目 录
目 录 .............................................................. 1 第一章 摘要 ......................................................... 2
1.1应用背景与需求 ............................................... 2 2.1 PLC的特点 .................................................. 4 第二章.系统设计 ..................................................... 4
2.1 系统设计要求 ................................................ 4 2.2 温度控制系统的设计 .......................................... 5 2.3 PLC控制系统的构成 .......................................... 5
2.4系统的组成原理框图 ........................................... 5 第三章 控制系统的I/O点及地址分配 .................................. 6 第四章 PLC控制系统选型与拓展模块 ................................... 6 第五章 电气原理图 ................................................... 7
5.1 主电路设计 .................................................. 7 5.2 控制电路图 .................................................. 7 5.3 PLC外围接线 ................................................. 8 第六章 系统程序设计 ................................................. 9
6.1 PID控制器基本概念 ........................................... 9 6.2 PLC温度监测与控制梯形图的设计 .............................. 10 6.3 程序流程图 ................................................. 11 6.4程序中使用的元器件及功能 .................................... 12 6.5程序语句表 .................................................. 12 第七章 课程设计总结 ............................................... 16 参考文献 ........................................................... 17
设计者：王先
第一章 摘要
1.1应用背景与需求
在工业生产自动控制中，为了生产安全或保证产品质量，对于温度、压力、流量、成份、速度等一些重要的被控参数，通常需要进行自动监测，并根据监测结果进行相应的控制。温度是工业生产对象中主要的被控参数之一，温度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度的监测与控制。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，而空气中温度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度的监测及控制就非常有必要了。本文通过设计温度监测与控制系统，体现PLC在模拟量信号监测与控制中应用的优越性。总之，环境温度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。这方面的应用大多是基于单片机进行PID 控制, 然而单片机控制的DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处, 然而PLC 在这方面却是公认的最佳选择。
1.2 PLC的特点
编程方法简单易学：梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
功能强，性能价格比高：一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。
可靠性高，抗干扰能力强：PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少
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PLC在温度监测与控制系统中的应用
了因触点接触不良造成的故障。S7-300有极强的故障诊断能力。PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被公认为最可靠的工业控制设备之一。
系统的设计、安装、调试工作量少：PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种设计方法很有规律，容易掌握。可以在实验室模拟调试PLC的用户程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少的多。
维修工作量小，维修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
体积小，能耗低：对于复杂的控制系统，使用PLC后，由于减少了大量的中间继电器和时间继电器，开关柜的体积比继电器控制系统小的多。
1.3 PLC应用领域
由于PLC自身的特点和优势，在工业控制中PLC已经得到了广泛的应用，包括机械、冶金、化工、电力、运输、建筑等众多领域，应用范围也在不断扩大。PLC主要的应用领域包括以下几个方面： （1）逻辑控制
