摘要
电加热炉是典型的工业过程控制对象，在各个领域中均有着优秀的实际意义。电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。采用单回路控制通常会产生预算与结果差异严重等后果。加热炉通过加热电阻丝来完成加热及保温工作，所以温度超调则无法进行人为的降温仅可使其自然冷却，所以无法准确的建立数学模型，所以选择使用PID算法解决此问题。传统的电加热炉温度控制，通常是通过单片机进行PID控制，但是使用单片机控制DDC系统软硬件设计十分困难，并且通过分析与论证发现在进行逻辑控制时效果相对于其他设备明显较差，然而随着PLC功能趋近成熟，许多PLC控制器中都增加了PID控制功能，所以在逻辑控制与PID控制同时使用时，选择PLC控制器进行控制效果较佳。本设计通过对整个温度控制系统的研究与分析，决定以PLC为控制器，以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，构成锅炉温度串级控制系统，然后通过PID算法进行运算，使用梯形图编程语言进行编程，从而实现电加热炉的温度控制，并在不改变传统的温度控制系统关键功能的前提下进行了改进，从而简单化电路结构使其更容易实现对水温的控制的目的。
关键词：电加热炉；温度控制系统；PID算法；PLC
1绪论
1.1课题研究背景及意义
在工业生产过程中，需要对系统压力、温度等参数进行有效地跟踪控制。其中，温度控制系统的重要性不言而喻，温度控制可分为测温和控温两方面。温度测量技术经过不断发展已经相对成熟；对于温度控制技术，被控对象具有多样性以及复杂性，所以无法有效的对温度进行控制，随着其本身不断发展，不断完善，促使了温度控制系统的迅速发展。电加热炉已被广泛应用于玻璃制造、金属冶炼等需要对温度进行精确控制的工业行业中，所以可对温度进行精确控制的电加热炉温度控制系统在工业中是不可或缺的。电能作为人类赖以生存的重要能源之一，在许多工厂的生产过程中，电加热炉所消耗的电能可占据所有电能消耗的七成以上。电加热炉的能源损失较大且无法大幅度提高节能效果亦是难以解决的问题。所以一种可以有效提高温度控制效果且能源损失较小的电加热炉温度控制有着重大的实际意义。
1.2温度控制系统介绍
单片机凭借着重量轻，耗费物资低，作用范围广泛以及具有很高的精准率等优点应用在不少领域，且可应用于大部分的环境中。单片机随着社会对控制要求的升高，性能方面有着不小的提高，使用单片机的温度控制系统通常不会存在系统崩溃的情况，且稳定性高、成本低、效果优秀。但是与其他同类型设备相比之下，单片机返回所需内容程序的速度不够快、中断源也不够多，只能应用在简单的，要求较低的系统中。IPC在运行时十分稳定、支持的应用很多、成本也比较低，在工厂中越来越受欢迎。并且IPC可以在多种工作环境下作业，减震效果好、十分耐热、密闭性良好、不会受其他外界磁场干扰。以前的工业用炉膛基本上是用人与机器合作进行操作，得到预想的结果十分困难，较为精确的模型不容易构建，运用传统的PID仪器控制，效果较差。但是计算机功能较多具有数据整理分析等许多运算方法，还有“关键字搜索”等常用功能，是普通设备和人工不容易实现的。在工厂炉膛温度控制过程中应用能够提高把控精度，使平均发热转换能力得到提升。若直接选择工控机为控制系统效果不佳。DCS是一种新式操作系统，与普通设备相比拥有着可靠的控制能力、工作的稳定高等优点。DCS最大的优点是信息传递，即数据链路是DCS的重中之重。因为其首要工作是将机器中每个部分中建立数据传输路径，所以机器整体的便捷性和稳定性取决于数据的性能。因为DCS有着各种特点，使得操作工人的现场使用难度降低，从而达到提高系统性能的目的。不过DCS本身因其中一些必备但实用性不大的部件如控制器以及随时断电接电等要求导致价格较高。FCS是将多样技术手段集一身的系统，其本身具有可联网等优点。基于FCS对温度把控上有着数据精确，操作方便等特色，FCS系统因其具有信息处理现场化前提，并且不需提前准备而进行数据转换、把控、发出警报等工作。它还能够对场地中的设备进行远程测试、修复等工作，并且这是除FCS以外其他系统无法实现的。不过，FCS技术并不完善，该技术仍然在试用阶段，而且现场总线的评定规则有许多种，也在一定程度上限制了FCS在工业上的推广。