基于PLC的恒温控制系统

第二章 恒温控制系统的硬件设计

2.1恒温控制系统的组成

恒温控制装置结构如图2－1所示，它包括控制恒温水箱、冷却风扇电动机、搅拌电动机、储水箱、电加热装置（功率为1.5W，温度范围为40~60C）、测温装置、液位检测、流量检测以及电磁阀门等。电加热器加热恒温水箱水温，搅拌器使恒温水箱中的水上下水温均匀，两个液位检测传感器用于测量缺水和溢出状态，三个温度传感器分别测量恒温水箱中水的温度、入口温度及储水箱中水的温度，水泵用来使系统内的水循环流动，三个电磁阀门用来使水进入储水箱或冷却器中，水的流量采用流量计检测，水的冷却采用风扇进行冷却。恒温水箱中水温、入水口水温、储水箱中水温、水的流速和加热器功率分别用数显仪表显示。阀门、搅拌器及冷却器工作状态用指示灯指示。

恒温水箱搅拌电机温度2检测液位1风扇电动机.

温度1检测流量计电加热手阀2液位2储水箱阀门2手阀1阀门1溢流阀阀门3温度3检测泵图2-1 恒温控制装置结构图

控制系统设计要求：①要求系统有手动和自动两种方式；②温度范围：20℃~60℃温度超限进行报警；③水温与设定值之差小于5℃，采用PID调节；水温高于设定值5℃~10℃进冷水；水温高于设定值10℃以上时，采用进冷水与

4

风冷同时进行的方法实现降温控制；④对温度，流量进行检测并显示；⑤进水时无流量，加热时水温无变化能进行报警。

2.2恒温控制系统总体设计方案

根据恒温控制系统的要求，本设计由S7-200PLC作为中央处理单元，Fameview作为监控组态软件，实现恒温控制系统实时监控。系统由硬件和软件两部分软件构成。要完成整个系统的要求就应该由软件与硬件共同来发挥作用和相互组合协调工作；本设计由工控机作为上位机对整个系统进行监控，PLC等其他元件作为下位机完成具体控制要求，上位机与下位机之间的通信通过以太网的联接来达到通信的状态要求，以便更好的完成对系统的监控。

上位机 工控PC机 以太网 PLC 下位机 电机启动与停及显示 电磁阀的开与关及显示 系统的开与关 液位开关检测 变送器 变送器 温度数据参数 流量参数 数显 仪表

图2-2 系统总体结构

上位机由工控机构成，工控机上采用Fameview组态软件，控制对现场设备的启/停、运行状况的实时监控，设备相关数据的记录，设备故障和异常情况的处理。PLC组成下位机现场控制单元，采集现场设备的数据。检测元件有温度检测元件和液位检测元件，对现场设备进行实时检测，并将检测数据传送至PLC与数显表。显示电路实现现场温度的实时监控。PLC根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算，输出控制信号给加温控制电路，对温度进行PID控制。

5

2.3 PID控制原理

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。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，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

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（Steady-state error）。

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（System with Steady-state Error）。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，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

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，从而避免了被控量的严重超调。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。

按照实际温度和设定温度偏差的比例、积分和微分产生控制作用（简称PID控制），是温度控制中应用最广泛的一种控制形式，实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律在相当多的工业生产过程中能得到比较满意的结果。每个温度由一个热敏电阻检测，用PID的输出值来控制电阻炉通断，从而控制的温度。温度控制原理如图2-3所示。

6

给定值 + - 被控参数

PID控制器 加热装置 温度变送器 检测值

图2-3温度控制原理图

2.4可编程序控制器介绍

可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC,是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点:体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，造成了时间和资金的严重浪费。

美国的数字设备公司(DEC)中标，并在1969年研制出了第一台可编程序控制器(PDP-14)。其后，美国的MOD工CON公司也推出了084控制器，1971年，日本推出了DSC-8控制器，1973年西欧各国的各种可编程序控制器也研制成功。我国在1974年开始研制可编程序控制器。

可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了它们的发展。

从控制功能来分，可编程序控制器的发展经历了下列四个阶段。

第一阶段，从第一台可编程序控制器问世到20世纪70年代中期，是可编程序控制器的初创阶段。这一阶段的产品主要用于逻辑运算和计时、计数运算，它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，它的控制功能较简单。

第二阶段，从20世纪70年代中期到末期，是可编程序控制器的扩展阶段，在这一阶段，产品的主要控制功能得到了较大的发展，它的发展主要来自两方面，从可编程序控制器发展而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同时扩展了其他运算功能；而从模拟仪表发展而来的控制器，其功能主要是模拟运算，同时扩

7