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基于PLC的温度控制系统的设计.pdf
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基于PLC的温度控制系统的设计.pdf
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1 引言
1.1 设计目的
温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起
着极其重要的作用。在许多场合,及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重
要的。近年来,温湿度测控领域发展迅速,并且随着数字技术的发展,温湿度的
测控芯片也相应的登上历史的舞台,能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
1.2 设计内容
主要是利用 PLC S7-200 作为可编程控制器,系统采用 PID 控制算法,手动
整定或自整定 PID 参数,实时计算控制量,控制加热装置,使加热炉温度为为
一定值,并能实现手动启动和停止,运行指示灯监控实时控制系统的运行,实时
显示当前温度值。
1.3 设计目标
通过对温度控制的设计,提高在电子工程设计和实际操作方面的综合能力,
初步培养在完成工程项目中所应具备的基本素质和要求。培养团队精神,科学的、
实事求是的工作方法,提高查阅资料、语言表达和理论联系实际的技能。
2 系统总体方案设计
2.1 系统硬件配置及组成原理
2.1.1 PLC 型号的选择
本温度控制系统采用德国西门子 S7-200 PLC。S7-200 是一种小型的可编程
序控制器,适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200
系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此 S7-200 系列具有极高的性能/价格比。
2.1.2 PLC CPU 的选择
S7-200 系列的 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU226 等类型。。S7-200PLC
硬件系统的组成采用整体式加积木式,即主机中包括定数量的 I/O 端口,同时还
可以扩展各种功能模块。S7-200PLC 由基本单元(S7-200 CPU 模块)、扩展单元、
个人计算机(PC)或编程器,STEP 7-Micro/WIN 编程软件及通信电缆等组成。
表 2.1 S7-200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本单元
型号 输入点 输出点 扩展模块数量
S7-200CPU221 6 4 0
S7-200CPU222 8 6 2
S7-200CPU224 24 10 7
S7-200CPU224XP 24 16 7
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S7-200CPU226 24 16 7
本设计采用的是 CUP226。它具有 24 输入/16 输出共 40 个数字量 I/O 点。可
连接 7 个扩展模块,最大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。26K
字节程序和数据存储空间。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。2 个 RS485 通讯/编程口,具有 PPI 通讯协议、
MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高
要求的控制系统,具有更多的输入/输出点,更强的模块扩展能力,更快的运行
速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系
统。
CPU226 模块的 I/O 配置及四肢分配
主机 模块 0 模块 1 模块 2 模块 3
CPU226 8IN 4IN/4OUT 4AI/1AQ 4AI/1AQ
I0.0-I2.7/
Q0.0-Q1,.7
I3.0-I3.7 I4.0/Q2.0 AIW0/AQW0 AIW8/AQW4
I4.1/Q2.1 AIW2 AIW10
I4.2/Q2.3 AIW4 AIW12
I4.3/Q2.3 AIW6 AIW14
2.1.3 EM235 模拟量输入/输出模块
在温度控制系统中,传感器将检测到的温度转换成 4-20mA 的电流信号,系
统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入 PLC 中进行处
理。在这里我们选择西门子的 EM235 模拟量输入/输出模块。EM235 模块具有 4
路模拟量输入/一路模拟量的输出。它允许 S7-200 连接微小的模拟量信号,±
80mV 范围。用户必须用 DIP 开关来选择热电偶的类型,断线检查,测量单位,
冷端补偿和开路故障方向:SW1~SW3 用于选择热电偶的类型,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 用于选择测量方
向,SW8 用于选择是否进行冷端补偿。所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。
2.1.4 传感器
热电偶是一种感温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信
号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是
指国家标准规定了其热电势与温度的关系、应答误差、并有统一的标准分度表的
热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量
级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的
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测量。标准化热电偶我国从 1988 年 1 月 1 日起,热电偶和热电阻全部按 IEC 国
际标准生产,并指定 S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型
热电偶。本论文采用的是 K 型热电阻。
2.1.5 可控硅加热装置
对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉采用带 PID 调节的数字式
温度显示调节仪显示和调节温度,输出 0~10mA 作为直流信号输入控制可控硅电
压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率,完全可以满足要
求,投入成本低,操作方便直观并且容易维护。温度测量与控制是热电偶采集信
号通过 PID 温度调节器测量和输出 0~10mA 或 4~20mA 控制触发板控制可控硅导
通角的大小,从而控制主回路加热元件电流大小,使电阻炉保持在设定的温度工
作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅,过电
流保护快速熔断器、过电压保护 RC 和电阻炉的加热元件等部分组成。
2.1.6 系统组成原理图
2.2 系统变量定义及分配表
2.2.1 符号表
序
号
符号 地址 注释
1 特殊标志位存储器 1 SM0.0 CPU 运行时,该位始终为 1
2 特殊标志位存储器 2 SM0.1 首次扫描时该位为 1
3 双字变量存储器 1 VD104 将实数 0.4 送入 VD104
4 双字变量存储器 2 VD112 将实数 0.15 送入 VD104
5 双字变量存储器 3 VD116 将实数 0.1 送入 VD104
6 双字变量存储器 4 VD120 将实数 30.0 送入 VD104
7 双字变量存储器 5 VD124 将实数 0.0 送入 VD104
8 特殊标志位内存字节 SMB34 设置中断控制字节(SMB34}=100
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9 中断连接指令 ATCH 建立中断事件 EVNT 和程序 INT
10 中断允许指令 ENI 条件成立时,允许所有中断事件
11 整数到双整数转换指令 I_DI 模拟量输入映像寄存器 AIW0 的值送入累
加器 AC0
12 双整数到实数转换指令 DI_R 累加器 AC0 中的值转换后存入累加器 AC0
13 实数除法运算指令 DIV_R
累加器 AC0 中的值除以 32000 后再送入 AC0
14 回路指令 PID 根据 TBL 中的输入 VB108 和配置信息对
LOOP 执行 PID 循环
15 实数乘法指令 MUL_R
双字变量存储器 VD108 中的内容与 32000 相乘结果送入累加器 AC0
16 实数到双整数转换指令 ROUND 累加器 AC0 中的值转换后存入累加器 AC0
17 双整数到整数转换指令 DI_I 累加器 AC0 中的值转换后存入累加器 AC0
2.2.2 I/O 分配表
输入信号 输出信号
名称 地址 名称 地址
脉冲输入
I0.1
启动按钮
停止按钮
启动指示灯 Q0.1
停止指示灯 Q0.2
正常运行指示灯 Q0.3
温度越上限报警指示灯 Q0.4
加热指示灯 Q0.5
2.3 系统接线图设计
3 控制系统设计
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