基于PLC的热水箱恒温控制系统

基于PLC的热水箱恒温控制系统

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

第一章绪论

1.1 引言

可编程序控制器(Programmable Controller，简称PLC)是以微处理器为基础，综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等高新技术的工业装置。现代PLC不仅具有传统继电器控制系统的控制功能，而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些智能控制模块，构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制系统。在工农业生产中，常用闭环控制方式控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量，PID控制是常见的一种控制方式。由于其不需要求出控制系统的数学模型，算法简单、鲁棒性好、可靠性高，在使用模拟量控制器的模拟控制系统和使用计算机(包括PLC)的数字控制系统中得到了广泛的应用。本文针对恒温水箱温控系统的要求，以PLC为温度控制系统的核心，利用PID控制算法实现水箱的恒温控制。

1.2选题的背景

温度是是工业上常见的被控参数之一，特别在冶金、化工、机械制造等领域，恒温控制系统被广泛应用于热水器等一些热处理设备中。在一些温控系统电路中，广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成A/D转换器能接收的模拟量，在通过采样/保持电路进行A/D转换，最终送入单片机及其相应的外围电路，完成监控。本文介绍单片机通过数字温度传感器检测外部温度对水箱进行恒温控制的设计，采用PID算法来控制PWM波形的产生，进而来控制热水箱的加热来实现恒温控制。采用单片机实现温度控制不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度的提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量。

1.3用PLC设计的思路

本次设计是基于PLC水箱恒温控制系统，通过可编程控制器控制，让水箱中的水保持恒定值。首先要通过PT-100铂电阻来检测水温，并把检测到的温度与设定值进行比较，将其偏差值经过PID运算后控制双向晶闸管的导通角，调节加热丝的功率，从而使实际温度迅速接近给定值温度。PID参数主要受到进出水流量、水箱水温设定控制温度、室温等因素影响。水箱温度控制实物图如图1-1所示。

在设计中我会先进行硬件设计部分，然后进行软件设计并调试，依次向大家阐述整个编程所需要的知识。

图1-1水箱控制示意图

第二章系统总体方案设计

2.1 系统功能

本次设计恒温箱将基于PLC设计完成。恒温系统要求通过冷热水的各自流通来控制恒温箱内的温度在20～80℃之间的某个设定数值。两个数码显示管分别用于显示设定温度及显示测试温度。当水温低于设定值时，报警并采用电加热升温。当水温高于设定值时，报警并启动冷却水泵使水流经冷却器向恒温箱供水降温。

由此系统总体设计由控制部分，电源部分，按键部分，温度测量部分，显示部分，加热装置，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分组成。基本组成框图如图2-1所示。

图2-1 系统模块框图

根据以上系统模块框图，我们要实现以下功能：

第一、开通电源，状态指示灯1亮。

第二、通过按键键入设定温度，数码显示管1显示设定温度。

第三、数码显示管2显示恒温箱内的实时温度。

第四、当数码显示管2上显示的温度低于键盘显示板1上的设定温度时，蜂鸣器报警。加热装置加热。水泵2开始运行，状态指示灯3亮，水泵2抽取储水箱2中的热水注入恒温箱的第二组金属管，同时储水箱3中的第二组金属管端口

有水流出。

第五、当数码显示管2所显示的温度等于数码显示管1的设定温度时，蜂鸣器停止报警，加热装置停止工作，水泵2停止工作，状态指示灯3熄灭。

第六、当数码显示管2上显示的温度高于数码显示管1上的设定温度时，蜂鸣器报警，水泵1开始运行，状态指示灯2亮。水泵1抽取储水箱1中的冷水注入恒温箱的第一组金属管，同时储水箱3中的第一组金属管端口有水流出。

第七、当数码显示管2所显示的温度等于数码显示管1的设定温度时，蜂鸣器停止报警，水泵1停止工作，状态指示灯2熄灭。

2.2 系统方案的论证

根据上文我们要实现的恒温箱功能可知，控制器主要用于对按键信号和温度检测信号的接收和处理，控制显示部分，加热装置，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分等。同时我们考虑恒温箱的各个使用环境。由此我们进行各个模块的论证。

2.2.1 控制器模块

对控制器的选择有以下二种方案：

方案一：采用单片机作为系统控制器。

单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。但是单片机的缺点是对于环境的要求过高。

方案二：利用PLC作为控制器模块。

PLC拥有对于开关量的逻辑控制、模拟量的控制、运动的控制、过程的控制等各种控制功能，并且PLC拥有数据处理、通信及联网的优点。并且PLC可靠性高，易操作，灵活性高，而且PLC对于环境的要求相对较低。

由此我们可以了解采用PLC控制实现按键信号和温度检测信号的接收和处理，控制显示部分，加热装置，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分等，将是我们最优的选择。

2.2.2 电源模块

对于供PLC的工作电压一般为DC24V,电源电压有DC24V的,也有AC220V的。市电来源方便，且经稳压管稳压也较可靠，较经济实惠，所以选择AC220V。

2.2.3 加热器控制模块

采用可控硅来控制加热器有效功率。

在性能上,可控硅不仅具有单向导电性,而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态. 可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备,如果超过此频率,因元件开关损耗显着增加,允许通过的平均电流相降低,此时,标称电流应降级使用。可控硅的优点很多,例如：以小功率控制大功率,功率放大倍数高达几十万倍；反应极快,在微秒级内开通、关断；无触点运行,无火花、无噪音；效率高，成本低等。

2.2.4 温度采集模块

题目要求，温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块有以下二种方案：

方案一：采用热电阻传感器。

热电阻材料特性:导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200～500℃温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性：

①电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。

②电阻率高，热容量小，反应速度快。

③材料的复现性和工艺性好，价格低。热敏电阻温度特性

④在测温范围内化学物理特性稳定。

方案二：集成测温传感器。

集成电路温度传感器的输出阻抗较低，功耗也较低；热敏电阻器通过消耗电受温度，功耗较高。而且，长时间感受温度使热敏电阻器本身的温度也升高，测

量温度的准确性降低。

基于以上分析所以选择方案一。

2.2.5 显示模块

根据设计需求，恒温箱的温度要由用户人工设定，并能实时显示温度值。对键盘和显示模块有下面两种方案：

方案一：采用液晶显示屏。

液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示温度值数据位数较少，即信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。

方案二：采用LED八段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。

LED数码管显示器动态显示方式下，将所有位的段选线并联在起，由位选线控制哪位接收字段码。采用动态扫描显示，也就是在显示过中，轮流向各位送出字形码和相应的字位选择，每位数码管的点亮时间为1～2ms，同一时刻只有一位显示，其他各位熄灭。利用显示器的余晖和人眼的视觉暂留现象，只要每一位显示足够短，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，编程容易，资源占用较少。

根据以上论述，采用方案二。本系统中，采用了数码显示管。

2.2.6 键盘模块

在日常生活中，按键几乎是最普遍的人机交互方式。本次恒温控制系统采用PLC试验箱键盘模块，其实物如图2-2所示。

图2-2 按键实物图

2.2.7 报警模块

按照设计需求，当恒温箱内的温度超过或者低于设定温度就要报警，报警设施使用蜂鸣器来实现。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。之所以选用蜂鸣器，是因为声音报警的方式比较直观地提醒用户水温已达到设定的温度，蜂鸣器价格低廉，硬件电路设计简单，并且只需要简单的编程就可以实现其报警功能。