本 科 毕 业 设 计（论文）任 务 书
题目: 基于PLC的加热炉温度控制系统设计
原始依据(包括设计（论文）的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等)：
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。加热炉的温度控制系统具有较大的容量滞后，采用单回路控制往往会出现较大的动态偏差，很难达到好的控制效果，为提高系统对负荷变化较大或其他扰动比较剧烈时的控制质量，采用基于PLC的双闭环温度控制系统来提高加热炉的燃烧效率。
通过本毕业设计培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力，使学生受到PLC系统开发的综合训练，达到能够进行PLC系统设计和实施的目的。
主要内容和要求（包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求）：
如图1所示的加热炉，它是由温度内胆、夹套、加热器、温度检测变送器组成。
图1加热炉温度系统
加热器采用传统的价格较低的电阻板加热，水系统是加速加热炉温度恒定。通过检测内胆和夹套的温度来控制电阻板两端的电压变化，使炉温达到设定值。
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为提高系统对负荷变化较大或其他扰动比较剧烈时的控制质量，采用串级控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手动整定或自整定PID参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为80℃左右，并能实时显示当前温度值。
毕业论文中需有与本课题有关的国内外的研究现状，系统总体方案设计，硬件的工程设计与实现， PLC控制程序设计（I/O地址分配，程序流程图），总结。 日程安排：
2010.12 -2011.4. 8 认真收集有关资料，完成开题报告 2011.4.9-2011.4.20
提出总体方案并进行论证
2011.4.20-2011.5.10 论文主体设计 2011.5.11-2011.5.20 论文撰写，完成初稿 2011.5.21-2011.5.28 程序调试和修改论文
2011.5.29-2011.6. 7 编写设计说明书，准备答辩提纲，进行答辩 主要参考文献和书目：
[1] 楼顺天、姚若玉、沈俊霞，MATLAB7.x程序设计语言，西安电子科技大学出版社，2008 [2] 黄友锐、曲立国，PID控制器参数整定与实现，科学出版社，2010 [4] 卢京潮，自动化控制原理，西北工业大学出版社，2009
[5] 周美兰、周封、王岳宇，PLC电气控制与组态设计，科学出版社，2009
[6 ] 李科，温控系统的智能PID控制算法研究，[硕士论文]，中华科技大学，2006
[7] 吴长胜，基于PLC控制的加热炉温度控制系统设计，[学士论文]，贵州师范大学，2006 [8] 李世斌、李宏伟，PLC在锅炉控制中的应用、自动化技术与应用，2003年第22卷第1期
[9] 欧祖鸿，基于Wincc和S7-200的温度测控系统，[学士论文]，重庆科技学院，2010 [10] 廖常初，PLC 编程及应用，机械工业出版社，2005
[11] 顾占松、陈铁年，可编程控制器原理与应用，北京国防工业出版社，1996 [12] 王伟、张晶逃、柴天佑，PID参数先进整定方法综述，自动化学报，2000,5（26）347~355 [13] 胡学林，可编程控制器教程，电子工业出版社，2005
[14] 张扬、蔡春伟、孙明健，S7-200PLC原理与应用系统技术，机械工业出版社，2007 [15] Jurgen Muiler、张怀勇，西门子自动化系统实战，人民邮电出版社，2007
指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日
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本科毕业设计（论文）开题报告（综述）
题 目：基于PLC的加热炉温度控制系统设计 本课题来源及研究现状：
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。这方面的应用大多是基于单片机进行的PID控制，然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂，特别是设计到逻辑方面更不是其长处，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先，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对温度的控制是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。这也是本次毕业设计所重点研究的内容。
温度控制系统在国内各行业的应用虽然已经十分广泛，但从温度控制来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大的差距。目前我国在这方面总体技术水平处于20实际50年代中后期水平，成熟产品主要以‘点位’控制及常规的PID控制为主。它只能适应一般的温度控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统。而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，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后还没有开发出性能可靠的自整定软件，控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。
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。日本、美国、德国、瑞典等技术领先的国家，都生产出了一批商品化得，性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：①是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；②是能够适应于受控数学模型难以建立的温度控制系统的控制；③是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；④是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；⑤是温度控制器普遍具有参数自整定功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关参数，以保证控制效果
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的最优化；⑥是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。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。
课题研究目标、内容、方法和手段：
本课题研究的主要目标是采用串级控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手动整定或自整定PID参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为80℃左右，并能实时显示当前温度值，其总体结构如图1所示。
图1 调温总体结构
系统硬件组成由PC机、PLC控制器、晶闸管调功器、加热炉对象等组成；加热炉对象由温度内胆、夹套、加热器、温度检测变送器等组成。
总体方案是采用PLC控制器来对系统进行总体控制，温度变送器采集夹套和内胆温度信号；两个数显仪表分别对夹套温度和内胆温度的实际值进行实时显示；两个启动按钮对系统的运行与停止进行手动控制；指示灯来显示系统的运行状态；模拟量扩展模块承担两个模拟量输入和一个模拟量输出的任务；调功器根据PLC的控制信号对加热器进行控制，来实现对温度的控制。其各个部分的组成连接如图2所示。
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图2 设计总体方案连接图
加热炉温的控制系统实现过程是：首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC的扩展模块EM235将送过来的电压信号转化为西门子S7-200PLC可识别的数字量，夹套温度主给定量SV1与夹套温度主反馈量PV1比较后得到误差信号e1，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理，输出控制量OUT1作为副控制器的给定，并与内胆温度副反馈量PV0进行比较得到误差信号e0，经福控制器进行PID运算输出控制量OUT0作为晶闸管调功器的输入信号，来控制输出电压的变化，从而控制内胆加热器上电压的高低，实时控制内胆温度副被控量和夹套温度主被控量，构成双闭环温度控制系统，其结构如图3所示。
图3串级控制系统方框图
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设计（论文）提纲安排：
第一章 绪论：对课题研究背景国内外发展前景进行了阐述，并分别从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），现场总线控制系统（FCS）等介绍当前温度控制系统的发展状况。
第二章 设计总体方案：简单的从硬件部分和软件部分介绍了系统的工作原理，并对PID控制算法做了基本介绍，简单阐述了PID运算在本设计中的用法，和对相关参数进行了确定
第三章，系统硬件设计：介绍了硬件系统设计的组成和连线图，对系统所用到的硬件进行了介绍和选型。
第四章，系统软件编程：对编程的思路和各个编程部分的任务、组成、流程图和梯形图进行了详细介绍，并对编程用软件的安装进行了说明。
第五章，总结。
设计（论文）提纲及进度安排：
2010.13-2011.4. 8 认真收集有关资料，完成开题报告 2011.4.9-2011.4.21
提出总体方案并进行论证
2011.4.20-2011.5.11 论文主体设计 2011.5.11-2011.5.21 论文撰写，完成初稿 2011.5.21-2011.5.29 程序调试和修改论文
2011.5.29-2011.6. 7 编写设计说明书，准备答辩提纲，进行答辩
主要参考文献和书目：
[1] 廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社,2006.