逻辑控制是PLC最基本的应用，它可以取代传统的继电器控制装置，如机床电器控制、各种电机控制等，可实现组合逻辑控制、定时控制和顺序逻辑控制等功能。
PLC的逻辑控制功能相当完善，可用于单机控制，也可用于多机群控制及自动生产线控制，其应用领域已遍及各行各业。 （2）运动控制
PLC使用专用的运动控制模块，可对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，实现单轴、双轴和多轴位置控制，并使运动控制和顺序控制能有机结合在一起。
PLC的运动控制功能可用于各种机械，如金属切削机床、金属成形机械、机器人、电梯等场合，可方便地实现机械设备的自动化控制。 （3）闭环过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过其模拟量I/O模块，及数据处理和数据运算等功能，实现对模拟量的闭环控制。
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设计者：王先
现代的大中型PLC一般都有PID闭环控制功能，这一功能可以用PID子程序或专用的PID模块来实现，可用于热处理炉、锅炉、塑料挤压成型机等设备的控制。
（4）数据处理
现代PLC具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可以完成数据的采集、分析和处理等操作。这些数据可以与存储在存储器中的参考值进行比较，也可以用通信功能传送到其他智能设备，或将它们打印制表。
数据处理功能一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品加工中的一些大型控制系统。
PLC的在现代工业生产中的广泛应用决定了它的重要地位，因此学会并掌握使用PLC并可利用简单的编程通过PLC控制工业生产系统成为当代大学生一项不可或缺的技能。
第二章.系统设计
2.1 系统设计要求
本设计是基于西门子S7-200系列PLC为主要控制元件进行设计的，可编程控制器（PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术的一种新型的、通用的自动控制装置。它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便，易于编程及适应工业环境下应用等一系列优点，近年来的工业自动化、机电一体化、传统产业技术等方面应用越来越广，成为现代工业控制三大支柱之一。PLC的最终目标是用于实践，提高生产力。如今，应用PLC已经成为世界潮流，PLC将在我国得到更全面的推广应用。本文中被控对象为电加热炉，在炉温自动控制系统中，炉温经热电偶检测和温度变送器的转换，变为相应的电压信号，送往PLC控制器，再经模拟量输入/输出模块(A/D)转换为数字量，并由程序将给定的温度值与测量值比较，然后根据偏差大小按比例调节规律，计算出校正量。通过模拟量输入/输出模块的输出控制作用，消除炉温的偏差，送往现场的执行机构—过零触发器及可控硅装置，从而使炉温达到并稳定在给定的数值上。同时设有声光报警系统，当温度超过设置的上、下限时，发出报警，并用不同颜色的灯光显示不同的温度状态。控制器的外部也设置实时显示系统，以实时显示温度。
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PLC在温度监测与控制系统中的应用
2.2 温度控制系统的设计
系统要求，将被控系统的温度控制在50~60℃之间，当温度低于50℃或高于60℃时，应能自动进行调整，当调整3min后仍不能脱离不正常状态，则应采用声光报警，一提醒操作人员注意排除故障。
系统设置一个启动按钮来启动控制程序，设置绿、红、黄3个指示温度状态。被控温度在要求范围内，绿灯亮，表示系统运行正常。当被控温度超过上限或低于下限时，经调整3min后尚不能回到正常范围，则红灯或黄灯亮，并有声音报警，表示温度超过上限或低于下限。
2.3 PLC控制系统的构成
在被控系统中设置4个温度测量点，温度信号经变送器变成0~5V的电信号(对应温度为0~100度)，送入4个模拟量输入通道。PLC读入四路温度后，在取其平均值作为被控系统的温度值。
若被测温度超过允许范围，按控制算法运算后，通过模拟输出通道，相被控系统送出0~10V的模拟温度控制信号。
PLC通过输入端口连接启动按钮，通过输出端口控制绿灯的亮灭，通过输出端口控制红灯的亮灭，通过输出端口控制黄灯的亮灭。
2.4系统的组成原理框图
被控系统 温度采集 温度信号变送器 温度调节装置 PLC调节系统 输出控制量 报警指示 正常指示
图.1 系统组成原理框图
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第三章 控制系统的I/O点及地址分配
控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表1 名称 启动 远程温度模拟电压值 消铃按钮 温度控制 绿灯 红灯 黄灯 声音报警 代码 SB0 Up SB2 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 地址编号 I0.0 AIW0 I0.2 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 输 入 信 号 输 出 信 号 第四章 PLC控制系统选型与拓展模块
从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点3个、开关量输出点5个；模拟量输入点4个，如果选用CPU 224PLC，也许扩展单元；如果选用CPU 226PLC，则价格较高，浪费较大。参照四门子PLC S7-200产品目录及市场价实际价格，选用主机为CPU 222（8入/6继电器输出）一台，加上一台扩扩展模块EM 235（4 AI/1 AO）。这样的配置是最经济的。整个PLC系统的配置如图2所示。
主机单元 CPU222 AC/DC继电器 模拟量单元 EM235 4AI/1AO
图2 PLC系统组成
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PLC在温度监测与控制系统中的应用
第五章 电气原理图
5.1 主电路设计
