基于PLC的温度控制系统设计

曹建军 李 洋 胡 明 张 建 王红美

（天津市天波科达科技有限公司，天津 300072）

1 概述

温度控制在电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。特别是随着计算机技术的发展，对温度控制的要求也越来越趋向于智能化、自适应、参数自整控制等方向发展。

可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，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。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，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。

2 系统设计及模型建立

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。

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。

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1所示。

图1 控制系统结构图

3 硬件设计

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。整个系统硬件框架图如图2所示。

图2 系统框架图

4 程序设计

PLC运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等，存入有关的数据寄存器，使定时器复位；按启动按钮，系统开始温度采样，采样周期为10秒；K型热电偶传感器把所测量的温度进行标准量转换（0-41毫伏）；模拟量输入通道AIW0通过读入0-41毫伏的模拟电压量送入PLC；经过程序计算后得出实际测量的温度T，将T和温度设定值比较，根据偏差计算调整量，发出调节命令。控制程序流程图如图3所示。

PLC程序如图4：

5界面设计及运行结果

HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成，在本温度控制系统设计中，我们选择了组态王来完成监控画面的设计。

完成了PLC程序设计和人机界面设计之后，进入系统运行测试阶段。打开主界面，点击“开始”按钮，则开关变绿色，系统开始运行，目前温度值开始有数据显示，温度仪表上也显示了当前温度值，如图 4（a）所示。其中设定温度为100度。

打开主界面，点击“设定画面”按钮，则切换到设定画面。增益Kc、积分时间Ti、微分时间Td、采样时间、设定温度这几个变量的值也显示在画面上。如图4（b）所示。

打开主界面，点击“实时趋势曲线”和“历史趋势曲线”按钮，可切换到实时趋势曲线画面和历史趋势曲线画面，如图5(a)和(b)所示。

图3 控制程序流程图

图4

结语

在西门子S7-200系列PLC和组态软件组态王的基础上，我们成功设计出了温度控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。再加上由组态王设计的人机界面，整个系统操作简单，控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。

图4 控制系统界面

图5 温度控制的实时曲线和历史曲线

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