基于PLC的溫度控制系統的設計

邵　彥

（杭州技師學院 機電系， 浙江 杭州 311500）

基于PLC的溫度控制系統的設計

邵彥

（杭州技師學院 機電系， 浙江 杭州 311500）

摘 要：闡述了基于 S7-200 的溫度控制系統的軟、硬件設計。系統調試表明，整個控制系統結構簡單，運行穩定，便于維護，實現了溫度的閉環控制 。

關鍵詞：S7-200；PLC；溫度控制；閉環控制

1 前言

在科學研究和生產實踐的諸多領域中，溫度控制占有極為重要的地位，特別是在食品、大棚溫室、冶金、化工、建材、機械、石油等工農業生產中具有舉足輕重的作用。隨著電子及計算機技術的發展， PLC 由原來的簡單邏輯量控制，逐步具備了計算機控制系統的功能。由于在計算能力、抗干擾能力、 響應速度、通信聯網能力、靈活性及可維護性等方面的諸多優點，PLC 在溫度控制系統中得到了大量運用［1-4］。本文針對某產品，設計了基于 PLC的溫度控制系統。

2 系統硬件設計

2.1 系統組成

系統組成如圖 1 所示。使用 PLC 作為控制核心，溫度變量經溫度傳感器（ 溫度變送器） 采集后， 再經過A /D 轉換模塊轉換成 PLC 可讀的數據，PLC 將它與溫度設定值比較，并按某種控制規律對誤差進行運算，驅動執行機構，實現溫度的閉環控制。

圖1 系統的組成

2.2 系統硬件選擇

2.2.1 PLC

PLC 的選擇主要應從 PLC 機型、 容量、 I / O 模塊、 電源模塊、 特殊功能模塊、 通信聯網能力等方面加以綜合考慮。系統選擇西門子公司生產的 S7-200 CPU226作為溫度控制系統的 PLC主單元，其輸出為繼電器輸出，具有24個輸入點和16個輸出點。

2.2.2 溫度傳感器

系統選擇 Pt100 鉑電阻作為傳感器。鉑電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器，主要特點是測量精度高、性能穩定，其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的。

2.2.3 EM231模擬量輸入模塊

溫度由 Pt100 鉑電阻溫度傳感器檢測后輸出的是模擬電阻信號，而 PLC 所能處理的是數字信號，因此需選擇熱電阻輸入模塊EM231: 4AI×RTD，把Pt100電阻值轉換成數字信號以被S7-200直接調用，該模塊為Pt100模塊提供一個隔離的接口，通過撥碼開關選擇相應型號的熱電阻。本系統采用的是Pt100設置，如表1所示 。

表1 Pt100設置

傳統的溫度控制系統采用一個溫度傳感器，這樣采集的溫度具有局限性，本系統選用4路熱電阻輸入模塊，選用同一型號的4個pt100連接到EM231模塊上，如圖1所示。

圖2 Pt100連接圖

PLC循環采集四個通道的數據并且通過復合數字濾波算法，處理數據得到相應的PID控制溫度，使系統更加的穩定和減小靜態偏差。

2.2.4 加熱驅動器

選用電熱管作為系統的加熱器件，具有使用壽命長、抗氧化性能好、電阻率高、價格便宜等優點。加熱驅動器的選擇對系統的控制效果、可靠性及使用壽命有著較大的影響。目前，使用較多的有接觸器、 可控硅、 固態繼電器、 IGBT等。由于系統中選用的溫度控制器為S7-200 CPU226可編程控制器，采用繼電器輸出方式，所以選用固態繼電器為驅動控制器件。

2.3 系統的硬件連接

本系統使用PT100的四線制連接方法，這樣可以不受EM231模塊電流源波動的影響，而且四線制接法測量精度是最高的，選用市面上比較好的四線100ΩPT100傳感器，并且通過DIP開關設置EM231為100Ωpt100傳感器輸入模式，傳感器連接方式如圖3所示。

圖3 傳感器連接方式

通過EM231模塊給PT100提供恒流源，采集PT100兩端的電壓，通過模塊內部的測量得到PT100的電阻值，轉換成溫度的數字量，進而可以提供給S7-200進行溫度調節使用。系統的整體控制原理圖如圖4所示。

