基于PLC的温度控制系统设计

摘要 ：可编程控制器(plc)作为传统继电器控制装置的替代产品已广泛应用工业控制的各个领域，由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小，组装灵活，编程简单抗干扰能力强及可靠性高等特点，非常适合于在恶劣的工业环境下使用。本文所涉及到的温度监控系统能够监控现场的温度，并且能够通过现场和计算机控制，其软件控制主要是编程语言，对PLC而言是梯形语言，梯形语言是PLC目前用的最多的编程语言。

关键词：西门子S7-200PLC；编程语言；温度

1．工艺过程

在工业生产自动控制中，为了生产安全或为了保证产品质量，对于温度，压力，流量，成分，速度等一些重要的被控参数，通常需要进行自动监测，并根据监测结果进行相应的控制，以反复提醒操作人员注意，必要时采取紧急措施。

温度是工业生产对象中主要的被控参数之一。本设计以一个温度监测与控制系统为例，来说明PLC在模拟量信号监测与控制中的应用问题。

2．系统控制要求

PLC在温度监测与控制系统中的逻辑流程图如图所示：

     具体控制要求如下：

 将被控系统的温度控制在50度-60度之间，当温度低于50度或高于60度时，应能自动进行调整，当调整3分钟后仍不能脱离不正常状态，则应采用声光报警，以提醒操作人员注意排除故障。

系统设置一个启动按纽-启动控制程序，设置绿，红，黄3个指示灯来指示温度状态。被控温度在要求范围内，绿灯亮，表示系统运行正常。当被控温度超过上限或低于下限时，经调整3分钟后仍不能回到正常范围，则红灯或黄灯亮，并有声音报警，表示温度超过上限或低于下限。

在被控系统中设置4个温度测量点，温度信号经变送器变成0~5V的电信号（对应温度0~100度），送入4个模拟量输入通道。PLC读入四路温度值后，再取其平均值作为被控系统的实际值。

若被测温度超过允许范围，按控制算法运算后，通过模拟两输出通道，向被控系统送出0~10V的模拟量温度控制信号。

PLC通过输入端口连接启动按钮，通过输出端口控制绿灯的亮灭，通过输出端口控制红灯的亮灭，通过输出端口控制黄灯的亮灭。

系统要求温度控制在50度~60度的范围内，为了控制方便，设定一个温度较佳值（本题设为50度），并以此作为被控温度的基准值。另外，还需要设定输出控制信号时的调节基准量，正常情况下，输出基准量时被控制温度接近较佳值。

本例设定的基准调节量相当于PLC（输出6V）。加热炉一类的温度控制对象，其系统本身的动态特性基本上属于一阶滞后环节，在控制算法上可以采用PLD控制或在林算法。由于本系统温度控制要求不高，为了简化起件，本例按P（比例）控制算法进行运算采样调节周期高为1秒。

实现温度检测懒惰控制的过程包括：

PLC投入运行时，通过特殊辅助继电器M71产生的初始化脉冲进行初始化，包括将温度较佳值和基准调节存入有关数据寄存器，使计时用的两个计数器复位。

按启动按钮（X500），控制系统投入运行。采样时间到，则将待测的四点温度值读入PLC，然后按算术平均的办法求出四点温度的平均值Q。将Q与Qmax（温度允许上限）比较，若也未低于下限，则说明温度正常，等待下一次采样。

若Q﹥Qmax，进行上限处理：计算Q与上限温度偏差，计算调节量（比例系数设为2），发出调节命令，并判断调节时间，若调节时间太长，进行声光（红灯亮）；若调节时间未到3分钟，则准备下次继续采样及调节。

当采样温度低于下限，即Q＜Qmax时，进行下限处理：计算Q与下限温度偏差，计算调节量，发出调节命令，并判断调节时间，若调节时间太长，进行声光（黄灯亮）；若调节时间未到3分钟，则准备下次继续采样及调节。