如图3所示为电控系统主电路图。五台点机分别为M1、M2、M3、M4、M5。接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5分别控制M1、M2、M3、M4、M5的工频运行。QS为总电路的启动开馆，FU为主电路的熔断器，起保护电路作用，FR为各台电机的过载保护用的热继电器。
电路中利用各常闭触电对点击的启动进行相互之间的控制，从而避免了混乱情况的发生。当电机M2启动时，其它四台电机都不会启动，说明温度正常。当M3启动时M2、M4不会被启动。当M4启动时，M2、M3不会被启动。
图3 电控系统主电路图
5.2 控制电路图
根据电控系统主电路和设计要求得出控制电路图如下：FR为电路的总过载保护，SB1为停止按钮，SB0为启动按钮，KM0为启动自锁动作线圈。KA1是一个欠电压继电器线圈，当电压小于设定值时动作对应温度信号的下线动作。KA2是一个过电流继电器线圈，当温度信号转换出来的电信号大于设定值时动作。KM1为温度控制装置继电器动作线圈。KM2为控制绿灯动作的继电器线圈。KM3为控制红灯动作的继电器线圈。KM4为控制黄灯动作的继电器线圈。KM5为控制蜂鸣器报警的继电器线圈。KT1是一个延时动作的继电器线圈。
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设计者：王先
按下启动开关，线圈KM0启动,常开触电KM0闭合自锁。同时KA1、KA2检测电压电流的大小是否在范围内，当KA1、KA2都不动作时说明温度在要求范围内，此时KM2动作，常开触点闭合常闭触点断开，绿灯亮，同时线圈KM1、KM3、KM4、KM5都不会动作。当KA1或KA2至少有一个动作时KM2都不动作，绿灯不亮。当KA1动作时，常开触点闭合常闭触点断开。KM1动作启动温度控制装置并且KT1计时，当时间到达时，KA1线圈仍处于动作状态时，延时常开触点KT1闭合，若动作的是KA1（即温度小于下限）KM4动作，黄灯亮。同时，KM5也动作，即产生声音报警。若动作的是KA2（即温度高于下限）KM3动作，红灯亮。同时，KM5也动作，即产生声音报警。
图4所示为电控系统的控制电路图。图中SA1为启动控制按钮，按下后启动PLC自动控制，并产生自锁。SA2为停止控制按钮，按下即可停止自动监测温度系统。Q0.0~Q0.3为PLC输出继电器触点，旁边的1，2，3为接线编号，可结合图一起读图。HL1、HL2、HL3为指示灯，HA为电铃。
图4 控制电路图
5.3 PLC外围接线
1）接线所要注意的问题：
设计S7-200系统的接地和布线时，始终要考虑安全问题。SY-200等电子控制设备可能会发生故障并导致受控制或监控的设备意外运行。因此，应该使用独立于S7-200的安全装置进行保护以防止可能的人身伤害或设备损坏。警告控制设备在不安全的条件中可能发生的故障，导致所控制设备的以为运行。
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PLC在温度监测与控制系统中的应用
使用紧急停止功能、机电装置或其他独立于S7-200的冗余安全装置。绝缘指南S7-200电源边界和AC电路的I/O边界额定为1500VAC。这些绝缘边界经检查证实为提供AC线路和低压电路之间的安全隔离。
所有连接到S7-200的低压电路（例如24V电源）都必须由经过许可的电源供电，这些电源提供AC电路和其他高压电路的安全绝缘。这种电源包括国际电气安全标准中定义的双层绝缘，根据不同的标准，输出等级为SELV、PELV、Class2或限制电压。 2）外围接线图
CUP222端子连接五个控制电机和电源，三个输入开关量。扩转模块EM235的四个输入端接入四个温度信号。
图5 外围接线图
第六章 系统程序设计
6.1 PID控制器基本概念
PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。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。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合采用PID控制技术。
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设计者：王先
（1）比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
（2）积分（I）控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的运算取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，采用比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）微分（D）控制
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大的惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
6.2 PLC温度监测与控制梯形图的设计
系统要求温度控制在50~60℃的范围内，为了控制方便，设定一个温度控制较佳值（本例设为55℃），并以此作为被控温度的基准值。另外，还需要设定输出控制信号时的调节基准量，正常情况下，输出基准量时被控温度接近较佳值。本例设定的基准调节量相当于PLC输出6V。
加热炉一类的温度控制对象，其系统本身的动态特性基本上属于一阶滞后环节，在控制算法上可以采用PID控制或大林算法。由于本系统温度控制要求不高，为了简化起见，本例按P（比例）控制算法进行运算，采样调节周期设为1s。
实现温度监测与控制系统的过程包括如下：
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PLC在温度监测与控制系统中的应用
1) PLC投入运行时，通过特殊辅助继电器M71产生的初始化脉冲进行初始化，
包括将温度较佳值和基准调节量存入有关数据寄存器，使计时用的两个计数器复位。
2) 按启动按钮（I0.0），控制系统投入运行。
3) 采样时间到，则将待测的4点温度值读入PLC，然后按算术平均值的办法求
出4点温度的平均值Q。
4) 按Q与Qmax（温度允许上限）比较，若未超过上限，将Q与Qmax(温度允许下
限)比较，若也为低于下限，则说明温度正常，绿灯亮，等待下一次采样。 5) 若Q>Qmax，进行上限处理：计算Q与上限温度偏差，根据偏差计算调节量（比
