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摘要：本文主要以S7-200系列PLC为核心控制单元，用温度传感器来对实际炉温进行检测并转化为电压信号，最终实现对温度的远程控制。
关键词：温度控制，可编程控制器，设计
Abstract: This paper mainly S7-200 series PLC as the core control unit, the temperature sensor to detect the actual temperature and converted to voltage signal, finally realizes the remote control of temperature.
Keywords: temperature control, programmable controller, design
中图分类号： S611文献标识码：A文章编号：
绪论
由于现代工业生产的需要，越来越多的领域都要对温度进行监控，因为工业领域的不同，对温度的要求也不尽一样，有的会要求高些有的就要求低些，但是现代工业生产对温度要求无法人为的靠近或者不再需要人力来控制。因此，PLC正好可以在现代工业对温度的控制中，与计算机结合在一起组成具有完善的控制功能的控制系统。另外，PLC组成的控制系统中还具有可以为了适应生产的不同需要来改写程序，所以，在目前设计出一套比较通用的温度控制系统对现代工业生产中的作用十分重要，该系统可以按照各行业对温度的不同要求，对系统中的参数或者部分组成的原件进行相应的调整，该温控系统是把通过温度传感器检测到的实际温度转化成对应的电压信号，再经过对模拟参数的输入，转化成数字信号最后通过S7-200中的PLC控制器中的PID调节，最后通过把PID控制器中的输出量转化成占空比，通过固态继电器的通断来控制炉子的温度，以达到实现温度控制的目的。
二、系统对硬件的要求及设计
2.1选择对应的PLC型号
系统中CPU226集成了24點输入以及16点输出的S7-200中的CPU226，一共有40个I/O数字量，可以扩展出7个模块，最大可以扩展出248个个数字量或者是35点I/O模拟量。还能储存13kb的存储空间，共有6个30KHz独立的高速计数器，2路高速20KHz独立脉冲输出，及PID控制器。配有2个用来通信RS485通讯口，该系统具有PPI、MPI的能力和还具有通讯自由的特点，最高的波特率达到38.4kbit/s，以适应有些要求较高的中小型控制系统，为了调用STEP 7软件中的PID模块，本文用了CPU226及上面介绍的机种。
2.2 EM231模块中模拟量输入
该系统中，把传感器检测到的温度转换成电压为0～41mv的电信号，通过系统配置好的模拟量输入模块把电信号转化成PLC能够识别的数字信号输入到PLC中经行处理。选择西门子的EM231 4TC模拟量输入模块。提供了方便可隔离的EM231热电偶模块接口，热电偶类型有七种分别是：J、K、E、N、S、T和R型，连接到模块的所有热电偶必须是相同类型。本文系统是K型热电偶，DIP开关SW1～SW8组态为00100000。如下表解释了使用DIP来设置EM231模块，开关1、2、3来模拟输入范围，把所有输入都设置成统一的模拟输入范围，在图表中，ON接通，OFF断开。
2.3设计系统的整体
该系统以PLC CPU226做为控制器，K型热电偶把检测到的炉温转化成电压信号，通过EM231模拟量输入模块变成数字信号输入到PLC进行PID调节，PID控制器中的输出量转化成占空比，以固态继电器的通断来控制炉子的温度。如下图：
系统软件设计
3.1建立控制系统数学模型
在本文温控系统中，把传感器（电热偶）检测到的温度转化成电压信号，经过温度模块得到的信号与设置好的温度值比较，计算偏差并输入PLC控制器中，用PID算法来修正，返回固态继电器通电时间，调节电热丝的有效加热率，最终对温度实现控制。如图所示：
R(s)是温度的拉氏变换式；E(s)是偏差的拉氏变换式;Gc(s)是控制器的传递函数；Go(s)为广义对象，就是控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并。
该系统是具有时间的滞后性的一阶系统，传递函数为：
为对象放大系数；为对象时间常数;为对象时滞。
通过阶跃响应法，得出结果是：=0.5；=2.5分钟；=1.2分钟。
3.2调节PID控制以及设置参数
因为比例、积分、微分有他们各自不同的用法，把三者组合，能得出比例积分微分（PID）控制，表达式为：
为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。
