微型计算机温度控制系统

独欢 · 发表于 2021-5-20 10:06

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微型计算机温度控制系统

摘要：在现代的工业和各种科学实验中，温度参数的控制已经到越来越重要的位置，在工业生产过程中对温度控制的过程影响到最终工业产品的质量和效果。
本文所讲述的是冶金电加热炉温度控制设计，冶金电加热炉在现代工业中应用广泛，在冶金、化工、热处理等反面起到了很重要的作用。但在冶金电加热炉工作过程中，最重要的便是温度控制系统。所以在本设计中，所设计的冶金电加热炉温度控制系统是以PLC为基础，通过PLC控制系统为基础在模拟量和数字量之间的转换进行全方面的控制，同时通过温度采集子系统和温度调节子系统对加热炉进行温度采集和调节，最后再以PID控制器为核心进行温度调节，进而实现冶金电加热炉的温度控制。不仅可以实现冶金电加热炉中不同的电气装置按照设计稳定运行，同时还可以实时监控热处理工艺过程中系统核心和各种电气器件的运行情况。具有整体程序设计简单、控制精度较高、使用方便、低功耗、抗干扰能力强、使用方便、人性化高等优势。

关键词：PLC控制系统；PID控制器；实时监控

Microcomputer temperature control system

Abstract: In the modern industry and a variety of scientific experiments, the control of temperature parameters has been more and more important position, in the industrial production process of temperature control process affects the quality and effect of the final industrial products.

This paper describes the metallurgical electric heating furnace temperature control design, metallurgical electric heating furnace is widely used in modern industry, in metallurgy, chemical industry, heat treatment and other sides played a very important role. But in the metallurgical electric heating furnace work process, the most important is the temperature control system. So in this design, the design of metallurgical electrical heating furnace temperature control system based on PLC, through the PLC control system based on analog and digital conversion between all aspects of the control, at the same time through the temperature acquisition subsystem and the temperature control subsystem of furnace temperature acquisition and control, and then to temperature control with PID controller as the core, Then realize the temperature control of metallurgical electric heating furnace. It can not only realize the stable operation of different electrical devices in the metallurgical electric heating furnace according to the design, but also monitor the operation of the system core and various electrical devices in the process of heat treatment in real time. It has the advantages of simple overall program design, high control precision, easy to use, low power consumption, strong anti-inteRFerence ability, easy to use and humanization.

Keywords: PLC control system, PID controller, real-time monitoring



目录
前  言 1
1. 绪论 2
1.1冶金电加热炉温度控制设计课题来源、背景及其研究意义 2
1.2冶金电加热炉温度控制国内外研究现状及其发展趋势 3
1.3 冶金电加热炉温控控制设计中的PLC发展历程 3
1.4冶金电加热炉温度控制设计要求 4
2.冶金电加热炉温度控制设计系统总体方案 4
2.1冶金电加热炉温度控制系统方案论证 4
2.1.1 PLC温度控制系统和继电器温度控制系统对比论证 5
2.1.2 PLC温度控制系统和单片机控制系统的对此论证 6
2.2冶金电加热炉温度控制设计系统的思路介绍 6
3.冶金电加热炉温度控制设计中的系统硬件设计 8
3.1 冶金电加热炉温度控制设计中的PLC系统的设计 8
3.1.1冶金电加热炉温度控制设计中PLC的选择和基本结构 8
3.1.2 S7-1200 PLC中的CPU设计 9
3.1.3 S7-1200 PLC中的模拟量输入/输出选择设计 10
3.1.4 S7-1200 PLC中的PROFIBUS-DP模块选择设计 12
3.2 温度检测电路设计 13
3.2.1 温度检测电路设计方案 13
3.2.2 温度检测电路的器件选择 15
3.3 温度调节电路设计 17
3.3.1 温度调节电路设计方案 17
3.3.2 温度调节电路的器件选择 19
3.4 人机交互设计方案 19
4.冶金电加热炉温度控制系统软件设计 22
4.1 冶金电加热炉温度控制系统（PLC）软件设计步骤 22
4.2冶金电加热温度控制系统软件设计流程图 22
4.2.1主程序设计流程图 23
4.2.2温度采集子程序流程图 24
4.2.3 PID子程序 25
结  论 27
致  谢 28
参考文献 28

