基于PLC的热水箱恒温控制系统

基于PLC的热水箱恒温控制系统温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。第一章绪论1.1引言可编程序控制器(ProgrammableController，简称PLC)是以微处理器为基础，综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等高新技术的工业装置。现代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系统。在工农业生产中，常用闭环控制方式控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量，PID控制是常见的一种控制方式。由于其不需要求出控制系统的数学模型，算法简单、鲁棒性好、可靠性高，在使用模拟量控制器的模拟控制系统和使用计算机(包括PLC)的数字控制系统中得到了广泛的应用。本文针对恒温水箱温控系统的要求，以PLC为温度控制系统的核心，利用PID控制算法实现水箱的恒温控制。1.2选题的背景温度是是工业上常见的被控参数之一，特别在冶金、化工、机械制造等领域，恒温控制系统被广泛应用于热水器等一些热处理设备中。在一些温控系统电路中，广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成A/D转换器能接收的模拟量，在通过采样/保持电路进行A/D转换，最终送入单片机及其相应的外围电路，完成监控。本文介绍单片机通过数字温度传感器检测外部温度对水箱进行恒温控制的设计，采用PID算法来控制PWM波形的产生，进而来控制热水箱的加热来实现恒温控制。采用单片机实现温度控制不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度的提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量。1.3用PLC设计的思路本次设计是基于PLC水箱恒温控制系统，通过可编程控制器控制，让水箱中的水保持恒定值。首先要通过PT-100铂电阻来检测水温，并把检测到的温度与设定值进行比较，将其偏差值经过PID运算后控制双向晶闸管的导通角，调节加热丝的功率，从而使实际温度迅速接近给定值温度。PID参数主要受到进出水流量、水箱水温设定控制温度、室温等因素影响。水箱温度控制实物图如图1-1所示。在设计中我会先进行硬件设计部分，然后进行软件设计并调试，依次向大家阐述整个编程所需要的知识。图1-1水箱控制示意图

第二章系统总体方案设计2.1系统功能本次设计恒温箱将基于PLC设计完成。恒温系统要求通过冷热水的各自流通来控制恒温箱内的温度在20～80℃之间的某个设定数值。两个数码显示管分别用于显示设定温度及显示测试温度。当水温低于设定值时，报警并采用电加热升温。当水温高于设定值时，报警并启动冷却水泵使水流经冷却器向恒温箱供水降温。由此系统总体设计由控制部分，电源部分，按键部分，温度测量部分，显示部分，加热装置，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分组成。基本组成框图如图2-1所示。图2-1系统模块框图根据以上系统模块框图，我们要实现以下功能：第一、开通电源，状态指示灯1亮。第二、通过按键键入设定温度，数码显示管1显示设定温度。第三、数码显示管2显示恒温箱内的实时温度。第四、当数码显示管2上显示的温度低于键盘显示板1上的设定温度时，蜂鸣器报警。加热装置加热。水泵2开始运行，状态指示灯3亮，水泵2抽取储水箱2中的热水注入恒温箱的第二组金属管，同时储水箱3中的第二组金属管端口有水流出。第五、当数码显示管2所显示的温度等于数码显示管1的设定温度时，蜂鸣器停止报警，加热装置停止工作，水泵2停止工作，状态指示灯3熄灭。第六、当数码显示管2上显示的温度高于数码显示管1上的设定温度时，蜂鸣器报警，水泵1开始运行，状态指示灯2亮。水泵1抽取储水箱1中的冷水注入恒温箱的第一组金属管，同时储水箱3中的第一组金属管端口有水流出。第七、当数码显示管2所显示的温度等于数码显示管1的设定温度时，蜂鸣器停止报警，水泵1停止工作，状态指示灯2熄灭。2.2系统方案的论证根据上文我们要实现的恒温箱功能可知，控制器主要用于对按键信号和温度检测信号的接收和处理，控制显示部分，加热装置，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分等。同时我们考虑恒温箱的各个使用环境。由此我们进行各个模块的论证。2.2.1控制器模块对控制器的选择有以下二种方案：方案一：采用单片机作为系统控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。但是单片机的缺点是对于环境的要求过高。方案二：利用PLC作为控制器模块。PLC拥有对于开关量的逻辑控制、模拟量的控制、运动的控制、过程的控制等各种控制功能，并且PLC拥有数据处理、通信及联网的优点。