【最新版】基于PLC和组态王的温度控制系统设计完整毕业论文

摘要

可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。

在工业领域，随着自动化程度的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面的出现正好满足了用户这一需求。人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括过程监测、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得操作人性化、过程可视化，在自动控制领域的作用日益显著。

本文主要介绍了基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器和亚控公司的组态软件组态王的炉温控制系统的设计方案。编程时调用了编程软件STEP 7 -Micro WIN中自带的PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。利用组态软件组态王设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。

关键词：温度控制可编程控制器人机界面组态王

目录

第一章前言 (1)

1.1项目背景、意义 (1)

1.2温控系统的现状 (2)

1.3项目研究内容 (3)

第二章PLC和HMI基础 (5)

2.1可编程控制器基础 (5)

2.1.1可编程控制器的产生和应用 (5)

2.1.2可编程控制器的组成和工作原理 (5)

2.1.3可编程控制器的分类及特点 (8)

2.2人机界面基础 (8)

2.2.1人机界面的定义 (8)

2.2.2人机界面产品的组成及工作原理 (9)

2.2.3人机界面产品的特点 (9)

第三章PLC控制系统硬件设计 (10)

3.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤 (10)

3.1.1PLC控制系统设计的基本原则 (10)

3.1.2PLC控制系统设计的一般步骤 (11)

3.2PLC的选型与硬件配置 (13)

3.2.1PLC型号的选择 (13)

3.2.2S7-200 CPU的选择 (14)

3.2.3EM231模拟量输入模块 (14)

3.2.4热电式传感器 (16)

3.3IO点分配及电气连接图 (17)

3.4PLC控制器的设计 (17)

3.4.1控制系统数学模型的建立 (17)

3.4.2PID控制及参数整定 (19)

第四章PLC控制系统软件设计 (22)

4.1PLC程序设计方法 (22)

4.2编程软件STEP7--M ICRO WIN概述 (23)

4.2.1STEP7-MicroWIN简单介绍 (23)

4.2.2梯形图语言特点 (24)

4.2.3STEP7-MicroWIN参数设置（通讯设置） (25)

4.3程序设计 (27)

4.3.1设计思路 (27)

4.3.2控制程序流程图 (27)

4.3.3梯形图程序 (28)

4.3.4PID指令向导的运用 (31)

4.3.5语句表（STL）程序 (35)

第五章基于组态王的HMI设计 (37)

5.1人机界面（HMI）设计 (37)

5.1.1监控主界面 (38)

5.1.2实时趋势曲线 (39)

5.1.3历史趋势曲线 (40)

5.1.4报警窗口 (40)

5.1.5设定画面 (42)

5.2变量设置 (42)

5.3动画连接 (44)

第六章系统运行结果及分析 (46)

6.1系统运行 (46)

6.2运行结果分析 (47)

6.2.1温度趋势曲线分析 (47)

6.2.2报警信息分析 (49)

第七章总结 (50)

参考文献 (51)

致谢 (52)

第一章前言

1.1项目背景、意义

温度控制在电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。目前,仍有相当部分工业企业在用窑、炉等烘干生产线，存在着控制精度不高、炉内温度均匀性差等问题,达不到工艺要求，造成装备运行成本费用高，产出品品质低下，严重影响企业经济效益，急需技术改造。

近年来，国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得了巨大的发展，形成了一批商品化的温度调节器，如:职能化PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。

在工业自动化领域内,PLC（可编程控制器）以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。目前的工业控制中,常常选用PLC 作为现场的控制设备,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用HMI 软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示,实现监控、管理、分析和存储等功能。这种监控系统充分利用了PLC 和计算机各自的特点,得到了广泛的应用。在这种方式的基础上设计了一套温度控制系统。以基于PLC 的下位机和完成HMI功能的上位机相结合,构建成分布式控制系统,实现了温度自动控制。

PLC 不仅具有传统继电器控制系统的控制功能，而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些智能控制模块，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。现代PLC 以集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定受到普遍欢迎，在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用,尤其适合温度控制的要求。

此外，随着工业自动化水平的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面（HMI）的出现正好满足了用户这一需求。人机界面可以

对控制系统进行全面监控，包括参数监测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得简单易懂、操作人性化，深受广大用户的喜欢。人机界面（HMI）在自动控制领域的作用日益显著。HMI正在成为引导工业生产制造走向成功的重要因素，因为这些系统越来越多的用于监控生产过程，让过程变得更加准确、简洁和快速。

