基于 PLC 的电炉 PID 温度控制系统设计论文

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 摘   要：针对实验电炉温度控制自动化程度低，精度不够的情况，提出用加装 EM AM06 模拟量扩展模块的 S7-200SMART PLC 为硬件，采用 PID 控制方式控制温度的新型实验电炉控制系统。系统运行过程中，由温度变送器通过模拟量扩展模块将 温度信号转换为电信号传送至 PLC，PLC 用 PID 控制算法计算，得出控制量，控制温度按给定温度曲线变化。该系统还加装 人机界面，使操作更简单，应用价值较高。

关键词：PLC ；PID 调节 ；程序设计 ；温度控制


WU Huijun, HAN Zhiyin
(Weifang Engineering Vocational College, Weifang Shandong 262500)

【Abstract】： Aiming at the low degree of automation and insufficient precision of the temperature control of the experimental electric furnace, a new type of experimental electric furnace control system is proposed that uses the S7-200SMART PLC equipped with the EM AM06 analog expansion module as the hardware and adopts the PID control method to control the temperature. During the operation of the system, the temperature transmitter converts the temperature signal into an electrical signal through the analog expansion module and sends it to the PLC, the PLC uses the PID control algorithm to calculate the control value, and the control temperature changes according to a given temperature curve. The system is also equipped with a man-machine interface, which makes the operation easier and has a higher application value.

【Key words】： PLC;PID regulation;programming;temperature control

0 引言

在化工生产实验阶段，实验对象通常需要放在设定 好的温度环境中，即需要实验电炉对实验对象所在的环 境温度进行精准控制。传统的实验设备由电位器给定温 度后温度保持在一定范围，准确性较低，为取得更理想 的实验效果，要对电炉温度控制设备进行改进。本设计 采用 PLC 中的 PID 控制，用闭环控制方式使实验炉温 度精准按照给定曲线变化，设计了一套实验电炉温度控制系统，并对系统进行优化，完成了实验温度精准控制要求。


1 设计思路

1.1 控制系统参数设定

不同实验要求的温度和持续实间不同，本设计支持三段温度调节，实验员可通过触摸屏直接录入温度和各 持续时间。由于温度上升需要一定时间，在设定时还要 考虑斜坡温度上升时间或下降时间。根据给定参数，求 温度上升或下降的斜率，运用 PLC 运算指令进行给定 值累加，直到达到设定值保持，到达恒温时间后，再进 行下一轮控制。

1.2 控制系统组成

温度控制系统选用 PLC 做主控，使用 PLC 的 PID控制功能调节温度。通过安装在炉膛内的测温元件测量 温度，将温度信号通过变送器转变为电信号输入到 PLC 的模拟量输入模块，PLC 进行 PID 运算后，将输出值 通过模拟量输出扩展模块输出给主回路。主回路用双向 可控硅采用零触发方式控制加热器 [1-2]。

2 系统设计

2.1 硬件设计

分析控制要求，控制系统输入有启动按钮、停止按 钮以及温度输入，输出主要为控制可控硅通断的继电器以 及 PID 输出。PLC 主机选择 S7-200SMART SR30， 可以 满足数字量输入输出端口要求。由于需要模拟量输入输 出，在基本单元上加装模拟量输入输出模块 EM AM06。 由于需要设定及显示参数，加装人机界面，选择西门子 SMART LINE 700 IE，系统构成如图 1 所示 [3]。


2.2 PLC 程序设计

根据控制要求，进行软原件分配。需要分配的软原 件主要有启动和停止条件输入端、主回路接触器控制输 出端、模拟量输入端、模拟量输出端、温度曲线参数存 储区以及 PID 参数区 [4]。表 1 是控制系统输入输出及 软原件分配，第二、第三谐波分配略。


本设计程序主要包括程序流程控制、模拟量处理、 温度曲线形成和 PID 调节四部分 [5]。

（1）程序启动、停止。程序启动停止部分可以用简 单的起保停控制法实现，启动按钮按下，中间继电器 M0.0 和输出继电器 Q0.0 接通且保持，M0.0 用于后续程序中子程序的通断，Q0.0 接主回路交流接触器线圈， 当其接同时，用于加热的双向可控硅通电。停止按钮按 下，M0.0 和 Q0.0 复位，可控硅断电，加热器停止运行。