并且PLC可靠性高，易操作，灵活性高，而且PLC对于环境的要求相对较低。由此我们可以了解采用PLC控制实现按键信号和温度检测信号的接收和处理，控制显示部分，加热装置，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分等，将是我们最优的选择。2.2.2电源模块对于供PLC的工作电压一般为DC24V,电源电压有DC24V的,也有AC220V的。市电来源方便，且经稳压管稳压也较可靠，较经济实惠，所以选择AC220V。2.2.3加热器控制模块采用可控硅来控制加热器有效功率。在性能上,可控硅不仅具有单向导电性,而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态.可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备,如果超过此频率,因元件开关损耗显着增加,允许通过的平均电流相降低,此时,标称电流应降级使用。可控硅的优点很多,例如：以小功率控制大功率,功率放大倍数高达几十万倍；反应极快,在微秒级内开通、关断；无触点运行,无火花、无噪音；效率高，成本低等。2.2.4温度采集模块题目要求，温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块有以下二种方案：方案一：采用热电阻传感器。热电阻材料特性:导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200～500℃温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性：①电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。②电阻率高，热容量小，反应速度快。③材料的复现性和工艺性好，价格低。热敏电阻温度特性④在测温范围内化学物理特性稳定。方案二：集成测温传感器。集成电路温度传感器的输出阻抗较低，功耗也较低；热敏电阻器通过消耗电受温度，功耗较高。而且，长时间感受温度使热敏电阻器本身的温度也升高，测量温度的准确性降低。基于以上分析所以选择方案一。2.2.5显示模块根据设计需求，恒温箱的温度要由用户人工设定，并能实时显示温度值。对键盘和显示模块有下面两种方案：方案一：采用液晶显示屏。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示温度值数据位数较少，即信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。方案二：采用LED八段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。LED数码管显示器动态显示方式下，将所有位的段选线并联在起，由位选线控制哪位接收字段码。采用动态扫描显示，也就是在显示过中，轮流向各位送出字形码和相应的字位选择，每位数码管的点亮时间为1～2ms，同一时刻只有一位显示，其他各位熄灭。利用显示器的余晖和人眼的视觉暂留现象，只要每一位显示足够短，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，编程容易，资源占用较少。根据以上论述，采用方案二。本系统中，采用了数码显示管。2.2.6键盘模块在日常生活中，按键几乎是最普遍的人机交互方式。本次恒温控制系统采用PLC试验箱键盘模块，其实物如图2-2所示。图2-2按键实物图2.2.7报警模块按照设计需求，当恒温箱内的温度超过或者低于设定温度就要报警，报警设施使用蜂鸣器来实现。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。之所以选用蜂鸣器，是因为声音报警的方式比较直观地提醒用户水温已达到设定的温度，蜂鸣器价格低廉，硬件电路设计简单，并且只需要简单的编程就可以实现其报警功能。

第三章硬件设计3.1硬件配置3.1.1西门子S7-200CUP226S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。S7-200系列的基本单元如表3.1所示。表3.1S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221640S7-200CPU222862个扩展模块S7-200CPU22424107个扩展模块S7-200CPU224XP24167个扩展模块S7-200CPU22624167个扩展模块本论文采用的是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。3.1.2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、答应误差、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。