前  言
电加热炉是现代工业中普遍存在的一种工业电加热系统。同时在电加热的在温度控制方面存在多种的方式，有继电器控制和单片机控制等。在本轮中描述的冶金电加热炉的温度控制系统基于PLC控制系统实现的温度控制。
温度控制在现代工业中也普遍存在，甚至居于主要的地位，控制温度参数的过程影响最后所生产的工艺品的质量效果。在我国一些中小型企业的温度控制主要依靠传统的继电器控制系统进行控制，相对于PLC控制系统存在体积大、维护难度高、硬继电器触电数量有限、自我检查低、定时控制易受环境影响、不人性化等劣势，因而在工艺生产中会出现一些大大小小的问题，同时因继电器控制系统的磨损度高、维修难度大等缺点，在后期的工艺生产的产品质量或多或少会出现质量不均与的现象。因而需要寻找一种可以弥补上述劣势且控制度高的控制系统。因而PLC控制系统应运而生，其实PLC控制系统在上世纪六十年代便已经产生，但应用度不高，随着近几十年微电子技术的发展，PLC系统与其有效的融合，逐渐成为一种新兴的、接纳度高的控制系统，同时PLC控制系统不仅很好的解决了继电器控制系统中存在的问题，在控制精度、反应速度、实时监控、自我检查等方面又具有很大的优势。在本文中，其核心是PLC控制系统，通过PLC对整个加热过程进行全方面的控制，在通过PID控制器对温度参数进行实时控制和调节，主要过程是通过温度传感器和温度变送器传送经过A/D转换过的数字信号到PLC控制系统，在经过PLC控制系统CPU的处理，在将处理过的数据传回到电子器件中进行温度调整，其中还涉及到PID控制和PWM调节，来一起完成整体的温度控制。该设计相对于具有一定电气知识的人可以很好的接受和使用，同时在程序编写、系统维护、控制方式、人性化等方面都有很强的优势。
本文阐述的冶金电加热论温度控制设计中的PLC控制系统是使用西门子S7-1200来实现，其目的是实现控制温度达到预期值和进行运行过程中的系统实时检测，经查阅资料，现在居多的PLC温度控制多以西门子S7-200和西门子S7-300来实现，但S7-1200与S7--200、S7-300相比，居于中间值，在性能方面低于S7-300高于S7-200，在实际价格方面低于S7-300高于S7-200，可以实现一般的工艺需求，同时在实际中也可以缓解企业的资金压力。S7-1200控制器相对来说是一种可以面向中小型企业，同时实现各种工艺温度控制的主力军，在工艺方面可以避免传统控制的劣势，并达到所想要的工艺产品预期值。