（2）模拟量输入与输出。系统所需模拟输入量为实 际温度反馈值，输出模拟量为将温度设定值与实时温度 进行 PID 运算后产生的控制信号。选用兼有模拟量输 入输出功能的扩展模块 EM AM06。编程时首先进行硬 件组态。根据温度变送器型号设置模拟量输入通道 0 为 电压型，范围 +/-10V，输入信号寄存器起点为 AIW16 ； 设置模拟量输出通道 0 为电流型，范围 0 ～ 20mA，输 出信号寄存器起点为 AQW16，根据需要设置上下限和 报警。

（3）温度曲线形成。温度曲线可以分为斜坡部分和 平台部分，斜坡部分即温度上升或下降时，平台部分即 温度保持在设定温度时。以第一次升温谐波为列，其主 要参数有初始温度 T0、谐波上升时间 Ta1、第一平台设 定温度值（第一次升温最终值） T1。本设计中控制温度 线性上升，可以得出理论状态斜率 K1=(T1-T0)/Ta1，根 据斜率可计算单位时间的温度上升（下降）值，在 PLC 中通过计算完成温度给定值逼近。具体做法为先用斜率 K1 乘以采样值（初值为 0），得出的值与初始温度 T0 相 加得到当前值，同时采样值加 1，循环往复，直到当前 值等于第一平台设定温度值（第一次升温最终值） T1， 完成一次温度逼近。此处需要注意由于斜率为小数，在 PLC 中尽量避免出现小数，因此在编程时可以先将斜率 K1 乘以 100，完成计算后再除以 100。在斜坡部分用到 PLC 的乘法指令、除法指令、加法指令和比较指令，温 度逼近流程见图 2 所示。平台部分程序只需在达到给定温度后用 PLC 延时指令 TON 延时到给定时间即可。第 二次和第三次升温编程方式同第一次，第三次升温结束 后，如需降温，可将斜率设为负值，完成降温动作。


（4）PID 调节。西门子 S7-200 SMART 系列 PLC 编 程软件 STEP 7-MicroWIN SMART 提供 PID 回路生成向导，可以很方便的生成 PID 调节子函数。打开 PID 回路向导对话框后进入回路参数设置，根据经验设定增益Kc 为 0.5、设定采样时间 Ts 为 0.2、设定积分时间 Ti 为35、设定微分时间 Td 为 20，参数后期可以根据实际需要调整。根据硬件设置输入输出，设置输入为单级，过程变量默认值 0-27648, 输出类型为模拟量，单极，范围默认。存储器分配可采用默认或自主设定，本设计分配 VB200-VB319。点击生成会自动生成 PID 控制子函数，程序中调用PID_CTRL 函数。

2.3 触摸屏程序设计

触摸屏窗口包括控制窗口及显示窗口。如图 3 和图 4 所示，控制窗口主要包括三阶段温度设定输入框、温 度持续时间输入框、输入参数设置确认按钮、系统启动 按钮、系统停止按钮、系统运行指示灯等 ；显示窗口主 要显示当前温度值、当前温度持续时间、加温状态指示 灯、恒温状态指示灯、温度过热报警及温度曲线显示窗 口等。通过控制窗口可以设置各阶段温度、加温时间、恒温时间，通过显示窗口可以实时监测系统运行状态。

3 运行调试

用交换机连接 PLC 与 HMI，设置在同一局域网。 下载程序到设备，调试运行无误后，在触摸屏控制窗 口输入三阶段温度值及实践要求，点击参数设定确认按 钮，相关参数设定完成。点击系统启动按钮，系统开始按设置好的曲线运行。运行过程中，可通过显示窗口随 时监控系统运行状态。在系统运行过程中，可以连接计 算机，通过 PLC 编程软件中 PID 控制面板调整 PID 参 数值，以达到最佳控制状态。

[3] 金程程.基于PLC的电机转速PID控制系统设计[J].数字技术 与应用,2020(3):7-9.
[4] 王晓忠,刘静.基于LabView与PLC的温控系统研究[J].铸造 技术,2013(7):925-926.
[5] 周晓娟,台畅,马丽丽.基于PLC的电炉恒温控制系统研究[J]. 电子制作,2014(21):41.

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