例系数假设为2），发出调节命令，并判断调节时间，若调节时间太长，进行声光报警(红灯亮)；若调节时间未到3min，则准备下次继续采样及调节。 6) 当采样温度低于下限，即Q 6.3 程序流程图 根据控制系统的实际要求画出程序设计流程图如下 11 加热 否 三分钟后仍大于上限？ 是 设计者：王先 冷却 否 三分钟后仍小于下限？ 是 红灯亮并报警 图6 程序流程图 黄灯亮并报警 6.4程序中使用的元器件及功能 在本设计程序中使用了较多的存储单元，先将他们的地址及功能作用列如下表。 器件地址 VD102 VD104 VW106 VD104 VD100 VD112 VD116 功能 A、B两点采样和 四点采样和 四点采样平均值 温度设定值 过程变量标准化值 比例系数 采样时间 器件地址 功能 VD120 VD124 VD108 VW100 积分时间 微分时间 PI计算值 PID调节结果存储单元 表2 程序中使用的元器件及功能 6.5程序语句表 该程序包括一个主程序，两个子程序SBR_0、SBR_1，两个中断子程序INT_0、INT_1。子程序SBR_0为采样初始化并进行中断采样程序，子程序SBR_0为PID调节初始化程序，并中断进行PID调节计算。INT_0为采样平均值的计算程序。INT_1为PID调节程序，输出量存到VW100寄存器中。 主程序： LD I0.0 O M1.0 AN I0.1 = M1.0 LD SM0.1 O T38 O M1.0 AN I0.1 CALL SBR_0:SBR1 LDW< VW106, 50 OW> VW106, 60 12 PLC在温度监测与控制系统中的应用 AN I0.1 CALL SBR_1:SBR0 = M0.1 LDN M0.1 = Q0.1 LDN M30.0 TOF T32, 2000 LD T32 = M30.0 LDW<= T32, VW100 = Q0.0 LD Q0.0 TON T38, 300 LD T38 LPS AW< VW106, 50 = Q0.2 AN I0.2 = Q0.4 LPP AW> VW106, 60 = Q0.3 AN I0.2 = Q0.4 LDN Q0.2 ON Q0.3 = M1.0 子程序SBR_0 LD SM0.0 MOVB 10, SMB34 ATCH INT_1:INT0, 10 MOVD 0, VD102 MOVD 0, VD104 13 设计者：王先 MOVW 0, VW106 ENI 子程序SBR_1 LD SM0.0 MOVR 55.0, VD104 MOVR 2.0, VD112 MOVR 1.0, VD116 MOVR +INF, VD120 MOVR 0.0, VD124 MOVB 100, SMB34 ATCH INT_0:INT1, 10 中断程序INT_0 LD SM0.0 MOVW AIW0, AC0 ITD AC0, AC0 MOVW AIW2, AC1 ITD AC1, AC1 MOVW AIW4, AC2 ITD AC2, AC2 MOVW AIW6, AC3 ITD AC3, AC3 TON T37, 10 LD T37 MOVD AC0, VD102 +D AC1, VD102 MOVD AC2, VD100 +D AC3, VD100 MOVD VD102, VD100 +D VD104, VD100 MOVD VD104, AC3 /D +4, AC3 DTI AC3, VW106 ANDD 0, VD102 ANDD 0, VD104 14 PLC在温度监测与控制系统中的应用 ANDW 0, VW106 中断程序INT_1 LD SM0.0 ITD AIW0, AC0 DTR AC0, AC0 /R 32000.0, AC0 MOVR AC0, VD100 LD SM0.0 PID VB100, 0 LD SM0.0 MOVR VD108, AC0 *R 32000.0, AC0 ROUND AC0, AC0 DTI AC0, AC0 MOVW AC0, VW100 15 设计者：王先 第七章 课程设计总结 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，PLC已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握PLC的应用技术是十分重要的。 回顾起此次PLC课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整三星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，一定把以前所学过的知识重新温故。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在肖青老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在肖青老师的身上我学得到很多的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！ 16 PLC在温度监测与控制系统中的应用 参考文献 [1]肖清、王忠锋.西门子PLC课程设计指导书.2009 [2]袁任光，可编程序控制器应用技术与实例.广州.华南理工大学出版社.1997 [3]康华光. 电子技术基础.高等教育出版社.2005 [4]王兆安等.电力电子技术.北京：机械工业出版社 ，2003 [5]胡寿松等.自动控制原理.北京：科学出版社，2004 [6]孙亮等.自动控制原理.北京：北京工业大学出版社，2001 [7]吴浩烈.电机及电力拖动基础.重庆：重庆大学出版社，2005 [8]顾绳谷.电机及拖动基础.北京：机械工业出版社，2000 [9]邱阿瑞.电机与电力拖动.北京：电子工业出版社，2002 [10]陈伯时等.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2002 [11]陈伯时等.交流调速系统.北京：机械工业出版社，2005 [12]郭东栋 单片机控制的直流调速系统 可编程控制器与工厂自动化, 2007 [13]张进秋等.可编程控制器原理及应用实例. 北京：机械工业出版社，2004 17 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容