通过分析，得出本文的温控系统PID控制，通过论述，确定温控系统，在运行前还要对控制器的参数进行调整。
控制器参数整定方法很多，在本设计中，我们采用工程整定法中的经验整定法来整定控制器的参数值。
经验整定法是通过对比例度大小的调整来达到质量指标，具有以下两条整定途径：
1. 先借助于比例（P）的作用，对合适的比例度进行寻找，首先将人为加入干扰后的过渡过程进行4:1的衰减振荡过程的调整。接着再加入积分( I )作用，通常先取积分时间T1为衰减振荡周期的50%。因积分的作用而将使其振荡加快，在加入的积分作用之前，要先衰减比例作用，通常将比例度增大至10%-20%左右。然后对积分时间的大小进行调整，到出现4:1的衰减振荡为止。需要时，还可以加入微分（D）作用，通过微分时间的凑试，可以缩短过渡时间、降低超调量。
2. 先根据表选取积分时间Ti和Td，通常取Td =(1/3-1/4)Ti，接着对比例度反复进行凑试，直至出现满意的结果。如果开始时Ti和Td设置的不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。但是在应适当调整Ti和Td之后进行重复凑试，则可以使曲线最终符合控制要求[13]。控制器参数经验数据如下所示；
通过经验整定法的整定，PID控制器整定参数值为：比例系数=120，积分时间=3分钟，微分时间=1分钟。
3.3设计PLC程序
在PLC对定时器复位时，特殊继电器SM0.0会出现初始脉冲，设定好温度值、PID参数值等存入到数据寄存器中，开启开关，系统就开始对温度采样，10秒为一周期；通过K型热电偶的传感器把检测到的温度转化成标准量（0-41毫伏）；模拟量输入通道读入的电压值输入到PLC中；进过计算得出实际温度值T并与设定好的值比较，在一定偏差范围内得出调整量，最后发出调整指令。如图所示：
四、结束语
本文通过以PLC为基础的西门子S7-200系列，分析、成功设计了本文论述的温控系统，该系统对温度的调节能够具有快、准、稳达到预定好了的目标。该系统操作简单，控制起来方便，该系统提高了自动化的程度及实用性，有望在工业中促进控制领域的发展。
参考文献
[1] 张建强.基于PLC的远程温度控制系统的设计与调试.黑龙江科技报，2012
[2] 曾贵娥,邱丽,朱学峰.PID控制器参数整定方法的仿真与实验研究.石油化工自动化, 2005
[3] 刘继修.PLC应用系统设计.福建科技出版社，2007
关键词：温度控制，可编程控制器，设计
Abstract: This paper mainly S7-200 series PLC as the core control unit, the temperature sensor to detect the actual temperature and converted to voltage signal, finally realizes the remote control of temperature.
Keywords: temperature control, programmable controller, design
中图分类号： S611文献标识码：A文章编号：
绪论
由于现代工业生产的需要，越来越多的领域都要对温度进行监控，因为工业领域的不同，对温度的要求也不尽一样，有的会要求高些有的就要求低些，但是现代工业生产对温度要求无法人为的靠近或者不再需要人力来控制。因此，PLC正好可以在现代工业对温度的控制中，与计算机结合在一起组成具有完善的控制功能的控制系统。另外，PLC组成的控制系统中还具有可以为了适应生产的不同需要来改写程序，所以，在目前设计出一套比较通用的温度控制系统对现代工业生产中的作用十分重要，该系统可以按照各行业对温度的不同要求，对系统中的参数或者部分组成的原件进行相应的调整，该温控系统是把通过温度传感器检测到的实际温度转化成对应的电压信号，再经过对模拟参数的输入，转化成数字信号最后通过S7-200中的PLC控制器中的PID调节，最后通过把PID控制器中的输出量转化成占空比，通过固态继电器的通断来控制炉子的温度，以达到实现温度控制的目的。
二、系统对硬件的要求及设计
2.1选择对应的PLC型号
系统中CPU226集成了24點输入以及16点输出的S7-200中的CPU226，一共有40个I/O数字量，可以扩展出7个模块，最大可以扩展出248个个数字量或者是35点I/O模拟量。还能储存13kb的存储空间，共有6个30KHz独立的高速计数器，2路高速20KHz独立脉冲输出，及PID控制器。配有2个用来通信RS485通讯口，该系统具有PPI、MPI的能力和还具有通讯自由的特点，最高的波特率达到38.4kbit/s，以适应有些要求较高的中小型控制系统，为了调用STEP 7软件中的PID模块，本文用了CPU226及上面介绍的机种。