1.绪论
1.1冶金电加热炉温度控制设计课题来源、背景及其研究意义
在现代工业界中，对电加热炉的定义是：将物料、工件等一些其他介质进行加热的设备。电加热炉的工作原理是利用清洁的电能转换成热能，然后将所需要加热的介质进行加热打成所需要的产品，因其工作效率高、无污染、稳定性强等特点，因此电加热炉在工业界中的金属冶炼、机械锻造、化工生产、金属等一些介质热处理方面广泛地使用。
冶金电加热炉温度控制设计的来源是因为在国内的大多数中小型企业中，大多数的电加热炉的温度控制系统主要以继电器控制系统为主，继电器温度控制系统作为一种传统的控制系统不是高度集中的控制设备，在他的整体设计过程和实际运行过程中且具有体积大、线路庞杂、维护难度高、硬继电器触电数量有限、自我检查能力低、定时控制子系统易受环境影响、人性化不高，同时多采用“硬”器件、“硬”接点和“硬”连接进等弊端，在组成实现功能时，会在温度控制过程中出现误差、数据测量值不准确等缺点，会对工业的生产产生一定的影响，进而造成不必要的经济损失。
所以针对冶金电加热炉温度控制设计系统来说，现在大多数的工业需求是要求系统误差小、精度高、有可以操作化界面等。1970年后应运而生了PLC控制技术，PLC控制技术在工业的各个领域应用广泛，在业绩电加热炉温度控制设计方面，PLC技术的人机一体化、智能化、自动化等方面的优势愈来愈突出，慢慢的演变成一种以电子计算机为核心，进各种需求控制的工业控制装置，具体的在温度控制领域凸显优势，例如温度控制精度极高、系统稳定、维修方便已经成为PLC温度控制系统的代言词。
同时将PLC控制系统与继电器控制系统相比，本文阐述的冶金电加热炉温度控制设计是以 PLC控制为核心，其控制回路的算法的大多数采用较为成熟且原理简单、使用方便的PID算法，具体的运行模式为PID算法将温度收集模块收集到的温度信号通过SM1234模块转换成可供PLC读取的数字量信号，同时计算温度设定值与温度采集模块测量值之间的偏差，通过PLC的编程语言，调整加热器加热、实时测量、自动检测等，同时多采用“软”接点、“软”继电器、“软”接线连接，其逻辑控制通过储存在内存中的程序实现，且结构紧凑、体积小、接线少、供编程的软继电器触点数多、有自我检查、定时控制精度高受影响范围小、磨损现象和寿命长短等方面均高于传统的继电器控制系统。同时还可便捷的进行温度粗调和细调，系统的各方面品质都较高。
所以像我国这种发展中的国家，在冶金电加热炉温度控制设计中使用PLC技术，可以使我国的工业发展更加的趋向一体化、高效化。
1.2冶金电加热炉温度控制国内外研究现状及其发展趋势
对于电加热炉来说，其基本工作原理简单，设备制造难度也不高，电加热炉最初在十八世纪伴随着工业革命开始产生。最初的加热炉以消耗不可再生能源为主进行无介质直接加热，虽然提高了生产效率但也产生了严重的环境问题。在后期，由于蒸汽机的产生，便通过蒸汽进行介质加热，可以理解为热传导，其控制系统基本为零，需要通过压力表进行对被加热物体进行温度计量，因此是用的范围不大。后期的发展便是在在十九世纪末，由于第二次工业革命开始，发电机的产生和使用，使得传统的加热炉开始向电加热炉过渡。在随后爆发的第三次工业革命，微型计算机的飞速发展和电子计算机的大量使用，使得电加热炉开始逐渐趋向自动化、自能化、可操作化，其相应的PLC温度控制系统也应运而生。
上世纪七十年代到八十年代，工业界上一些发达的国家如美国、德国、英国等，开始研制现代化的电加热炉，期初以继电器控制为主，后来由于计算机控制技术和电子电力技术的发展，用计算机的控制的电加热炉产生，在后期由于PLC的产生和应用，电加热炉温度控制系统向实现多元化、自动化和智能化等方面发展成为目标。
上世纪八十年代我国才开始起步研制冶金电加热炉温度控制，但对电加热炉及其控制系统的研究，我国经过了一段冗长的阶段，直到九十年代，我国的一些工业企业才开始陆陆续续的使用计算机进行温度控制，相比其他工业国家我国在电加热炉温度控制方面的研究起步晚，总体发展水平有待提高。迄今为止，我国的中小型工业企业在冶金电加热炉温度控制方面虽然也采用通过计算机使用PLC控制系统进行控制，但大多数还是处于简单的人工控制经验，单值设定值控制的阶段。简而言之，它通常是基于“点”控制和常规PID的，只能执行一些非常简单的温度控制，而某些过程则很复杂、参数时变、实时温度变化频率快、大惯性、大滞后的电加热炉温度控制，会显得捉襟见肘，只有部分大型的国有工业企业可以完成。且高精度、智能化、自动化、人性化等方面相比于发达的欧美国家仍旧存在着巨大的差距。
1.3 冶金电加热炉温控控制设计中的PLC发展历程
PLC的全名称为可编程逻辑控制器。它的诞生是由于美国汽车工业对生产技术的要求提高，起初在上个世纪的六十年代，因为美国通用汽车公司发现原始的继电器和接触器控制系统不适合调整汽车生产线时的开发需求，且暴露出修改难度越来越大、控制体积占地大、噪音大、维修不便、可靠性不稳定等问题，为解决该问题便提出“通用十条”招标指标，以代替原有的控制方式，于是可编程逻辑控制器便应运而生。
我国是在上个世纪的七十年代左右开始研发自己的可编程控制器，并于1977年，成功研发并且并在工业应用领域可以应用和推广可编程控制器。但对于世界上的其他工业大国来说研发时间晚，且应用不全面，因而在PLC控制方面存在很大的不足。
可编程控制器研发的最初的目的是替代机械开关装置(继电模块)，但是自从上个世纪六十年代（1968年）以来，PLC的功能开始逐渐取代继电器控制板，且在上个世纪六十年代末（1969年），基于著名的“十个通用”指标，美国数字设备公司成功开发了首款名为PDP-14的PLC，这是最原始的可编程逻辑控制器。 1970年代初，由于微处理器的出现，便很快将其引入PLC中，使得PLC强化了自身运算，数据传送、处理等功能；在上个世纪七十年代初（1971年），根据第一代PLC控制器的经验，日本成功研制出第二台名为DCS-8PLC控制器。在1970年代中期至后期，工业需求使PLC控制器进入了实际开发阶段，运算更迅速、体积更小、抗干扰能力更强的PLC控制器孕育产生；在二十世纪八十年代初，PLC在工业国家中得到广泛地产生并开始应用，这标志着PLC控制系统开始成熟。1980年代末至1990年代中期，现代工业的迅猛发展，使得PLC控制进入到了发展的黄金时期，增长率一直保持在较高的水平，同时它的功能也得到了不小的提升。
1.4冶金电加热炉温度控制设计要求
冶金电加热炉温度控制设计系统要求：
（1）键盘输入预定温度值并实时检测及显示当前温度；
（2）能测量温度并显示：温度测量范围0℃-1000℃，精度为0.5℃；
（3）温度控制误差在±10℃
2.冶金电加热炉温度控制设计系统总体方案
2.1冶金电加热炉温度控制系统方案论证
在现代各种工业方面中多使用的温度控制系统除上述提到的继电器控制系统还有单片机控制系统，但前两者与PLC控制系统相比存在个自的差异与优势，以下概述将说明为何将PLC控制系统用作冶金电加热炉温度控制系统的核心，以及与其他控制系统的区别。
2.1.1 PLC温度控制系统和继电器温度控制系统对比论证
在现代工业中使用的传统的继电器控制系统，实现控制的主要方式是通过工业导线将不同的电气原件连接起来，通过继电器控作为核心制线路实现。其结构示意图如图2.1所示：

