加热炉温度控制系统设计

陈娟

武汉市仪表电子学校

摘要：温度控制系统广泛应用于工业控制领域，加热炉温度是惯性系统，采用PID调节进行控制。本文利用S7-300PLC和软硬件结合对加热炉温度的控制系统的设计。

关键词：S7-300PLC PID控制

1设计背景

随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。而PLC本身优异的性能使基于 PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改 造传统的继电器控制系统有普遍性意义。

2 系统介绍

2.1系统组成

加热炉温度控制系统基本构成由PLC主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等4个部分组成。

2.1.1 PLC 的基本结构

S7-300模块式 PLC，主要由机架、CPU 模块、信号模块、功能模块、接口

模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装的机架上。通过 CPU

模块或通信模块上的通信接口，PLC 被连接到通信网络上，可以与计算机、其它

PLC 或其它设备通信。

2.1.2温度传感器

本文中我们主要介绍热电阻和热电偶。

1.热电偶

工业热电偶作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，它可以直接测量各种生产过程中不同范围的温度。若配接输4-20mA、0-10V等标准电流、电压信号的温度变送器，使用更加方便、可靠。

2.热电阻

热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件。热电阻是基于金属导体的电

阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

2.2.3固态继电器

固态继电器与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。它是一种四端有源器件，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端。当输入端有控制信号，输出端从关断状态变为导通状态；控制信号撤消后，输出端变为关断状态，从而实现自动控制的用途。

2.2系统设计目标及技术要求

本系统应能够控制在设定值的±5℃的误差范围内并且具有温度上下限报警

功能和故障报警功能。随着PLC功能扩充了 PID 控制功能。因此本设计选用西门子 S7-300PLC 来控制加热炉的温度。

3系统设计

3.1控制原理与数学模型

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。

3.2闭环控制系统

本文电加热炉温度控制系统采用闭环控制系统。一般闭环控制系统均采用负反馈。PID就是应用最广泛的闭环控制器。本文系统的PID闭环控制系统目标设定值为期望的加热炉温度，闭环控制器的反馈值通过温度传感器测得，并经 A/D 变换转换为数字量；目标设定值与温度传感器的反馈信号相减，其差送入PID控制器，经比例、积分微分运算，得到叠加的一个数字量；该数字量经过上限、下限限位处理后进行 D/A变换，输出一个电压信号控制固态继电器，以控制加热炉的温度。

3.3 PID控制器参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。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。 

3.4 PID指令使用注意事项

3.4.1 PID控制器的选取

PID控制器的性能和处理速度只与所采用的CPU的性能有关。控制环执行的速度，也即在每个时间单元内操作值必须被更新的频率决定了可以安装的控制器的数量。对要控制的过程类型没有限制，迟延系统（温度、液位等）和快速系统（流量、电机转速等）都可以作为被控对象。 

3.4.2 PID参数的设定

PID 调节器参数是根据控制对象的惯量来确定的。参数要在现场调试时进行修正，主要是靠经验及对生产工艺的熟悉，参考对测量值的跟踪与设定值的曲线，从而调整 P、I、D 的大小。

3.4.3采样信号和控制量分析

本系统共有一个模拟量（温度）信号，从模拟量地址的288读入PLC。三个数字量控制固态继电器。

4软件设计

4.1 编程软件

本系统采用STEP7编程软件进行编程。 STEP7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。在STEP7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。

4.1.1 STEP7硬件接口

PC/MPI适配器用于连接安装了STEP7的计算机的RS-232C接口和PLC的MPI

接口。使用计算机的通信卡 CP5611、CP5511或CP5512，可将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络，通过网络实现计算机与 PLC 的通信。

4.1.2 STEP7编程

STEP7的标准版配置了3种基本的编程语言，梯形图（LAD）、功能块图（FDB）和语句表（STL），有鼠标拖放、复制和粘贴功能。

4.1.3 STEP7的硬件组态与诊断功能

硬件组态工具用于对自动化工程中使用的硬件进行配置和参数设置。主要包

括：系统组态、CPU 的参数设置、模块的参数设置。

4.1.4 STEP7 项目创建

在STEP7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP7用 SIMATIC管理器对项目进行集中管理，可方便浏览 SIMATIC S7、C7、和 WinAC 的数据。项目创建的方法通常有两种：使用向导创建项目、直接创建项目。

5 硬件组态与参数设置

5.1硬件组态

硬件组态是在STEP7种生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统，硬件组态确定了PLC 输入/输出变量的地址，为设计用户程序打下了基础。

5.2参数设置

1.CPU 模块的参数设置

S7-300各种模块的参数用STEP7编程软件来设置。在 STEP7的SIMATIC 管理器中点击“Hardware”(硬件)图标，进入“HW Config”(硬件组态)画面后，

双击 CPU 模块所在的行，在弹出的“Properties”(属性)窗口中点击某一选项卡，便可也设置相应的属性。

2.数字量I/O模块的参数设置

I/O模块的参数设置必须在CPU处于STOP模式下进行。设置完所有的参数后，应将参数下载到CPU中。当CPU从STOP模式转换为 RUN 模式时，CPU 将参数传送到每个模块。

5.3 硬件调试

首先进行硬件调试，可以用变量表来测试硬件，通过观察 CPU 模块上的故障指示灯，或使用故障诊断工具来诊断故障。然后使用变量表可以在一个画面中同时监视、修改和强制用户感兴趣的全部变量。

6运行与调试

本系统采用了较为成熟的PLC技术和电力电子技术，软硬件结合，较好的解决了传统加热炉温控系统中出现的问题。针对我国大部分的加热炉用户来说本系统将是一个比较理想的温控系统。

参考文献

[1] 西门子（中国）有限公司.三菱PLC CN可编程序控制器产品目录,2006.

[2] 李东.PLC电梯控制中的编程技术[J].达州职业技术学院学报,2005(9):70-73.