3 系統軟件設計

3.1 復合數字濾波算法

在加熱爐的溫度控制系統中，系統所處環境干擾源復雜，在溫度的采集過程中難免會受到干擾，采用復合數字濾波算法可以消除這些不必要的干擾。

圖4 控制原理圖

假定系統處在穩定的工作狀態，系統采集通道的溫度數據點數為N，在第i個周期采集的第n測溫度為xi（n），n∈（1，N）。為了消除脈沖干擾等因素引起的緩慢干擾，取K個周期的第n個采樣點進行排序，保留中間的部分的C個值，處理后的數據序列為｛xi（n），i∈（1，C），n∈（1，N）｝，然后采用均值濾波算法取｛xi（n）｝的平均值為當前值。

采用中值濾波和均值濾波的復合數字濾波算法，實際上是將較大的誤差消除掉，根據平均濾波算法的思想，假定濾波前的輸入為x（n），濾波后的輸出為y（n），則平均濾波公式為：

3.2 系統運行控制

通過S7-200的內部輔助繼電器來代替開關的輸入，通過上位機觸摸屏的按鍵可以設置系統的啟動和停止。

3.3 PID調節設計

西門子S7-200 PLC具有標準的PID回路指令來控制溫度，PID指令根據輸入和配置信息對LOOP執行PID回路計算，同時邏輯位功能必須是打開的才能啟動PID計算。

S7-200程序中可以使用八條PID指令，如果兩條或者多條PID指令使用相同的回路號碼（即使他們的表格地址不一樣），PID計算也會互相干擾，結果很難預料，因此必須在程序設計的時候給PID控制指定不同的回路號，LOOP回路表存儲用于控制和監視回路運算的參數，包括程序變量、設置點、輸出、增益、采樣時間等。

3.4 PWM控制電加熱器

通過PID計算出加熱管的導通時間，通過控制PWM占空比來控制加熱功率，通過PWM控制固態繼電器SSR1，SSR1和SSR2同時導通和關斷來控制電加熱管是否工作。

4 系統調試

圖5 觸摸屏界面

按照控制原理圖接線后建立人機界面如圖5所示。當前溫度為 39.1 ℃ ，就是模塊轉換來的數字量為 391。將溫度設定為 800 相當于 80 ℃ ，并設定 PID 的參數，然后按下啟動按鈕，系統啟動，開始進行溫度當前值采集和 PID 運算。當溫度升高到 40. 5 ℃ （圖6）時，PID 運算輸出 5 000，電熱管持續導通，溫度持續升高 ； 溫度上升到 77.2 ℃ ，PID 輸出為 3296，電熱管每 5s 導通3s， 使溫度緩慢上升； 溫度為79.7 ℃ 時，PID 輸出為 893，即電熱管在 5 s 的周期里導通 1 s（圖7）；如果當前溫度超過溫度設定值，風機就導通降溫。

圖6 溫度采集結果界面（1）

圖7 溫度采集結果界面（2）

5 結束語

本系統在溫度數據采集部分使用四個溫度傳感器進行溫度的采集，并且PLC處理數據的過程中采用復合數字濾波算法，提高了系統采集溫度的平均性，不具有局限性，并且復合數字濾波算法大大抑制了噪聲干擾，靈活的人機界面設計可以很容易地更改相關參數。

參考文獻：

［1］ 晁陽，胡軍，熊 偉，等.可編程控制器實例應用與原理分析［M］.北京: 清華大學出版社，2007.

［2］ 劉洪濤，黃海.PLC 應用開發從基礎到實踐［M］.北京:電子工業出版社，2007.

［3］ 劉同召.基于模糊控制的雨花茶精揉機溫度控制系統的研究［D］.南京: 南京農業大學，2009.

［4］ 陶思揚.基于 PLC的擠出機控制系統的設計與開發［D］.武漢: 華中科技大學，2006 .

（編輯：林小江）

中圖分類號：TP271+.4

文獻標識碼：A

文章編號：1672-4852（2016）02-0033-04

收稿日期：2016-05-12.

作者簡介：邵 彥（1981-），女，講師.

Design of temperature control system based on PLC

Shao Yan
（ Mechanical and Electrical Department ，Hangzhou Technician Institute， Hangzhou 311500，China）

Abstract:The design of hardware and software of temperature control system based on S7-200 was described. The system debugging showed that the whole control system had simple structure with stable running and easy to maintain， and realized the closed-loop control of temperature.

Key words:S7-200；PLC；temperature control； closed-loop control