现在使用计算机控制进行智能控制已成主流。PLC即是通过计算机控制的设备的一种，它是建立在单片机之上的产品，运用了可修改代码存储器，具有保存各种命令、实现时间记录、数字统计及运算等特点，可通过计算机语言等路径输入输出，从而对每个运行程序进行掌控。PLC使用精度高、十分稳定不容易受到外界因素的影响、编写容易、可以十分方便的被操作者使用，当下，多用于机械金属生产加工过程中。PLC与IPC，DCS，FSC这些系统相对比，PLC耗费成本较低，且相对其他系统更实用。所以PLC在市面流通范围最广，有着较好的应用前景。每个温度控制系统本身具有不同的优劣势，使用者应该根据自身需要挑选合适的配置，也可以在具体使用时选取多种系统的组合，使控制系统更加完善，各个系统取长补短，共同作业，从而得到更加完善的结果。
1.3国内外发展概况
温度控制系统在我国社会日常生活中的使用已经非常普遍，但是与其他技术水平居于领先地位的国家比较仍然在本身性能方面十分悬殊。我国的加热炉常规仪表控制或计算机控制，仍有大量工业单位处于人工经验、单值设定值控制的阶段。完善的设备以“点位”控制和普遍使用的PID控制器当做主要部件。但是其本身只能进行普通温度系统控制，对于需要多变温度且要求精度较高、人工又不能及时调整的温度的控制效果相对较差。一些发达国家在这此方面的进步飞快，在智能化、恶劣环境适应能力、数据处理等许多领域有着不小的突破，例如X、英国、日本、意大利等国家技术水平居于领先。我国虽然对此研究起步较晚，但我国对外销售的温度控制器各个类型的产品性能功能均十分优秀，且适用范围较广，在社会许多工业产业以及日常生活都有它的身影。当下，国内的温度控制系统和仪器仪表正沿着运算精确可靠操作难度低且其本身朝着科技化、小型化等方向迅速进步。
1.4本课题研究的内容意义及章节安排
在此设计中，使用S7-200系列PLC作为此系统的控制核心，PLC相当于整个系统的大脑。系统使用串级控制方案，其中主副控制器以PID算法为基础进行控制，从而达到实时对炉内水温进行控制的目的，且PID算法中的PID参数可人为设定。此设计在外部加入了数显表与指示灯，用来显示加热炉夹套以及内胆的水温，同时实时的监控系统的工作情况。根据以上方法将水温控制在80摄氏度左右并且可以由外部开关手动进行系统的启动以及关闭。除此之外此系统在保证运行正常的情况下，还加入了一系列使用的功能，可以简单化电路结构使其只需重新编写PLC的控制程序即可完成对水温的控制。
章节内容安排如下：
第一章：对研究背景以及几种常见的控制设备进行介绍，并对我国的发展情况以及国外发展情况进行对比给出研究内容及论文结构。
第二章：确定了系统的总体方案及PID算法方案。
第三章：对系统的硬件模块进行介绍、选型与接线设计。
第四章：对系统软件部分进行了设计。
第五章：根据设计结果的优缺点做出结论与展望。
2加热炉控制系统的总体方案与PID算法方案
2.1总体方案的设计
方案设计分为硬件及软件两部分：硬件部分设计方案，其主要包括部分硬件，如开关、加热装置、数显表等。软件部分设计方案，其主要以PLC为基础，配合上部分可实现控制的电路组成。
2.1.1硬件模块的设计
在此篇论文中温度控制系统由六个小方面构成，其构成图如图2.1所示：
图2.1硬件部分构成图
图2.1中主要硬件部分及功能的简要介绍如下：
1.PLC主控系统部分：包括主机、电源、输入输出接口等。
2.温度变送器：将温度信号以可识别的电信号形式输出至PLC。
3.调功器：即可控硅，起调节作用。
4.数显表：即具有数字显示功能的仪表装置。
5.开关按钮：负责系统开始以及停止等。
6.加热炉及加热器：用于加热。
除此之外，此系统中额外加入了可独立控制的触摸屏，从而方便用户操作。
2.1.2软件模块的设计
软件的主要结构与作用的简要介绍如下：
1.主控制器，对夹套温度给定量和夹套温度过程量进行PID运算；
2.副控制器，对内胆温度给定量和内胆温度过程量进行PID运算；
3.温度调功器，通过调节功率改变温度；
4.温度传感器，用于温度采集。
