民族学院机电信息工程学院
自动化系
电气控制技术课程设计报告
题目：恒温控制
专业：自动化
班级：自动化104
金政宏、邓新义、喆
学生：
毕琳、杜晓敏、邓凯什指导教师：进生
设计完成日期：2013年7月3日
目录
1任务分析和性能指标 (1)
1.1任务分析 (1)
1.2性能指标 (1)
2总体方案设计 (2)
2.1硬件方案 (2)
2.2软件方案 (3)
3硬件设计与实现 (4)
3.1检测电路 (4)
3.2控制电路 (4)
4软件设计与实现 (6)
4.1主程序 (6)
4.2中断程序 (7)
5 调试及性能分析 (8)
5.1 调试分析 (8)
5.1.1 软件调试 (8)
5.1.2 硬件调试 (8)
5.1.3 系统功能调试 (8)
总结 (9)
参考文献 (10)
附录1 调试系统照片 (11)
1任务分析和性能指标
1.1任务分析
随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中，温度是一个非常重要的过程变量。

例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。

这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。

随着电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）已经由原来简单的逻辑量控制，逐步具有了计算机控制系统的功能。

在现代工业控制中，PLC占有了很重要的地位，它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。

在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。

1.2性能指标
本PLC温度控制系统的具体指标要：对加热器加热温度调整围为40℃—200℃，温度控制精度小于2℃，系统的超调量须小于15%。

考虑到本系统控制对象为电炉，是一个大延迟环节，且温度调节围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。

对给定值（目标值）可以预先设定后直接输入到回路中；过程变量由在受热体中的Pt100测量并经温度变送器给出，为单极性电压模拟量；输出值是送至固态继电器的PWM，其允许变化围为最大值的0% 至100%
2总体方案设计
根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。

整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。

系统硬件框图结构如图所示:
图2.1系统硬件框图
被控对象为炉温度，温度传感器检测炉的温度信号，经温度变送器将温度值转换成4~20mA的电流信号送入PLC AI模块。

PLC把这个测量信号经过标度变换与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出PWM控制信号，经PWM来控制固态继电器，来调节炉丝两端的电压，从而实现炉丝温度的连续控制。

2.1硬件方案
经过资料查找，并观看了课程设计设备，确定了以下硬件方案，由西门子s7-300 PLC做控制器，通过PWM控制固态继电器来调节炉丝电压，检测变送环节由Pt100检测，并由变送器变送给PLC。

电流信号在PLC经标度变换后给PID 模块进行调节。

2.2软件方案
经过考虑，选择了顺序控制作为软件设计的模板，并在OB35模块中对采样和偏差计算部分进行调用。

并对PID参数进行初步调节。

3硬件设计与实现
3.1检测电路
这里的检测电路主要由Pt100测量电路和变送器的变送电路组成。

除了用于测量温度的热电偶，实际生产中经常使用热电阻。

这些设备的直流电阻变化（几乎）作为线性温度的函数。

或许其中最常见的是PT100，铂为基础的传感器，其电阻在0℃，正是100欧姆。

由于传感器的温度升高其电阻也是如此，在一个合理的线性方式。

显示了一个PT100传感器的电阻随温度的变化。

而温度系数略有不同在一个很宽的温度围，（通常为0.0036至0.0042欧姆/ º C），它可以被认为是合理恒定在50或100 º C围。

普遍接受的平均温度系数为0.00385欧姆每º C。

据此，PT100往往可以在不超过这个围线性化使用提供相应的系数进行评估。

这个装置也能承受的温度围很广，从-200到800 º C的能力，以及一些应用中的温度系数的变化可以容忍的。

此外，PT100提供了稳定和可重复的温度特性。

仪器仪表应用经常使用可编程逻辑控制器（PLC）来存储和处理数据，因此在检测设备模拟输出信号必须为AD转换器缩放的PLC输入卡适当关注。

这通常是由传感器来完成驱动电路。

有几个标准电压由制造商使用的围，这些包括0至1，0至5和0至10伏
3.2控制电路
控制电路则由PLC的DO端口输出的PWM对固态继电器进行连续控制。

固态继电器(Solid State Relays,缩写SSR)是一种无触点电子开关，由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片，采用混合工艺组装来实现控制回路(输入电路)与负载回路(输出电路)的电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载的通断切换功能，部无任何可动部件。

尽管市场上的固态继电器型号规格繁多，但它们的工作原理
基本上是相似的。

主要由输入(控制)电路，驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。

固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路，使之成为固态继电器的触发信号源。

固态继电器的输入电路多为直流输入，个别的为交流输入。

直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。

阻性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。

恒流输入电路，在输入电压达到一定值时，电流不再随电压的升高而明显增大，这种继电器可适用于相当宽的输入电压围。

4软件设计与实现4.1 主程序
4.2中断程序
5 调试及性能分析
5.1 调试分析
5.1.1 软件调试
在最开始，软件没有使用OB35中断模块，并且没用使用背景数据块与共享数据块，在一些参数的调用上会出现错误，并且PID模块FB58也无常工作，后来查找了一些资料，并询问了后知道了并不能这么调用。

需要另外建立一个共享数据块对设定值进行存储，这样OB1与OB35都可以调用这个变量且不会产生错误。

至于背景数据块则是在运行过程中对PID的参数进行存储，不至于产生别的影响，使程序正常运行。

5.1.2 硬件调试
在最开始的时候，硬件问题主要集中在程序无法下载中，后来使用下载线进行程序下载。

在使用了下载线后，程序能够下载了，但是FC105模块的使能信号一经触发便会产生错误，经过老师的检查发现是AI接口的错误，AI接口无法采集数据，在多次调试无效后换了一台实验台，这个现象就消失了。

5.1.3 系统功能调试
进过调试后，系统平稳运行，虽然还有2℃以的误差，但是基本符合了系统的设计要求，PID参数也进行了人工整定，控制状态良好
总结
本设计研究了电炉的温度控制，系统采用西门子的S7-300PLC为控制器，运用了PID算法对炉丝温度进行控制，最后可在监控的电压表上观测到温度变送器的实时变化。

该系统采用S7-300PLC对电炉丝温度进行控制，虽说之前有学过该类PLC，但S7-300PLC的软硬件学习还不是很熟悉，虽说通过实际操作很容易掌握。

但是对于操作该类PLC配套的人来说还是有些地方有混淆，但是可以通过人机界面方便的监控PLC的运行状态。

本设计的系统虽说成功的实现了电炉丝的恒温控制，但在系统的设计中也存在一些问题，如：PID参数的整定，利用PLC部功能模块对PID参数进行整定的时，并不是每次都会得到理想的参数，并且参数的自整定需要花很成长的时间；系统的硬件部分过于复杂，该系统在PLC的输入和输出端都需要加变送器，使得整个系统硬件过于繁杂。

这些问题都是需要进一步研究改进的。

参考文献
[1] SIEMENS SIMATIC 温度控制手册，2003年12月版
[2] SIEMENS SIMATIC 使用STEP7编程手册，2007年8月版
附录1 调试系统照片。