基于PLC和Pt100的閉環溫度控制系統的設計

丁欣 姚開武 陳君霞

【摘 要】文章在建設國家骨干院校的背景環境下，借助廣西水利電力職業技術學院的院級重點科研項目“基于PLC的整流教學裝置的研究與實現”及核心課程的建設要求，設計出融合了PLC課程及自動檢測課程的閉環溫度控制系統，該控制系統穩定性好、可靠性高、響應迅速，并且與人們的生活聯系緊密，具有一定的現實意義。

【關鍵詞】PLC；單回路控制系統；鉑電阻Pt100；EM235模塊

【中圖分類號】TP273 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）01-0037-03

1 引言

PLC具有經濟、穩定性好、高效、易操作、易維護等特點，而且具有編程簡單、抗干擾能力強、能耗低、功能強大等優點，因此在很多領域都有著廣泛的應用，成為工程人員常用的控制設備之一。其中，S7-200編程軟件STEP7MIicro/WIN的編程過程簡單，易掌握，功能強大。PLC的數據采集模擬/數字量輸入輸出模塊EM235，能夠實現A/D和D/A之間的轉換，以便及時采集溫度變送器送過來的模擬信息[1]。

在自動化工業生產過程中，溫度是最常見的過程參數之一。近年來，國內外對溫度控制系統的研究越來越深入、廣泛。隨著計算機、網絡、物聯網等技術的發展，在溫度控制系統的研究方面更是取得了巨大的進步。如：模糊控制、職能化PID、自適應控制等，其性能、控制效果好，可廣泛應用于溫度控制系統及企業相關設備的技術改造服務[2]。

2 控制系統整體設計

本設計采用西門子的S7-200系列PLC控制器。鉑電阻Pt100溫度變送器可用來檢測熱水壺水溫，并將溫度轉化為4～20 mADC的標準電流信號，送到采集模塊EM235的1號通道，EM235模塊將標準的電流信號轉換成數字信號，完成A/D轉換，并將數字信號傳給PLC控制器。PLC通過程序控制，把EM235模塊傳來的信號與給定值對應的數字信號相比較，根據比較結果輸出驅動固態繼電器的線圈，通過控制繼電器線圈的得電與失電來改變熱水壺的通斷，從而實現對熱水恒溫的控制（如圖1所示）。該控制電路采用單回路結構形式，系統由被控對象熱水壺、控制器PLC、執行器固態繼電器和溫度變送器組成。系統的給定量是一定值（例如30 ℃），要求系統的被控制量等于給定量所要求的值。由于這種系統結構相對簡單，調試方便，性能較好，所以可被用于教學當中，為學生實驗和實訓提供很好的平臺[3]。

3 控制系統的硬件設計

3.1 硬件系統組成

硬件系統由S7-200CPU226型PLC、模擬量采集模塊EM235、鉑電阻Pt100變送器、固態繼電器、熱水壺、啟動停止按鈕、24 V直流電源及導線組成（如圖2所示）。

3.2 PLC控制器的選擇

S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業，可用于各種場合中的檢測、監測及控制的自動化，具有很高的性價比。S7-200系列的PLC 有CPU226、CPU224XP、CPU224、CPU222、CPU221等類型。本系統選用S7-200 CPU226，CPU226集成了24輸入/16輸出，共有40個數字量I/O，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O點或數字量35點模擬量I/O。此外，還有6個獨立的30 kHz高速計數器，13KB的程序和數據存儲空間，兩路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器，配有2個RS485通信口，具有PPI通信協議，MPI通信協議和自由方式通訊能力，可適應較高要求的復雜的中小型控制系統[4]。

3.3 EM235模擬數字量輸入輸出模塊

模擬量擴展模塊EM235提供了模擬量輸入輸出的功能，有4路模擬量輸入，1路模擬量輸出。不用加放大器即可直接與執行器和傳感器相連。供電電源為24 VDC。輸入輸出都可以為0～10 V電壓或是0～20 mA電流（如圖3所示）。

3.4 Pt100溫度變送器

最常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶的工作原理是熱電效應，測溫范圍較廣，價格較貴。而金屬鉑（Pt）的電阻隨溫度的變化而變化，并且有很好的重現性和穩定性。我國規定工業用的鉑熱電阻中，常用的有Pt10和Pt100 2種，測溫范圍為-200 ℃～850 ℃。Pt100溫度變送器是在鉑熱電阻傳感器的基礎上，加上信號處理放大電路做成的一種裝置。這種變送器可以將溫度變化轉化為標準電量的變化[5]。

工業常使用的鉑電阻分度號為Pt100，其實際電阻的溫度特性曲線是一條非線性曲線，用公式（1）進行線性化處理，可將非線性處理成線性。

t=3 367.85+K（1）

公式（1）中： Rt為鉑電阻值；t為測量溫度值；K為修正代數式[6]。

4 控制系統的軟件設計

當PLC開始運行時，初始化脈沖使特殊繼電器SM0.0進行初始化，將溫度設定值30 ℃對應的數字量、參數值等存入有關數據寄存器，使定時器復位；按下啟動按鈕，系統開始溫度采樣，采樣周期為1 s；Pt100型鉑電阻變送器把所測量的溫度值轉換為4～20 mADC的電流信號，送入EM235模塊的A號通道輸入端，該通道將讀入的4～20 mADC的模擬信號轉換成數字信號送入PLC的AIW0；經過一些數據類型的轉換和程序的計算后得出實際測量的溫度T，將T和溫度設定值30 ℃進行比較，若水溫低于30 ℃，控制固態繼電器線圈得電，熱水壺繼續加熱，若水溫等于或高于30 ℃，控制固態繼電器失電，熱水壺斷電停止燒水，從而使熱水壺保持了恒溫控制（如圖4所示）。

5 系統運行結果及分析

在西門子S7-200系列PLC控制器和EM235采集模塊的基礎上，利用鉑電阻變送器成功設計了熱水壺控制系統，并取得實驗的成功。溫度控制系統的設計很好地融合了高職高專自動化專業基礎課程PLC和自動檢測傳感器技術課程，并且結合了低壓電器固態繼電器的使用，是一個綜合性的設計系統，對今后的實踐教學有很好的幫助。

參 考 文 獻

[1]李乃夫.可編程控制器原理、應用、實驗[M].河北：中國輕工業出版社，2010.

[2]朱強，江瑩.基于工作過程的課程開發方案研究[J].中國職業教育，2008（1）：42-44.

[3]姚家琛，孫健.基于西門子S7-200控制器的溫度控制系統設計[J].開封大學學報，2014（1）：83-86.

[4]王曉軍，楊慶煊.可編程控制器原理及應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[5]陸希望，王權.基于PLC技術的電熱毯遠程控制系統研究[J].赤峰學院學報，2014（10）：21-24.

[6]劉偉.水溫加熱控制系統設計[J].科技創業，2014（11）：

194-105.

[責任編輯：鐘聲賢]