首先计算出有关参数（主副控制器），然后进行PID初始化处理并采集夹套以及内胆的模拟信号即温度信号，并进行信号转换，因温度信号无法被PLC使用，所以将温度信号转换成电信号（0-100MV），再通过扩展模块把所收到的信号转换为能够被PLC使用的数字信号（0-32000）[5]。数字信号转换完成后进行变换，变换为0或1的过程形参。最后将之前所测的夹套温度给定量以及过程量输入主控制器，并且通过PID算法算出的数值当成副控制器的给定量，和内胆温度的过程量一同输入给副控制器，同理通过PID算法得到的数值经过模块EM235变成0-5V的控制信号输入至温度功率调节器中，在此同时对其开始内部检测，形成双闭合回路，最终实现改变炉内电压的目的，从而对水温进行调节。
2.1.3温度控制系统图的确定
第一步：信号采集，由温度传感器采集水的模拟信号即温度信号；
第二步：信号转换，因温度信号无法被PLC识别，所以将温度信号转换成电信号然后通过EM235扩展模块再次进行转换，得到数字信号；
第三步：进行变换，变化为0或1的过程形参；
第四步：对比反馈，将水温的给定量与反馈量进行比较，得到二者的误差，通过PID算法，得到新的输出量并将其作为新的给定量，再次对比反馈得到新的误差，最后再次通过PID算法得到新的输出量；
第五步：控制电压，将新的输出量作为功率调节器的输入量，从而控制电压输出效率，实现改变炉内电压的目的，从而对水温进行控制。
其结构如图2.2所示。
图2.2系统结构图
根据上述的基础通过结合控制系统的基本功能要求，对控制系统框图进行了绘制，如下图2.3所示：
图2.3温度控制系统的框图
2.2 PID控制算法
常见的算法如随机最优控制、模糊PID控制、自适应控制等算法较为深奥，所以无法大范围使用所以选择PID算法进行设计。
2.2.1 PID控制算法介绍
此论文使用的PID算法具有控制效果好、结构简单等优点，以举例的方式对其进行说明。需针对以下三方面问题进行解决。一是因为外界因素机器人实际的行走速度并不稳定，二是需要让机器人以最短的时间达到设定的速度，三是此时的控制需为闭环控制。若机器人行走速度的提升过程为线性过程，只需使用P控制即可，比如在PWM=40%，速度确定在3m/s，需要目标速度达到6m/s，只需要将PWM调至80%即可。但实际上因为外界因素，机器人行走速度的提升过程中，并不是均匀加速的即是非线性的。所以这个过程需要一种速度快且可靠性高的算法来调节，这种情况便展现了PID算法的作用。接下来简单介绍以下PID算法，PID控制是在上个世纪30-40年代最初被应用在船舶自动舵上。现今在工程应用中，因为各种因素，必然存在误差，PID算法实际上为按照误差的比例、积分、微分经过计算从而调整输入输出。依照上文的机器人行走例子对PID进行举例说明：
1.比例控制即P控制，相当于控制机器人行走到50m处，机器人行走到47m或53m停止，多出来少出来的三步即为误差，控制器的输出和误差成比例，也即为输出存在着稳态误差。
2.PI积分控制即机器人走到47m后继续向前走，走到53m处，接着走到48m，再次回头走到51m处，来来回回最终到达50m处。稳态误差就是最终走到了49m处停止。积分项和误差之间关系由时间决定，随着时间不断流逝，积分项也不断变大，从而调整控制器输出使稳态误差不断降低。PI控制可以在设备达到稳态后最小化稳态误差或无稳态误差。
3.PD积分控制即机器人行走到53m处，缓慢向着50m处移动，最终准确的停在50m处，即为无静差控制，若是最终处于49m处则是有静差控制。PD控制可以抑制误差控制为零或者为负值，这种方法可以有效以用于降低超调现象较大等特定地方。所以对于以滞后的被控对象来说，这种方法可以有效优化控制中动态特性。
2.2.2 PID控制算法的设计
PID系统结构框图如图2.4所示，系统由被控对象及PID控制器构成。
图2.4闭环控制系统结构框图
2.2.3 PID参数整定
PID参数整定在整个系统的流程中极为关键，整定的方法各式各样，可分成以下两种方式：方式1：通过计算来整定参数，首先需要建立数学模型且这一步骤具有一定难度，然后根据已知数据通过计算得出参数，这个步骤中的数据并不好获得，且不一定适用，有时甚至需要经过各种方法运算才可使用，确定参数后还需要进行工程实践来做出最终的整改。方式2：通过经验直接测试系统，相对第一种的理论计算较为适用，但是也更依赖工程经验。整定方法中最常见的就是临界比例法，这种方法与大部分整定法虽原理与功效不同，但均是在进行试验后，通过经验法确定整定的参数。在整定结束后还有一步至关重要，需要通过最后的实际运行来调整，从而使结果更加精确。临界比例法的整定步骤如下：首先使系统运行预选段采样周期，采样周期较短为宜，然后加入环节P，对放大系数以及临界震荡周期进行保存及分析，最后一步是根据算法公式得到其准确参数。
