1、河北機電職業技術學院河北機電職業技術學院畢業設計論文題目 基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統 系 別 電氣工程系 專 業 班 級 學 生 學 號 指 導 教 師 2011年 6 月摘要溫度控制系統廣泛應用于工業控制領域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統，電焊機的溫度控制系統等。加熱爐溫度控制在許多領域中得到廣泛的應用。這方面的應用大多是基于單片機進行PID 控制, 然而單片機控制的DDC 系統軟硬件設計較為復雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處, PLC 在這方面卻是公認的最佳選擇。加熱爐溫度是一個大慣性系統，一般采用PID調節進行控制。隨著PLC功能的擴充在許多PLC控制器

2、中都擴充了PID 控制功能, 因此在邏輯控制與PID控制混合的應用場所中采用PLC控制是較為合理的。本設計是利用西門子S7-300PLC控制加熱爐溫度的控制系統。首先介紹了溫度控制系統的工作原理和系統的組成，然后介紹了西門子S7-300PLC和系統硬件及軟件的具體設計過程。關鍵詞：西門子S7-300PLC，PID，溫度傳感器，固態繼電器I河北機電職業技術學院AbstractTemperature control system has been widely used in the industry controlled field，as the temperature control syst

3、em of boilers and welding machines in steel works、chemical plant、heat-engine plant etc. Heating-stove temperature control has also been applied widely in all kinds of fields .The application of this aspect is based on SCM which is making the PID control, yet the hardware and software design of DDC s

4、ystem controlled by SCM is somewhat complicated , its not an advantage especially related to logic control, however it is accepted as the best choice when mentioned to PLC. The furnace temperature of heating-stove is a large inertia system，so generally using PID adjusting to control. With the expand

5、ing of PLC function, the control function in many PLC controllers has been expanded. Therefore it is more reasonable to apply PLC controlling in the applicable fields where logical control and PID control blend together. The design has utilized the control system with which Siemens S7-300 PLC contro

6、l the temperature heating-stove. In the first place this paper presents the working principles of the temperature control system and the elements of this system. Then it introduces Siemens S7-300 PLC and the specific design procedures of the hardware and the software.Key words：Siemens S7-300 PLC，PID

7、，temperature pickup, solid state relay II目 錄摘要IAbstractII第一章 引言11.1 系統設計背景11.2 系統工作原理11.3 系統設計目標及技術要求21.4 技術綜述2第二章 系統設計32.1 控制原理與數學模型32.1.1 PID控制原理32.1.2 PID指令的使用注意事項62.2 采樣信號和控制量分析72.3 系統組成8第三章 硬件設計93.1 PLC的基本概念93.1.1 模塊式PLC的基本結構93.1.2 PLC的特點113.2 PLC的工作原理123.2.1 PLC的循環處理過程123.2.2 用戶程序的執行過程143.3 S7

8、-300 簡介143.3.1 數字量輸入模塊143.3.2 數字量輸出模塊153.3.3 數字量輸入/輸出模塊153.3.4 模擬量輸入模塊153.3.5 模擬量輸出模塊153.4 溫度傳感器16 3.4.1 熱電偶.16 3.4.2 熱電阻.173.5 固態繼電器18 3.5.1 概述.18 3.5.2 固態繼電器的組成.18 3.5.3 固態繼電器的優缺點.19第四章 軟件設計204.1 STEP7編程軟件簡介204.1.1 STEP7概述204.1.2 STEP7的硬件接口.204.1.3 STEP7的編程功能204.1.4 STEP7的硬件組態與診斷功能214.2 STEP7項目的創建

9、224.2.1 使用向導創建項目224.2.2 直接創建項目224.2.3 硬件組態與參數設置224.3 用變量表調試程序244.3.1 系統調試的基本步驟244.3.2 變量表的基本功能254.3.3 變量表的生成264.3.4 變量表的使用264.4 S7-300的編程語言274.4.1 PLC編程語言的國際標準274.4.2 STEP7中的編程技術28結束語32 致謝.33參考文獻34附錄3536第一章 引言1.1系統設計背景近年來，加熱爐溫度控制系統是比較常見和典型的過程控制系統，溫度是工業生產過程中重要的被控參數之一，冶金機械食品化工等各類工業生產過程中廣泛使用的各種加熱爐熱處理爐反

