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关键字：
PLC编程语言温度控制
前言
随着时代的发展,当今的技术日趋完善，竞争也愈演愈烈;
传统的人工的操作已不能满足于目前的制造业前景,也无法保证更高质量的要求和提升高新技术企业的形象。
在生产实践中,自动化给人们带来了极大的便利和产品质量上的保证,同时也减轻了人员的劳动强度,减少了人员上的编制。
在许多复杂的生产过程中难以实现的目标控制、整体优化、最佳决策等,熟练的操作工、技术人员或专家、管理者却能够容易判断和操作,可以获得满意的效果。
人工智能的研究目标正是利用计算机来实现、模拟这些智能行为,通过人脑与计算机协调工作,以人机结合的模式,为解决十分复杂的问题寻找最佳的途径。
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产。
温度控制的传统方法是人工—仪表控制。
其重复性差，工艺要求难以保证，人工劳动强度大。
目前大多数使用微机代替常规控制。
以微机为核心控制系统虽然成本较低，但微机的可靠性和抗干扰性较差而使其硬件设计较复杂。
而以PLC为核心的控制系统，虽然成本较高，但PLC本身就有很强的抗干扰性和可靠性，因而系统的硬件设计也简单得多。
所以，相比较于微机控制，PLC控制在过程控制方面更具有优势。
这种系统控制精度高、重复性好、自动化程度高，可以大大提高产品质量和减轻工人的劳动负担
第一章技术介绍
1.1温度控制系统的发展状况
制系统（FCS）等温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。
温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。
期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。
当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控。
1.2.PLC介绍
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为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，用来在其内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及其有关的外围设备都应该按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。
”
1.2.1基本结构
各种PLC的组成结构基本相同，主要有CPU,电源，储存器和输入输出接口电路等组成。
（1）中央处理器
中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。
CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。
CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。
（2）储存器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。
系统存储器用于存放PLC的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。
现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PROM存储器来作为系统存储器和用户存储器。
（3）输入输出接口单元
PLC的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU；
PLC的输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。
PLC的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。
（4）扩展接口和通信接口
PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要；
通信接口的功能是通过这些通信接口可以和监视器、打印机、其他的PLC或是计算机相连，从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。
1.2.2工作原理
PLC的工作方式为循环扫描方式，当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
其工作过程大致分为3个阶段：
输入采样、程序执行和输入采样、程序执行和输出刷新
1.2.3PLC的分类
（1）小型PLC
小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。
它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。
（2）中型PLC
中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。
I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。
它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。
（3）大型PLC
一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。
大型PLC的软、硬件功能极强。
具有极强的自诊断功能。
通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。
大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。
1.2.4功能特点
使用灵活、通用性强——PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。
在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。
当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。
2.可靠性高、抗干扰能力强——微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；
传统的继电器—接触器控制系统抗干扰能力强，但由于存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。
PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达4～5万小时。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。
如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰，其工作环境温度为0～60℃，无需强迫风冷。
3.接口简单、维护方便——PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修更换。
有的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。
