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基于PLC的恒温控制系统
摘要
随着计算机技术、通信技术、自动控制技术以及各种智能技术的迅速发展，高可靠性可编程控制器（PLC）出现，使得现代工业控制系统的设计开发周期短，可靠性高，成本低。
本文结合恒温控制系统的特点，提出控制系统的总体设计方案，采用PLC和检测仪表完成系统硬件设计；编写PLC控制程序和监控组态界面，实现温度采集与显示，实现了温度在线监测和控制。
并采用工业以太网，实现现场控制单元与上位机进行信息交换，并能与企业内部联网。
关键词：
自动检测；PLC；温度；监控组态
ABSTRACT
Withcomputertechnology,communicationtechnology,automaticcontroltechnology,aswellastherapiddevelopmentofsmarttechnology,highreliability,programmablelogiccontroller（PLC）theemergenceofmodernindustrialcontrolsystemsmakesthedesignofashortdevelopmentcycle,highreliabilityandcostreduction.
Inthispaper,thecharacteristicsofconstanttemperaturecontrolsystem,thecontrolsystemdesignprogram,PLCandinstrumentationusedtocompletesystemhardwaredesign;PLCcontrolprocedurestoprepareandmonitortheconfigurationinterface,collectionanddisplaytemperaturetoachieveatemperature-linemonitoringandcontrol.AndtheuseofIndustrialEthernet,therealizationofthescenecontrolunitandhostcomputerexchangeofinformationandnetworkingandtheenterprise.
Keywords:
Automaticdetection；PLC；Temperature；Monitoringconfiguration
第一章绪论
1.1选题背景
随着计算机技术、通信技术、自动控制技术，以及各种智能技术的迅速发展，出现了多种实用的控制技术，如继电器控制技术、计算机控制技术、单片机控制技术及PLC控制技术等，每种控制技术有各自的优缺点和应用领域。
1.1.1PLC控制技术与继电器控制技术的区别
在PLC的编程语言中，梯形图是用得最多的语言。
PLC的梯形图与继电器控制线路图比较相似，信号的输入/输出形式及控制功能也相同，但PLC的控制与继电器的控制又有不同之处，主要体现在以下几个方面。
（1）控制逻辑：
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触头的串联或并联以及时间继电器的延时等组合成控制逻辑。
其缺点是接线复杂，增加或改变功能都非常困难，继电器触头数目也有限。
而PLC利用其内部存储器，以程序方式将控制逻辑存储在内存中，通过改变程序就可以很方便的改变控制逻辑，另外，软继电器触头数一般都非常多，因此PLC控制逻辑的灵活性和扩展性都很好。
（2）控制速度：
继电器控制是通过继电器机械触头的动作来实现，触头的开闭动作一般在几十毫秒数量级。
而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制逻辑，一般一条指令的执行时间在微秒数量级。
（3）限时控制：
继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制，但其定时精度不高，易受环境影响，调整比较困难。
PLC使用半导体集成电路定时器，定时精度高，定时范围可从0.001s到若干分钟，通过编写程序来进行定时控制，非常方便。
（4）计数控制：
继电器控制逻辑一般不具备计数的功能，而PLC能通过程序方便的实现计数功能。
（5）可靠性和可维护性：
继电器控制逻辑使用了大量的机械触头，触头开闭时产生的电弧容易损坏触点，因此可靠性和可维护性都比较差。
而PLC采用无触点的半导体电路来代替继电器触点，因而不存在上述缺陷。
PLC还带有自检功能，为现场的调试和维护提供了方便。
（6）价格：
继电器控制逻辑多使用机械开关、继电器等，功能简单，价格比较便宜。
而PLC多使用集成电路，价格相对比较昂贵。
1.1.2PLC控制技术和通用计算机控制技术的区别
PLC是专门为工业控制环境而设计的，而通用计算机是专门为科学计算和数据处理等而设计的，两者采用的都是计算机结构，但两者设计的出发点不同，因此也存在许多的差异，主要体现在以下几个方面。
（1）应用范围：
通用计算机除了应用在控制领域外，还大量应用在科学计算、数据处理、计算机通信等方面。
而PLC主要用于工业控制领域。
（2）使用环境：
通用计算机对环境要求高。
而PLC能适用于环境差的工业现场。
（3）程序设计：
通用计算机具有丰富的程序设计语言，如汇编语言、C语言等，能实现复杂的应用，对编程者要求高。
而PLC能提供的编程语言少，逻辑简单，容易学习和使用。
（4）运算速度和存储容量：
随着各种电子技术的发展，通用计算机运算速度越来越快，一般在微秒级，存储容量也在增大。