2.2 EM231模块中模拟量输入
该系统中，把传感器检测到的温度转换成电压为0～41mv的电信号，通过系统配置好的模拟量输入模块把电信号转化成PLC能够识别的数字信号输入到PLC中经行处理。选择西门子的EM231 4TC模拟量输入模块。提供了方便可隔离的EM231热电偶模块接口，热电偶类型有七种分别是：J、K、E、N、S、T和R型，连接到模块的所有热电偶必须是相同类型。本文系统是K型热电偶，DIP开关SW1～SW8组态为00100000。如下表解释了使用DIP来设置EM231模块，开关1、2、3来模拟输入范围，把所有输入都设置成统一的模拟输入范围，在图表中，ON接通，OFF断开。
2.3设计系统的整体
该系统以PLC CPU226做为控制器，K型热电偶把检测到的炉温转化成电压信号，通过EM231模拟量输入模块变成数字信号输入到PLC进行PID调节，PID控制器中的输出量转化成占空比，以固态继电器的通断来控制炉子的温度。如下图：
系统软件设计
3.1建立控制系统数学模型
在本文温控系统中，把传感器（电热偶）检测到的温度转化成电压信号，经过温度模块得到的信号与设置好的温度值比较，计算偏差并输入PLC控制器中，用PID算法来修正，返回固态继电器通电时间，调节电热丝的有效加热率，最终对温度实现控制。如图所示：
R(s)是温度的拉氏变换式；E(s)是偏差的拉氏变换式;Gc(s)是控制器的传递函数；Go(s)为广义对象，就是控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并。
该系统是具有时间的滞后性的一阶系统，传递函数为：
为对象放大系数；为对象时间常数;为对象时滞。
通过阶跃响应法，得出结果是：=0.5；=2.5分钟；=1.2分钟。
3.2调节PID控制以及设置参数
因为比例、积分、微分有他们各自不同的用法，把三者组合，能得出比例积分微分（PID）控制，表达式为：
为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。
通过分析，得出本文的温控系统PID控制，通过论述，确定温控系统，在运行前还要对控制器的参数进行调整。
控制器参数整定方法很多，在本设计中，我们采用工程整定法中的经验整定法来整定控制器的参数值。
经验整定法是通过对比例度大小的调整来达到质量指标，具有以下两条整定途径：
1. 先借助于比例（P）的作用，对合适的比例度进行寻找，首先将人为加入干扰后的过渡过程进行4:1的衰减振荡过程的调整。接着再加入积分( I )作用，通常先取积分时间T1为衰减振荡周期的50%。因积分的作用而将使其振荡加快，在加入的积分作用之前，要先衰减比例作用，通常将比例度增大至10%-20%左右。然后对积分时间的大小进行调整，到出现4:1的衰减振荡为止。需要时，还可以加入微分（D）作用，通过微分时间的凑试，可以缩短过渡时间、降低超调量。
2. 先根据表选取积分时间Ti和Td，通常取Td =(1/3-1/4)Ti，接着对比例度反复进行凑试，直至出现满意的结果。如果开始时Ti和Td设置的不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。但是在应适当调整Ti和Td之后进行重复凑试，则可以使曲线最终符合控制要求[13]。控制器参数经验数据如下所示；
通过经验整定法的整定，PID控制器整定参数值为：比例系数=120，积分时间=3分钟，微分时间=1分钟。
3.3设计PLC程序
在PLC对定时器复位时，特殊继电器SM0.0会出现初始脉冲，设定好温度值、PID参数值等存入到数据寄存器中，开启开关，系统就开始对温度采样，10秒为一周期；通过K型热电偶的传感器把检测到的温度转化成标准量（0-41毫伏）；模拟量输入通道读入的电压值输入到PLC中；进过计算得出实际温度值T并与设定好的值比较，在一定偏差范围内得出调整量，最后发出调整指令。如图所示：
四、结束语
本文通过以PLC为基础的西门子S7-200系列，分析、成功设计了本文论述的温控系统，该系统对温度的调节能够具有快、准、稳达到预定好了的目标。该系统操作简单，控制起来方便，该系统提高了自动化的程度及实用性，有望在工业中促进控制领域的发展。
参考文献
[1] 张建强.基于PLC的远程温度控制系统的设计与调试.黑龙江科技报，2012
[2] 曾贵娥,邱丽,朱学峰.PID控制器参数整定方法的仿真与实验研究.石油化工自动化, 2005
[3] 刘继修.PLC应用系统设计.福建科技出版社，2007