一种基于PID电加热温度控制实训装置的开发设计

路泽永，赵亚丽

(1.承德石油高等专科学校电气与电子工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等专科学校工业技术中心，河北 承德 067000)

在高职高专院校中开展实习实训教学是不断提高学生职业素质的有效教学手段，也完善了人才培养模式。为适应新型教育和社会人才需求，越来越多的高职院校从理论教学逐步走向实践教学，实践教学环节已成为高职教育极其重要的环节［1］。

PLC是一门实践性较强的课程，要求学生掌握PLC的基本结构和工作原理，掌握PLC应用系统设计与制作的基本步骤和开发方法，培养学生在电气自动化设备运行与维护岗位中的解决实际问题的能力，突出实践性、工程性和应用性。在实施课程过程中，往往采取“教、学、做”一体化教学模式［2］，学生可利用计算机、PLC设备、控制对象进行交互式学习。为充实该实训课程内容，笔者设计了一种基于PID温度自动控制系统的实训装置。该装置集PLC编程、自动控制理论、PID调节思想、自动检测与调节为一体，为提高学生的综合应用能力提供了良好的实训平台。

1 装置的总体设计

该温度控制装置采用闭环控制方案，由监控计算机、温度检测与变送通道、电加热控制通道三部分构成。控制系统结构框图如图1所示。

电加热温度控制装置的工作原理是:首先温度传感器及变送器将被控对象的温度转化为标准的4～20 mA电流信号，经过电压变换，将电流信号变换为标准的电压信号，并通过PLC的模拟量输入端将送过来的电压信号转化为西门子S7-200PLC可识别的数字量。然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理，得到相应的输出量来控制SSR固态继电器的导通与截止，进而使加热器供电电压发生断续变化，从而控制被控对象的温度高低，完成对被控对象温度的测量及控制。

2 装置的硬件设计

2.1 硬件选型及配置

2.1.1 PLC 及模块配置

S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一种小型PLC。S7-200 PLC功能强大，不论是独立运行，还是构成网络皆能实现各种较复杂的控制功能［3］。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种。其中CUP224它有14输入/10输出，I/O共计24点，它可以有7个扩展模块，有内置时钟，内置模拟量I/O，具有更强的模拟量处理能力，还具有PID自整定功能，是使用得最多S7-200产品。

本系统所需功能和技术要求S7-200完全能够解决，所以从经济方面考虑选用西门子S7-200PLC系列产品。本设计选用的是CPU224 XP。另外，PLC输出控制电流变化时需要频繁输出，需采用一数字量输出扩展模块EM222。

2.1.2 被控对象

考虑到设计成本，本次加热装置选用的被控对象为经过改造后的家用电加热水壶。这种家用热水壶价格便宜，使用简单，且经过简单改造即可安装温度传感器。在进行实训时，只需控制电流的通断即可完成温度的控制，免去了专门设计硬件的麻烦。

同时，家用电水壶也具有惯性大，滞后大的特点，在实际控制过程的过程中会比较麻烦，而且该水壶是靠周边环境自然降温，所以降温过程比较长。不过通过改良PID调节的参数，能较好的控制水壶的温度，使得稳态误差和动态误差都能达到任务的要求，虽然不能达到很高的控制精度，作为实训装置已经够用。

2.1.3 检测及变送环节

在温度检测中测量的是水温，属于低温区，因此可以选取Pt100铂电阻作为传感器。铂电阻传感器测量精度高，性能稳定，其中Pt100铂电阻的测量精度是最高的。

在本装置中，由于采用CPU 224 XP，其自身带2路模拟量输入，1路模拟量输出，因此不需要其他的扩展模块。在模拟量输入端，能识别的标准信号为0～10 V，因此铂电阻温度传感器采集的温度信号要经过外围电路的转换与调理。本装置采用的温度变送器选择XP系列热电阻温度变送器，采用的变换规格为0～200℃。该变送器接收现场热电阻的电阻信号，将其转换成与温度成线性关系的4～20 mA电流信号，经过串电阻处理后，转换为电压输入信号。