10、應爐，對工件的處理均需要對溫度進行控制。因此，在工業生產和家居生活過程中常需對溫度進行檢測和監控。由于許多實踐現場對溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比較復雜，傳統的加熱爐電氣控制系統普遍采用繼電器控制技術，由于采用固定接線的硬件實現邏輯控制，使控制系統的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業生產。隨著計算機控制技術的發展，傳統繼電器控制技術必然被基于計算機技術而產生的PLC控制技術所取代。而PLC本身優異的性能使基于 PLC控制的溫度控制系統變的經濟高效穩定且維護方便。這種溫度控制系統對改造傳統的繼電器控制系統有普遍性意義。通過本設計可以熟悉并掌握西門子S7-300PLC

11、的原理與功能以及它的編程語言，以自動控制理論為指導思想，解決工業生產及生活中溫度控制的問題。1.2系統工作原理 加熱爐溫度控制系統基本構成如圖1-1所示，它由PLC主控系統、固態繼電器、加熱爐、溫度傳感器等4個部分組成。圖1-1 加熱爐溫度控制系統基本組成加熱爐溫度控制實現過程是:首先溫度傳感器將加熱爐的溫度轉化為電壓信號，PLC主控系統內部的A/D將送進來的電壓信號轉化為西門子S7-300PLC可識別的數字量，然后 PLC將系統給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行比較并經過PID運算處理后，給固態繼電器輸入端一個控制信號控制固態繼電器的輸出端導通與否從而使加熱爐開始加熱或停止加熱。既加熱爐溫度

12、控制得到實現。其中PLC主控系統為加熱爐溫度控制系統的核心部分起著重要作用。1.3系統設計目標及技術要求本系統應能夠控制在設定值的±5的誤差范圍內并且具有溫度上下限報警功能和故障報警功能。1.4技術綜述自70年代以來，由于工業過程控制的需要，特別是在電子技術的迅猛發展，以及自動控制理論和設計方法發展的推動下，國外溫度控制系統發展迅速，并在智能化自適應參數自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，并且都生產出了一批商品化的性能優異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業廣泛應用。 目前，國外溫度控制系統及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發展。 溫度控制系統在國

13、內各行各業的應用雖然已經十分廣泛，但從國內生產的溫度控制器來講，總體發展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術水平處于20世紀80年代中后期水平。成熟產品主要以“點位”控制及常規的PID控制器為主，它只能適應一般溫度系統控制，難于控制滯后復雜時變溫度系統控制，而且適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表國內技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少?，F在，我國在溫度等控制儀表業與國外還有著一定的差距。 溫度控制系統大致可分別用3種方式實現，一種是用儀器儀表來控制溫度，這種方法控制的精度不高。另一種是基于單片機進行PID控

14、制，然而單片機控制的DDC 系統軟硬件設計較為復雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處, 而PLC 在這方面卻是公認的最佳選擇。隨著PLC功能的擴充在許多PLC 控制器中都擴充了PID控制功能。因此本設計選用西門子S7-300PLC來控制加熱爐的溫度。第二章 系統設計2.1控制原理與數學模型2.1.1 PID控制原理2.1.1.1 PID控制器基本概念PID控制器就是根據系統的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量來進行控制。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時、控制理論的其它技術難以采用時,系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術

15、最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時,最適合采用PID控制技術。（1）比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系，當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-state error）。（2）積分（I）控制在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統,如果在進入穩態后存在穩態誤差,則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統（System with Steady-state Error）。為了消除穩態誤差,在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差的運算取決于時間

16、的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大，使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，采用比例+積分(PI)控制器,可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。（3）微分（D）控制在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大的慣性組件（環節）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅

17、引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。2.1.1.2 閉環控制系統特點 控制系統一般包括開環控制系統和閉環控制系統。開環控制系統(Open-loop Control System)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響，在這種控制系統中,不依賴將被控制量反送回來以形成任何閉環回路。閉環控制