图2.1 继电器控制系统结构示意图

可编程逻辑控制器（PLC控制系统）相对于继电器控制系统，二者的结构上大致相同，但在控制量上与继电器控制系统不同的是，由继电器控制量变成PLC控制量。因而继电器控制系统和可编程逻辑控制器（PLC控制系统）在本设计中相比比较而言，在显示控制方面：因为本设计需要将温度控制在1000℃，在如此高温的情况下，环境的温度和湿度会发生变化，继电器控制系统会极易的受到环境的影响，因而时间继电器会出现严重的滞后性，在限时控制方面会出现影响整个控制误差，在本设计中可能会达不到设计要求，且在实际中对于工业生产会产生影响，但相对于PLC控制系统，它的定时器由半导体组成，半导体具有稳定性高的特点，并且不容易受环境影响；在控制系统实现方面：继电器控制系统通过在接线方式采用硬接线的方式来实现，相对而说接线多并且复杂、控制体积大、功耗大,当系统的控制环节确定,不容易改变和增加，所以对于控制需要进行一些功能的延展性、灵活性、拓展性的系统明显得劣势于PLC控制系统；在实际的工作方式方面：当电源打开时，与继电器控制系统相比，PLC控制系统中的继电器控制元件被限制打开的时间短；就控制速度而言：继电器控制系统基于机械动作通信产生的信号来实现控制，其运行速度相对于通过程序指令来控制半导体工作的可编程逻辑控制器（PLC控制系统）来说要缓慢许多，并且PLC控制系统还很好的抑制了在高温加热介质过程中出现的抖动问题。
因而相对于继电器控制系统，本设计采用PLC控制系统。
2.1.2 PLC温度控制系统和单片机控制系统的对此论证
在两者的发展历史中，都是由微电子技术发展而来，且实质上可以说成都是计算机，但具体比较，PLC又是一种基于单片机之上的产品，可能在有的PLC控制系统中没有使用单片机，但可能会存在累时与单片机的智能芯片。在本次的冶金电加热炉温度控制设计中为什么要使用PLC控制系统，从以下三个方面进行简要说明：
（1）在方案选择时，针对冶金电加热炉温度控制设计中的要求，在实时的温度控制方面达到1000℃，所以需要系统稳定性高、抗干扰能力强大的控制系统。PLC系统相对单片机控制系统来说，单从外形上来说，可相对于单片机控制系统要大的多，因而在功能上更加完善、稳定性、抗干扰等方面要强；
（2）在方案选择时，本设计是最后要在工业中使用，使用PLC控制系统相对于单片机控制系统来说虽然会增加成本，但在工业母机和工业控制方面更适合PLC，并且单片机更趋向于民用和便携式，同时在方案选着方面，PLC选择方案更明智、快捷、成功率高、稳定性也强；
（3）在方案选择时，面向本设计要求和工业设计，单片机控制系统在硬件设计和软件设计过程中都要比PLC控制系统更为复杂，因而在编程过程一点出现错误就可能不能实现要求，进而会影响工业生产，但于此之下的PLC控制系统不仅在硬件设计和软件编程方面相对简单，并且拥有较为广泛的扩展模块和网络模块，能够实现大而复杂的工业控制系统。
因而考虑到本次设计的要求和现实中使用，针对单片机控制系统和PLC控制系统来说，选择后者。

2.2冶金电加热炉温度控制设计系统的思路介绍
温度控制系统是整个冶金电加热炉温度控制器的基础核心部分，本设计课题的名称为冶金电加热炉温度控制设计，其中应用到的温度控制核心为PLC，同时还包括的模块有：温度检测模块、温度调节模块、控制模块，PROFIBUS-DP总线等。
设计的整体思路，通过PROFIBUS-D总线将s7-1200PLC与温度检测模块中和控制模块中的加热器、热电偶、触摸屏等进行通讯，实现实时加热炉的调节，利用触摸屏进行远程监控和控制。S7-1200PLC在程序的控制下利用模拟量输入模块对温度检测模块中产生的电信号进行采集，再通过PID算法对转化的数字量进行分析。
在加热方面，采用自动控制来控制冶金电加热炉加热器进行工作，通过PLC的扩展模块SM1234模拟量输入回路采集温度信号，PLC对采集的温度信号进行标准化运算，将运算的数据通过模拟量输出模块输出转换去温度调节模块加热，从而控制冶炼装置的温度，达到控制温度一直稳定维持在设定值（1000度）。并通过 PROFIBUS-DP模块将温度控制器与从站PLC的触摸屏模块进行远程连接，通过触摸屏模块远程对温度控制器进行控制及检测。在手动控制时，人为输入想要达到的温度给PLC，经过PLC的标准化计算，使加热器加热到想得到的温度。自动模式和手动模式可以在按键的控制下自由转换。其运行程序如图2.2所示：

