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摘　　要

温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。

加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。

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。

加热炉温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。

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。

本设计是利用西门子S7-200PLC控制加热炉温度的控制系统。

首先介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了西门子S7-200PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。

关键词：

温度控制；PID；温度传感器；可控硅电压调整器

Abstract

Temperaturecontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrycontrolledfield，asthetemperaturecontrolsystemofboilersandweldingmachinesinsteelworks、chemicalplant、heat-engineplantetc.Heating-stovetemperaturecontrolhasalsobeenappliedwidelyinallkindsoffields.TheapplicationofthisaspectisbasedonSCMwhichismakingthePIDcontrol,yetthehardwareandsoftwaredesignofDDCsystemcontrolledbySCMissomewhatcomplicated,it’snotanadvantageespeciallyrelatedtologiccontrol,howeveritisacceptedasthebestchoicewhenmentionedtoPLC.

Thefurnacetemperatureofheating-stoveisalargeinertiasystem，sogenerallyusingPIDadjustingtocontrol.WiththeexpandingofPLCfunction,thecontrolfunctioninmanyPLCcontrollershasbeenexpanded.ThereforeitismorereasonabletoapplyPLCcontrollingintheapplicablefieldswherelogicalcontrolandPIDcontrolblendtogether.ThedesignhasutilizedthecontrolsystemwithwhichSiemensS7-200PLCcontrolthetemperatureheating-stove.Inthefirstplacethispaperpresentstheworkingprinciplesofthetemperaturecontrolsystemandtheelementsofthissystem.ThenitintroducesSiemensS7-200PLCandthespecificdesignproceduresofthehardwareandthesoftware.

KeywordsTemperaturecontrolPIDtemperaturepickupSCRVoltageConverter

目　　录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2研究的主要内容 1

1.3系统的设计目标及技术要求 1

1.4控制系统的设计原理 2

1.5技术综述 2

第2章硬件设计 4

2.1西门子S7-200PLC 4

2.1.1西门子S7-200主要功能模块介绍 4

2.1.2开关量I/O模块介绍 5

2.2温度传感器 5

2.2.1热电偶 6

2.2.2热电阻 6

2.3模拟量输入模块 8

2.3.1EM231模拟量输入模块 8

2.3.2EM232模拟量输出模块 10

2.4可控硅电压调整器 11

2.4.1可控硅电压调整器简介 11

2.4.2可控硅电压调整器的主要性能指标 12

2.4.3双向可控硅交流调压原理 12

2.4.4可控硅电压调整器在加热炉中的应用 13

2.5本章小结 14

第3章炉温PID控制算法 15

3.1PID控制器基本概念 15

3.2PID控制算法数字化处理 16

3.3PID在PLC中的回路指令 19

3.4模拟量采集的数字滤波算法 21

3.5采样周期的选择 23

3.6PID参数整定 24

3.7本章小结 27

第4章软件设计 28

4.1STEP7编程软件简介 28

4.2方案设计思路 28

4.3程序流程图 30

4.4系统程序实现 30

4.5PLC炉温控制系统的调试 31

4.6本章小结 31

第5章组态画面设计 32

5.1组态王简介 32

5.2组态画面设计 32

5.2.1创建项目 32

5.2.2创建主画面 34

5.2.3建立实时趋势曲线 35

5.2.4创建报警窗口 35

5.2.5建立系统原理画面 36

5.2.6建立参数监控画面 37

5.3本章小结 38

第6章系统调试 39

6.1组态王与S7-200的通信 39

6.2启动组态王 39

6.3参数设定和监控 40

6.4报警信息提示 41

6.5趋势曲线监控 42

6.6本章小结 43

结论 44

致谢 45

参考文献 46

附录１ 47

附录2 49

附录3 52

第1章　绪论

1.1　课题背景及意义

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]。

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。

这也正是本设计所重点研究的内容。

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；

1.3　系统的设计目标及技术要求

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800℃—1000℃，温度控制精度小于3℃，系统的超调量须小于15%，并具有温度上下限报警功能和故障报警功能。

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。

1.4　控制系统的设计原理

加热炉温度控制系统基本构成如图1-1所示，它由PLC主控系统、可控硅电压调整器、加热炉、温度传感器、温度变送器等几个部分组成[2]。

图1-1加热炉温度控制系统基本构成框图

通过调节双向可控硅的通断来调节电阻丝的输出功率，由温度检测元件热电阻将采集到的炉膛温度信号，经过温度变送器转换为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-200PLC可识别的数字量。

用编制好的程序对其进行计算，得到实际温度值，在与给定的温度值比较，得到的偏差经过PID运算后，输出的数字量经过D/A转换，在由模拟量输出模块送给可控硅电压调整器，产生可控硅脉冲触发信号，该信号触发可控硅电路，最终由该电路驱动电炉的加热丝，通过调整可控硅触发信号（即调节供电电压每个周期的导通角），即可控制电炉电压的通断及大小，进而达到控制炉温的目的。

1.5　技术综述

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。

在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。

目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。

成熟产品主要以“点位”控制及常规的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，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。

温度控制系统大致可分别用3种方式实现，一种是用仪器仪表来控制温度，这种方法控制的精度不高。

另一种是基于单片机进行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,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。