18、系統(Closed-loop Control System)的特點是系統被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出,形成一個或多個閉環。閉環控制系統有正反饋和負反饋,若反饋信號與系統給定值信號相反,則稱為負反饋( Negative Feedback)；若極性相同，則稱為正反饋。一般閉環控制系統均采用負反饋，又稱負反饋控制系統?？梢?，閉環控制系統性能遠優于開環控制系統。PID就是應用最廣泛的閉環控制器。如圖2-1所示系統是用于電加熱爐溫度控制系統的閉環控制系統的PID閉環控制系統，系統目標設定值為期望的加熱爐溫度，閉環控制器的反饋值通過溫度傳感器測得，并經A/D變換轉換為數字量；目標設

19、定值與溫度傳感器的反饋信號相減，其差送入PID控制器，經比例、積分、微分運算，得到疊加的一個數字量；該數字量經過上限、下限限位處理后進行D/A變換，輸出一個電壓信號去控制固態繼電器，以控制加熱爐的溫度。該系統的PID控制器一般采用PLC提供的專用模塊（本系統采用FB58模塊），也可以采用編程的方法（如PLC編程、高級語言編程或組態軟件編程等）生成一個數字PID控制器。同時，其它功能如A/D、D/A都由PLC實現，加熱爐的反饋信號直接送PLC采集，控制固態繼電器的電壓信號也由PLC送出，從而控制加熱爐的溫度。 圖2-1電加熱爐溫度控制系統的閉環控制系統應用實例2.1.1.3 PID控制器的參數整

20、定PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性，確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多,概括起來有如下兩大類：（1）理論計算整定法。它主要依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接使用,還必須通過工程實際進行調整和修改。（2）工程整定法。它主要依賴于工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。這三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整

21、定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后的調整與完善。現在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環節,直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩,記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。2.1.1.4 PID控制器的主要優點 PID控制器成為應用最廣泛的控制器，它具有以下優點：（1）PID算法蘊涵了動態控制過程中過去、現在、將來的主要信息，而且其配置幾乎最優。其中，比例（P）代表了當前的信息，起糾正偏差的作用，使過程

22、反應迅速。微分（D）在信號變化時有超前控制作用，代表將來的信息。在過程開始時強迫過程進行，過程結束時減小超調，克服振蕩，提高系統的穩定性，加快系統的過渡過程。積分（I）代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統的靜態特性。此三種作用配合得當，可使動態過程快速、平穩、準確，收到良好的效果。（2）PID控制適應性好，有較強的魯棒性，對各種工業應用場合，都可在不同的程度上應用。特別適于“一階慣性環節+純滯后”和“二階慣性環節+純滯后”的過程控制對象。（3）PID算法簡單明了，各個控制參數相對較為獨立，參數的選定較為簡單，形成了完整的設計和參數調整方法，很容易為工程技術人員所掌握。 （4）PID控制

23、根據不同的要求，針對自身的缺陷進行了不少改進，形成了一系列改進的PID算法。例如，為了克服微分帶來的高頻干擾的濾波PID控制，為克服大偏差時出現飽和超調的PID積分分離控制，為補償控制對象非線性因素的可變增益PID控制，等。這些改進算法在一些應用場合取得了很好的效果。同時當今智能控制理論的發展，又形成了許多智能PID控制方法。2.1.2 PID指令的使用注意事項2.1.2.1 PID控制器的選取PID控制器的性能和處理速度只與所采用的CPU的性能有關。對于任意給定的CPU，控制器的數量和每個控制器被調用的頻率是相互矛盾的?？刂骗h執行的速度，也即在每個時間單元內操作值必須被更新的頻率決定了可以安

24、裝的控制器的數量。對要控制的過程類型沒有限制，遲延系統（溫度、液位等）和快速系統（流量、電機轉速等）都可以作為被控對象。過程分析時應注意：控制過程的靜態性能（比例）和動態性能（時間延遲、死區和重設時間等）對被控過程控制器的構造和設計以及靜態（比例）和動態參量（積分和微分）的維數選取有著很大的影響。準確地了解控制過程的類型和特性數據是非常必要的?？刂破鬟x取時應注意：控制環的特性由被控過程或被控機械的物理特性決定，并且設計中可以改變的程度不是很大。只有選用了最適合被控對象的控制器并使其適應過程的響應時間，才能得到較高的控制質量。不用通過編程就可以生成控制器的大部分功能（構造、參數設置和在程序中的調