HMI其实广义的解释就是“使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口”。举个例子来说，在一座工厂里头，我们要搜集工厂各个区域的温度、湿度以及工厂中机器的状态等等的信息透过一台主控器监视并记录这些参数，并在一些意外状况发生的时候能够加以处理。这便是一个很典型的SCADAHMI的运用，一般而言，HMI系统必须有几项基本的能力：

实时的资料趋势显示——把撷取的资料立即显示在屏幕上。

自动记录资料——自动将资料储存至数据库中，以便日后查看。

历史资料趋势显示——把数据库中的资料作可视化的呈现。

报表的产生与打印——能把资料转换成报表的格式，并能够打印出来。

图形接口控制——操作者能够透过图形接口直接控制机台等装置。

警报的产生与记录——使用者可以定义一些警报产生的条件。

比方说温度过度或压力超过临界值，在这样的条件下系统会产生警报，通知作业员处理[1]。

1.2温控系统的现状

自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统发展迅速，并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，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,并在各行各业广泛应用[2]。它们主要具有如下特点:1)适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。2)能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)能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)这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工职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)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，

温控器具有对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，它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，以保证控制效果的最优化。6)温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能话、小型化等方面快速发展[3]。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前,我国在这方面总体水平处于20世纪80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,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。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我国现场调试来确定。这些差距，是我们必须努力克服的。随着我国加入WTO，我国政府及企业对此非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度仪表等工业得到迅速的发展[4]。

随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求愈来愈高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。

1.3项目研究内容

可编程控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CADCAM)之一。PLC的应用已成为一个世界潮流，在不久的将来PLC技术在我国将得到更全面的推广和应用。

本论文研究的是PLC技术在温度监控系统上的应用。从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。

本论文通过德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC

中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。同时利用亚控公司的组态软件“组态王”设计一个人机界面（HMI），通过串行口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。总体上包括的技术路线：硬件设计，软件编程，参数整定等。

全论文分七章,各章的主要内容说明如下。

第一章，对温度控制系统应用的背景及国内外的发展状况进行了阐述，指出了本文的研究意义所在。

第二章，简单概述了PLC和人机界面的基本概念以及结构功能等基础内容。

第三章，主要从系统设计结构和硬件设计角度,介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。

第四章，在硬件设计的基础上，详细介绍了本项目软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法，编程软件STEP7--MicroWIN的介绍以及本项目程序设计。

第五章，详细介绍了如何在亚控公司的组态软件“组态王”的基础上进行人机界面的设计。

第六章，展示了系统运行结果，然后对其分析得出结论。

第七章，总结全文。

第二章PLC和HMI基础

可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLC（Programmable Logic Controller），它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。

2.1可编程控制器基础

2.1.1可编程控制器的产生和应用

20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业领域，由于价格高、输入电路

不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。1968年，美国通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引发了开发热潮。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。

随着PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。目前，PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。PLC的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等[5]。

2.1.2可编程控制器的组成和工作原理

PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本相同。无论是整体式还是模块式，从硬件结构看，PLC都是由CPU、存储器、IO接口单元及扩展接口和扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，各部分之间通过系统总线连接。PLC的基本结构如图2-1所示：

图2-1PLC基本结构图

1） CPU（中央处理器）

CPU是PLC的核心，由运算器、控制器、寄存器、系统总线，外围芯片、总线接口及有关电路构成。它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等，是PLC不可缺少的组成单元。主要功能包括以下几个方面。

（1）接收从编程器或者计算机输入的程序和数据，并送入用户程序存储器存储。（2）监视电源、PLC内部各个单元电路的工作状态。

（3）诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译。

（4）在PLC进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执

行该指令。

（5）采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中。

（6）按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据寄存器的内容。

（7）根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。

（8）响应中断和各种外围设备（如编程器、打印机等）的任务处理请求。

2） IO接口

PLC是通过各种IO接口模块与外界联系的，按IO点数确定模块规格及数量，IO模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或机架槽数限制。IO模块集成了PLC的IO电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

PLC的对外功能主要是通过各种IO接口模块于外界联系来实现的。输入模块和输出模块是PLC与现场IO装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间的传递信息的作用。IO模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。

