温度变送器，将温度信号转换成电压信号。

本系统采用的温度变送器是DZ4130，使用过程中要加一个24V的电源，该电源可以从PLC上直接获得。

3炉温PID控制算法

3.1模拟PID算法简介

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便[5]。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

4PLC的炉温控制系统的软件设计

4.1STEP7MICRO/WIN32软件介绍

STEP7-Micro/WIN32编程软件是由西门子公司专为S7-200系列PLC设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用[8]，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。

同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。

此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。

程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。

梯形图中的错误处的下方自动加红色曲线，语句表中错误行前有红色叉，且错误处的下方加红色曲线。

软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。

联机方式：

有编程软件的计算机与PLC连接，此时允许两者之间做直接通信。

离线方式：

有编程软件的计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分基本功能。

如编程、编译和调试程序系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机上[9]。

两者的主要区别是：

联机方式下可直接针对相连的PLC进行操作，如上载和下载用户程序和组态数据等；而离线方式下不直接与PLC联系，所有程序和参数都暂时存放在磁盘上，等联机后在下载到PLC中。

4.2输入输出点配置

表4.1程序使用输入输出点配置

符号

地址

注释

运行

M0.0

0运行1停止

输出归一

VD900

0~1

手自动

M0.3

0手动1自动

手动输出

VD700

0~1

实际温度

VD550

度

设定温度

VD650

度

模拟输出

AQW0

16000~0

PID输出

VW800

VW800

4.3系统流程图

图4.1系统流程图

4.4系统程序实现

4.4.1炉温实际温度的检测

图4.2将采集采集实际温度转换为PLC计算数值的程序

炉温实际温度的检测是要将温度量转化为PLC可识别的量，所以，将温度变送器输出的值先由16位的整型转化为32位的双整型，再由双整型转化为实型，实型小数点后可有6位，故比较精确。

由于铂电阻的最大量程为150摄氏度，PLC模拟输入输出最大位为32000，为将测得的温度值与PLC中计算值相对应，故将送入PLC中的温度值先除以32000再乘以150，此时得到测得温度值在PLC中计算所对应的数，将该数送入变量寄存器VD550。

4.4.2PID算法在S7-200中的实现

S7-200的编程软件Micro/WIN提供了PID指令向导，PID控制程序可以通过指令向导自动生成[10]。

除此之外，PID指令也同时会被自动调用。

首先选择运用PID算法的回路，本系统就一个回路，故选择回路0：

图4.3回路选择界面

第二步给回路参数定值，本系统采用的铂电阻的测量范围是0~150度，故给定范围的低限和高限分别为0和150；回路的参数可以先不设定，因为新的S7-200CPU支持PID自整定功能

图4.4回路给定值范围和参数配置界面

第三步设置回路输入输出项，输入和输出量都是单级性的模拟量，因为S7200的单极性模拟量输入输出信号的数值范围是0~32000[11]，所以输入项的量程为0~32000，由于输出时通过的变相器的量程只有输入时的一半，故输出的量程设置为0~16000

图4.5回路输入输出参数性质配置界面

第四步是给该子程序命名和添加手动控制

图4.6子程序命名和选择手动控制界面

这步完成以后PID向导就帮我们完成了PID算法子程序的设计。

然后在程序中调用向导生成的PID子程序（如下图）

图4.7生成子程序图

图4.8PID子程序图

4.4.3输出控制量的处理

图4.9输出控制程序图

经PID控制过后的输出量和输入一样，同样要其由整型转化为实型，但由于本系统的电压变送器采用的是5伏的反相模块，所以对应的最大值变为16000。

虽然铂电阻的测温范围是在0到150摄氏度之间，所以本系统只对0至150摄氏度之间的温度做显示，当输出值大于16000时，说明温度高于150摄氏度，考虑到反相调压模块，输出值设为0；当输出值小于0时说明温度低于0摄氏度，同样要考虑到反相调压模块，输出要设为16000；当输出在0至150摄氏度之间时，输出值应当设定为16000减去当前值才可适应于反相调压模块。

将输出值要送至模拟输出端AW0。

当开关M0.0断开时，会有一个脉冲下降沿，故当开关断开时同样要考虑反相调压模块，要将16000送至输出端。

5基于MT500系列触摸屏的监控软件的设计

5.1MT500系列触摸屏概述

MT500系列触摸屏是专门面向PLC应用的，它不同于一些简单的仪表式或其它的一些简单的控制PLC的设备，其功能非常强大，使用非常方便，非常适合现代工业越来越庞大的工作量及功能的需求。

日益成为现代工业必不可少的设备之一[14]。

MT500系列人机除了拥有一般的人机所拥有的功能外，还提供了许多如下特有的功能：

1.可以同时开启6个弹出窗口；

2.可以拥有和WINDOWS系列操作系统一样的任务栏和快选窗口——工作按钮；

3.方便快捷的主从连接方式使多台触摸屏的互连通信简单易行，稳定可靠而又效率出众；

4.可在弹出窗口中放置窗口控制功能键，使弹出窗口可以最小（大）化，及任意移动窗口；

5.新增留言板功能，可更改笔的粗细，颜色，并可使用橡皮擦功能等。

用该软件设计出的人机触摸屏界面应满足能迅速获取、处理应用系统运行过程中的数据、命令，并且以适当的形式显示出来[15]。

5.2监控软件设计流程图

图5.1监控软件设计流程图

5.3系统联机调试

将PLC与计算机，触摸屏联机调试，PLC接计算机的COM1口，触摸屏接计算机的COM4口，PLC与触摸屏通过RS-485端口连接。

第一步：

让PLC处于RUN状态（可以通过计算机或者拨动硬件上的开关）；

第二步：

在触摸屏上按运行按钮，让系统运行；

第三步：

在触摸屏上按自动按钮，此时触摸屏上的设定值为当前温度的实际值；

第四步：

通过触摸屏改变设定值，输入想要让电炉内温度达到的值；

第五步：

在计算机上的STEP7-Micro/WIN32软件上监控，并调出PID自整定面板，开始自动调节，到调节完成后，小灯泡将根据输出的电压发出相应的亮度来给电炉加热。

第六步：

在触摸屏上按速度曲线按钮，触摸屏可显示当前温度变化的趋势，电压调节的趋势和温度的设定值。

系统的实时曲线监控画面如图所示：

图5.13系统调节的实时曲线图

参考文献

[1]毕业设计加热炉参数检测和炉温控制系统设计[J].

[2]袁宏斌，刘斐，牛双国等.西门子S7-200PLC应用教程[M].北京：

机械工业出版社，2007.21~26.

[3]刘华波.西门子S-7200PLC编程及应用案例精选[M].北京：

机械工业出版社，2009.5

[4]热电阻Pt100测温电路调试体会[J].

[5]李方园.西门子S7-200PLC从入门到实践[M].北京:

电子工业出版，2010.143.

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人民邮电出版社，2008.8.

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机械工业出版社，2010.14~16.

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160~162.

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人民邮电出版社，2007.33.

[9]张扬，蔡春伟，孙建明.S7-200PLC原理与应用系统设计[M].北京：

机械工业出版社，2007.107~108.

[10]田淑珍.S7-200PLC原理及应用.北京：

机械工业出版社，2009.170~175.

力出版社，2009,242~248.