3系统硬件设计
3.1可编程控制器
PLC具有众多优点，现在已经被应用在各个领域，例如在生活中的电梯，家庭中的电冰箱、洗衣机，十字路口的红绿灯，工业上的供水、供电、锅炉、制造业、建筑业甚至娱乐等各个行业中。
3.1.1 PLC定义
PLC即可编程控制器是应用于工业中的电子系统。PLC是以计算机编程为核心的一种较为新颖高效的控制设备，使用可编程的存储器，其作用包括定时、计数、运算等，并根据对数模转换以及I/O进行控制，可以将达到对生产过程控制作用的PLC作为一种控制电路，也可以将其当做根据硬件紧密结合的编程方法。所谓最好的进步方式，就是在摸索中进步，PLC的发展经历亦是如此，在生产过程中包含许多开关量顺序控制，根据逻辑条件进行以顺序为主的工作方式，具有可以根据逻辑关系对其进行连锁保护的作用，并且在采集数据过程中效果优异。在PLC等技术尚未成熟时，均通过蒸汽或其他复杂且效率较低的传统方式来达到控制要求。开关量的逻辑控制是PLC较为常见，使用较多的一种，可以用于单个或多个设备系统以及自动化流水线的调控。现在已经被应用在如包装，注塑机等地方，开关量的逻辑控制相对于继电器电路更为可靠方便，并且现已逐渐取代了继电器电路。现今PLC已经被应用在各个领域，比如在生活中的电梯，家庭中的电冰箱、洗衣机，十字路口的红绿灯，工业上的恒压供水、节能供电、锅炉参数、制造业、建筑业甚至娱乐等各个行业中。
3.1.2 PLC控制方式
PLC控制方式一般可分为以下四种。
（1）开关量的逻辑控制
开关量的逻辑控制是PLC较为常见，使用较多的一种，可以用于单个或多个设备系统以及自动化流水线的调控。开关量的逻辑控制相对于继电器电路更为可靠方便，并且现在已经逐渐取代了继电器电路。
（2）过程控制
过程控制的意义为对模拟量以闭环方式进行控制，例如电加热炉中的温度，压力炉中的压力，供水厂的液位等。因为PLC是应用在工业中的控制设备，它必须具备能够适应多种类的工作方式，所以PLC有着可以对多种算法程序进行编程的功能从而完成闭环控制。PID控制是最常见的几种控制调节方式之一，许多小型PLC中都加入这此功能，其他PLC中更是几乎都拥有这项功能模块。PID处理通常是通过16路的PID子程序进行工作。过程控制应用广泛，在能源行业，建筑行业，生产行业、等众多行业都起着非常关键的作用。
（3）运动控制
在PLC的制造公司中通常会带有运动控制功能，说明了运动控制功能在生活或工业生产中的广泛应用，例如电梯，机器人等方向。从另一个方面来看，控制机构配置在之前是直接使用在开关量的逻辑控制以及数据输入输出的模块上，与传感器和执行设备相连。
（4）模拟量控制
在生活和工业过程中，存在一种持续改变的量，例如电加热炉中的温度，压力炉中的压力，供水设备的液位等，被称之为模拟量。但是PLC无法识别出模拟量，必须进行数模或者模数转换才可以被识别。模拟量英文为Analog，数字量英文为Digital，故此数模转换被缩写为D/A转换，模数转换可被缩写成A/D转换。数模转化和模数转换这两种模块较为常见，一般由PLC的生产商配套的出售，使PLC可以应用在对模拟量的控制上。
3.1.3 PLC的组成
PLC的硬件由CPU、I/O单元、通信单元等所构成，其中CPU是PLC的核心及大脑，I/O单元是将其与CPU相接的单元，通信接口用于和外设单元相接入。根据结构的不同，可以将PLC分为以下两种：一种为整体式PLC，这种PLC一般为单独使用且大部分为小型PLC，此设计中使用的S7-200就是整体式PLC，组成框图如图3.1所示。这种PLC将CPU输入输出单元以及其他部分等放置并固定在标准机箱中。另一种为模块式PLC，例如常见的S7-300，这种PLC是通过将各个单元插在底板的插座上，这种PLC更便于扩展，可以进行灵活的配置，一般使用于大中型PLC中。
图3.1 PLC组成框图
（1）中央处理单元（CPU）
