毕业设计基于PLC的温度控制.docx

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毕业设计基于PLC的温度控制

摘要

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

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。

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。

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。

随着自动化水平不断提高，人们对自动化的要求也不断提高。

近几年，飞速发展的计算机技术在各行各业得到广泛应用。

但是，以之相对应，传统的工业控制软件有开发周期长，重复使用率低，价格高，修改难等缺点。

随着越来越多的自动化设备不断得到应用，人们对工业控制软件的要求也不断提高，传统的工业控制软件已无法满足用户的要求。

如何方便快捷的使用工业控制软件设计出灵活有效的自动控制系统已成为一个很重要的课题。

本设计以S7-200 PLC为核心，向上，通过PPI通信和上位机通讯；向下，通过模拟量输入输出模块EM235，对温度对象采样与输出控制。

在上位机，使用组态软件MCGS绘出工艺流程、动画效果等所需的组态界面；通过变量与动画对象的连接，使动画效果与实际变量相对应，这样可以很方便的从组态界面上看到系统实际情况并控制PLC的各个参数。

在温度采样上，使用PT100热电阻进行采样，使用脉宽调制电路对输出电压进行控制，进而形成完整的温度控制系统。

本文分别通过硬件的选择、设计、使用，软件的选择、编写等方面详细介绍系统各个模块的原理、设计和使用。

实验证明，以PLC作为控制器的核心，使用组态软件作为上位机，控制PLC，再通过PLC编程控制温度对象，这种设计方式方式可以方便快捷灵活的设计出符合要求的控制系统。

关键词：

PLC；PID控制；温度控制；微处理器；MCGS组态软件；

1　引言

随着微处理器，计算机的和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制技术已经渗透到所有工业领域。

当前用于工业控制的计算机可分为:

可编程控制器,基于PC总线的工业控制计算机,基与单片机的测控装置,用于模拟量闭环控制的可编程调节器,集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）等。

可编程控制器是应用广泛,功能强大,使用方便的通用工业控制装置,已成为当代工业自动化的重要支柱.近几年来，在国内已得到迅速推广普及。

正改变着工厂自动控制的面貌，对传统的技术改造、发展新型工业具有重大的实际意义。

可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。

另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的要求专门设计控制器，适合批量生产。

由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。

可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。

但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。

它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。

用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。

1.1  温度控制系统研究背景 

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。

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[1]。

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。

目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪50年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。

它只能适应一般温度系统控制，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。

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）是能够适应于受控系统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。

借助计算机软件技术，温度控制器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。

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，自动调整相关控制参数，以保证控效果的最优化；（6）是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点[2]。

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。

2  PLC概况

1.2.1  PLC的定义 

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。

1.2.2  PLC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 

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 硬件电路的设计

控制单元的硬件设计应当围绕系统要求进行，同时要遵循以下设计原则：

（l）模块化设计：

硬件设计时应当根据预期实现的功能划分为若干功能模块，尽可能选择模块化、标准化的典型电路，提高设计的成功率和灵活性。

（2）简化设计：

硬件设计尽可能选用集成电路，少用分立元件，这样有利于提高系统的集成度，减少元器件之间的连线、节点和封装数目，从而大大提高系统工作的可靠性。

（3）防干扰设计：

可靠性及抗干扰设计是硬件系统不可缺少的部分，它包括芯片、器件选择、隔离技术等。

（4）系统的扩展和各种功能模块的设计在满足系统要求的基础上，应适当留有余地，以备将来修改扩展之需。

（5）注意缩短设计周期，例如，可以选用现成的模板作为系统的一部分，也可以选用已开发的总线结构的接口板，如输入板、输出板、刀D板等。

（6）注意对新技术、新材料、新工艺的应用[5]。

3.1  系统的组成 

3.1.1  控制系统结构图 

温度控制系统的结构图如图2-1所示，该结构包括一台计算机、一台S7-200 PLC、一个输出电压控制电路、一个温度检测电路、一个加热器、一个模拟量输入输出模块和串口通信线路等组成。

系统结构组成：

（1）上位机 

在温度控制系统中，控制现场往往是高温、高辐射等，这些现场很危险，工作人员一般不在现场，无法了解现场各种情况。

而上位机的设计就是为了让工作人员对现场的各个环节的工作状态有着清晰的了解，更好的管理现场。

通过RS232等通信接口，实现现场设备与上位机的实时通讯。

（2）下位机 

为了实现自动控制系统中的各种复杂的控制算法，使系统智能化，设计了下位机。

下位机是控制系统的核心，下位机由输入输出模块、PLC和单片机等组成，实现数据采集、运算、输出等任务。

（3）现场 

即被控对象，在现场有许多传感器仪表，功率设备等，实现对现场变量的检测及对下位机的各种控制信号的响应等。

3.1.2  系统的硬件组成 

（1）上位机，上位机是监控软件所运行的计算机，用来实现整个系统的管理。

（2）下位机，下位机是控制算法的实现，选用S7-200 PLC。

S7-200 PLC系列在集散自动化系统中发挥着极其强大功能，应用领域极为广泛，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等，如冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统。

