基于PLC的温度控制系统的设计

邵　彦

（杭州技师学院 机电系， 浙江 杭州 311500）

基于PLC的温度控制系统的设计

邵彦

（杭州技师学院 机电系， 浙江 杭州 311500）

摘 要：阐述了基于 S7-200 的温度控制系统的软、硬件设计。系统调试表明，整个控制系统结构简单，运行稳定，便于维护，实现了温度的闭环控制 。

关键词：S7-200；PLC；温度控制；闭环控制

1 前言

在科学研究和生产实践的诸多领域中，温度控制占有极为重要的地位，特别是在食品、大棚温室、冶金、化工、建材、机械、石油等工农业生产中具有举足轻重的作用。随着电子及计算机技术的发展， PLC 由原来的简单逻辑量控制，逐步具备了计算机控制系统的功能。由于在计算能力、抗干扰能力、 响应速度、通信联网能力、灵活性及可维护性等方面的诸多优点，PLC 在温度控制系统中得到了大量运用［1-4］。本文针对某产品，设计了基于 PLC的温度控制系统。

2 系统硬件设计

2.1 系统组成

系统组成如图 1 所示。使用 PLC 作为控制核心，温度变量经温度传感器（ 温度变送器） 采集后， 再经过A /D 转换模块转换成 PLC 可读的数据，PLC 将它与温度设定值比较，并按某种控制规律对误差进行运算，驱动执行机构，实现温度的闭环控制。

图1 系统的组成

2.2 系统硬件选择

2.2.1 PLC

PLC 的选择主要应从 PLC 机型、 容量、 I / O 模块、 电源模块、 特殊功能模块、 通信联网能力等方面加以综合考虑。系统选择西门子公司生产的 S7-200 CPU226作为温度控制系统的 PLC主单元，其输出为继电器输出，具有24个输入点和16个输出点。

2.2.2 温度传感器

系统选择 Pt100 铂电阻作为传感器。铂电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，主要特点是测量精度高、性能稳定，其中铂热电阻的测量精确度是最高的。

2.2.3 EM231模拟量输入模块

温度由 Pt100 铂电阻温度传感器检测后输出的是模拟电阻信号，而 PLC 所能处理的是数字信号，因此需选择热电阻输入模块EM231: 4AI×RTD，把Pt100电阻值转换成数字信号以被S7-200直接调用，该模块为Pt100模块提供一个隔离的接口，通过拨码开关选择相应型号的热电阻。本系统采用的是Pt100设置，如表1所示 。

表1 Pt100设置

传统的温度控制系统采用一个温度传感器，这样采集的温度具有局限性，本系统选用4路热电阻输入模块，选用同一型号的4个pt100连接到EM231模块上，如图1所示。

图2 Pt100连接图

PLC循环采集四个通道的数据并且通过复合数字滤波算法，处理数据得到相应的PID控制温度，使系统更加的稳定和减小静态偏差。

2.2.4 加热驱动器

选用电热管作为系统的加热器件，具有使用寿命长、抗氧化性能好、电阻率高、价格便宜等优点。加热驱动器的选择对系统的控制效果、可靠性及使用寿命有着较大的影响。目前，使用较多的有接触器、 可控硅、 固态继电器、 IGBT等。由于系统中选用的温度控制器为S7-200 CPU226可编程控制器，采用继电器输出方式，所以选用固态继电器为驱动控制器件。

2.3 系统的硬件连接

本系统使用PT100的四线制连接方法，这样可以不受EM231模块电流源波动的影响，而且四线制接法测量精度是最高的，选用市面上比较好的四线100ΩPT100传感器，并且通过DIP开关设置EM231为100Ωpt100传感器输入模式，传感器连接方式如图3所示。

图3 传感器连接方式

通过EM231模块给PT100提供恒流源，采集PT100两端的电压，通过模块内部的测量得到PT100的电阻值，转换成温度的数字量，进而可以提供给S7-200进行温度调节使用。系统的整体控制原理图如图4所示。