3.1.3EM235模拟量输入模块EM235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA（通过250Ω电阻转换DC1～5V或通过500Ω电阻转换DC2～10V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。表3-1所示为如何用DIP开关设置EM235模块。开关1到6可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。表3.2所示为如何选择单/双极性（开关6）、增益（开关4和5）和衰减（开关1、2和3）。下表3.2中，ON为接通，OFF为断开。表3.2EM235选择模拟量输入范围和分辨率的开关表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5μVOFFONOFFONOFFON0到100mV25μVONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250μVONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5μAOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV根据温度检测和控制模块，我设置PID开关为010001图3.1DIP开关3.1.4温度检测和控制模块由学校提供，模拟真实锅炉的温度检测和控制模块，可自行将0～10V模拟信号转化为占空比对锅炉进行加热。输出的模拟信号也是0～10V，锅炉外接24V直流电源。3.2I/O分配表表3.3I/O分配表输入I0.0启动按钮I0.1停止按钮输出Q0.1启动指示灯Q0.2停止指示灯Q0.3正常运行指示灯Q0.4温度越上限报警指示灯Q0.5锅炉加热指示灯3.3硬件接线图图3.2硬件连接图图3.3EM235CN连接图第四章软件设计4.1流程图流程图有时也称作输入-输出图。该图直观地描述一个工作过程的具体步骤。流程图对准确了解事情是如何进行的，以及决定应如何改进过程极有帮助。这一方法可以用于整个企业，以便直观地跟踪和图解企业的运作方式。流程图使用一些标准符号代表某些类型的动作，如决策用菱形框表示，具体活动用方框表示。但比这些符号规定更重要的，是必须清楚地描述工作过程的顺序。流程图也可用于设计改进工作过程，具体做法是先画出事情应该怎么做，再将其与实际情况进行比较。本设计的流程图如图4-1所示。开始开始工作开关？电热棒加热检测温度YT=100°CNY保温开关？Y系统监测温度,电热棒OFFT<=62°C系统监测温度，电热棒ONT>=68°CYYNN结束图4-1系统流程图4.2控制程序的组成控制程序主要由温度采集程序、数据滤波程序、PID控制程序组成，温度采集程序的作用是将温度值转换成PLC能够识别的数值。数据滤波程序是为了消除干扰对测量结果的影响，在PID控制前，需要对采集的数据进行处理，这样是为了避免由于外部的干扰而导致PID运算出错。因此，滤波程序是非常的重要的。4.3温度采集程序设计图4.2温度采集程序温度采集程序，由于温度变送器送出的是4-20mA的标准电流信号，信号采集模块将采集到的电流转化成数字信号过后，再通过一系列的数据类型的转换，使得采集到的数据变成标准的温度数据信号，方便识别。同时采集到的数值也需要转化成PLC的PID运算要求的标准数据类型。炉温实际温度的检测是要将温度量转化为PLC可识别的量，所以，将温度变送器输出的值先由16位的整型转化为32位的双整型，再由双整型转化为实型，实型小数点后可有6位，故比较精确。此时得到测得温度值在PLC中计算所对应的数，将该数送入变量寄存器VD296。4.4数字滤波程序设计图4.3网络一网络一的程序是将每次采集到的值进行累加，将累加后得到的值存入VD300中，进行累加后就将得到所采集到的温度值的总和。每次采集十组数据。图4.4网络二网络二是找出最大值和最小值。图4.5网络三网络三是将VB0寄存器中的数据清零。图4.6网络四网络四是将最大值和最小值从所求的总和中减去，从而实现，减去一个最大值和减去一个最小值，达到限幅的作用。图4.7网络五网络五是将剩下的总和求平均，从而得到设计中想的到的温度值。图4.8网络六网络六的作用是将所有使用过的寄存器初始化。数据滤波的方法有很多种，其中软件滤波的方法包括：限幅滤波、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）、中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）、限幅平均滤波法、一阶滞后滤波法、加权递推平均滤波法、消抖滤波法、限幅消抖滤波法。图4.3.1到图4.3.6的程序图使用的是限幅平均值滤波。整体思想是，将十次采集到的数据，先去掉一个最大值，然后去掉一个最小值，然后将剩下的8个数求和取平均值。4.5PID控制程序设计图4.9PID控制程序PID控制程序在整个程序中是