图2.2冶金电加热炉温度控制设计框图
3.冶金电加热炉温度控制设计中的系统硬件设计
3.1 冶金电加热炉温度控制设计中的PLC系统的设计
3.1.1冶金电加热炉温度控制设计中PLC的选择和基本结构
不论哪种PLC系统，其基本结构大致相同，都具有CPU、储存器、输入/输出模块、电源、外围接口等，只不过在实际需要的模板工作要求方面会出现一些调整。
目前市面上流通较多的PLC的品牌为西门子和三菱以及国内的太大、信捷等。考虑到本次课题设计的要求是温度控制，且在面向国内的工业需要，明显得感觉西门子系列更适合，在温度控制方面可以达到设计要求，同时，对于国内的转型企业来说也是更加简单易学。
在本次的冶金电加热炉温度控制设计中，采用西门子系列的S7-1200PLC控制系统，S7-1200PLC控制系统在西门子系列中的定位是：低端的离散自动化系统和独立自动化系统，并且使用小型的控制器模块，相对本设计来说，在程序的编程、指令速度通讯能力、I/O能力、具体应用等方面均可达到本次设计的要求，同时在工业应用方面，成本适中，且能够完成大部分的温度控制要求。其在西门子中的定位如图3.1所示。

图3.1 S7-1200plc在西门子plc系列产品中的定位

S7-1200PLC控制器其他的PLC控制器在功能和实质上是一样的，近年来更是由于微处理器的使用，单片机结构的加入，不断地增强了PLC的功能，从而使PLC趋向完善化、稳定化，进而也衍生出高档PLC等稳定性高、功能齐全的PLC控制系统，硬件结构与微型计算机基本相同。在本设计中采用西门子PLC系列产品中的S7-1200，对于S7-1200来说，它的主机组成一个系统。主机的基本结构是微处理器，集成电源，输入电路和输出电路的紧密结合，在主机上自带以太网接口，支持最多三个扩展通信模块包括（RS232和RS485），同时S7-1200PLC还包括各种I/O信号模块，拓展了CPU能力。如图3.2所示。
图3.2 S7-1200 PLC系统组成图
3.1.2 S7-1200 PLC中的CPU设计
在本次的冶金电加热炉温度控制设计过程中，PLC需要与温度检测模块和温度调节模块中的温度传感器、温度变送器、可控硅控制器等进行通讯，所以需要使用到多个信号模板和数字量、模拟量输入输出通讯接口。但在S7-1200 PLC中采用1215型号的CPU，在数字量、模拟量、信号扩展模块等方面都优于其他类型的CPU，在本设计中，可以很好的完成温度控制，很好的处理、转换各种信息。其不同型号的CPU对比如表3.1所示。

表3.1 西门子s7-1200系列不同类型CPU对比

3.1.3 S7-1200 PLC中的模拟量输入/输出选择设计
S7-1200PLC提供了各种可以实现不同需求的I/O模块，用于扩展CPU的能力，在众多的不同的控制过程中，通许模块总是占据重要的地位。在S7-1200的通讯模块中，包含数字量模块和模拟量模块。其中模拟量模块包含：单个的模拟量输入模块、模拟量输出模块和整合性的模拟量输入/输出模块，同样的在数字量模块方面相同，一样包含单个的数字量输入模块、数字量输出模块和整合性的数字量输入/输出模块。
本设计采用SM1234模拟量输入/输出模块，该模块在输入/输出路数、类型、精度等方面均可以达到本次设计的要求。
同时SM1234模块能够同时满足A/D和D/A之间的转换，然后在整个冶金电加热炉温度控制设计中实现将PLC无法读取的模拟信号转换为数字信号，并将PLC输出的数字信号转换为模拟信号以调节温度控制系统的功能。，同时使得整个程序更加的便捷、操控简单。其具体参数、技术规范如表3.2所示，其端子连接图及其配置如图3.6所示。
表3.2 西门子SM1234模块参数
Таблица 3.2 "Сименс" SM1234 Параметры модуля
3.1.4 S7-1200 PLC中的PROFIBUS-DP模块选择设计
ProfiBus作为现场总线系列的一员，是世界范围内应用最广的现场总线标准，也是国际通用的现场总线标准之一。因为他具有的开放性使得众多供应商可以开发自己的符合ProfiBus标准的产品，可以连接到同一网络中进行通讯。
ProfiBus本质上是一个电气网络，其中的物理传输介质包括屏蔽双绞线，光纤，无线传输等。Profibus具体到组成单位是由Profibus-FMS、Profibus-P和Profibus-DP组成。
在组成单位中的Profibus-DP，特点就是包括传输速度很快和价格便宜，同时实现相对简单。Profibus-DP相对于其他的组成单位来言主要用于分布式设备之间的数据传输，它的总线物理层采用的是RS-485传输模式，传输速率能够达到9.6Kbps至12Mbps并且传输距离可以达到100米至1200米。它通常用于自动控制系统和现场设备之间的通信。因此，能够满足在本次设计中的冶金电加热炉温度控制系统中的时间要求。目前，Profibus中的很多应用程序80％以上都基于Profibus-DP。当使用PRFIBUS-DP连接自动化系统和分散式外围设备之间的通信时，可以实现最佳效果。
PROFIBUS-DP系统的组成如下图3.3所示：