3 系统软件设计

3.1 复合数字滤波算法

在加热炉的温度控制系统中，系统所处环境干扰源复杂，在温度的采集过程中难免会受到干扰，采用复合数字滤波算法可以消除这些不必要的干扰。

图4 控制原理图

假定系统处在稳定的工作状态，系统采集通道的温度数据点数为N，在第i个周期采集的第n测温度为xi（n），n∈（1，N）。为了消除脉冲干扰等因素引起的缓慢干扰，取K个周期的第n个采样点进行排序，保留中间的部分的C个值，处理后的数据序列为｛xi（n），i∈（1，C），n∈（1，N）｝，然后采用均值滤波算法取｛xi（n）｝的平均值为当前值。

采用中值滤波和均值滤波的复合数字滤波算法，实际上是将较大的误差消除掉，根据平均滤波算法的思想，假定滤波前的输入为x（n），滤波后的输出为y（n），则平均滤波公式为：

3.2 系统运行控制

通过S7-200的内部辅助继电器来代替开关的输入，通过上位机触摸屏的按键可以设置系统的启动和停止。

3.3 PID调节设计

西门子S7-200 PLC具有标准的PID回路指令来控制温度，PID指令根据输入和配置信息对LOOP执行PID回路计算，同时逻辑位功能必须是打开的才能启动PID计算。

S7-200程序中可以使用八条PID指令，如果两条或者多条PID指令使用相同的回路号码（即使他们的表格地址不一样），PID计算也会互相干扰，结果很难预料，因此必须在程序设计的时候给PID控制指定不同的回路号，LOOP回路表存储用于控制和监视回路运算的参数，包括程序变量、设置点、输出、增益、采样时间等。

3.4 PWM控制电加热器

通过PID计算出加热管的导通时间，通过控制PWM占空比来控制加热功率，通过PWM控制固态继电器SSR1，SSR1和SSR2同时导通和关断来控制电加热管是否工作。

4 系统调试

图5 触摸屏界面

按照控制原理图接线后建立人机界面如图5所示。当前温度为 39.1 ℃ ，就是模块转换来的数字量为 391。将温度设定为 800 相当于 80 ℃ ，并设定 PID 的参数，然后按下启动按钮，系统启动，开始进行温度当前值采集和 PID 运算。当温度升高到 40. 5 ℃ （图6）时，PID 运算输出 5 000，电热管持续导通，温度持续升高 ； 温度上升到 77.2 ℃ ，PID 输出为 3296，电热管每 5s 导通3s， 使温度缓慢上升； 温度为79.7 ℃ 时，PID 输出为 893，即电热管在 5 s 的周期里导通 1 s（图7）；如果当前温度超过温度设定值，风机就导通降温。

图6 温度采集结果界面（1）

图7 温度采集结果界面（2）

5 结束语

本系统在温度数据采集部分使用四个温度传感器进行温度的采集，并且PLC处理数据的过程中采用复合数字滤波算法，提高了系统采集温度的平均性，不具有局限性，并且复合数字滤波算法大大抑制了噪声干扰，灵活的人机界面设计可以很容易地更改相关参数。

参考文献：

［1］ 晁阳，胡军，熊 伟，等.可编程控制器实例应用与原理分析［M］.北京: 清华大学出版社，2007.

［2］ 刘洪涛，黄海.PLC 应用开发从基础到实践［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［3］ 刘同召.基于模糊控制的雨花茶精揉机温度控制系统的研究［D］.南京: 南京农业大学，2009.

［4］ 陶思扬.基于 PLC的挤出机控制系统的设计与开发［D］.武汉: 华中科技大学，2006 .

（编辑：林小江）

中图分类号：TP271+.4

文献标识码：A

文章编号：1672-4852（2016）02-0033-04

收稿日期：2016-05-12.

作者简介：邵 彦（1981-），女，讲师.

Design of temperature control system based on PLC

Shao Yan
（ Mechanical and Electrical Department ，Hangzhou Technician Institute， Hangzhou 311500，China）

Abstract:The design of hardware and software of temperature control system based on S7-200 was described. The system debugging showed that the whole control system had simple structure with stable running and easy to maintain， and realized the closed-loop control of temperature.

Key words:S7-200；PLC；temperature control； closed-loop control