基于PLC的水箱温度控制系统

基于P L C的水箱温度控

制系统

Revised as of 23 November 2020

【摘要】

本文研究的是可编程控制器在水箱恒温控制系统中的应用，水箱恒温控制装置主要用来完成对水箱中液体的液位和温度检测，并对温度参数进行调节。系统中温度控制是一个非常重要的部分。通过铂热电阻对温度进行测量，将测量到的温度传到PLC中。PLC对采集到的温度值与给定值进行比较，经过PID运算后，调节双向晶闸管在设定周期内通断时间的比例，改变加热丝中电流大小及加热时间，以完成对温度的控制要求。

本系统硬件部分主要由CPU224、EM235、双向晶闸管等组成；软件部分主要由PID 控制来完成。

关键词：PLC CPU224 EM235 双向晶闸管 PID控制

Abstract: In this paper, is the programmable controller in the water tank temperature control system application, water tank temperature control system is mainly used to complete the tank liquid level and temperature detection, and adjust the temperature parameters. System, temperature

control is a very important part. By platinum RTD temperature measurement will be measured in the temperature reached the PLC. PLC on the collected temperature values compared with a given value, after a PID operation, the regulator Triac off the set period of time the ratio of change in heating wire in the current size and heating time to complete the right temperature control requirements.

The system hardware mainly by the CPU224, EM235, bi-directional

thyristor etc.; software, some of the major by the PID control to complete. Key words:PLC CPU224 EM235 Triac PID Contro l

目录

1.前言

恒温系统应用

在日常生活、工业生产和实验室中电热恒温箱的应用随处可以见到。在生活中我们保存食物用到恒温箱，工业生产中一些生产原料的保存用到恒温箱，实验室里，特别是生物的培育实验室，恒温箱的应用更是普遍。

可编程控制器即PLC是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发出来的，现在已经广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量是输入/输出来控制设备或生产过程。在本设计中，我们针对实验水箱而设计的一个恒温系统，针对温度控制的特点以及实现准确温度控制的意义，设计了一种基于PID的恒温检测控制系统。 PLC的结构

PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机相同。1.2.1中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算, 运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。

为了进一步提高PLC 的可靠性，近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统或采用三CPU 的表决式系统，这样即使某个CPU 出现故障整个系统仍能正常运行。

1.2.2存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

(1) PLC 常用的存储器类型

①RAM (Random Assess Memory)，这是一种读/写存储器(随机存储器) ，其存取速度最快，由锂电池支持。

②EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。

③ EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

(2) PLC 存储空间的分配

虽然各种PLC 的CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC 的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区；系统RAM 存储区(包括I/O 映象区和系统软设备等)；用户程序存储区。

①系统程序存储区

在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序、等由制造厂商将其固化在EPROM 中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该PLC 的性能。

②系统RAM 存储区

系统RAM 存储区包括I/O 映象区以及各类软设备如：逻辑线圈、数据寄存器、计

时器、计数器、变址寄存器、累加器、等存储器。

a I/O 映象区

由于PLC 投入运行后只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元(RAM)以

存放I/O 的状态和数据，这些单元称作I/O 映象区，一个开关量I/O 占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O 占用存储单元中的一个字(16 个bit)，因此整个I/O 映象区可看作两个部分组成：开关量I/O 映象区，模拟量I/O 映象区。

b 系统软设备存储区

除了I/O 映象区区以外，系统RAM 存储区还包括PLC 内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区，该存储区又分为具有失电保持的

存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC 断电时由内部的锂电池供电，数据不会遗失，后者当PLC 断电时数据被清零。

c 用户程序存储区

用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的PLC 其存储容量各不相同。

1.2.3电源

PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将PLC 直接连接到交流电网上去。 PLC的工作原理

1.3.1 PLC的基本工作原理

（1）PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式

1）每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。

2）输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新

状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

5）扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数。

6）由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

（2）PLC与继电器控制系统、微机区别

1）PLC与继电器控制系统区别

前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。

前者用“软件”，后者用“硬件”。

2）PLC与微机区别

前者工作方式是“循环扫描”。后者工作方式是“待命或中断”。

1.3.2 PLC 编程方式

PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。

PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。

梯形图语言特点：

（1）每个梯形图由多个梯级组成。

（2）梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果是“1”，有假想的电流流过。

（3）继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。

（4）每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。

（5）输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。

PLC的控制系统发展趋势

（1）PLC发展的潮流

目前，国外PLC制造商不断推出新产品。西门子最初推出S5系列，然后推出 S7系列；三菱开始是F系列，FX系列，现在是Q系列（A1、A2、A2X）。大趋势是功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强。特别是网络，因为联网是一个大潮流。

现在各种PLC都在发展自己的网络，一般从结构上有两种，一种在PLC模块上做了一个通信输出口，可以直接与计算机联接实现点对点通信（RS232联接）；另一种是通过多点联接（RS485联接），这适用于多层PLC。这方面，西门子的产品具有代表性，它具有自己的PROFIBUS协议的网络标准，现在已经被世界上绝大多数国家接受，几乎已经成为国际标准，获得广泛的应用。目前网络是一个发展趋势。网络的控制中心一般有两台计算机，通过电缆与现场的PLC站相连，每个站就放在被控设备的附近，从设备到PLC站之间的电缆很短，从PLC站到控制中心只需一根电缆线，这样成本就大大降低了。