[2] 吴中俊，黄永红主编.可编程序控制器原理及应用[M]. 北京：机械工业出版社，北京.2004,4.
[3]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008
[4]马秀坤，史云涛，马学军.S7-200PLC与数字调速系统的原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2009
[5]陈伯时主编.电力系统自动控制系统[M].北京：机械工业出版社,2003 [6] 张志杰 加热炉控制系统的优化设计与应用[J].工业炉,2000,22(3):26-27.
[7] 王浩宇,张云生,张果.管式加热炉PID算法改进及其在虚拟仪器中的应用[J].自动化仪表,30(4):51-54 [8] 楼顺天、姚若玉、沈俊霞，MATLAB7.x程序设计语言，西安电子科技大学出版社，2008 [9] 黄友锐、曲立国，PID控制器参数整定与实现，科学出版社，2010 [10] 卢京潮，自动化控制原理，西北工业大学出版社，2009
[11] 周美兰、周封、王岳宇，PLC电气控制与组态设计，科学出版社，2009
[12] 李科，温控系统的智能PID控制算法研究，[硕士论文]，中华科技大学，2006
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[13] 吴长胜，基于PLC控制的加热炉温度控制系统设计，[学士论文]，贵州师范大学，2006 [14] 李世斌、李宏伟，PLC在锅炉控制中的应用、自动化技术与应用，2003年第22卷第1期
[15] 欧祖鸿，基于Wincc和S7-200的温度测控系统，[学士论文]，重庆科技学院，2010 [16] 廖常初，PLC 编程及应用，机械工业出版社，2005
[17] 顾占松、陈铁年，可编程控制器原理与应用，北京国防工业出版社，1996 [18] 王伟、张晶逃、柴天佑，PID参数先进整定方法综述，自动化学报，2000,5（26）347~355 [19] 胡学林，可编程控制器教程，电子工业出版社，2005
[20] 张扬、蔡春伟、孙明健，S7-200PLC原理与应用系统技术，机械工业出版社，2007 [21] Jurgen Muiler、张怀勇，西门子自动化系统实战，人民邮电出版社，2007 [22] 刘迎春，叶湘滨.传感器原理.，国防科技大学出版社，2002 [23] 付家才，PLC实验与实践.，北京高等教育出版社，2006 [24] 袁宝歧，加热炉原理与设计，航空工业出版社1989
[25] Tracton.K.、时光译，显示电子学，人们邮电出版社，2002
指导教师审核意见：
教研室主任签字： 年 月 日
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摘 要
可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术，计算机技术，通讯技术融为一体，具有控制力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。
本文先从课题研究背景说起，通过几个温控系统简单介绍了国内外发展现状。然后主要通过对系统的总体方案设计，硬件的选择、设计、使用，软件程序的思路、流程图、编写等方面详细介绍了各个模块的原理、设计和使用，并对程序中所使用的控制算法进行详细的介绍。实验证明，以PLC作为控制核心，在通过PLC编程控制温度对象，这种设计方式可以方便快捷的设计出符合要求的温度控制系统。通过本设计可以熟悉并掌握西门子S7-200PLC的原理与功能及它的编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制问题。
关键字： S7-200PLC；EM235；温度控制系统
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Abstract
With the continuous development of the industrial automatization, people’s requirements for automatics become higher and higher. In recent years, rapid growing computer technology has been widely used, but in the meantime, traditional industrial control software has critical shortcomings such as long development cycle, low reusability, high price and costly modifications. As more and more automatic equipments are applied and the requirements for industrial control software are higher and higher, the traditional industrial control software can not meet the demand of consumers any more. How to design a flexible and effective automatic control system speedily and conveniently by using industrial control software has become a very important task. PLC (programmable logic controller) is a kind of wildly used automatic control device, and it combines traditional relay control technology, computer technique and communication technology, and it characterized by strong control ability, flexible operation, high reliability and suitable for continuous working. This thesis introduces the principles, design and application of each module from the selection, design, and application of hardware, and selection, compile of software in details. Experiments prove that use PLC as the control centre and control temperature object through programming by PLC, we can design desirable temperature control system conveniently and flexiblely.
Key words: S7-200PLC; EM235; temperature control system.