而PLC相对通用计算机运算速度要慢，其编程的软件少，编程简短，内存容量也很小。
（5）价格：
通用计算机功能多，硬件复杂，而PLC相对功能单一，因此在价格上一般PLC要比通用计算机便宜。
1.1.3PLC控制技术与单片机控制技术的区别
单片机控制技术一般用于数据采集和工业控制，单片机在配置上比通用计算机简单，价格上相对便宜，但它和通用计算机一样，也不是专门为工业现场控制所设计的。
与通用计算机一样，单片机编程复杂、不易掌握，需要处理大量I/O接口，其输出口驱动负载能力较弱，要驱动工业负载需要复杂的外围电路。
单片机控制技术的突出优点在于它具有较强的数据处理能力，但工业控制过程要处理的是大量的开关量，因而运用在工业现场控制中单片机的长处得不到发挥，其可靠性也远不如PLC。
一般单片机控制技术仅使用于比较简单的工业控制过程和数据处理能力要求比较高的场合。
PLC控制技术与单片机控制技术相比较而言，更适合于工业现场过程控制，但其数据处理能力不如后者。
所以二者各有所长，不能互相替代。
由此可见，随着PLC的成本降低及数据处理能力的增强，在工业现场控制方面，PLC控制技术面对其他的控制技术的挑战将会一直具有自身的优势。
因此，掌握PLC控制技术对于工业控制技术人员来说是必不可少的技能之一。
1.2本课题研究现状
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。
无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。
自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
目前，国内外恒温控制系统的应用技术已发展的比较成熟，大多数是使用单片机和PLC对温度进行控制，但随着PLC、工业网络及监控组态软件的迅速发展，在工业生产过程中基于PLC的恒温控制系统开始占据了主导地位。
基于PLC的恒温控制系统在工业生产过程中充分体现了一下优点：
（1）采用光电隔离、RC滤波器等屏蔽措施具有较高的抗干扰能力和可靠性；
（2）针对不同的工业现场信号有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接；（3）采用模块化结构；（4）编程简单，易于实现；（5）系统设计、安装、调试方便；（6）维修方便，维修工作量小；（7）投产周期及成本比较低。
本设计基于一个PLC的恒温控制监控系统，达到温度的实时控制与显示。
该系统克服传统的位式调节器和PID调节器超调大的缺点,充分发挥PLC控制灵活、编程方便、适应性强和FameView的实时显示的优点,提高了控制的精确度。
而且该系统操作简单、工作稳定可靠、实用性强并有良好的组态监控界面,能远程控制，适应了当前现代化工业的需要,适用范围广,其经济效益很好。
在工业生产中,常用闭环控制方式控制温度、流量等连续变化的模拟量,PID控制是常见的一种控制方式。
在使用模拟量控制器的模拟控制系统和使用计算机（包括PLC）的数字控制系统中得到了广泛的应用。
可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础,综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等高新技术，可以构成不同的控制系统,将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体,实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制系统。
本文针对恒温水箱温控系统的要求,以PLC为温度控制系统的核心,利用PID控制算法实现系统的恒温控制。
1.3本文主要的研究工作
本文介绍恒温控制系统的工作原理设计，结合系统特点设计一套基于S7-200PLC的温度控制系统。
主要研究内容如下：
（1）分析恒温控制系统的工艺流程，提出控制系统的总体设计方案。
（2）采用PLC和检测仪表完成系统硬件设计；编写PLC控制程序，实现温度采集与显示。
（3）采用FameView监控组态软件设计恒温系统监控界面，实时显示各个温度的大小和变化曲线，实现温度在线监测和控制。
（4）采用工业以太网，实现现场控制单元与上位机进行信息交换，并能与企业内部联网。
第二章恒温控制系统的硬件设计
2.1恒温控制系统的组成
恒温控制装置结构如图2－1所示，它包括控制恒温水箱、冷却风扇电动机、搅拌电动机、储水箱、电加热装置（功率为1.5W，温度范围为40~60.C）、测温装置、液位检测、流量检测以及电磁阀门等。
电加热器加热恒温水箱水温，搅拌器使恒温水箱中的水上下水温均匀，两个液位检测传感器用于测量缺水和溢出状态，三个温度传感器分别测量恒温水箱中水的温度、入口温度及储水箱中水的温度，水泵用来使系统内的水循环流动，三个电磁阀门用来使水进入储水箱或冷却器中，水的流量采用流量计检测，水的冷却采用风扇进行冷却。
恒温水箱中水温、入水口水温、储水箱中水温、水的流速和加热器功率分别用数显仪表显示。
阀门、搅拌器及冷却器工作状态用指示灯指示。
图2-1恒温控制装置结构图
控制系统设计要求：
①要求系统有手动和自动两种方式；②温度范围：
20℃~60℃温度超限进行报警；③水温与设定值之差小于5℃，采用PID调节；水温高于设定值5℃~10℃进冷水；水温高于设定值10℃以上时，采用进冷水与风冷同时进行的方法实现降温控制；④对温度，流量进行检测并显示；⑤进水时无流量，加热时水温无变化能进行报警。
2.2恒温控制系统总体设计方案
根据恒温控制系统的要求，本设计由S7-200PLC作为中央处理单元，Fameview作为监控组态软件，实现恒温控制系统实时监控。
