基于PLC的水箱温度控制系统
【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 Control
目录
1.前言 (1)
1.1恒温系统应用 (1)
1.2PLC的结构 (1)
1.2.1中央处理单元(CPU) (1)
1.2.2存储器 (1)
1.2.3电源 (2)
1.3PLC的工作原理 (2)
1.3.1 PLC的基本工作原理 (2)
1.3.2 PLC 编程方式 (3)
1.4PLC的控制系统发展趋势 (3)
1.5PLC控制系统的构成设计原则及步骤 (4)
1.5.1 PLC的设计原则 (4)
1.5.2 PLC的设计步骤 (5)
2硬件设计 (7)
2.1工作过程 (7)
2.2I/O地址分配 (7)
2.3选择硬件 (8)
2.3.1 CPU224 (8)
2.3.2双向晶闸管 (9)
2.3.3热电阻原理构造 (10)
3 PID的介绍 (11)
3.1PID的工作原理 (11)
3.2PID参数整定 (12)
3.3PID模块介绍 (13)
3.3.1 PID回路表的格式及初始化 (13)
3.3.2 PID程序 (15)
4程序 (19)
4.1顺序功能流程图 (19)
4.2程序设计 (22)
结束语 (27)
辞 (28)
参考文献 (29)
1.前言
1.1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。
1.2 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。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的所有容保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器容)。
③EEPROM(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 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%)围可以不采取其它措施，而将PLC 直接连接到交流电网上去。
1.3 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。
1.4 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。
1.5 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