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目 录
第一章绪论....................................................................................................................................... 1
1.1系统设计背景 ..................................................................................................................... 1 1.2 温度控制系统的发展状况 ................................................................................................ 1 1.3本文的研究内容 ................................................................................................................. 3 第二章 设计总体方案及控制算法描述 ......................................................................................... 4
2.1系统总体方案 ..................................................................................................................... 4
2.1.1硬件方案设计 .......................................................................................................... 4 2.1.2软件方案设计 .......................................................................................................... 5 2.2 PID控制算法 ..................................................................................................................... 6
2.2.1 PID算法 .................................................................................................................. 7 2.2.2PID在PLC中的回路指令 .................................................................................... 8 2.2.3 PID参数整定 ........................................................................................................ 10
第三章 系统硬件设计 ................................................................................................................. 12
3.1 系统的硬件组成 .............................................................................................................. 12
3.1.1系统结构组成 ........................................................................................................ 12 3.1.2统各个组成部分完成的任务 ................................................................................ 12 3.2 可编程控制器 .................................................................................................................. 12
3.2.1PLC的特点 ............................................................................................................ 12 3.2.2PLC的选型 ............................................................................................................ 13 3.2.3西门子S7-200主要功能模块介绍 ...................................................................... 14 3.3系统其他硬件选型及配置 ............................................................................................... 17
3.3.2显示模块 ................................................................................................................ 17 3.3.3温度传感器 ............................................................................................................ 18 3.3.4调功器 .................................................................................................................... 20 4.4系统硬件连接 ................................................................................................................... 23 第四章 系统软件设计 ................................................................................................................. 24
4.1系统设计软件 ................................................................................................................... 24 4.2方案设计思路 ................................................................................................................... 25 4.2主程序部分 ....................................................................................................................... 26 4.3标度变换子程序 ............................................................................................................... 29 4.4显示模块子程序 ............................................................................................................... 31 4.5PID初始化子程序及中断程序 ........................................................................................ 35 第五章 总结 ............................................................................................................................. 42 致 谢 ............................................................................................................................................ 43 参考文献......................................................................................................................................... 44 附录 ................................................................................................................................................ 45