系统由硬件和软件两部分软件构成。
要完成整个系统的要求就应该由软件与硬件共同来发挥作用和相互组合协调工作；本设计由工控机作为上位机对整个系统进行监控，PLC等其他元件作为下位机完成具体控制要求，上位机与下位机之间的通信通过以太网的联接来达到通信的状态要求，以便更好的完成对系统的监控。
图2-2系统总体结构
上位机由工控机构成，工控机上采用Fameview组态软件，控制对现场设备的启/停、运行状况的实时监控，设备相关数据的记录，设备故障和异常情况的处理。
PLC组成下位机现场控制单元，采集现场设备的数据。
检测元件有温度检测元件和液位检测元件，对现场设备进行实时检测，并将检测数据传送至PLC与数显表。
显示电路实现现场温度的实时监控。
PLC根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算，输出控制信号给加温控制电路，对温度进行PID控制。
2.3PID控制原理
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70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。
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的控制方式。
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（Steady-stateerror）。
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（SystemwithSteady-stateError）。
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。
按照实际温度和设定温度偏差的比例、积分和微分产生控制作用（简称PID控制），是温度控制中应用最广泛的一种控制形式，实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律在相当多的工业生产过程中能得到比较满意的结果。
每个温度由一个热敏电阻检测，用PID的输出值来控制电阻炉通断，从而控制的温度。
温度控制原理如图2-3所示。
2.4可编程序控制器介绍
可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称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。
在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。
这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点:
体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，造成了时间和资金的严重浪费。
美国的数字设备公司（DEC）中标，并在1969年研制出了第一台可编程序控制器（PDP-14）。
其后，美国的MOD工CON公司也推出了084控制器，1971年，日本推出了DSC-8控制器，1973年西欧各国的各种可编程序控制器也研制成功。
我国在1974年开始研制可编程序控制器。
可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。
这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了它们的发展。
从控制功能来分，可编程序控制器的发展经历了下列四个阶段。
第一阶段，从第一台可编程序控制器问世到20世纪70年代中期，是可编程序控制器的初创阶段。
这一阶段的产品主要用于逻辑运算和计时、计数运算，它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，它的控制功能较简单。
第二阶段，从20世纪70年代中期到末期，是可编程序控制器的扩展阶段，在这一阶段，产品的主要控制功能得到了较大的发展，它的发展主要来自两方面，从可编程序控制器发展而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同时扩展了其他运算功能；而从模拟仪表发展而来的控制器，其功能主要是模拟运算，同时扩展了逻辑运算功能。
因此，按习惯的分类方法，前者被称为可编程序逻辑控制器（PLC），后者被称为单回路或多回路控制器。
第三阶段，从20世纪70年代末期到20世纪80年代中期，是PLC通信功能实现阶段。
与计算机通信的发展相联系，PLC也在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布式的通信网络体系。
在该阶段，由于生产过程控制的需要，对PLC的需求大大增加，产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可靠性进一步提高。
第四阶段，从20世纪80年代中期开始是PLC的开放阶段。
由于开放系统的提出，使PLC也得到了较大的发展。
主要表现在通信系统的开放，使各制造企业的产品可以通信，通信协议的标准化使用户得到了好处。
在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完善，大中型的产品多数有CRT屏幕的显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。