图3.3 PROFIBUS-DP系统的组成图

3.2 温度检测电路设计
3.2.1 温度检测电路设计方案
在整体的设计电路中，温度检测电路由温度传感器和温度变送器组成，当系统运行时，由K型温度传感器实时检测加热的温度，并将感受到的温度信号转换成热电动势信号传送到温度变送器中，在温度变送器中通过稳压滤波、非线性转换等过程转换变成标准的电压输出信号传送到SM1234模块中，在SM1234模块中，将模拟信号转换成PLC可以读取的数字信号。温度检测电路设计示意图如3.4所示。

图3.4 温度检测电路设计框图
在实际的温度检测电路实现功能中，需要用导线将各个器件进行连接，通过各个器件中的端子通讯实现温度检测的功能，再通过通讯编程电缆于PLC之间进行通讯，最小温度检测电路图如图3.5所示，各端子的功能如表3.3所示：

                     图3.5 温度检测模块实物接线图
диаграмма обнаружения физической модуль 3,5 температура схема электропроводки
表3.3温度检测电路中端子功能说明
Таблица 3.3 измерения температуры в терминал функцию разъяснения цепь

3.2.2 温度检测电路的器件选择
（1）温度传感器的选择
热电偶传感器同时具有稳定强、均匀性稳定、热惰性好、绝缘性高、电阻率低等特性，具有结构构成简单，制造简易，使用方便、灵敏度高、测量范围广、测量精度高，具有远距离测量、自动记录测量数据及多点测量等特点。其工作原理为：当两种不同材料的金属导体A和B组成闭合回路，且两个节点温度不同时，回路中将产生电动势，将温度信号转换成热电动势信号。其工作原理示意图如图3.6所示。
进而根据本设计的要求，选择K型热电偶传感器。K型热电偶传感器具有线性度好、热电动势大、灵敏度高、稳定性强、均匀性较高、抗氧化能力强等特点，在实际测量过程中，其绝对误差在±0.75%t，适合在本次设计中的作为收集冶金炉的温度变化的传感器，并将温度信号转化成电动势传输到温度变送器中。

图3.6热电偶工作示意原理图
（2）温度变送器的选择
温度变送器在石油化工、橡胶、建筑、电力、冶金等方面应用广泛，在本次的冶金电加热炉温度控制设计中，它是将K型温度传感器中收集温度所转换的变换量转换成可以传送到SM1234模块的进行A/D转换的标准量，在这个过程中要经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、恒流及反向保护等电路处理，最终的结果是转换成与温度成线性关系的标准电压信号。
在本设计中，当K型热电偶传感器将从电加热炉上搜集到的已转换成热电动势的信号传送到K型热电偶温度变送器后，K型变送器将原始数据标准化处理，通过非线性校正、稳压滤波等过程，转换成为可以在SM1234模块中进行A/D转换的标准化的电压输出信号。且通过温度变送器转化出的电压输出信号，在传送到PLC过程中所受到的影响较小，因而在SM1234模块中转换成成可供PLC识别的数字信号后，所产生的误差也会较小，最后再经过PLC系统的内部操作，将所搜集到的温度与最初的设定值进行比较，比较后采取适当的行动，达到预期值。
在本次冶金电加热炉温度控制设计中采用的K型热电偶变送器，其可以接受K型热电偶温度传感器的信号输入，且在其测量范围为0-1300℃，满足本次设计要求中的测量范围，具有结构简单、安装方便、用途广泛、工作环境要求不高、误差较小、精度高等特点。不同的温度变送器测量范围如表3.4示：

表3.4度变送器的测量范围
3.3 温度调节电路设计
3.3.1 温度调节电路设计方案
当温度检测系统将电加热炉中的实时温度经过转换传到PLC中后，在PLC中经过PID运算后，实际温度值与预定温度值差会以数字信号的模式传到SM1234模块中进行转换成模拟信号，同时根据PLC中PID的计算比对，进而使得PLC驱动可控硅控制器启动或者关闭加热炉的加热系统进行温度调节，最终实现温度的搞的调节。其温度调节示意图如图3.6所示：

3.7 温度调节电路设计框图

在实际的温度调节电路实现功能中，需要用导线将各个器件进行连接，再通过通讯编程电缆于PLC之间进行通讯，最小温度调节电路图如图3.8所示，各端子的功能如表3.4示：