3.控制系统的I/O点及地址分配

控制系统的模块号,输入/输出端子号,地址号,信号名称,说明如表:

参照西门子ST-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU222（8/6继电器输出）一台，加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），再扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。这样的配置是最经济的。整个PLC系统的配置如图所示。

5.电气控制系统原理图

    电气控制系统原理图包括主电路图，控制电路图及PLC外围接线图。

1）主电路图

如图所示为电控系统主电路。一台加热器为M1。接触器KM1控制着M1正常运行，FR1为加热器过载保护用的热继电器；QF1为断路器；FU1为主电路的熔断器。            

2）控制电路图

   如图所示，

3）PLC外围接线图

6.主程序及梯形图

1）  主程序OB1

1.总启动与总停止

LD     SM0.0

A      I0.0

S      Q0.1, 1

2.正常范围显示

LD     SM0.0

AR>= VD40, 2.5

S      Q0.3, 1

S      M0.1, 1

3.调用子程序0以便控制

LD     I0.0

S      M0.0, 1

CALL   SBR_0

4.超过上下限启动定时器

LD     M0.0

LDR< VD40, 2.5

OR> VD40, 3.0

ALD

A      M0.1

TON    T101, 1800

5.定时到还不在规定范围内则报警.

LD     SM0.0

A      T101

LPS

AR> VD40, 3.0

S      Q0.2, 1

S      Q0.5, 1

R      Q0.3, 1

LPP

AR< VD40, 2.5

S      Q0.4, 1

S      Q0.5, 1

R      Q0.3, 1

6.正常情况下的指示

LD     SM0.0

A      I0.1

R      M0.1, 1

R      Q0.1, 1

R      Q0.2, 1

R      Q0.3, 1

R      Q0.4, 1

R      Q0.5, 1

2）设计PID参数

LD     M0.0

MOVR   2.75, VD4

MOVR   2.0, VD12

MOVR   1.0, VD16

MOVR   0.0, VD20

MOVR   0.0, VD24

MOVB   100, SMB34

ATCH   INT_0, 10

ENI

3）取实际温度变量

1. 四温度传感器电压值送内存

LD     SM0.0

MOVW   AIW0, VW0

MOVW   AIW2, VW2

MOVW   AIW4, VW4

MOVW   AIW6, VW6

2.温度实际电压值送内存

LD     SM0.0

MOVW   VW0, VW8

+I     VW2, VW8

MOVW   VW4, VW10

+I     VW6, VW10

MOVW   VW8, VW12

+I     VW10, VW12

MOVW   VW12, VW14

/I     +4, VW14

ITD    VW14, VD40

4）PID调节与输出

1. 得到过程变量VD0

LD     M0.0

CALL   SBR_1

MOVD   VD40, AC0

DTR    AC0, AC0

/R     32000.0, AC0

MOVR   AC0, VD0

2.VB0号PID表

LD     SM0.0

PID    VB0, 0

3.PID调节输出

LD     SM0.0

MOVR   VD8, AC0

*R     32000.0, AC0

ROUND  AC0, AC0

DTI    AC0, VW40

MOVW   VW40, AQW0

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。

致谢：本论文是在梁仕腾和黄景良老师的悉心指导下完成的，从论文最终完成的每一个环节，自始自终得到老梁仕腾和黄景良师精心指导和帮助。在此特向梁仕腾和黄景良老师表示由衷的感谢和崇高的敬意 。在设计过程中，离不开辉隆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。

参考文献：

【1】可编程序控制器的编程方法与工程应用  廖常初  重庆大学出版社

【2】可编程序控制器及其应用      万太福  重庆大学出版社

【3】毕业设计指导                刘祖润  机械工业出版社

【4】新旧图形符号对照读本                兵器工业出版社

【5】电力拖动与控制          谢桂林  中国矿业大学出版社

【6】工厂常用电气设备手册（上、中、下）   水利电力出版社

【7】电气控制技术实验指导书       刘星平  湖南工程学院