因此本设计选用西门子S7-200PLC来控制加热炉的温度。

第2章　硬件设计

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域。

现代社会要求制造业对市场需求做出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、高质量的产品。

为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置。

本章主要介绍西门子S7-200系列PLC以及其它硬件的组成与选型。

2.1　西门子S7-200PLC

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[3]。

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。

2.1.1西门子S7-200主要功能模块介绍

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。

④CPU224XP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。

⑤CPU226它有24输入/16输出,I/0共计40点,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CPU224XP相同。

2.1.2开关量I/O模块介绍

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2-1所示：

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[4]。

2.2　温度传感器

温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。

温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。

根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。

从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。

真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。

50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。

在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。

与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

这里我们主要介绍热电阻和热电偶。

2.2.1热电偶

工业热电偶作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，它可以直接测量各种生产过程中不同范围的温度。

若配接输出4-20mA、0-10V等标准电流、电压信号的温度变送器，使用更加方便、可靠。

对于实验室等短距离的应用场合，可以直接把热电偶信号引入PLC进行测量。

热电偶的工作原理是,两种不同成份的导体,两端经焊接，形成回路，直接测量端叫工作端（热端），接线端子端叫冷端，当热端和冷端存在温差时，就会在回路里产生热电流，这种现象称为热电效应；接上显示仪表，仪表上就会指示所产生的热电动势随动势的对应温度值，电温度升高而增长。

热电动势的大小只和热电偶的材质以及两端的温度有关，而和热电偶的长短粗细无关。

根据使用场合的不同，热电偶有铠装式热电偶、装配式热电偶、隔爆式热电偶等种类。

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。

非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

2.2.2热电阻

热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件。

热电阻是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

当电阻值变化时，二次仪表便显示出电阻值所对应的温度值。

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。

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，在-200～+850℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势。

铂热电阻根据使用场合的不同与使用温度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。

作为测温元件，它具有良好的传感输出特性，通常和显示仪、记录仪、调节仪以及其它智能模块或仪表配套使用，为它们提供精确的输入值。

若做成一体化温度变送器，可输出4-20mA标准电流信号或0-10V标准电压信号，使用起来更为方便。

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[5]。

工业上将铂电阻R0分别在50Ω和100Ω（称Pt100）的条件下，制成相应Rt-t关系制成分度表，供查用。

如表2-2所示：

表2-2铂热电阻分度表

工作端温度/℃

Pt100

工作端温度/℃

Pt100

工作端温度/℃

Pt100

-50

80.31

100

138.51

250

194.10

-40

84.27

110

142.29

260

197.71

-30

88.22

120

146.07

270

201.31

-20

92.16

130

149.83

280

204.90

-10

96.09

140

153.58

290

208.48

100.00

150

157.33

300

212.05

103.90

160

161.05

310

215.61

107.79

170

164.77

320

219.15

111.67

180

168.48

330

222.68

115.54

190

172.17

340

226.21

119.40

200

175.86

350

229.72

123.24

210

179.53

360

233.21

127.08

220

183.19

370

236.70

139.90

230

186.84

380

240.18

134.71

240

190.47

390

243.64

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电桥接线。

如图2-1所示：

图2-1热电阻三线制电桥接法

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。

本系统采用的是0-10V标准温度变送器，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。

如图2-2所示：

图2-2PT100标准一体化温度变送器接线图

2.3模拟量输入模块

S7-200系列PLC模拟量I/O模块主要由EM231模拟量4路输入、EM232模拟量2路输出和EM235模拟量4输入/1输出混合模块3种，另外还有EM231模拟量输入热电偶模块和EM231模拟量输入热电阻模块[7]。

2.3.1EM231模拟量输入模块

传感器检测到温度转换成0～10V的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC内部的模拟量输入寄存器AIW中。

在这里，我们选用了西门子EM231模拟量输入模。

存储在16位模拟量寄存器AIW中的数据有效位为12位，其格式如图2-3所示。

对单极性格式，最高位为符号位，最低3位是测量精度，即A/D转换是以8为单位进行的；对于双极性格式，最低4位为转换精度，A/D转换是以16为单位进行的。

图2-3模拟量输入数据的数字量格式

使用模拟量输入模块时，首先需要根据模拟量信号的类型及范围通过模拟量模块有右下侧的DIP设定开关进行输入信号的选择，其选择的具体操作如下表所示，本设计选用的电压信号为0~10V作为模拟量模块的输入信号，则DIP选择开关应选为SW1开、SW2关、SW3开。

如图2-4所示：

图2-4EM231选择模拟量输入范围的开关表

选好DIP开关的设置后，还需对输入信号进行整定，输入信号的整定就是要确定模拟量输入信号与数字量转换结果的对应关系，通过设定DIP设定开关左侧的增益旋钮可调整该模块的输入输出关系。

为了使DIP开关设置起作用，用户需要给PLC的电源断电再通电。

如图2-5所示：

图2-5EM231模拟量输入模块端子及DIP开关示意图

经上述调整后，若输入电压范围为0~10V的模拟量信号，则对应的数字量结果应为0~32000或所需要数字

2.3.2EM232模拟量输出模块

EM232模拟量输出的过程是将PLC模拟量输出寄存器AQW中的数字量转换为可用于驱动元件的模拟量，其外部接线端子及内部结构如下图2-6所示：

图2-6EM232模拟量输出模块外部接线图及内部结构图

由图可知，存储于AQW中的数字量经EM232模块中的数模转换器分为两路信号输出，一路经电压输出缓冲器输出标准的-1

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