图3.8 温度调节模块实物接线图

表3.4温度调节电路中子说明

3.3.2 温度调节电路的器件选择
（1）可控硅控制器概述
可控硅的简称为SCR，是一种大功率型器件，又可以被称作为晶闸管，它具有工作效率高、体积小、工作寿命长等优点，可以作为大功率的驱动器件，所以在本次的冶金电加热炉温度控制设计中可以驱动电加热炉的加热部分进行工作。
可控硅控制器凭借数字控制算法，将可控硅接入控制电路中，在其触发后，可以将以正弦波变化的交变电流维持在一个周期的正向导通，当电流过零变负后，可控硅断开。同时通过给可控硅的触发极加一个和电流相同周期的脉冲，进而根据由电加热器中的热传感器产生的脉冲与电流的相位差的变化，可控硅可以控制整流电路中电压的平均值，进而实现电热器温度的调节（也可称调压调节）。
（2）JS3000可控硅控制器
JS3000可控硅控制器，以可控硅为基础在加以智能数字控制电路为核心的电源功率控制器，具有无噪声、响应速度快、体积小、重量轻、效率高等特点。
设计中采用该型控制器，因其可与PLC配套使用，且其负载类型可以是三项阻性负载、三项感性负载、三项变压器负载等多种形式，因而对电加热炉的启动方式要求不大，也具有效率高、无机械噪声和磨损、响应数度快、体积小、重量轻等特点。
在实际工作过程中，通过电功率调节，当冶金电加热炉的温度通过温度检测模块中的温度传感器收集后，在经过其他器件的整合，输入到PLC中后，再经过PID运算，输出控制信号（模拟量信号或总线信号）到电源调功器作为设定值进行调节，调功器根据设定值，进行加热功率的调节，进而实现了温度的高低调节控制。
主要作用是实现对反馈后需要调整的温度进行量化调节，不仅优化了电能的使用效率，也对节约电能也起到了重要的作用。
3.4 人机交互设计方案
在本次的冶金电加热炉温度控制设计过程中要求通过键盘输入温度值并实时显示温度值，因而需要设计人机互换方案来实现该过程。
在设计通过引用TP-700触摸屏来实现该设计要求，通过在触摸屏上输入给定值，传输到PLC中，驱动可控硅控制器，同时控制电加热炉进行工作，再通过温度检测模块实时检测电加热炉的实际温度值，传送到PLC中，进行数据转换，最总在TP-700触摸屏上显示出实时数值。键盘输入温度值和实时显示问怒数值的实质是实现TP-700触摸屏和PLC之间的双向通讯，如图3.7所示：

图3.9 人机互换框图
карта - схема 3.9 своп

在实际的人机互换实现功能中，需要通使用通讯电缆将PC端上的HDMI接口和TP-700触摸屏上的HDMI接口以及PLC上的HDMI接口之间连接进行通讯，最终实现人机互换和实时监控调节的功能如图3.10所示

图3.10 人机互换实物接线图

3.5 硬件连接电路设计中的电源最小化设计
在如图3.11所示中，S7-1200PLC、温度变送器、温度传感器均使用直流24V电源进行供电。在设计过程中，通过在直流24V 电源上加入外部200μF的电容以保证电源稳压，在通过使用单刀开关A将电源同PLC、温度变送器、温度传感器等负载进行隔离，通过使用单刀开关B，将温度变送器同电源和其他负载进行隔离，通过使用单刀开关C，将电源和其他负载同温度传感器进行隔离。同时在温度变送器和SM1234模块、SM1234模块和继电器连接中个加入一个熔丝以进行过流保护。最后通过将S7-1200 PLC、Sm1234模块、各个负载进行接地，用以得到噪声抑制。在加热环节中，通过使用独立的220V交流电源对加热炉进行单独的供电，通过继电器中的自动调节和安全保护等功能以实现与其他负载间的电气隔离。具体图3.11如下所示：
图3.11 硬件连接中的最小电源设计