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江西理工大学2011届本科生毕业设计（论文）
第一章绪论
1.1系统设计背景
温度与人们的生存生活生产息息相关。从古人类的烧火取暖，到今天的工业温度控制，处处都体现了温度控制。随着生产力的发展，人们对温度控制精确度要求也越来越来高，温度控制的技术也得到迅速发展。各种温度控制算法如：PID温度控制，模糊控制算法，神经网络算法，遗传算法等都应用在温度控制系统中。
近年来，加热炉的温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产中重要的被控参数之一，冶金、机械、食品、化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制，因此，在工业生产中和家居生活过程中对温度进行检测和监控，由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，而传统的温度控制器多由继电器组成的，但是继电器的触点的使用寿命有限，故障率偏高，稳定性差，无法满足现代的控制要求。而随着计算机技术的发展，嵌入式微型计算机在工业中得到越来越多的应用。将嵌入式系统应用在温度控制系统中，使得温度控制系统变得更小型，更智能。随着国家的“节能减排”政策的提出，嵌入式温度控制系统能够降低能耗，节约成本这一优点使得其拥有更加广阔的市场前景，而PLC就是最具代表性的一员。目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极重要的实际意义。
通过本设计可以熟悉并掌握西门子S7-200PLC的原理与功能及它的编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制问题。
1.2 温度控制系统的发展状况
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），现场总线控制系统（FCS）等。
单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高
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等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的4位机发展到32位机，其性能进一步得到改善。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。
PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用。相对于IPC，DCS，FSC等系统而言，PLC是具有成本上的优势。因此，PLC占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。
工控机（IPC）即工业用个人计算机。IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电磁辐射。过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。影响燃烧的因素十分复杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的PID为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离PID，选择性PID。参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的。在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的监控品质，提高了平均热效率。但如果单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。
集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。DCS的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。基本DCS的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率。但DCS在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致DCS成本太高。
现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基于总线控制系统（FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点，FCS系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而且它可以对现场装置(含变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的。但是，FCS还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，目前现场总线的国际标准共有12种之多，这给FSC的广泛
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应用添加了很大的阻力。
各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。
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有着较大差距。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，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。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。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，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，并在各行业广泛应用。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。
1.3本文的研究内容
本论文主要是利用PLC S7-200作为可编程控制器，系统采用串级控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手动整定或自整定PID参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为80℃左右，并能实现手动启动和停止，运行指示灯监控实时控制系统的运行，实时显示当前内胆温度值与夹套温度值。
具体有以下几方面的内容：
第一章 绪论：对课题研究背景国内外发展前景进行了阐述，并分别从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），现场总线控制系统（FCS）等介绍当前温度控制系统的发展状况。
第二章 设计总体方案：简单的从硬件部分和软件部分介绍了系统的工作原理，并对PID控制算法做了基本介绍，简单阐述了PID运算在本设计中的用法，和对相关参数进行了确定
第三章，系统硬件设计：介绍了硬件系统设计的组成和连线图，对系统所用到的硬件进行了介绍和选型。
第四章，系统软件编程：对编程的思路和各个编程部分的任务、组成、流程图和梯形图进行了详细介绍，并对编程用软件的安装进行了说明。
第五章，总结。
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第二章 设计总体方案及控制算法描述
2.1系统总体方案
加热炉温控制系统主要有软件与硬件两部分组成。
2.1.1硬件方案设计
硬件基本构成有PLC主控系统部分、调功器、加热炉、加热器、启动/停止开关按钮、数显表与温度变送器五部分组成。
其结构硬件部分组成及其关系如图2-1所示。
图2-1 加热炉硬件部分组成图
基本工作原理：加热炉是加热对象（本设计采用自来水作为加热对象）的容器，通过温度变送器检测炉内水温和夹套温度，产生0~100mV电压信号，传送给S7-200PLC的模拟量扩展模块EM235，由PLC主控系统部分进行运算和处理后再由模拟量扩展模块EM235产生0~5V的控制信号传送给调功器，调功器根据不同的控制信号输出不同的电压来控制加热炉内的加热器来对水温进行加热和控制，由此水温升高或降低会影响温度检测元件，从而产生了一个闭环回路控制，因此达到平衡控制水温的目的。通过启动和停止产生的开关量数字信号来控制系统运行于停止，实现手动控制的功能。两个数显表分别用于显示夹套温度和内胆温度，其分辨率为1℃。
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2.1.2软件方案设计