3）存储器

存储器（内存）主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序存储器用于存储整个系统的监控程序，一般采用只读存储器（ROM），具有掉电不丢失信息的特性。用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或者控制功能设计的控制程序，早期一般采用随机读写存储器（RAM），需要后备电池在掉电后保存程序。目前则倾向于采用电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存(Flash Memory)，免去了后备电池的麻烦。

4）电源模块

PLC中的电源，是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。电源可分直流和交流两种类型，交流输入220VAC或110VAC，，直流输入通常是24V。

5）智能模块

除了上述通用的IO模块外，PLC还提供了各种各样的特殊IO模块，如热电阻、热电偶、温度控制、中断控制、位置控制、以太网、远程IO控制、打印机等专用型或智能型的IO模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。IO模块的类

型、品种与规格越多，系统的灵活性越好，模块的IO容量越大，系统的适应性就越强。

6）编程设备

常见的编程设备有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PC的专用编程软件。编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作些设定，监控PLC及PLC 所控制的系统的工作状况。编程设备在PLC的应用系统设计与调试、监控运行和检查维护中是不可缺少的部件，但不直接参与现场的控制。

PLC本质上就是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有计算机的许多特点。但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循环扫描的工作方式。工作时逐条顺序扫描用户程序，如果一个线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需等扫描到该触点时才会动作[6]。

2.1.3可编程控制器的分类及特点

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。还有一些PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。还可以按IO点数分类，根据PLC的IO点数的多少，可将PLC分为小型、中型、大型和超大型四类: ?IO点数在256以下为小型PLC；

?IO点数在256～1024为中型PLC；

?IO点数大于1024为大型PLC；

?IO点数在4000以上为超大型PLC

可编程控制器有可靠性高、编程简单易学、功能强、安装简单、维修方便、采用模块化结构、接口模块丰富、系统设计与调试周期短等特点[7]。

2.2人机界面基础

随着社会的进步，工业自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。人机界面（HMI Human Machine Interface）以其美观易懂、操作人性化等显著特点，正好满足这种需求而得到广泛的应用。

2.2.1人机界面的定义

人机界面是指连接可编程控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。

2.2.2人机界面产品的组成及工作原理

人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如组态王等）。用户必须先使用组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。

2.2.3人机界面产品的特点

(1) 系统运行过程清晰化

控制过程可以动态地显示在HMI设备上。例如：炉子加热通断可以通过指示灯亮灭来显示，炉子的温度大小可以用棒图来指示等等，使整个控制系统变得形象易懂，也更加清晰。

(2) 系统操作简单化

操作员可以通过监控界面来控制过程。可从监控界面上启动和停止系统、设定温度上下限、设置PID参数等。

(3) 显示报警

控制过程达到临界状态或系统运行错误时会自动触发报警，例如，当炉子温度超出温度上下限时自动触发报警。

(4) 数据归档

HMI系统可以记录过程变量值和报警信息并归档。例如：通过归档数据，您可以查看过去一段时间的系统运行情况，过程变量等。

(5) 报表系统

HMI系统可以输出报警和过程值报表。例如，您可以在生产某一轮班结束时打印输出生产数据[8]。

第三章PLC控制系统硬件设计

在掌握了PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以PLC作为主要控制器来构造PLC控制系统。本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。

3.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤

弄懂PLC的基本工作原理和指令系统后,就可以把PLC应用到实际的工程项目中。无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图3-1所示的步骤。

3.1.1PLC控制系统设计的基本原则

任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。

1. 设计原则

(1)完整性原则。最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。

(2)可靠性原则。确保计算机控制系统的可靠性。

(3)经济型原则。力求控制系统简单、实用、合理。

(4)发展性原则。适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在IO接口、通信能力等方面留有余地。

2. 评估控制任务

根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。

(1) 控制规模

一个控制系统的控制规模可用该系统的IO设备总数来衡量。当控制规模较

大时,特别是开关量控制的IO设备较多时，最适合采用PLC控制。

(2) 工艺复杂程度

当工艺要求较复杂时,采用PLC控制具有更大的优越性.