25、用等），前提是必須已經掌握STEP 7的編程基礎知識。2.1.2.2 PID參數的設定 PID調節器參數是根據控制對象的慣量來確定的。大慣量如大烘房的溫度控制，一般P可在10以上，I=3-10，D=1左右。小慣量如一個小電機帶一個水泵進行壓力閉環控制，一般只用PI控制，P=1-10，I=0.1-1，D=0，這些要在現場調試時進行修正，主要是靠經驗及對生產工藝的熟悉，參考對測量值的跟蹤與設定值的曲線，從而調整P、I、D的大小。下面具體說明經驗法的整定步驟：（1）讓調節器參數的積分系數I=0，微分系數D=0，控制系統投入閉環運行，由小到大改變比例系數P，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得

26、滿意的控制過程為止。（2）取比例系數P為當前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數I，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至得到滿意的控制過程。（3）積分系數I保持不變，改變比例系數P，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續調整，直到滿意為止。否則，將原比例系數P增大一些，再調整積分系數I，力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數P和積分系數I為止。（4）引入適當的微分系數D，此時可適當增大比例系數P和積分系數I。和前述步驟相同，微分系數的整定也需反復調整，直到控制過程滿意為止。需要注意的是：仿真系統所采用的PID調節器與傳統的工業PID調節器有所不同，其各個參數之間是相互隔離的，因而互不

27、影響，用其觀察調節規律十分方便。經驗法實質上是一種試湊法，它是在生產實踐中總結出來的行之有效的方法，并在現場中得到了廣泛的應用。經驗法簡單可靠，但需要有一定的現場運行經驗，整定時易帶有主觀片面性。當采用PID調節器時，由于有多個整定參數，反復試湊的次數增多，因此增加了得到最佳整定參數的難度。2.2采樣信號和控制量分析本系統共有一個模擬量（溫度）信號，從模擬量地址的288讀入PLC。三個數字量控制固態繼電器。其余變量如表2-2所示。表2-2 變量表序號采樣信號名稱性質（開關、模擬）傳感器占用硬件資源說明1AI0模擬量熱電偶I288從外界讀入的溫度信號2DI0開關量I0.0啟動信號3DI1開關量I

28、0.1停止信號4DI2開關量I0.2溫度繼電器高溫信號5DI3開關量I0.3溫度繼電器低溫信號6DI5開關量I1.3缺相報警輸入7DI6開關量I1.4過載保護信號8DO0開關量Q0.0A相固態繼電器控制信號9DO1開關量Q0.1B相固態繼電器控制信號10DO2開關量Q0.2C相固態繼電器控制信號11DO3開關量Q1.1缺相報警12DO4開關量Q1.2高溫指示燈13DO5開關量Q1.3低溫指示燈14DO6開關量Q1.5KA線圈2.3系統組成本系統的結構框圖如圖2-3所示。圖2-3系統結構框圖由圖2-3可知，溫度傳感器采集到數據后送給S7-300PLC，S7-300PLC通過運算后給固態繼電器一個

29、控制信號從而控制加熱爐的導通與否。上位機是編寫PLC程序以及監控溫度的變化。第三章 硬件設計 隨著微處理器、計算機和數字通信技術的飛速發展，計算機控制已經廣泛地應用在所有的工業領域?，F代社會要求制造業對市場需求作出迅速反應，生產出小批量、多品種、多規格、高質量的產品。為了滿足這一要求，生產設備和自動化生產線的控制系統必須具有極高的可靠性和靈活性。可編程序控制器（Programmable Logic Controller）正是順應這一要求出現的，它是以微處理器為基礎的通用控制裝置。本章主要介紹西門子S7-300系列PLC以及其它硬件的組成與選型。3.1 PLC的基本概念可編程序控制器簡稱為PLC

