基于PLC和Pt100的闭环温度控制系统的设计

丁欣 姚开武 陈君霞

【摘 要】文章在建设国家骨干院校的背景环境下，借助广西水利电力职业技术学院的院级重点科研项目“基于PLC的整流教学装置的研究与实现”及核心课程的建设要求，设计出融合了PLC课程及自动检测课程的闭环温度控制系统，该控制系统稳定性好、可靠性高、响应迅速，并且与人们的生活联系紧密，具有一定的现实意义。

【关键词】PLC；单回路控制系统；铂电阻Pt100；EM235模块

【中图分类号】TP273 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）01-0037-03

1 引言

PLC具有经济、稳定性好、高效、易操作、易维护等特点，而且具有编程简单、抗干扰能力强、能耗低、功能强大等优点，因此在很多领域都有着广泛的应用，成为工程人员常用的控制设备之一。其中，S7-200编程软件STEP7MIicro/WIN的编程过程简单，易掌握，功能强大。PLC的数据采集模拟/数字量输入输出模块EM235，能够实现A/D和D/A之间的转换，以便及时采集温度变送器送过来的模拟信息[1]。

在自动化工业生产过程中，温度是最常见的过程参数之一。近年来，国内外对温度控制系统的研究越来越深入、广泛。随着计算机、网络、物联网等技术的发展，在温度控制系统的研究方面更是取得了巨大的进步。如：模糊控制、职能化PID、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[2]。

2 控制系统整体设计

本设计采用西门子的S7-200系列PLC控制器。铂电阻Pt100温度变送器可用来检测热水壶水温，并将温度转化为4～20 mADC的标准电流信号，送到采集模块EM235的1号通道，EM235模块将标准的电流信号转换成数字信号，完成A/D转换，并将数字信号传给PLC控制器。PLC通过程序控制，把EM235模块传来的信号与给定值对应的数字信号相比较，根据比较结果输出驱动固态继电器的线圈，通过控制继电器线圈的得电与失电来改变热水壶的通断，从而实现对热水恒温的控制（如图1所示）。该控制电路采用单回路结构形式，系统由被控对象热水壶、控制器PLC、执行器固态继电器和温度变送器组成。系统的给定量是一定值（例如30 ℃），要求系统的被控制量等于给定量所要求的值。由于这种系统结构相对简单，调试方便，性能较好，所以可被用于教学当中，为学生实验和实训提供很好的平台[3]。

3 控制系统的硬件设计

3.1 硬件系统组成

硬件系统由S7-200CPU226型PLC、模拟量采集模块EM235、铂电阻Pt100变送器、固态继电器、热水壶、启动停止按钮、24 V直流电源及导线组成（如图2所示）。

3.2 PLC控制器的选择

S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，可用于各种场合中的检测、监测及控制的自动化，具有很高的性价比。S7-200系列的PLC 有CPU226、CPU224XP、CPU224、CPU222、CPU221等类型。本系统选用S7-200 CPU226，CPU226集成了24输入/16输出，共有40个数字量I/O，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或数字量35点模拟量I/O。此外，还有6个独立的30 kHz高速计数器，13KB的程序和数据存储空间，两路独立的20 kHz高速脉冲输出，具有PID控制器，配有2个RS485通信口，具有PPI通信协议，MPI通信协议和自由方式通讯能力，可适应较高要求的复杂的中小型控制系统[4]。

3.3 EM235模拟数字量输入输出模块

模拟量扩展模块EM235提供了模拟量输入输出的功能，有4路模拟量输入，1路模拟量输出。不用加放大器即可直接与执行器和传感器相连。供电电源为24 VDC。输入输出都可以为0～10 V电压或是0～20 mA电流（如图3所示）。

3.4 Pt100温度变送器

最常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶的工作原理是热电效应，测温范围较广，价格较贵。而金属铂（Pt）的电阻随温度的变化而变化，并且有很好的重现性和稳定性。我国规定工业用的铂热电阻中，常用的有Pt10和Pt100 2种，测温范围为-200 ℃～850 ℃。Pt100温度变送器是在铂热电阻传感器的基础上，加上信号处理放大电路做成的一种装置。这种变送器可以将温度变化转化为标准电量的变化[5]。

工业常使用的铂电阻分度号为Pt100，其实际电阻的温度特性曲线是一条非线性曲线，用公式（1）进行线性化处理，可将非线性处理成线性。

t=3 367.85+K（1）

公式（1）中： Rt为铂电阻值；t为测量温度值；K为修正代数式[6]。

4 控制系统的软件设计

当PLC开始运行时，初始化脉冲使特殊继电器SM0.0进行初始化，将温度设定值30 ℃对应的数字量、参数值等存入有关数据寄存器，使定时器复位；按下启动按钮，系统开始温度采样，采样周期为1 s；Pt100型铂电阻变送器把所测量的温度值转换为4～20 mADC的电流信号，送入EM235模块的A号通道输入端，该通道将读入的4～20 mADC的模拟信号转换成数字信号送入PLC的AIW0；經过一些数据类型的转换和程序的计算后得出实际测量的温度T，将T和温度设定值30 ℃进行比较，若水温低于30 ℃，控制固态继电器线圈得电，热水壶继续加热，若水温等于或高于30 ℃，控制固态继电器失电，热水壶断电停止烧水，从而使热水壶保持了恒温控制（如图4所示）。

5 系统运行结果及分析

在西门子S7-200系列PLC控制器和EM235采集模块的基础上，利用铂电阻变送器成功设计了热水壶控制系统，并取得实验的成功。温度控制系统的设计很好地融合了高职高专自动化专业基础课程PLC和自动检测传感器技术课程，并且结合了低压电器固态继电器的使用，是一个综合性的设计系统，对今后的实践教学有很好的帮助。

参 考 文 献

[1]李乃夫.可编程控制器原理、应用、实验[M].河北：中国轻工业出版社，2010.

[2]朱强，江莹.基于工作过程的课程开发方案研究[J].中国职业教育，2008（1）：42-44.

[3]姚家琛，孙健.基于西门子S7-200控制器的温度控制系统设计[J].开封大学学报，2014（1）：83-86.

[4]王晓军，杨庆煊.可编程控制器原理及应用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[5]陆希望，王权.基于PLC技术的电热毯远程控制系统研究[J].赤峰学院学报，2014（10）：21-24.

[6]刘伟.水温加热控制系统设计[J].科技创业，2014（11）：

194-105.

[责任编辑：钟声贤]