（2）PLC的最新发展动态

一是PLC网络化技术的发展，其中有两个趋势，一方面，PLC 网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质（比如双绞线，同轴电缆，光缆）连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。

二是PLC向高性能小型化发展。PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如三菱的FX-1S系列PLC，最小的机种，体积仅为60×90× 75mm，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算，PID调节，温度控制，精确定位，步进驱动，报表统计等。从这种意义上说，PLC系统与DCS（集散控制系统）的差别已经越来越小了。用PLC同样可以构成一个过程控制系统。

PLC控制系统的构成设计原则及步骤

1.5.1 PLC的设计原则

1）硬件设计：

硬件设计内容：PLC机型的选择；

输入/输出设备的选择；

图样（如接线图等）绘制；

硬件设计应遵循的原则：

（1）经济性

（2）可靠性

（3）先进性及可扩展性

2）软件设计：

软件就是编写满足生产控制要求的PLC用户程序，即绘制梯形图，或编写语句表。

软件设计原则：

（1）逻辑关系要简单明了，易于编程；

如继电器的触点可以使用无数次，只要在实现某个逻辑功能所需要的地方，可以随时使用，使得编制程序具有可读性，但要避免使用不必要的触点。

（2）保证程序功能的前提下尽量减少指令和程序的运行时间。

1.5.2 PLC的设计步骤

PLC系统设计的一般方法和步骤如图1－1所示：

图1－1 PLC的设计流程

（1）确定方案：

被空对象环境较差，系统工艺复杂，考虑用PLC控制系统。控制很简单，可以考虑用继电器控制系统。用PLC控制，首先要了解系统的工作过程及所有功能要求，从而分

析被控对象的控制过程，输入/输出量是开关量还是模拟量，明确控制要求，绘制系统流程图。

（2）选择PLC的机型：

PLC的可靠性上是没有问题的，机型的选择主要是考虑功能上满足系统要求。机型的选择依据：控制对象的输入量，输出量工作电压输出功率现场对系统的响应速度要求控制室与现场的距离等。

（3）选择I/O设备，列出I/O地址分配表：

输入设备：控制按钮、行程开关、接近开关等。

输出设备：接触器、电磁阀、信号灯等。确定输入/输出设备的型号和数量。

列写输入/输出设备与PLC的I/O端口地址对照表，绘制接线图及编写程序。

分配I/O地址时应注意以下几点：把所有按钮、行程开关等集中配置，按顺序分配I/O地址；每个I/O设备占用地址；同一类型的I/O点应尽量安排在同一个区。

彼此有关的输出器件，如电动机的正反转，其输出地址应连续分配。

1）绘制电动机的主电路及PLC外部的其它控制电路图。

2）绘制PLC的I/O接线图。

注：接在PLC输入端的电器元件一律为常开触点，如停止按钮等。

3）绘制PLC及I/O设备的供电图。

输入电路一般由PLC内部提供电源，输出电路根据负载的额定电压外接电源。

（4）设计电气线路图：

（5）程序设计与调试

程序设计可以用经验设计或者功能表图设计法，或两者结合使用。

（6）总装调试：

接好硬件线路，把程序输入PLC中，联机调试

2硬件设计

工作过程

（1）打开SV1充冷水，当水到达上限位，使上限位传感器输出有信号时，停止供冷水，关闭SV1。

（2）当水到达下限位时，启动加热器H，让其加热水，同时让搅拌电动机M开始运行，使水的温度均匀上升。

（3）设定给定温度值为60℃。

（4）当实际温度高于60℃时，开通SV1和SV2，并运行搅拌电机M；当实际温度低于60℃时，开通加热器H并运行搅拌电机M。以此进行循环。

（5）当水低于下限位传感器时，报警灯亮。人工按下停止按钮，重新开始启动。

图2－1 实验水箱温度控制系统符号描述

I/O地址分配

根据图2-1及以上工作过程分析，统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号，如表2-1所示。水位上下限位信号分别为、,它们在水淹没时为1，露出时为0。

选择硬件

从上面分析可以知道，系统共有5个开关量输入点，4个开关量输出点，1个模拟量输入点，1个模拟量输出点。参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU224(14入/10继电器输出)一台，再扩展一个模拟量模块EM235(4AI/1AO)。这样的配置是最经济的。整个PLC系统的配置如图所示。

图2－2 恒温水箱的PLC系统的配置

2.3.1 CPU224

CPU224集成14输入／10输出共24个数字量I／O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I／O点或35路模拟量I／O 点。13K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。1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。是具有较强控制能力的控制器。如下图所示

图2－3 CPU224的接线图

2.3.2双向晶闸管

双向晶闸管工作原理:双向可控硅具有两个方向轮流导通、关断的特性。双向可控硅实质上是两个反并联的单向可控硅，是由NPNPN五层半导体形成四个PN结构成、有三个电极的半导体器件。

