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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。
本课题研究的主要目标是采用闭环控制方案，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，使红外线隧道炉温度保持在一定范围内，并能实时显示当前温度值。
第1章设计总体方案及控制算法描述
1.1系统总体方案
红外线隧道炉温度控制系统主要有软件与硬件两部分组成。
1.1.1硬件方案设计
硬件基本构成有PLC主控系统部分、调功器、隧道炉、远红外线碳纤维石英电热管、启动/停止开关按钮、温度变送器、电动机、风扇、警示灯等组成。
其结构硬件部分组成及其关系如图1-1所示。
图1-1红外线隧道炉硬件部分接线图
基本工作原理：
SCR调功器通过向红外线碳纤维电加热管输送电压加热红外线隧道炉腔，加温的同时启动电动机带动风扇，使隧道炉腔内的空气流动，达到隧道炉腔内的温度均匀的目的，避免隧道炉腔收热不均匀，对腔内产品产生不良影响。
温度变送器时刻监测隧道炉腔内的温度，将温度信号转变为PLC能识别的电压信号并传送给PLC，PLC对电压信号进行PID运算，将处理结果得到的电压信号传送给SCR电力控制器，SCR电力控制器就根据此电压信号改变红外线碳纤维电加热管的输送电压，从而改变碳纤维的输出功率，维持隧道腔内的温度，使隧道腔保持恒温。
当隧道腔内的温度超出规定范围并长时间无法回复时，连接警示灯的温度探头就会将危险温度信号输送给警示灯并发出声响，此时就需要人力进行调节了。
1.1.2软件方案设计
该系统是通过简单的闭环控制系统实现的。
由PLC控制的红外线隧道炉温度控制系统构成如图1-2所示，系统工作过程：
一是给定温度值通过键盘输入PLC主机，再由PLC主机传递给数字量输出模块，控制固态继电器的开关状态，从而控制隧道炉的加热情况；
二是通过温度检测装置热电偶检测到的变换为电压信号的炉温值通过模拟量输入模块读入PLC主机，由PLC主机内部PID的程序与温度给定值相比较，对数字量输出模块进行下一度的控制。
其中PLC是整个系统的主控核心。
图1-2红外线隧道炉软件控制部分组成图
1.2PID控制算法
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。
比例（P）控制：
比例控制是一种最简单,最常用的控制方式[4]。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
积分（I）控制：
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制：
在微分控制中，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。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
PID控制的一种通俗易懂的讲解控制模型：
你控制一个人让他以PID控制的方式走110步后停下。
（1）P比例控制，就是让他走110步，他按照一定的步伐走到一百零几步（如108步）或100多步（如112步）就停了。
P比例控制是一种最简单的控制方式。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差.
（2）PI积分控制，就是他按照一定的步伐走到112步然后回头接着走，走到108步位置时，然后又回头向110步位置走。
在110步位置处来回晃几次，最后停在110步的位置。
说明:
在积分I控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
（3）PD微分控制，就是他按照一定的步伐走到一百零几步后，再慢慢地向110步的位置靠近，如果最后能精确停在110步的位置，就是无静差控制；
如果停在110步附近（如109步或111步位置），就是有静差控制。
说明：
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。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例P”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。
这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例P+微分D（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
1.2.1PID算法的种类
PID的基本算式有：
位置型、增量型和速度型三种形式，其中最常用的事增量型式。
设u（n）为本周期PID控制器的输出（控制量），e（n）为本周期的PID输入偏差信号，e（n-1）为上一个周期的偏差信号，e（n-2）为上上个周期的偏差信号。
KP为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间，则PID基本算式的公式如下：
（1）位置型PID算式
（1.1）
根据微分方程和差分方程的对应关系可知，如果微分方程中的积分运算对应差分方程的累加运算，微分方程对应一个周期的增量变化，则能很容易的推导出表达式1.1。
（2）增量型PID算式
（1.2）
由增量型PID算式也可以得到PID控制器的位置输出：
（1.3）
（3）速度型PID算式
速度型PID算式的输出值和执行器的位置变化率（如调节阀的开度变化率、直流伺服电机的转动速度等）相对应，它是由增量型PID算式除以T得到：
（1.4）
1.2.2PID在PLC中的回路指令
现在很多PLC已经具备了PID功能，STEP7Micro/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。
如表1-1所示。
表1-1PID回路指令
名称
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。
指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路编号。
编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CPU将生成编译错误（范围错误），引起编译失败。
PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。
PID回路在PLC中的地址分配情况如表1-2所示。
表1-2PID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
20
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）
过程变量与给定值是PID运算的输入值，在回路表中他们只能被PID指令读取而不能改写。
每次完成PID运算后，都要更新回路表内的输入值Mn，它被限制在0.0～1.0之间。
如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器位SM1.1（溢出或非法数值）被置为1，并将中止PID指令的执行，想要消除这种错误，在下一次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。
1.2.3PID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1-3所示。
表1-3温度控制器参数经验数据
被控变量
规律的选择
比例度
积分时间（分钟）
微分时间（分钟）
温度
滞后较大
20~60
20~40
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。
第2章系统硬件设计
2.1系统的硬件组成
2.1.1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、一个温度检测回路、一个红外线碳纤维电加热灯管、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，一个系统运行警示灯。
2.1.2系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的输出实时显示红外线隧道炉腔内的实际温度值，便于控制和观察。
（3）温度变送器：
用来检测红外线隧道炉腔内的温度，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）调功器和碳纤维电加热灯管：
是PLC的控制对象，根据PLC模拟量输出模块输出的电压信号，来控制调功器的输出功率电压，对碳纤维电加热灯管进行控制，来加热隧道腔内的温度。
（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隧道炉腔内的温度显示；
另一方面，根据采集到的温度值，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碳纤维电加热灯管的控制。
2.2可编程控制器
可编程控制器（ProgrammableController）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。
2.2.1PLC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，具有很高的可靠性。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
（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。
2.2.2PLC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。
2.2.3西门子S7-200系列PLC系统主要功能模块介绍
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:
CPU221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。
CUP222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。
CUP224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。
CUP226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。
CUP226XM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，但是这只是一个隧道炉腔需要的，隧道炉包括好几个隧道炉腔，所以本设计选
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