30、，它的應用面廣、功能強大、使用方便，已經成為當代工業自動化的主要支柱之一。PLC已經廣泛地應用在各種機械設備和生產過程的自動控制系統中，PLC在其它領域，例如在民用和家庭自動化設備中的應用也得到了迅速的發展。3.1.1模塊式PLC的基本結構這里我們主要介紹的是西門子S7-300，S7-300屬于模塊式PLC。西門子的PLC以其極高的性價比，在國內占有很大的市場份額，在我國的各行各業得到了廣泛的應用。S7-300模塊式PLC，主要由機架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備組成，各種模塊安裝的機架上。通過CPU模塊或通信模塊上的通信接口，PLC被連接到通信網絡

31、上，可以與計算機、其它PLC或其它設備通信。圖3-1是PLC控制系統的示意圖。圖3-1 PLC控制系統示意圖CPU模塊：CPU模塊主要由微處理器和存儲器組成，S7-300將CPU模塊簡稱為CPU。在PLC控制系統中，CPU模塊相當于人的大腦和心臟，它不斷的采集輸入信號，執行用戶程序，刷新系統的輸出，模塊中的存儲器用來存儲程序和數據。信號模塊：輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊一般簡稱為I/O模塊，開關量輸入/輸出模塊簡稱為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入/輸出模塊簡稱為AI模塊和AO模塊，在S7-300中統稱為信號模塊。信號模塊是系統的眼、耳、手、腳，是聯系外部現場設備和CPU模塊

32、的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關、數字撥碼開關、限位開關、接近開關等來的開關量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發電機和各種變送器提供的連續變化的模擬量電流電壓信號。開關量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制電動調節閥、變頻器等執行器。在信號模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內部電路和外部的輸入、輸出電路。功能模塊：為了增強PLC的功能，擴大應用領域，減輕CPU的負擔，PLC廠家開發了各種各樣的功能模塊。主要用于完成某些對實時性和存儲容量要求很

33、高的控制任務。接口模塊：CPU模塊所在的機架稱為中央機架，如果一個機架不能容納全部模塊，可以增設一個或多個擴展機架。接口模塊用來實現中央機架和擴展機架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴展機架供電。通信處理器：通信處理器用于PLC之間、PLC與遠程I/O之間、PLC與計算機和其他智能設備之間的通信，可以將PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工業以太網，或者用于點對點通信。電源模塊：PLC一般使用AC 220V電源或DC 24V電源，電源模塊用于將輸入電壓轉換為DC 24V和背板總線上的DC 5V電壓，供其他模塊使用。編程設備：S7-300使用安裝了編程軟件STEP7的個人計算機作

34、為編程設備，在計算機屏幕上直接生成和編輯各種文本程序或圖形程序，可以實現不同編程語言之間的相互轉換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網絡，可以實現遠程編程。編程軟件還具有對網絡和硬件組態、參數設置、監控和故障診斷等功能。3.1.2 PLC的特點編程方法簡單易學：梯形圖是使用的最多的PLC編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學易用，熟悉繼電器電路圖的電氣技術人員只需花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。功能強，性能價格比高：一臺小型的PLC內有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現非常

35、復雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統相比，具有很高的性能價格比。PLC可以通過通信聯網，實現分散控制，集中管理。硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強：PLC產品已經標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統配置，組成不同功能、不同規模的系統。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。硬件配置確定后，通過修改用戶程序，就可以方便快速地適應工藝條件的變化?？煽啃愿?，抗干擾能力強：PLC用軟件取代了繼電器控制系統中大量的中間繼電器和時間繼電器，接線可減少到繼電器控制系統的十分之一以下，大大減少了因觸點接觸不良造成的故障。S7-300有極強的故障

36、診斷能力。PLC使用了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，可以直接用于有強烈干擾的工業生產現場，PLC已被公認為最可靠的工業控制設備之一。系統的設計、安裝、調試工作量少：PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少。PLC的梯形圖程序可以用順序控制設計法來設計。這種設計方法很有規律，容易掌握?？梢栽趯嶒炇夷M調試PLC的用戶程序，用小開關來模擬輸入信號，通過個輸出點對應的發光二極管的狀態來觀察輸出信號的狀態，調試的時間比繼電器系統少的多。維修工作量小，維修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障診斷功