软件基本结构由主/副控器PID，控制对象温度调功器、检测元件温度变送器等部分组成。其基本工作原理：首先计算出两个控制器PID的有关参数，进行PID初始化，把夹套温度变送器和内胆温度变送器传送回来0~100mV的电压信号通过模拟量输入模块EM235的A/D转换变为0~32000的数字量，然后进行变换变为0~1的过程量形参，然后给定一个夹套温度给定量SV和夹套温度过程量PV1传送给主控制器PID运算，得到的结果OUT1作为副控制器的给定量SV与内胆温度过程量PV0传送给副控制器 PID运算，得到的结果OUT0经过标度变换和模拟量输出模块EM235的A/D转换变为0~5V的控制信号传送给温度调功器，对炉内加热器进行控制，同时对内胆温度和夹套温度进行检测，形成双闭环回路控制。其组成图如图2-2所示，流程图如图2-3所示。
图2-2 加热炉软件控制部分组成图
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图2-3 系统流程框图
2.2 PID控制算法
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，控制及时，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，它能预测误差变化的趋势。
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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各有自己的优点和缺点，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。
2.2.1 PID算法
图 2-4 带PID控制器的闭控制系统框图
如图2-4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：
控制器的输出为：
e(t)=r(t)-c(t) (2-1)
t?1u(t)?Ke(t)? P?Ti??0e(t)dt?Tdde(t)?? (2-2) dt?上式中, u(t)——PID回路的输出；Kp——比例系数P；Ti ——积分系数I；
Td——微分系数D;PID调节器的传输函数为：
D(S)???U(S)1?KP?1??TdS? (2-3) E(S)?TiS?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。其离散化的规律如表2-1所示。
表 2-1 模拟与离散形式 模拟形式 离散化形式 e(t)?r(t)?c(t) de(t) dTe(n)?r(n)?c(n) e(n)?e(n?1) T?e(t)dt 0t?e(i)T?T?e(i) i?0i?0nn 7
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所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为；
??TdTnu(n)?KP?e(n)??e(i)??e(n)?e(n?1)???u0Tii?0T (2-4) ???uP(n)?ui(n)?ud(n)?u0T式2-4中， uP(n)?KPe(n) 称为比例项；ui(n)?Kp ?e(i) 称为积分项；
i?0nTiud(n)?KpTd?e(n)?e(n?1)?称为微分项； Tn上式中，积分项?e(i)是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的
i?1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。
2.2.2PID在PLC中的回路指令
现在很多PLC已经具备了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是专用模块，有些是指令形式。西门子S7-200系列PLC中使用的是PID回路指令见表2-2。
表2-2 PID回路指令
名称 指令格式 指令表格式 梯形图
PID运算 PID PID TBL，LOOP 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VD100到VD132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2-3所示。
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表2-3 PID指令回路表
偏移地址 0 4 8 12 16 20 24 28 32 名称 过程变量（PVn） 给定值（SPn） 输出值（Mn） 增益（Kc） 采样时间（Ts） 采样时间（Ti） 微分时间（Td） 积分项前值（MX） 过程变量前值（PVn-1） 数据类型 实数 实数 实数 实数 实数 实数 实数 实数 实数 说明 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 比例常数，可正可负 单位为s，必须是正数 单位为min，必须是正数 单位为min，必须是正数 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间
1) 回路输入输出变量的数值转换方法
本设计中回路的输入为两个温度模拟量输入，夹套和内胆温度经过温度检测模块，传送给EM235经过A/D转换后得到的是16为整数，而设计中所需要的过程变量为实数，所以我们需要将整数转换为实数，这里就要用到I_DI，DI_R指令，就如在标度变换中的转换一样，得到实际的温度值。输出为0~5V的电压信号，所以我们输入到EM235的数值也为16位整数类型，而经过PID回路运算后得到的数据为32为实数，这里我就要用到ROUND,DI_I指令，就如在副控制器中断程序一样，得到的数据从模拟量输出端口输出。 2) 实数的归一化处理
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。归一化的公式为：
Rnoum?Rraw/Span?Offest （2-5）
??式中, Rnoum ——标准化的实数值；Rraw ——未标准化的实数值；Span——补偿值或偏置，单极性为0.0，双极性为0.5；Offest ——值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000，双极性为6400。
本文中采用的是单极性，故转换公式为：
Rnoum?(Rraw/32000) （2-6）
因为温度经过检测和标度变换后，得到的值是实际温度值，所以为了SP值
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和PV值在同一个数量值0~1.0对应0~100℃，所以输入SP值的时候应该是填写一个是实际温度1/100的数，即想要设定目标控制温度为80℃时，需要输入一个0.8。
3) 回路输出变量的数据转换
本设计中，利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。回路的输出值是在0.0~1.0之间，是一个标准化了的实数，在输出变量传送给D/A模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。这一过程是实数值标准化过程。
Rscal?(Mn?Offest)Span （2-7）
S7-200不提供直接将实数一步转化成整数的指令，必须先将实数转化成双整数，再将双整数转化成整数。程序如下：
ROUND AC1, AC1 DTI AC1, VW34
2.2.3 PID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，其规律如表2-4所示。
表 2-4温度控制器参数经验数据
被控变量 温度 规律的选择 滞后较大 比例度 20~60 积分时间（分钟） 20~40 微分时间（分钟） 0~3
实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。 1）整定比例控制
将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
2）整定积分环节
先将步骤1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 3）整定微分环节环节
先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
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经过经验得出本设计的PID参数如下，
主控制器的增益为0.15，采样时间为0.2S，积分时间为30min，微分时间为3.0min； 副控制器的增益位2.0 ，采样时间为0.2S，积分时间位27min，微分之间为0min。
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第三章 系统硬件设计
3.1 系统的硬件组成 3.1.1系统结构组成
温度控制系统的结构包括一台可编程控制器、一台调功器、两个温度检测回路、一个加热器、一个模拟量输入输出扩展模块EM235、两个数显表、两个启动/停止按钮，一个系统运行指示灯。
3.1.2统各个组成部分完成的任务
（1）运行指示灯和启动按钮/停止按钮实现运行监控和启动和停止系统的控制：按下启动按钮，系统开始运行，运行指示灯点亮；按下停止按钮，系统停止运行系统指示灯熄灭。
（2）数显表：根据PLC的输出实时显示内胆温度和夹套温度的实际温度值，便于控制和观察。
（3）温度变送器：用来检测夹套和内胆温度，将温度值转换为PLC可以读取的电压模拟量信号，同时传送给PLC模拟量输入模块EM235。
（4）调功器和加热器：是PLC的控制对象，根据PLC模拟量输出模块输出的0~5V电压信号，来控制调功器的输出功率电压，对加热器进行控制，来加热炉内温度。
（5）可编程控制器和模拟量输入/输出扩展模块：可编程控制器对采集来的温度信号进行标度变换处理后得到实际的温度值，将数据传送给两个数显表对内胆温度和夹套温度分别显示；另一方面，根据采集到得温度值，和给定的温度值进行计算处理，采用PID控制算法处理后通过模拟量输入输出扩展对调功器进行控制来实现对加热器的控制。