2.2 装置连接图

本实训装置的硬件连接图如图2所示。

温度传感器接线:温度传感器采用三线制接线的方法。按照产品接线图，分别将RTD三根线按照温度变送器的接线要求接到1、2、3号端子上。

温度传变送器接线:由于温度变送器产生的信号位4～20 mA的电流信号，接入S7-200的模拟量输入端AIW0，接线采用电压输入接线方式，即需要串联一电阻R，电阻值R=500 Ω。变送器的供电端接入24 V DC电源。

PLC接线:PLC的数字量输出I/0端口Q2.0接固态继电器输入端子3;PLC的数字量输入端口10.0接PID参数调节方式选择按钮SA;PLC模拟量输入端口AIW0接热水壶温度变送器信号。

3 装置的软件设计

3.1 温度控制方案的选择

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便［4］。

CPU 224 XP自身拥有PID指令模块，编程时只需按照PID指令向导设置相关参数即可，使用方便，而且使用PID控制温度比使用开关量控温方法精度有很大提高，因此本实训采用PID控温方法。

3.2 程序设计

本程序采用模块化编程方式，主要包括主程序、工程量变换子程序及PID调节子程序三部分。主程序将通过AIW0通道采集变送器信号;工程量变换又称为标度变换，模拟量输入模块将模拟量0～10 V的电压信号转换为0～32 000的数字量信号传送给CPU，所以工程量变换子程序的主要任务是将0～32 000的参数转换为0～100的实际温度参数，以便于后面计算和显示;PID调节主要是根据设定值及实际温度之差控制输出量的变化。

主程序结构如图3所示:

3.2.1 工程量变换子程序设计

变送器经变换电阻输出给PLC的电压值为2～10 V，对应于模拟量扩展模块传送给CPU的数字量为6 400～32 000，具有20%的偏移量。所代表的是实际温度的0～200℃，如果用N表示传送的数字量信号，E表示实际的温度值，那么检测值与实际值的关系如图4所示。

设温度变送器温度变换的最小值为Emin，最大值Emax;数字量信号最大值Nmax，数字量最小值Nmin，用公式表示，可以表示为(N－Nmin)/(Nmax－Nmin)=(E－Emin)/(Emax－Emin)，得知这个公式则可进行程序编辑，求出实际温度的显示值(程序略)。

3.2.2 PID 调节子程序设计

S7-200系列PLC提供了PID闭环控制指令，为了便于使用，还提供了PID指令向导，如图5所示。通过PID指令向导，学生可以通过简单的参数设定即可完成PID运算。

学生在整定PID参数时可以通过手动按钮SA选择让PLC自动整定，还可以根据实际情况手动整定。在程序运行过程中，通过PID调节控制面板选择PID参数，查看PID调节过程曲线。因此可以增加学生对PID控制的感性认识，很好的与前期课程《自动控制原理》相结合。

4 实训内容

本PID温度控制装置可以完成以下PLC实训内容:温度模拟量信号的采集与处理、PID程序调节、子程序编程与调用、SSR固态继电器的控制等。如果计算机上安装了上位监控软件，本装置还可完成组态监控实训内容。

本实训装置采用了S7-200可编程控制器，很好的实现了电加热温度的自动调节，涉及到的方法简单，设计便捷有效，精度好，工作可靠，易于拓展。学生通过利用集成在PLC内部的PID指令设置PID参数、观察调节面板可以更好的理解PID控制的作用、实现方法和过程，且在实训教学环节中取得了良好的效果。该装置采用实际的检测元件和输出控制器件，真实模拟工业现场，使学生在实训过程中了解自动控制在工程中的应用。本装置可以应用于日常实训教学、培训及科研等工作领域。

［1］刘瑞.基于PLC的温度控制系统的设计及其在实训教学中的应用［J］.中国高新技术企业，2009(15):53－55.

［2］龚少军.“教、学、做”一体化教学模式的研究与实践［J］.南通航运职业技术学院学报，2011，10(2):98－101.

［3］李长久.PLC原理及应用［M］.北京:机械工业出版社.2009.

［4］S7-200PLC可编程控制器系统手册［M］.西门子公司，2004.