37、能。PLC或外部的輸入裝置和執行機構發生故障時，根據PLC上的發光二極管或編程軟件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。體積小，能耗低：對于復雜的控制系統，使用PLC后，由于減少了大量的中間繼電器和時間繼電器，開關柜的體積比繼電器控制系統小的多。3.2 PLC的工作原理3.2.1 PLC的循環處理過程CPU中的程序分為操作系統和用戶程序。操作系統用來處理PLC的起動、刷新輸入/輸出過程映像區、調用用戶程序、處理中斷和錯誤、管理存儲區和通信等任務。用戶程序由用戶生成，用來實現用戶要求的自動化任務。STEP7將用戶程序和程序所需的數據放置在塊中，功能塊FB和功

38、能FC相當于用戶編寫的子程序，系統功能SFC和系統功能塊SFB是操作系統提供給用戶使用的標準子程序，這些塊統稱為邏輯塊。PLC采用循環執行用戶程序的方式，這種運行方式也稱為掃描工作方式。OB1是用于循環處理的組織塊，相當于用戶程序中的主程序，它可以調用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。PLC得電或由STOP模式切換到RUN模式時，CPU執行啟動操作，清除沒有保持功能的位存儲器、定時器和計數器，清除中斷堆棧和塊堆棧的內容，復位保存的硬件中斷等。此外還要執行一次用戶編寫的“系統啟動組織塊”OB100，完成用戶指定的初始化操作。以后進入周期性的循環運行。圖3-2是掃描過程。結合圖簡要介紹下掃描

39、過程：（1）操作系統啟動循環時間監控；（2）CPU將輸出過程映像區的數據寫到輸出模塊；（3）CPU讀輸入模塊的輸入狀態，并存入輸入過程映像區；（4）CPU處理用戶程序，執行用戶程序中的指令；（5）在循環結束時，操作系統執行所有掛起的任務；（6）CPU返回第一階段，重新啟動循環時間監控。 圖3-2掃描過程在啟動完成后，不斷地循環調用OB1，在OB1中可以調用其他邏輯塊（FB、SFB、FC、SFC）。循環程序處理過程可以被某些事件中斷。如果有中斷事件出現，當前正在執行的塊被暫停執行，并調用分配給該事件的組織塊。該組織塊被執行完后，被暫停執行的塊將從被中斷的地方開始繼續執行。在PLC的存儲器中，設置

40、了一片區域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態，它們分別稱為輸入過程映像區和輸出過程映像區。PLC梯形圖中的其他編程元件也有對應的映像存儲區。在循環程序處理過程中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區和輸出地址區，而是訪問CPU內部的過程映像區。在寫輸出模塊階段，CPU將輸出過程映像區的狀態傳送到輸出模塊。梯形圖中某一輸出位的線圈“通電”時，對應的輸出過程映像位為1狀態。信號經輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。若梯形圖中的線圈“斷電”，對應的輸出過程映像位為0狀態，在寫輸出模塊階段之后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電

41、器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。在讀輸入模塊階段，PLC把所有外部輸入電路的接通/斷開狀態讀入輸入過程映像區。外部輸入電路接通時，對應的輸入過程映像位為1狀態，梯形圖中對應的輸入位的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外部輸入觸點電路斷開時，對應的輸入過程映像位為0狀態，梯形圖中對應的輸入位的常開觸點斷開，常閉觸點通。在程序執行階段，即使外部輸入信號的狀態發生了改變，輸入過程映像位的狀態也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態只能在下一個循環掃描周期的讀輸入模塊階段被讀入。3.2.2用戶程序的執行過程PLC的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中順序排列。在沒有跳轉指令和塊調用指令

42、時，CPU從第一條指令開始，逐條順序地執行用戶程序，直到用戶程序結束之處。在執行指令時，從輸入過程映像區或別的存儲區中將有關編程元件的0、1狀態讀出來，并根據指令的要求執行相應的邏輯運算，運算的結果寫入到對應的存儲區中，因此，各編程元件的存儲區（輸入過程映像區除外）的內容隨著程序的執行而變化。循環時間是指操作系統執行一次如圖3.3所示的循環操作所需的時間，包括執行OB1中的程序段和中斷該循環的系統操作的時間，也稱掃描循環時間或掃描周期。循環時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執行指令的速度有很大的關系。3.3 S7-300簡介 S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。