(3) 可靠性要求

目前,当IO点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。

(4) 数据处理速度

若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜[9]。

图3-1 PLC控制系统设计步骤

3.1.2PLC控制系统设计的一般步骤

PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下5步进行。

1. 熟悉被控对象

深入了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系;PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网;系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。

2. 硬件选择

具体包括如下。

(1) 系统IO设备的选择。输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。

(2) 选择PLC。PLC选择包括对PLC的机型、容量、IO模块、电源等的选择。

(3) PLC的IO端口分配。在进行IO通道分配时应给出IO通道分配表，表中应包含IO编号、设备代号、名称及功能等。

(4) 绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它部分的电气线路图，包括主电

路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的IO连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

(5)计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。

3. 编写应用程序

根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容：

(1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

(2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。

(3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。

4. 程序调试

程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序模拟调试是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。

根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

(1)硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

(2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

现场调试。当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，及时更正软硬件方面的

问题。

5. 编写技术文件

技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等[10]。

3.2PLC的选型与硬件配置

3.2.1PLC型号的选择

本温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。S7-200 PLC 属于小型整体式的PLC, 本机自带RS-485通信接口、内置电源和IO接口。它的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量IO模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统[10]。完整的S7-200系列PLC实物如图3-2所示。

图3-2 S7-200系列PLC实物图

3.2.2S7-200 CPU的选择

S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。此系统选用S7-200 CPU226，CPU226集成了24点输入16点输出，共有40个数字量IO。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模拟量IO。还有13KB程序和数据存储空间空间，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。配有2个RS485通讯口，具有PPI，MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4 kbits，可用于较高要求的中小型控制系统[11]。

本温度控制系统由于输入输出点数不多，本可以使用CPU224以下的类型，不过为了能调用编程软件STEP 7 里的PID模块，只能采用CPU226及以上机种。

3.2.3EM231模拟量输入模块

本温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成0～41mv的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里，我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。EM231热电偶

模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T 和R型，它也允许连接微小的模拟量信号(±80mV范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM231模块需要用户通过DIP开关进行组态：SW1～SW3用于选择热电偶类型，SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿。本系统用的是K型热电偶，所以DIP开关SW1～SW8组态为；EM231具体技术指标见表3-1。

表3-1 EM231技术指标

型号EM231模拟量输入模块

总体特性外形尺寸：71.2mm×80mm×62mm

功耗：3W

输入特性本机输入：4路模拟量输入

电源电压：标准DC 24V4mA

输入类型：0~10V，0~5V，±5V,±2.5V,0~20mA

分辨率：12 Bit

转换速度：250μS

隔离：有

耗电从CPU的DC 5V （IO总线）耗电10mA

DIP开关SW1 0, SW2 0, SW3 1（以K型热电偶为例）

表3-2所示为如何使用DIP开关设置EM231模块，开关1、2和3可选择模拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。表中，ON为接通，OFF为断开。

表3-2 EM231选择模拟量输入范围的开关表

单极性

满量程输入分辨率SW1 SW2 SW3

ON OFF ON 0到10V 2.5mV

ON OFF 0到5V 1.25mV

0到20mA 5uA

双极性

满量程输入分辨率SW1 SW2 SW3

OFF OFF ON ±5V 2.5mV ON OFF ±2.5V 1.25mV

EM231校准和配置位置图如图3-3所示。

图3-3 DIP配置EM231

3.2.4热电式传感器

热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度变化转换为电势变化,而热电阻是将温度变化转换为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛应用。

该系统中需要用传感器将温度转换成电压，且炉子的温度最高达几百度,所以我们选择了热电偶作为传感器。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。国际标准热电偶有S、B、E、K、R、J、T七种类型，在本系统中，我们选用了K型热电偶（分度表如表3-3所示），其测温范围大约是0～1000℃。系统里的烤炉最高温度不过几百度，加上一定的裕度就足够了，另外其成本也不算高[12]。

表3-3 K型热电偶分度表

3.3IO点分配及电气连接图

1)该温度控制系统中IO点分配表如表3-4所示。

表3-4 IO点分配表

输入触点功能说明输出触点功能说明

IO.1 启动按钮Q0.0 运行指示灯（绿）

I0.2 停止按钮Q0.1 停止指示灯（红）

Q0.3 固态继电器

2)系统整体设计方案及硬件连接图。系统选用PLC CPU226为控制器，K 型热电偶将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过EM231模拟量输入模块转