PLC的工作原理分为以下几个过程：
（1）初始化：
PLC上电后，首先进行系统初始化，清除内部继电器区，复定时器等。
（2）CPU自诊断：
PLC在每个扫描周期都要进入CPU自诊断，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查；定期复位监控定时器等，以确保系统可靠运行。
（3）通信信息处理：
在每个通信信息处理扫描阶段，进行PLC之间以及PLC与计算机之间的信息交换；PLC与其他带微处理器的只能装置通信，例如，只能I/O模块；在多处理器系统中，CPU还要与数字处理器（DPU）交换信息
（4）与外部设备交换信息：
PLC与外部设备连接时，在每个扫描周期内都要与外部设备交换信息。
这些外部设备有编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机等。
（5）执行用户程序：
PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要执行用户程序。
执行用户程序时，是以扫描的方式按顺序逐句扫描处理的，扫描一条执行一条，并把运算结果保存在输入输出映像区对应位中。
（6）输入、输出信息处理：
PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要进入输入、输出信息处理。
以扫描的方式把外部输入的信号存入输入映像区；将运算处理好的结果存入输出映像区，直到传送到外部被控设备。
PLC周而复始地巡回扫描，执行上述整个过程，直至停机。
PLC的特点有：
可靠性高、抗干扰能力强；通用性强，灵活性好，功能齐
编程简单，使用方便；模块化结构；安装简便，调试方便；可以进行网络通信；体积小，能耗低等。
2.5PLC的选型
合理选择PLC对于提高PLC控制系统的性价比起着重要作用，PLC的选择应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等几个方面。
在恒温控制系统中，经过调研、分析，选择了西门子公司生产的S7-200系列PLC作为系统的控制器。
S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一种整体式小型可编程控制器。
S7-200系列PLC包含了一个单独的S7-200CPU和各种可选则的扩展模块，可以十分方便的组成不同规模的控制器。
其控制规模可以从几点到几百点。
S7-200PLC可以方便地组成PLC－PLC网络和微机－PLC网络，从而完成规模更大的工程。
因此本人选用的是德国SIEMENS公司的S7-200型号的可编程序控制器产品。
S7-200的STEP7-Micro/WIN32编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控、使得PLC的编程更加方便、快捷。
即S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。
目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种,四种CPU的外部结构大体相同。
CPU221集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。
无I/O扩展能力。
6K字节程序和数据存储空间。
4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
非常适合于小点数控制的微型控制器。
CPU222集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。
可连接2个扩展模块。
6K字节程序和数据存储空间。
4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
非常适合于小点数控制的微型控制器。
CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
根据控制要求本设计有系统开关、上下液位开关搅拌电机开关等开关量要转变为数字量作为CPU226的输入量，其中流量检测量与温度检测量作为模拟量输入输入到CPU226；同时系统中的电机及指示灯、温度显示等作为数字量输出量，电机热控制信号作为模拟量输出。
而在已有的S7200的CPU中没有可以单独满足系统要求的型号，不管选用哪种型号都需要对其输入\输出端口进行扩展。
为了使系统设计的尽量简单、方便、实用，本设计选用CPU226。
CPU226拥有24个数字输入端口和16个数字输出端口，因此只需要对其扩展4个模拟输入端和一个模拟输出端口。
PLC的系统组成如图2-4所示。
图2-4系统结构模块图
2.6模拟量模块选择
西门子S7200提供有EM231、EM232以及EM235三种模拟扩展模块。
EM231可扩展4路模拟量输入通道，A/D转换时间为25μs，12位；EM231还有专门的热电偶、热电阻模块是为CPU222，CPU224，CPU226设计的，S7-200与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离接口。
用户通过模块上的DIP开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。
EM232可扩展2路模拟量输出通道。
EM235可扩展3路模拟量输入通道和1路量输出通道。
按照输入\输
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