43、品種繁多的CPU模塊、信號模塊和功能模塊能滿足各種領域的自動控制任務，用戶可以根據系統的具體情況選擇合適的模塊，維修時更換模塊也很方便。S7-300有很高的電磁兼容性和抗振動抗沖擊能力，有350多條指令，其編程軟件STEP7功能強大，可以使用多種編程語言。S7-300采用緊湊的、無槽位限制的模塊結構，各個模塊都安裝在導軌上，用螺栓鎖緊即可。3.3.1數字量輸入模塊數字量輸入模塊用于連接外部的機械觸點和電子數字式傳感器，例如二線式光電開關和接近開關等。數字量輸入模塊將從現場傳來的外部數字信號的電平轉換為PLC內部的信號電平。輸入電路中一般設有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起

44、的錯誤輸入信號，輸入電流一般為數毫安。3.3.2 數字量輸出模塊SM 322數字量輸出模塊將S7-300的內部電平信號轉化為控制過程所需的外部信號電平，同時具有隔離和功率放大的作用。輸出模塊的功率放大元件有驅動直流負載的大功率晶體管和場效應晶體管、驅動交流負載的雙向晶閘管或固態繼電器，以及既可以驅動交流負載又可以驅動直流負載的小型繼電器。輸出電流典型值為0.52A，負載電源由外部現場提供。3.3.3數字量輸入/輸出模塊SM323是S7-300的數字量輸入/輸出模塊，它由兩種型號可供選擇。一種是8點的輸入和8點輸出的模塊，輸入點和輸出點均只有一個公共端。另外一種有16點輸入（8點一組）和16點輸

45、出（8點一組）。輸入、輸出的額定電壓均為DC24V，輸入電流為7mA,最大輸出電流為0.5A，每組總輸出電流為4A。輸入電路和輸出電路通過光耦合器與背板總線相連，輸出電路為晶體管型，有電子保護功能。3.3.4模擬量輸入模塊模擬量變送器：生產過程中有大量的連續變化的模擬量需要用PLC來測量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量、液位、物體的成分（例如氣體中的含氧量）和頻率等。有的是強電電量，例如發電機組的電流、電壓、有功功率和無功功率、功率因素等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉換為標準的直流電流或直流電壓信號，例如DC010V和420mA。SM331模擬量輸入模塊的基本結構：模擬量輸

46、入模塊用于將模擬量信號轉換為CPU內部處理用的數字信號，其主要組成部分是A/D（Analog/Digit）轉換器。SM331也可以直接連接不帶附加放大器的溫度傳感器（熱電偶或熱電阻），這樣可以省去溫度變送器，不但節約了硬件成本，控制系統的結構也更加緊湊。3.3.5模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊的基本結構：S7-300的模擬量輸出模塊SM332用于將CPU送給的數字信號轉換為成比例的電流信號或電壓信號，對執行機構進行調節或控制，其主要組成部分是D/A轉換器。模擬量輸出模塊的技術參數：SM332的4種模擬量輸出參數均有診斷功能，用紅色LED指示故障，可以讀取診斷信息。額定負載電壓均為DC24V。模塊

47、與背板總線有光隔離，使用屏蔽電纜時最大距離為200m。都有短路保護，短路電流最大25mA,最大開路電壓18V。3.4溫度傳感器溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發，應用最廣的一類傳感器。根據美國儀器學會的調查，1990年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初伽利略發明溫度計開始，人們開始利用溫度進行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學家賽貝發明的，這就是后來的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國人西門子發明了鉑電阻溫度計。在半導體技術的支持下，本世紀相繼開發了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳

48、感器。與之相應，根據波與物質的相互作用規律，相繼開發了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。3.4.1 熱電偶工業熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調節器配套使用，它可以直接測量各種生產過程中不同范圍的溫度。若配接輸出4-20mA、0-10V等標準電流、電壓信號的溫度變送器，使用更加方便、可靠。對于實驗室等短距離的應用場合，可以直接把熱電偶信號引入PLC進行測量。熱電偶的工作原理是,兩種不同成份的導體,兩端經焊接，形成回路，直接測量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當熱端和冷端存在溫差時，就會在回路里產生熱電流，這種現象稱為熱電效應

49、；接上顯示儀表，儀表上就會指示所產生的熱電動勢的對應溫度值，電動勢隨溫度升高而增長。熱電動勢的大小只和熱電偶的材質以及兩端的溫度有關，而和熱電偶的長短粗細無關。根據使用場合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。裝配式熱電偶由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強等特點，適宜安裝在裝配式熱電偶無法安裝的場合，它的外保護管采用不同材料的不銹鋼管，可適合不同使用溫度的需要，內部充滿高密度氧化絕緣體物質，非常適合于環境惡劣的場合。隔爆式熱電偶通常應用于生產現場伴有各種易燃、易爆等化學氣體

50、的場合，如果使用普通熱電偶極易引起氣體爆炸，則在這種場合必須使用隔爆熱電偶。熱電偶傳感器有自己的優點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關，用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件有極高的響應速度，可以測量快速變化的過程，如燃燒和爆炸過程等。對一般的工業應用來說，為了保護感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護套里面，外觀就顯得笨大，對于溫度場的反應也就遲緩得多。使用熱電偶的時候，必須消除環境溫度的波動對測量帶

51、來的影響。有的把它的自由端放在不變的溫度場中，有的使用冷端補償器抵消這種影響。當測量點遠離儀表時，還需要使用熱電勢率和熱電偶相近的導線來傳輸信號，這種導線稱為補償導線。 3.4.2 熱電阻熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度測量元件。熱電阻是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。當電阻值變化時，二次儀表便顯示出電阻值所對應的溫度值。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的。鉑熱電阻根據使用場合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調節儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們

52、提供精確的輸入值。若做成一體化溫度變送器，可輸出4-20mA標準電流信號或0-10V標準電壓信號，使用起來更為方便。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅。此外，現在已開始采用鉻、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。根據使用場合的不同，熱電阻也有鎧裝式熱電阻、裝配式熱電阻、隔爆式熱電阻等種類，與熱電偶類似。鉑電阻的工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關系即分度特性符合IEC標準。分度號Pt100的含義為在0時的名義電阻值為100，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。此外還有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等鉑熱電阻，Cu50、Cu100的銅

53、熱電阻等。本設計選用鎳鉻-鎳硅N型熱電偶。 3.5固態繼電器3.5.1 概述 固態繼電器（Solid State Relay，簡稱SSR）與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質上相同的功能。SSR是一種全部由固態電子元件組成的無觸點開關元件，他利用電子元器件的點，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應管，單項可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。它是一種四端有源器件，其中兩端為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端，如圖3-3所示。    

54、0;    圖3-3 固態繼電器模塊示意圖   當輸入端有控制信號，輸出端從關斷狀態變為導通狀態；控制信號撤消后，輸出端變為關斷狀態，從而實現自動控制的用途。    固態繼電器的輸入端、輸出端之間采用光電隔離技術，使得弱電和強電隔離，因此從計算機等弱電設備輸出的信號可以直接加在固態繼電器的控制端上，無需另外的保護電路。3.5.2 固態繼電器的組成 固態繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還

55、具有與TTL/CMOS兼容，正負邏輯控制和反相等功能。固態繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應管。 3.5.3 固態繼電器的優缺點 3.5.3.1 固態繼電器的優點 （1）高壽命，高可靠:SSR沒有機械零部件，由固體器件完成觸點功能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環境下工作，由于組成固態繼電器的元器件的固有特性，決定了固態繼電器的壽命長，可靠性高。 （2）靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好:固態繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅動功率低，可與大多數邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅動器。 （3）快速轉換:固態繼電器因為采用固體器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微秒。 （4）電磁干擾小:固態繼電器沒有輸入"線圈"，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數交流輸出固態繼電器是一個零電壓開關，