3.2 可编程控制器
可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PLC。
3.2.1PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高
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的可靠性。
(2)配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中，加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
(4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
(5)体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
3.2.2PLC的选型
全球PLC有二百多种，国内常用PLC也就二三十种，常用的有德国西门子，法国施耐德，美国AB，ABB，GE日本欧母龙，三菱，松下，韩国，三星，国产和利时，科创思等。
西门子PLC相对于其他的PLC价钱比较高，但是性能相对强大，可操作性强，有相配套的伺服系统和组态软件。而且在大学期间我所接触的也大多数是西门子公司的PLC。西门子PLC的种类分为S7-200PLC，S7-300PLC，S7-400PLC等，S7-300PLC，S7-400PLC与S7-200PLC相比功能更为强大，为S7-200的升级产品，但由于本系统所需功能和技术要求S7-200完全能够解决，所以从经济方面考虑选用西门子S7-200PLC系列产品。
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。由于具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充
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分发挥作用。
S7-200系列可以根据对象不同，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。
3.2.3西门子S7-200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模块功能来看，CUP模块为CUP22*，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/O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。②CUP222它有8输入/6输出，I/O共计14点，和221相比，它可以进行一定的模拟量控制和2个模拟量扩展，因此是应用更广泛的全功能控制器。③CUP224它有14输入/10输出，I/O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。④CUP226 它有24输入/16输出，I/O共计40点，和CUP224相比，增加了通信口数量，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。⑤CUP226XM 它在用户程序存储量和数据存储量上进行了扩展，其他指标和CUP226相同。
在本设计中由数字量2输入/4输出，需要一个模拟量扩展，而CUP222本机数字量8输入/6输出，和两个模拟量，可完成设计所需的技术要求，所以本设计选用CUP222 DC/DC/DC。CUP用24V DC电源，24V DC输入，24V DC输出，其功率为5W，订货号为6ES7 212-1AB23-0XB0。
（2）模拟量扩展模块：
温度传感器检测到温度转换成0～100mV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中进行处理，得到的控制信号也要通过模拟量输出模块把数字信号转成0~5V的电压信号对调功器进行控制。S7-200PLC的模拟量模块有EM231，EM232和EM235三种类型的模拟量扩展模块。EM231有4路模拟量输入，EM232有2路模拟量输出，EM235有4路模拟量输入和2路模拟量输出。本设计中需要检测两个温度信号，和输出一个电压控制信号，所以需要2路模拟量输入/1路模拟量输出，所以我们选择EM235模拟量输入/输出模块，其功耗为2W。订货号为6ES7 235-0KD22-0XA0。
其输入/输出特性如表3-1所示。
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表3-1 EM235输入 /输出特性
模拟量输入特性： 模拟量输入点数 输入范围 电压(单极性) 电压(双极性) 电流 数据字格式 单极性，全量程范围 -32000～+32000 双极性，全量程范围 0～32000 模拟量输出特性： 模拟量输出点数 信号范围 电压输出 电注输出 数据字格式 电压 电流 1 ±10V 0 到 20mA -32000～+32000 0～+32000 4 0～10V，0～5V， ±10V，±5V，±2.5V， 0～20mA -32000～+320000 0～32000
EM235输入数据字格式如图3-1所示。
图3-1 CPU中模拟量输入字中12位数据值的存放位置
模拟量到数字量转换器(ADC)的12位读数，其数据格式是左端对齐的。最高有效位是符号位：0表示是正值数据字，对单极性格式，3个连续的0使得ADC计数数值每变化1个单位则数据字的变化是以8为单位变化的。对双极性格式，4个连续的0使得ADC计数数值每变化1个单位，则数据
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字的变化是以16为单位变化的。
EM235输出数据字格式如下图图3-2所示。
图3-2 CPU中模拟量输出字中12位数据值的存放位置
模数字量到模拟量转换器（DAC）的12位读数，其输出数据格式是左端对齐的，最高有效位：0表示是正值数据字，数据在装载到DAC寄存器之前，4个连续的0是被裁断的，这些位不影响输出信号值。
EM235配置：表3-2所示为如何用DIP开关设置EM 235模块。开关1到6可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。
表3-2 DIP开关设置
单极性
满量程输入
SW1 ON OFF ON OFF ON ON OFF
SW2 OFF ON OFF ON OFF OFF ON
SW3 OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF
SW4 ON ON OFF OFF OFF OFF OFF
SW5 OFF OFF ON ON OFF OFF OFF
SW6 ON ON ON ON ON ON ON
0到50mV 0到100mV 0到500mV 0到1V 0到5V 0到20mA 0到10V
12.5μV 25μV 125uA 250μV 1.25mV 5μA 2.5mV 分辨率
本设计中温度检测模块输入信号为0~100mV的电压信号，为单极性，所以DIP开关设置为：SW1,OFF；SW2，ON；SW3，OFF；SW4，ON；SW5，OFF；SW6，ON。得到其满量程输入位0~100mV。
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DIP开关实物如图3-3所示。
图3-3 DIP设定实物图
输出设置：本设计中输出为0~5V的电压信号，而EM235可以输出-10V~+10V的电压信号和0~20mA的电流信号，所以我们选择电压信号的输出接线方法，其电压满量程输出数据为-32000~+32000，满量程输出电压为-10V~+10V，而本设计所需要的输出为0~5V的控制电压信号，所以我将其数据输出范围定在0~16000。
3.3系统其他硬件选型及配置 3.3.2显示模块
HLP2型两线PLC专用数显表可以通过两个PLC输出端口接收所有PLC发出的数据。PLC程序中任意指定的数据,如数量、时间、温度、压力等通过计数器、计时器、数据寄存器等数据送入指定的显示缓冲区内，经子程序通过两个输出端口送出编码至PLC外部的数显表上。
由于显示模块只需显示2位数字，所以选用HLP2系列型号为HLP2B-39的数显表。外形为80*43小外壳。HLP2B-39型号数显表有两个输入端口，一个时钟输入端口SCK，一个数据输入端口SDA，可以显示4为LED数码。工作电源为24V DC，所以可以并联PLC的工作电源。
HLP2 型PLC 数显表的显示数据与PLC 数据的对应关系如下表3-3。
表3-3 HLP2数据对应表
HLP2-39型数显表 0 1 2 3 4 5 送入PLC显示寄存器内容 0 1 2 3 4 5 显示相应数字 备注
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续表3-3 HLP2数据对应表
6 7 8 9 E - R 全黑 Π F 6 7 8 9 A B C D E F 也可由用户根据需要 自行设计该对应关系，提 交我厂后，可为客户特殊 加工生产，如AbcdEF 等。
设计中要用到两个数显表，一个主表一个从表，主表SDA连接PLC数字量输出端口Q0.3，用于实时显示夹套实际温度值，从表SDA连接PLC数字量输出端口Q0.2，用于实时显示内胆实际温度值，主表和从表的SDA端口接PLC数字输出端口Q0.4，用于接收时钟信号
3.3.3温度传感器
温度传感器就是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。
其工作原理如图3-5所示。
图3-5 温度传感器原理图
当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端(也称参考端)或冷端，则回路中就有电流产生，如图2-8所示，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞
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贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向)，称为珀尔帖效应；其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向)，称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势EAB(T，T0)是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。利用此现象可以做成能够检测温度的传感器。在本设计中采用集成温度传感器AD590。
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：
1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：Ir /T=1mA/K 式中：Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。
2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。
3、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V～6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
4、输出电阻为710MW。
5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。
摄氏温度测量电路如图3-6所示。
图3-6 用于测量摄氏温度的电路
如图3-6所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0℃时调整R2，使输出VO=0，然后在100℃时调整R4使VO=100mV。
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如此反复调整多次，直至0℃时，VO=0mV，100℃时VO=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25℃，那么VO应为25mV。冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。由于我们测量的温度在0℃-100℃之间，所以输出电压在0mV-100mV之间。
其实物如图3-7所示。
图3-7 AD590集成温度传感器
3.3.4调功器
调功器又称电力控制器，本设计采用SCR电力控制器。
SCR 电力控制器，目前在工业中已被广泛应用于各种电力设备中，诸如窑炉、热处理炉、电气高温炉、高周波机械、电镀设备、印染设备、涂装设备、射出机、押出机等等，然而因为负载的不同，使用环境的限制，而又有各种不同的控制模式及各种追加配备，如相位控制，分配式零位控制,时间比例零位控制。
原理介绍：SCR 电力控制器的基本原理是通过控制信号输入，去控制串在主回路中的SCR（晶闸管）模块，改变主回路中电压的导通与关断，由此达到调节电压或功率的目的。控制器一般是由控制板加上主机（主回路）组成。SCR 电力控制器又可分为调压器和调功器。采用相位控制模式的SCR 电力控制器可叫做调压器，它可以方便地调节电压有效值，可用于电炉温度控制，灯光调节，异步电动机降压软启动和调压调速等，也可用做调节变压器一次侧电压，代替效率低下的调压变压器。采用零位控制模式的SCR 电力调节器可叫做调功器，也叫周波控制器。它对交流电压的周波进行控制，通过控制负载电压的周波通断比来控制负载的功率，多用于大惯性的加热器负载。采用这种控制，即实现了温度控制，又消除了相位控制时带来的高次谐波污染电网，不过控制精度有所降低。
控制模式优劣比较如表3-4所示。
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表3-4 控制模式优劣比较
控制模式 相位控制 优点 1. 控制精度高 2. 任何负载皆可控制 3. 可做各种控制变化 时间比例零位控制 1. 无电磁干扰 2. 构造较简单 3. 费用较低 分配式零为控制 1. 无电磁干扰 2. 构造较简单 3. 费用较低 4. 控制效果比时间比例零为控制优异 缺点 1. 控制不当易造成电磁干扰须加装各种防制措施 2. 费用较高 1. 只能控制纯阻性负载 2. 负载较易受冲击 3. 控制精度低 1. 只能控制纯阻性负载 2. 负载较易受冲击 3. 控制精度较低
P系列SCR电力控制器功能简介：目前P 系列SCR 电力控制器分为三相和单相两类。产品完全采用SCR POWER MODULE 密封的IC 化电路板，抗干扰能力强，可用于变压器负载和高频装置前级调压器，具有电流回馈适用于负阻性负载如硅钼棒，白金加热器。过流保护采用高速电子开关，过流时自动切断触发装置达到保护SCR 模块的作用。本设计采用P系列单相电力控制器。其控制输入信号位0~5V电压信号。
型号识别如图3-8。
图3-8 型号识别
A—电源种类 1：单相 (1Ф) 3：三相 (3Ф) B—控制模式 P：相位控制 D：分配式零位控制 C—电源电压 110V 220V 380V 440V
D—电流种类 40A～1200A 按客户具体电流要求定制
E—保护方式 0：无 1：快速熔断保险管（选配）2：高速电子开关保护
F—回馈控制 0：无 1：定电流 2：定电压
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根据设计要求，我们对型号进行选择：首先拟采用发热丝为镍铬合金（恒阻性负载），功率为21KVA，额定电压为220V单相电源。控制器的电流计算公式为：△单相电流=负载KVA×1000/线电压，计算出单相电流为95A左右，则取100A。 电源种类选择单相；控制模式选择相位控制；电源电压选择220V；电流种类选择100A；保护方式选择高速电子开关保护；回馈控制选择无。那么选用的控制器型号为P-1P-220V100A-20。
控制接线图如图3-9所示。
图3-9 DC0—5V输入自动控制接线图
PLC通过模拟量输出模块输出0~5V的电压信号作为SCR的控制信号。 从PLC模拟量模块出来的0~5V的控制信号输入到SCR后，SCR电力控制器就根据此信号改变炉内发热丝的电压，从而改变发热丝的输出功率，维持炉内温度。
此种接法属于自动控制接法，还有手动控制，手动调节等接法，在本设计中就不做详述。
各端子接线说明：端子1、2、3 为手动控制输入，电位器两端接在2、3 端，抽头接在端子1。端子3、4 为0~5V 自动控制输入端，4 端接信号负端，同时也接到端子1，不然就不能触发，3 端接信号正极。本产品现在不需要用户外接互感器，在控制器内部主电路中各相已经装有互感器，故此2 端子不用接线。端子11、12 为控制板电源输入端。SCR 电力控制器的实物图如图3-10。
图3-10 SCR电力控制器实物图
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4.4系统硬件连接
数显表接线：由于系统用到两个数显表，所以采用多表接线的方法。两表型号相同，并且采用为24V DC 的电源，所以两表的电源和S7-200PLC的电源并联。两表的时钟信号可以采用同一个时钟信号，用Q0.4产生。数据输入端口分别有Q0.2和Q0.3输出。
温度传变送器接线：由于温度变送器产生的信号位0~100mV的电压信号，接入EM235的模拟量输入模块AIW0和AIW2，接线采用电压输入接线方式。
调功器输出接线：由于调功器的输入控制信号位0~5V DC，所以接入EM235的模拟量输出端口AQW0，接线采用电压输出方式。
接线如下图3-11所示。
图3-11 硬件接线图
PLC的数字量输出I/0端口Q0.0接运行指示灯，Q0.2和Q0.3分别接内胆温度数显表数据输入端口，Q0.4接两个数显表的时钟输入端口。PLC的数字量输入端口I0.0位系统启动按钮，I0.1位系统停止按钮。PLC模拟量扩展模块EM235的模拟量输入端口AIW0接内胆温度变送器信号，AIW2接夹套温度变送器信号，AQW0接调功器信号输入端口。
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第四章 系统软件设计
4.1系统设计软件
STEP 7-MWIN32编程软件是基于Windows的应用软件，是西门子公司专门为SIMTIC S7-200系列PLC设计开发的。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机功能。用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状态，该软件是SIMATIC S7-200拥护不可缺少的开发工具。
在开始安装的时候是选择语言界面，对于版本4.0来说，这时候没有选择中文的，但可以先选择其他语言。等软件安装好之后再进行语言的切换。
在安装的最后，会出现一个界面，按照硬件的配置，我们需要用232通信电缆，采用PPI的通信方式，所以要选择PPI/PC Cable(PPI)，这个时候在弹出来的窗口中选择端口地址，通信模式，一般选择默认就可以了。
如果想改变编程界面的语言，可在软件的主界面的工具栏中选择tools目录下选择option选项，在出现的界面中选择general,然后在右下角就可以选择中文了。见图4-1所示。
图4-1 语言重设界面
系统块用来设置S7-200 CPU的系统选项和参数等。系统块更改后需要下载到CPU中，新的设置才能生效。系统块的设置如下，需要注意的是，PLC的地址默认是2，但本设计中需要用到的地址是1，通信端口的设置，同样的，我们用到的地址是1。
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4.2方案设计思路