换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。PLC和HMI

相连接，实现了系统的实时监控。整个硬件连接图如图3-4和3-5所示。

图3-4 系统框架图

3.4PLC控制器的设计

控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。

3.4.1控制系统数学模型的建立

本温度控制系统中，传感器（电热偶）将检测到的温度信号转换成电压信号经过温度模块后，与设定温度值进行比较，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正，返回对应工况下的固态继电器导通时间，调节电热丝的有效加热功率，从而实现对炉子的温度控制。控制系统结构图如图3-6所示，方框图如图3-7所示。

图3-5 系统硬件连接图

图3-6 控制系统结构图

R(s) + E(s) U(s) Y(s)

_

图3-7 控制系统方框图

图3-7中，R(s)为设定温度的拉氏变换式；E(s)为偏差的拉氏变换式； Gc(s)为控制器的传递函数；Go(s)为广义对象，即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并；

该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统，传递函数为

错误！未找到引用源。

（3-1）

式3-1中，错误！未找到引用源。为对象放大系数；为对象时间常数；为对象时滞。

错误！未找到引用源。

（3-2）

由阶跃响应法求得， =0.5； =错误！未找到引用源。2.5分钟； =错误！未找到引用源。1.2分钟。

3.4.2PID控制及参数整定

比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基本的控制规律，具有反应速度快，控制及时，但控制结果有余差等特点。积分控制可以消除余差，但是工业上很少单独使用积分控制的，因为与比例控制相比，除非积分速度无穷大，否则积分控制就不可能想比例控制那样及时的对偏差加以响应，所以控制器的输出变化总是滞后与偏差的变化，从而难以对干扰进行及时且有效的控制。微分作用是对偏差的变化速度加以响应的，因此，只要偏差一有变化，控制器就能根据变化速度的大小，适当改变其输出信号，从而可以及时克服干扰的影响，抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。但是理想微分控制器的控制结果也不能消除余差，而且控制效果要比纯比例控制器更差。将三种方式加以组合在一起，就是比例积分微分（PID）控制,其数学表达式为错误！未找到引用源。（3-3）

式3-3中：为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。

根据以上的分析，本温度控制系统适于采用PID控制。

完成了上述内容后，该温度控制系统就已经确定了。在系统投运之前，还需要进行控制器的参数整定。控制器参数整定方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。

理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，通过理论计算（微分方程、根轨迹、频率法等），来求得最佳的整定参数。这类方法计算繁杂，工作量又大，而且由于用解析法或实验测定法求得的对象数学模型都只能近似的反映过程的动态特性，整定结果的精度是不高的，因而未在工程上受到广泛推广。

对于工程整定法，工程技术人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所需的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛使用。常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法来整定控制器的参数值。下面介绍下方法步骤。

经验整定法实质上是一种经验凑试法，是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数，并将系统投入运行，通过观察人为加入干扰（改变设定值）后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数值，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。

由于比例作用是最基本的控制作用，经验整定法主要通过调整比例度的大小来满足质量指标。整定途径有以下两条：

1）先用单纯的比例（P）作用，即寻找合适的比例度，将人为加入干扰后的过渡过程调整为4：1的衰减振荡过程。然后再加入积分( I )作用，一般先取积分时间T1为衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧，在加入的积分作用之前，要先衰减比例作用，通常把比例度增大10%-20%。调整积分时间的大小，直到出现4：1的衰减振荡。需要时，最后加入微分（D）作用，即从零开始，逐渐加大微分时间Td，由于微分作用能抑制振荡，在加入微分作用之前，可以把积分时间也缩短一些。通过微分时间的凑试，使过渡时间最短，超调量最小。

2）先根据表选取积分时间Ti和Td，通常取Td=(13-14)Ti，然后对比例度进行反复凑试，直至得到满意的结果。如果开始时Ti和Td设置的不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。这时应适当调整Ti和Td，再重复凑试，使曲线最终符合控制要求[13]。

表3-5 控制器参数经验数据

控制变量规律的选择比例度

（%）

积分时间

Ti（分钟）

微分时间

Td（分钟）

温度对象容量滞后较大，即参

数受干扰后变化迟缓，应

小，Ti要长，一般需要微

分

20-60 3-10 0.5-3

通过经验整定法的整定，PID控制器整定参数值为：比例系数=120，积分时间=3分钟，微分时间=1分钟。