4.冶金电加热炉温度控制系统软件设计
4.1 冶金电加热炉温度控制系统（PLC）软件设计步骤
（1）深入了解和分析设计要求，考虑到在实际的工业生产中的设计因素，如生产环境、被控制对象的工艺条件、生产实际过程中的控制要求、生产过程中所需要完成的动作顺序、必要的保护连锁、操作方式等。以使本次的冶金电价热炉课程设计更加的具体；
（2）根据设计要求进行前期的课题研究，研究冶金电加热炉温度控制设计过程中所需要完成的设计要求需要规划哪些操作，适合使用哪些组态，进而选择适合本次要求的PLC；
（3）根据冶金电加热炉温度控制设计的要求和已经选定的S7-1200 PLC，确定I/O点数，进而确定PLC中的I/O点数，并设计I/O端子的接线图；
（4）在整个程序设计过程中对于出现的较难控制的系统如：PID控制、温度检测控制等，首先画出工作循环表，进而画出流程图，从而明白和清除动作的先后顺序和控制条件；
（5）根据在第四步中设计的流程图，编写梯形图程序，然后在以编写的梯形图程序为基础编制程序清单；
（6）使用电脑将编写的梯形图程序下载到PLC储存器中，很据实验室的要求进行模拟调试，在实验室调试后可以结合实际的工业环境进行联机调试，直至满足本次冶金电加热炉温度控制设计的要求；
（7）最后根据运行成功的冶金电加热炉温度控制系统编写说明书等技术文件。
4.2冶金电加热温度控制系统软件设计流程图
该部分主要讲述根据冶金电加热炉的设计要求基于PLC系统的软件设计。根据冶金电加热炉温度控制设计要求可以将整体的程序分为若干个编程程序块，例如温度检测程序块、温度调节程序块、PID控制程序块等。同时简单介绍梯形图的编程软件STEP 7 Basic V10.5。
为了采集和调节温度信号，系统需要进行数据获取、数据处理、数据显示、和数据传输等基本功能。
在实际软件设计过程中，遵循以上思路，在编程过程中，总共分为一个主程序和俩个子程序。
4.2.1主程序设计流程图
在软件程序中，主程序第一步就是完成PLC系统初始化和清除内部寄存器原来的数据，同时也完成不同类型的子程序的初始化，如：PID控制算法、温度调节模块中的程序、温度采集模块中的程序等，但这些程序又分别包含在不同的子程序中，第二步是通过TP-700触摸屏输入给定值，第三部是调用温度检测子程序检测实时值，第四步是通过调用PID子程序对温度检测的数据进行处理，进而在开始重复第二步道第四步。其程序流程图如图4.1所示：

41主程序流程示意图
4.2.2温度采集子程序流程图
在本设计中温度信号的采集通过温度传感器、温度变送器、SM1234模块的输入回路来完成。主要功能是实现温度测量、模数转换、信号传递等过程。主要通过温度传感器收集基础温度信号，转换成热电动势传递给温度变送器，温度变送器将电动势转换成可靠的、受干扰能力小的标准电信号，传送给SM1234模块中的模拟量输入回路，转换成可以让PLC读出的数字信号，再由PLC计算数值，设计流程图如图4.2所示：

4.2温度采集子程序流程图
4.2.3 PID子程序
（1） PID子程序流程图
用PID对模拟量信号进行控制，即比例，积分和微分控制，S7-1200PLC中含有专门的PID回路指令，在实现PID的功能时非常方便也非常实用。西门子系列的S7-1200PLC提供了16个PID控制器，不仅可以同时实现回路控制，也可以让用户进行手动调试参数或者使用PID的自整定功能。其程序流程图如图5.3所示：

4.3 PID子程序流程图

结  论
在设计了基于PLC S7-1200的冶金电加热炉温度控制系统后，采用PLC控制系统进行全面控制、PID控制对温度精密调节的思想，得到了不仅弥补了传统继电器温度控制中的不足，同时在运行速度、控制精度、稳定性、可靠性等方面均展现出极强的优势的控制系统。
实时监控、使用简便、接受度高又是其另外的优势，联系到实际中，对中小型企业来说，运用改控制系统或者使用方案，在工人的接受度上不会太吃力，在工艺控制上可以省掉大部分的时间，在维护监控方面省时省力，同时也具有较强的人性化界面，对于企业的现代化发展可以起到一定的促进作用。
本设计基本满足了设计要求，来实现温度控制和实时监控，但在PID控制方面我明显得感觉到自身的不足，在PID组织块调用、赋址、自整定等方面在设计中感到写吃力。但总体来说，本次设计基本上是成功的，将四年学习的知识运用到其中，同时也将四年学习的知识得以延伸和拓展，在如何通过西门子S7-1200PLC控制温度方面得到了更加深刻的认识，相信这对我以后会有很大的帮助。

致  谢
首先，我要对老师表示衷心的感谢。认真的严谨态度，丰富的专业技能，前瞻性的专业视野和特殊见解在该冶金电加热炉的温度控制设计过程中发挥了重要的指导作用。同时在我遇到困难时，老师一直在鼓励我，给了我很大的勇气帮助我解决遇到的问题和困难。祝愿老师身体健康、工作顺利、事事顺心。
其次，我回想起到目前为止为期三个月的毕业设计。在这个毕业设计的过程中，给我最大的感受就是要学以致用。在设计过程中，我遇到了很多问题和困难，但终究无法将学到的知识与实际结合，但在老师的辅导下，我通过查阅大量的文献资料，加以对设计要求的理解和自身的思考，克服所遇到的各个困难，同时也学会和实现将理论变成实际的这个过程，最终使我四年里学到的知识得到了延伸。
由衷的感谢母校教会了我知识，给了我成长的机会，让我知道要承担和勇于面对困难，同时，它锻炼了我的自学能力，磨练了我在遇到困难时努力探索和学习的意志。再此祝愿母校越来越好。
最后，在撰写本文期间，我还检查了许多资料，并对相关作者表示感谢。

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SsaaM7 · 发表于 2021-5-26 19:04

微型计算机温度控制系统

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