图2－4 双向可控晶闸管

液温的电加热一般采用移相触发可控硅调节方式。即PLC根据PID公式计算出控制电压值，经D/A变换成模拟量输出给晶闸管，控制可控硅导通角。为避免电源畸变造成干扰，此处采用双向晶闸管固定周期控制方式。工作原理为：，选定控制脉冲的周期Tc=1 s，100个工频电源半周期即为10 ms。根据PID计算结果，微机在1秒固定周期内，发出不同宽度的电脉冲去控制双向晶闸管的门极，改变其导通时间，从而控制加热器的平均输出功率。

2.3.3热电阻原理构造

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的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，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点：

①热电阻和显示仪表的分度号必须一致。

②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。

3 PID 的介绍

PID 的工作原理

在控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID 控制。PID 控制系统原理框图如图3－1所示。系统由PID 控制器和被控对象组成。

图3－1 PID 控制系统原理框图

PID 控制器是一种线性控制器,一种它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差： Error(t)=rin(t)-yout(t) （） PID 控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成一种控制规律。即，控制器的输出为：

???

?

?

?+

+=?

t

D p dt t derror T dt t error T t error k t u 0

1)()(1

)()( （）

或写成传递函数的形式：

???

? ??++==

s T s T k s E s U s G D p 11

1)()()( （） 其中， kp ——比例系数；Ti ——积分时间常数；T d ——微分时间常数。 简单说来，PID 控制器各校正环节的作用如下：

比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号error(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。

比例控制： Gc(s)= Kp

积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强尽弱取决于积分时间常数Ti ，Ti 越大，积分作用越弱，反之则越强。

积分控制： Gc(s) = Kp/T is

微分环节：反偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

微分控制： Gc(s) =KpT ds 基本PID 控制器的理想算式为：

（）

式中

u(t)——控制器(也称调节器)的输出；

e(t)——控制器的输入（常常是设定值与被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）； K p ——控制器的比例放大系数； T i ——控制器的积分时间； T d ——控制器的微分时间。

设u(k)为第k 次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID 算式

（）

式中

。

由于计算机的输出u(k)直接控制执行机构（如阀门），u(k)的值与执行机构的位置（如阀门开度）一一对应，所以通常称式为位置式PID控制算法。

位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算量大；而且控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。

PID参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，本设计采用实验凑试法

（1）确定控制器参数

数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。

在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。

（2）选择参数

控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。

（3）整定步骤

实验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。

①整定比例控制

将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

②整定积分环节

若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。

先将步骤①中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

③整定微分环节

若经过步骤②，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。

先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。

PID模块介绍

3.3.1 PID回路表的格式及初始化

（1）PID回路表

PLC在执行PID调节指令时，须对算法中的9个参数进行运算，为此S7-200的PID 指令使用一个存储回路参数的回路表，PID回路表的格式及含义如表3－2所示。

表3－1 PID回路表

说明：

①PLC可同时对多个生产过程（回路）实行闭环控制。由于每个生产过程的具体情况不同，PID算法的参数亦不同。因此，需建立每个控制过程的参数表，用于存放控制算法的参数和过程中的其它数据。当需要执行PID运算时，从参数表中把过程数据送至PID工作台，待运算完毕后，将有关数据结果再送至参数表。

②反馈量PVn和给定值SPn为PID算法的输入，只可由PID指令读取并不可更改。通常反馈量来自模拟量输入模块，给定量来自人机对话设备，如TD200、触摸屏、组态软件监控系统等。

③表中回路输出值Mn由PID指令算得出，仅当PID指令完全执行完毕才予以更新。该值还需用户按工程量标定通过编程转换为16位数字值，送往PLC的模拟量输出寄存器AQWx。

④表中增益（KC）、采样时间（TS）、积分时间（TI）、微分时间TD是由用户事先写入的值，通常也可通过人机对话设备（如TD200、触摸屏、组态软件监控系统）的输入。

⑤表中积分和YX由PID运算结果更新，且次更新值用作下一次PID运算的输入值。积分和的调整值必须是～之间的实数。

（2）PID回路表初始化

为了执行PID指令，要对PID回路表的初始化处理，即将PID回路表中有关参数（给定值SPn 、增益值KC、采样时间TS、积分时间TI、微分时间TD）。按照地址偏移量写入到变量寄存器V中。一般是调用一个子程序，在子程序中对PID回路表进行初始化处理。在采用人机界面的系统中，初始化参数通过人机界面直接输入。

3.3.2 PID程序

本次设计中在主程序、子程序、中断程序中均涉及到了PID 控制。在主程序中调用初始化子程序图（3－2）；子程序用来建立PID回路初始化参数表和设置中断（图3－3），采用定时中断来定时采样，设置定时时间和采样时间为100ms,并写入SMB34；中断程序用于执行PID运算（图3－4）。标准化时采用用单极性（取值范围为0～32000）。

图3－2 主程序中的调用PID初始化指令

图3－3 PID子程序