PLC采用的是的S7-200，CPU是222系列，采用了2个按钮和1个系统运行灯来控制和显示系统运行的状态，两个数显表来显示夹套温度和内胆的实时温度。 温度传感器负责检测加热炉中夹套和内胆的温度，把温度信号转化成0~100mV的电压信号，经过PLC模数转换后进行标度变换，变成实际的温度值，然进行PID双闭环串级控制运算，根据PID输出值来控制调功器的输出电功率来控制炉内加热器，实现对炉温控制调节的目的。
所以软件设计大致分为四个部分：
一、主程序部分，用来实现系统的启动与停止的手动控制和系统运行的指示，并实现对其他子程序的有效调用。
二、标度变换部分，用来实现将模数转换后的数字量转换成实际的温度值。 三、显示部分，用来实时显示夹套和内胆温度的实际值。
四、PID运算调节部分，这一部分为系统的运行调节部分，实现实时控制温度的目的。
分配地址如表4-1所示。
表4-1 地址分配表
主程序地址分配
I0.0 I0.1 Q0.0 M0.0 M0.1 AIW0 AIW2 VD300 VD304 VD104 VD112 VD116 VD120 VD124 SBM34 VD204
启动按钮 停止按钮 系统运行指示灯 系统运行控制寄存器 显示子程序定时器辅助寄存器 夹套温度模拟量输入值 内胆温度模拟量输入值 夹套温度实际参数 内胆温度实际参数 主控制器给定量SPn 主控制器增益Kc
主控制器采样时间Ts（S） 主控制器几分时间（min) 主控制器微分时间 主控制器中断定时器（ms） 副控制器给定量SPn
SB1 SB2
16位字（W） 16位字（W） 32位实数（R） 32位实数（R） 32位实数（R) 32位实数（R) 32位实数（R) 32位实数（R) 32位实数（R) 16位字（W） 32位实数（R)
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续表4-1 地址分配表
VD212 VD216 VD220 VD224 SBM35 VD300 VD100 VB100 VD108 VD306 VD304 VD200 VB200 VD208 AQW0 VW2034 VW2014 VW2042 VW2022 VD2044 V2041.0 V2021.0 V2045.0 Q0.3 Q0.2 Q0.4
副控制器增益Kc
副控制器采样时间Ts（S） 副控制器几分时间（min) 副控制器微分时间 副控制器中断定时器（ms） 夹套温度实际参数 主控制器的过程变量PV 主控制器PID的起始地址 主控制器的输入值 输出值寄存地址 内胆温度实际参数 副控制器的过程变量PV 副控制器PID的起始地址 副控制器PID的输出值 EM235模拟量输出值
将BL3（夹套温度）转为BCD码 将BL4(内胆温度）转为BCD码 夹套温度待显数寄存地址 内胆温度待显数寄存地址 控制字
夹套温度显示输入数据位 内胆温度显示输入数据位 控制位
夹套温度输出SDA 内胆温度输出SDA 两个数显表输出时钟SCK
33位实数（R) 34位实数（R) 35位实数（R) 36位实数（R) 16位字（W） 32位实数（R） 32位实数（R） 16位字（W） 32位实数（R） 33位实数（R） 32位实数（R） 32位实数（R） 16位字（W） 32位实数（R） 16位字（W） 16位字（W） 16位字（W） 16位字（W） 16位字（W） 32位双子（DW） 位（B） 位（B） 位（B）
4.2主程序部分
主程序主要完成系统的启动与停止的手动控制和系统运行的指示，并实现对其他子程序的有效调用的任务。在主程序中没有用到局部变量。 主程序流程图如图4-2所示。
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图4-2 主程序流程图
主程序梯形图如图4-3所示。
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图4-3 主程序梯形图
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4.3标度变换子程序
标度变换子程序的主要任务：由于温度传感器将温度信号转换为0~100mV的电压信号，并传送给模拟量输入扩展模块，而输入扩展模块将模拟量0~mV的电压信号转换为0~32000的数字量信号传送给CPU，所以标度变换子程序的主要任务是将0~32000的参数转换为0~100的实际温度参数，以便于后面计算和显示。
模拟量扩展模块传送给CPU的数字量0~32000所代表的是实际温度的0~100℃，如果用P表示传送的数字量信号，N表示实际的温度值那么其关系如图4-4所示。
图4-4 检测值与实际值的线性关系
用公式表示，可以表示为N/P=(100-0)/(32000-0)，即N=P/320。得知这个公式则可进行程序编辑。局部变量在程序中的定义如下图4-5所示。
图4-5 标度变换子程序中局部变量定义
标度变换子程序流程图如图4-6所示。
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图4-6 标度变换子程序流程图
标度变换子程序梯形图如图4-7所示。
图4-7 标度变换子程序
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4.4显示模块子程序
显示模块子程序的主要任务：温度变送器将从夹套和内胆中采集的温度信号转换为电信号后传入PLC模拟量扩展输入模块，数据经过标度变换后得到实际的温度值，由显示模块显示。
本设计中用到两个数显表，每个数显表都有两个端口，一个位数据传送端口SDA，分别接入PLC的数字量输出端口Q0.2(内胆温度显示表)和Q0.3（夹套温度数显表），还有一个时钟输入端口SCK，由于两个表所需的时钟信号相同，所以可以同时由Q0.4提供。
局部变量在程序中的定义如下图4-8所示。
图4-8 显示模块子程序中局部变量定义
显示模块子程序中要显示两个温度值，但显示原理相同，这里为简化说明，就选用夹套温度做为说明对象，内胆温度显示过程相同。
由于标度变换得到的实际温度为32位实数类型，所以先将实数类型转换位16位整数类型，存入局部变量中，做BCD码转换，这样我们就可以得到的数据就是4个4位BCD码数据，为了寻址方便，存入寄存器VW2042中；而温度值是实时变换的，所以采用脉冲信号控制数据的传送，这样就可以保证显示数据的温度性。然后给控制字置1，判断控制位V2045.0是否为0，若不为0说明数据没有传送完毕，将数据左移一位，V2041.0作为数据输出位，继续输出数据给数显表。若控制位为0，则说明数据传送完毕，则停止输出，读取最新数据。这样就可以准确的实时显示温度值。但任有不足之处，本设计需要显示的数据只有2位0~100之间的温度值，但PLC专用数显表所显示的数据为4位，所以在数据传送过程中前两位浪费的数据位为0。
显示模块子程序的流程图如图4-9所示，程序梯形图如图4-10所示。
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图4-9 显示模块子程序流程图
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4-10 显示模块子程序梯形图
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续图4-10 显示模块子程序梯形图
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4.5PID初始化子程序及中断程序
PID初始化子程序的主要任务是，对两个控制器的参数进行初始化，并调用PID运算中断程序，其中主控制器中的给定量为0.8（对应80℃），过程量PV1为夹套温度检测值所对应的参数，进行PID运算后，得到的结果作为副控制器的给定量，将内胆温度检测值所对应的参数，进行PID运算后，结果转换为0~5V的模拟量作为控制信号输出。
由于PLC中输出数据满量程为-32000~32000，对应的模拟量输出信号位-10V~+10V，而本设计中调功器的输入控制信号位0~5V，所以我们这里所需的输出数据为0~16000，才可以对应0~5V的输出电压，如果输出数据位P，所对应的输出模拟量电压信号位NV ，那么其对应的关系如图4-11所示：
图4-11 输出数据和输出电压关系图
其关系可以用如下公式表示：N/P=5/1600，在本设计中副控制器得到的输出值位0~1.0之间的数值，所对应的输出数据为0~16000，如果我们的输出数据位P，而得到的控制器输出值为M，那么其关系为M/P=1/16000，即P=M×16000。可用来作为输出的标度变换。
经过经验得出PID参数如下：
主控制器的增益为0.15，采样时间为0.2S，积分时间为30min，微分时间为3.0min； 副控制器的增益位2.0 ，采样时间为0.2S，积分时间位27min，微分之间为0min。 PID初始化和调用子程序及中断程序流程图如图4-12所示：
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图4-12 PID初始化和调用子程序及中断程序流程图
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局部变量在中断程序中的定义如下图4-13所示。
图4-13 局部变量在中断程序中的定义
PID初始化子程序梯形图如图4-14所示，主控制器中断程序INT_0梯形图如图4-15所
示，副控制器中断程序INT_1梯形图如图4-16所示。
图4-14 PID初始化子程序梯形图
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续图4-14 PID初始化子程序梯形图
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续图4-14 PID初始化子程序梯形图
图4-15 主控制器中断程序INT_0梯形图
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