（3）通讯，由于下位机选用S7-200 PLC，故选用RS232转RS485，实现PPI通信。

 （4）输入输出模块，输入输出的主要功能是实现数据的A/D或D/A转换，这里选用EM235。

EM235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA（通过250Ω电阻转换DC 1～5V或通过500Ω电阻 转换DC2～10V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。

（5）电量变送器，用于将现场各种变量转化为标准的电信号，以便下位机读取。

热电阻是中低温区最常用的一种温度传感器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

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，所以我们选用PT100热电阻传感器电路[6]。

（6）功率放大电路，主要功能实现将控制信号转化为强电信号，这里选用脉宽调制电路。

脉宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，使晶体管导通时间改变，来实现开关稳压电源输出，这种方式能使电源的输出本实验的给定值（目标值）可以预先设定后直接输入到回路中；过程变量由在受热体中的Pt100测量并经温度变送器给出，为单极性电压模拟量；输出值是送至加热器的电压，其允许变化范围为最大值的0%至100%2.2选择PLC型号S7-200PLC系列是西门子公司的可编程控制器,这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制要求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200PLC可以满足小规模的控制要求。

此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的是适用性。

1台S7-200PLC包括一个单独的S7-200CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块。

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

CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制;输入和输出是系统的控制点:

输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及控也过程中的其他设备;电源向CPU及其所连接的任何设备提供电力;通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其他一些设备连起来;状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误;通过扩展模块可提供其通讯性能;通过扩展模块可增加CPU的I/O点数（CPU221不扩展）;一些CPU有内置的实时时钟，或添加实时时钟卡;EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序送到另一个CPU中;通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间;最大I/O配置。

2.1设计要求本实验的给定值（目标值）可以预先设定后直接输入到回路中；过程变量由在受热体中的Pt100测量并经温度变送器给出，为单极性电压模拟量；输出值是送至加热器的电压，其允许变化范围为最大值的0%至100%2.2选择PLC型号S7-200PLC系列是西门子公司的可编程控制器,这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制要求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200PLC可以满足小规模的控制要求。

此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的是适用性。

1台S7-200PLC包括一个单独的S7-200CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块。

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

CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制;输入和输出是系统的控制点:

输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及控也过程中的其他设备;电源向CPU及其所连接的任何设备提供电力;通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其他一些设备连起来;状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误;通过扩展模块可提供其通讯性能;通过扩展模块可增加CPU的I/O点数（CPU221不扩展）;一些CPU有内置的实时时钟，或添加实时时钟卡;EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序送到另一个CPU中;通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间;最大I/O配置。

四．程序调试 

本程序分为三部分：

主程序，子程序，中断程序 

子程序主要是将各个PID运算所需的参数变量输入寄存器中。

  中断程序主要是将模拟量输入到寄存器中，并将运算完毕的整数值写到模拟输出寄存器中。

输入的数据时，装入设定值0.193，回路増溢0.15，采样时间1秒，积分时间30分钟，关闭微分作用。

设定定时中断0的时间间隔是100 ms设定定时中断，以定时执行PID指令。

检查程序有无错误，检查无误后接通电源 ，将程序下载到运行模拟平台上并运行该程序，并检查运行情况看看是否运行正常。

运行正常停止运行，关闭计算机关闭电源,结束. 

6　结论

通过对本系统的设计和调试，我们认识到，对于复杂系统的控制，如果采用继电控制，不仅系统繁琐，调试困难，故障概率大，而且对以后的维护也带来困难。

用PLC控制除了能解决以上问题以外，还具有以下特点：

①控制条理清楚，接线简单明了。

②用软件代替传统的继电控制，减少了设计上的困难，减少了系统的故障。

③模块化程序设计，便于调试，并且方便功能的改进。

④编程图形化，使之一目了然。

由于时间的关系，课题设计还有很多可以完善的地方，如对温度范围进行控制的时候，可以采用目前比较流行的模糊控制，前馈控制，在设定的温度范围内，通过吸收工厂经验，建立合适的模型，提前作出控制反映，保证控制精度的同时，节约能源，减少仪器动作，增加仪器使用寿命。

相信加入了模糊控制等方式之后，这样的通用远程温度控制系统会有更强的生命力，也能获得更多的实践与发展机会。

致　谢

本论文是在毛宏光老师的悉心指导下完成的，从论文最终完成的每一个环节，自始自终得到毛宏光老师精心指导和帮助。

在此特向毛宏光老师表示由衷的感谢和崇高的敬意。

在设计过程中，离不开同事的宝贵意见以及文献资料的提供，在此对帮助过我的同事再次表示衷心的感谢和祝福，祝愿在日后的工作生活中的合作能更上一层楼，大家共同进步。

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