4.体积小、功耗小、性价比高——以小型PLC（TSX21）为例，它具有128个I/O接口，可相当于400～800个继电器组成的系统的控制功能，其尺寸仅为216×
127×
110mm3，重2.3kg，不带接口的空载功耗为1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的10～20％。
PLC的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。
5.编程简单、容易掌握——PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑了现场工程技术人员的技能和习惯。
大多数PLC的编程均提供了常用的梯形图方式和面向工业控制的简单指令方式。
编程语言形象直观，指令少、语法简便，不需要专门的计算机知识和语言，具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内掌握。
利用专用的编程器，可方便地查看、编辑、修改用户程序。
6.设计、施工、调试周期短——用继电器—接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。
而采用PLC控制，由于其靠软件实现控制，硬件线路非常简洁，并为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。
由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。
PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。
1.2.5编程语言
五种标准化编程语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和指令表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
顺序功能图是一种结构块控制程序流程图，梯形图和功能模块图是图形化语言，指令表、结构文本两种文本语言，梯形图的应用直观，与指令表可以相互转换。
1.2.5PLC的发展
可编程序控制器是六十年代末在美国首先出现的，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，由此日本称它为顺序控制器（SequenceController）。
提出PLC概念的是美国通用汽车公司。
当时，根据汽车制造业生产线的需要，希望用电子化的新型控制器替代继电器控制盘，以减少汽车改型时，重新设计制造继电器控制盘的成本和时间。
随着半导体技术尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到七十年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出组件和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的“PLC”已不再是仅有逻辑（Logic）判断功能了，同时具有数据处理、PID调节和数据通讯功能。
美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManu-factoryAssociation）从1976年开始，经过四年的调查，于1980年把它正式命名为可编程序控制器，简称“PC”
3.2.1
我国PLC的发展
我国PLC产品的研制、生产，大体上经历了从顺序控制器到1位处理器为主体的工业控制器，再到8位微处理器为主体的可编程控制器的三个发展阶段。
1974年，国内一些高校、科研单位开始研制顺序控制器，大多使用分立元件。
随着我国改革开放政策的落实，同时国外PLC人大量进入我国市场，一部分随成套设备进口，一部分直接引进中小型PLC产品（大多为GE公司、西门子公司、三菱公司、立石公司等），开始进入以8位微处理器为核心的PLC时代。
目前，可编程控制器已广泛应用子各个工业领域，并取得了明显的效益。
主要表现出以下特点：
使用低档机型多，中、高档机型少，使用国外进口机型多，国产机型少；
使用在经济发达地区多，在经济落后地区少，用于单个设备或生产线的多、大批量产品配套的少。
因此，国产化PLC的前景是令人鼓舞的，我们必须加快PLC产化步伐，进一步推广PLC应用技术，努力培养相关专业技术人员
3.3.2PLC的扫描工作原理
与其它计算机系统相同，PLC的CPU采用分时操作原理，每一时刻执行一个操作，随时间顺序执行各个操作。
这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。
PLC上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。
一次循环可归纳为五个工作阶段，各阶段完成的任务如下：
·
公共处理。
复位监控定时器（WDT），进行硬件检查，用户内存检查等。
检查正常后，方可进行下面的操作。
如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。
I/O刷新。
输入刷新时，CPU从输入电路中读出各输入点状态，并将此状态写入输入映象寄存器中;
输出刷新时，将输出继电器的元件映象寄存器的状态传送到输出锁存电路，再经输出电路隔离和功率放大，驱动外部负载。
执行用户程序。
在程序执行阶段，CPU按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行解释、执行，CPU从输入映象寄存器和输出映象寄存器中读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入输出映象寄存器中。
外设端口服务。
完成与外设端口连接的外围设备（如编程器）或通讯适配器的通信处理。
1.3研究技术介绍
1.3.1
传感技术
传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础技术。
中华人民共和国国家标准GB7665-1987对传感器的定义是：
“能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
其中，敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分；
转换元件是指传感器中能将敏感元件或响应的被测量转换成适于传感器或被测量的电信号部分。
”
对生产过程的监控首先离不开采集设备工作信息，因此选用合适的传感器至关重要，如果把计算机看作是自动化系统的“大脑”，信道看作是“神经网络”的话，那么传感器就是自动化系统的“五官”。
无法对现场数据进行准确、可靠、实时测量，监控也就无从谈起了。
1.3.2上位机
即便远离生产现场，操作人员仍可以通过远程计算机—即上位机—直接向生产设备发出控制指令的。
上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号变化（液压，水位，温度等），便是人机界面（Human
Machine
Interface）。
而下位机是获取设备状况及直接控制设备的计算机，一般是PLC或单片机。
1.3.3传感器（英文名称：
transducer/sensor）
是一种检测装置设备，它能感受到被测量的信息信号，并能将检测感受到的信息信号，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节
热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。
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、答应误差、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。
第二章系统硬件设计
2.1设计任务
完成设计一自动空气温度调节系统电路设计；
要求可遥控打开或手动打开；
有自动恒温控制和温度即时监测显示以及报警电路；
主要使用PLC完成
2.1.1硬件配置
西门子s7-200
S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。
其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。
本论文采用的是CUP224。
它具有24个输入点和16个输出点
2.1.2总体设计分析
根据温度系统的具体设计要求
①要求PLC系统能够监控反应器的温度，即时显示系统。
②实现桓温控制。
③保温过程中温度过高/低时能发出报警，声报警能用按钮手动解除，光报警在正常时自动解除。
基于以上的要求，所设计的系统必须有以下结构模块：
温度变送器单元、加热单元、报警单元。
2.2系统的硬件电路设计
2.2.1硬件电路
2.3该总体方案主要由以下几个部分组成
（1）温度值给定电路：
主要功能是在给定值输入允许的情况下，接收十进制温度值给定。
（给定值范围为280~700℃）。
（2）
（2）PLC：
主要完成PID调节功能以及数据变换。
（3）电源同步信号产生电路：
主要功能是产生与电源同步的周波信号。
电源周波信号用作数字触发电路的输入信号。
（4）数字触发电路：
主要功能是输出晶闸管触发脉冲，触发晶闸管导通，根据数字控制器的输出值，控制晶闸管的导通周波个数，以达到电功率控制功能。
（5）度检测电路：
主要功能是将温度传温感器的输出信号进行放大，并进行A/D转换。
（6）温度显示与报警指示电路：
主要功能是完成电阻炉温度的实时显示以及故障报警和恒温指示。
（7）复位电路：
完成系统的运行/停止
2.3.1系统工作原理：
温度传感器将温度变换为模拟信号，经低通滤波器滤掉干扰信号后送放大器，将信号放大后送A/D模块转换为数字量送PLC，数字量经标度变换，得到实际气温。
数字控制器根据恒温给定值
与实际炉温Q的偏差e（k）按积分分离PID控制算法，得到输出控制量u（k），控制晶闸管导通时间，调节气温的变化使之与给定恒温值一致，达到恒温控制目的。
当恒温时间到、输入错误或系统发生故障时，系统发出报警信号，同时用三个数码管对空气温度进行实时显示。
第
第三章系统软件设计
PLC程序输入可以通过手持编程器、专用编程器或计算机完成。
但由于手持编程器在程序输入或阅读理解分析时比较烦琐；
专用编程器价格高，通用性差，而计算机除了可以进行PLC的编程外，还可作为一般计算机的用途，兼容性好，利用率高。
因此，利用计算机进行PLC编程和通信更具优势。
3.1程序流程图
否
是
高
低
是
3.2PLC控制系统软件设计
PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分，上一章已经详细介绍了本项目硬件连接。
本章在硬件设计的基础上，将详细介绍本项目软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法，编程软件STEP7--Micro/WIN的介绍以及本项目程序设计。
3.1PLC程序设计方法
编写PLC程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。
1.图解法编程图解法是靠画图进行PLC程序设计。
常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。
（1）梯形图法梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。
这是一种模仿继电器控制系统的编程方法，其图形甚至元件名称都有继电器电路十分相似。
这种方法很容易地把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。
这对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一种编程方法。
（2）逻辑流程图法逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反映输入与输出的关系。
逻辑流程图会使整个程序脉络清晰，便于分析控制程序、查找故障点及调试和维修程序。
（3）时序流程图法时序流程图法是首先画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把框图写成PLC程序。
这种方法很适合以时间为基准的控制系统的编程方法。
（4）步进顺控法步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。
一般比较复杂的程序都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序可以看成整个控制过程的一步
3.1.2.经验法编程
经验法是运用自己的或者别人的经验进行设计。
多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。
结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。
3.1.3.计算机辅助设计编程
计算机辅助设计是通过PLC编程软件（比如STEP7--Micro/WIN）在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。
使用编程软件可以很方便的在计算机上离线或在线编程、在线调试，在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE文件[14]。
3.2编程软件STEP7--Micro/WIN概述
STEP7--Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为s7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。
它是西门子s7-200用户不可缺少的开发工具。
现在加上中文程序后，可在全中文的界面下进行操作，用户使用起来更加方便
3.3设计思路
PLC运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等，存入有关的数据寄存器，使定时器复位；
按启动按钮，系统开始温度采样，采样周期为10秒；
K型热电偶传感器把所测量的温度进行标准量转换（0-41毫伏）；
模拟量输入通道AIW0通过读入0-41毫伏的模拟电压量送入PLC；
经过程序计算后得出实际测量的温度T,将T和温度设定值比较，根据偏差计算调整量，发出调节命令。
3.4I,O分配表
I/O地址分配表
输入
I0.0
启动按钮
I0.1
停止按钮
输出
Q0.0
启动指示灯
Q0.1
停止指示灯
Q0.2
正常运行指示灯
Q0.3
温度报警指示灯
Q0.4.
加热指示灯
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