CPU是PLC中最关键的结构，每台PLC中，至少包括一个CPU且以CPU为基础决定控制规模大小，运行快慢等，其常见型号如下：第一种为通用微处理器，它在CPU中是最常见最常用之一，CPU从英特尔公司8086CPU到奔腾系列CPU都是采用这种处理器。
第二种为单片微处理器，也就是人们常说的单片机比如英特尔公司的MCS51系列其中包括8051、8052、8032等,也是非常常见的型号。第三种为速度快的位片式微处理器，这种处理器速度快，但他集成度不高，成本不低，但是因为不断改进下，且易于流水线操作，也成了CPU的主流选择。下面对大、中、小型的PLC中CPU分别进行介绍说明：大型PLC通常会使用上述的第三种CPU，且通常含有两个或两个以上的CPU。对于大型的PLC来说，其中一个CPU用来实现位处理器的工作，此CPU通常为生产公司所设计的CPU，可以提升PLC的运行速度，更好的控制被控目标，另一个CPU通常为8/16位的，用来完成字处理器的工作；中型PLC，大部分与大型PLC相差不多，使用上述第二种和第三种的16位CPU且通常含有两个或两个以上的CPU，两个CPU的功能于大型CPU相近，所以在此不多做介绍；小型PLC，就小型PLC而言通常使用上述第一种和第二种的8位CPU，且为只包括有一个CPU。
（2）存储器
存储器的功能就是记录并保存数据及程序，具体将在下述介绍中进行说明。系统存储器的功能就是存储PLC自带的程序，这种自带的程序无法由使用者修改，决定了PLC的基本功能，并且PLC自带的程序优秀与否对PLC的性能有着较大的影响。用户存储器的功能是存储用户通过使用个人计算机或者智能编辑器等额外编写的应用程序，当用户完成程序应用的编写后，将会被存储在通常使用16位/字来表示存储器EPROM中。数据存储器的功能是存储PLC工作时产生的数据与结果，例如预设值，当前值等，并且所产生的数据通常是不断变化的，故无需一直保存，所以其使用断电就会将数据清空的RAM存储器。
（3）输入/输出单元
输入/输出单元就是我们常说的I/O单元，PLC将获得的数据通过转换处理编程PLC可用的数据信号，或者将向外部输入的信号转换从而调节控制对象，总的说就是起到数据信息的转换与交换的作用。
（4）通信接口
通信接口是指外部的子系统（打印机，电脑等设备）与PLC的CPU相连接从而实现通讯且进行数据交换的接口，PLC一般自带通信接口，例如最常见的最主流的RS-232，RS-422，通过RS-422改进的RS-485。以打印机为例，当连接打印机时，可以打印下系统的各种数据以及各种信息。
（5）智能接口模块
智能接口模块相当于系统所需要的功能的扩展，它不需要与主PLC共同工作，因为有着自身的处理器，只需使用主PLC通过总线将周期数据发送至智能模块，并且进行综合处理即可。比如EM231测温模块，它是数据测量功能模块的特殊形式，使用人员可以直接在此模块查看温度。除了这些，还有一些较为常见计数器模块算法等控制模块等。
（6）编程装置
编程设备的功能在下述介绍中说明：现今选择个人计算机作为编程设备的较多，因为个人计算机的功能较多，既可以进行多种语言的编程，又能够进行数据分析，连接打印机即可以进行数据信息打印；不仅如此，选择使用各种软件将其所得到的结果通过仿真来进行调整。本设计中选择的S7-200的STEP7-Micro/WIN作为编程软件，可以直接在电脑上运行，即可以做到编程又可以进行调试，并且有着交换数据等众多功能。除个人计算机以外，还有以下几种：
1.专业计算机，可以用于高级语言的编程；
2.智能编辑器，可以使用梯形图进行编程，所以编程较为直观但是操作复杂，售价也不低，也是常见的编程设备；
3.简易编程器，除了个别简易编程器如Toshiba的EX系列，仅仅可以进行最简单的编辑，但是其价格低廉，方便携带也是不错的编程设备。
（7）电源
在PLC的内部是自带电源的，无自带电源的一般可直接使用工业电源。自带电源的功能是为其内部电路提供电能支持。PLC内部自带的电源无论是在稳定性上还是在抗干扰能力上都比外部电源更加优。部分PLC内部自带的电源甚至可以向外部的传感器等系统供电，（可以提供稳定在24V的直流电）。除此之外PLC内部自带的电源对电网供电要求较低，电网供电允许误差在15%以内。
3.1.4 PLC的选型及硬件配备
通过上述特点，可以得到以下结果，即使不使用大型以及中型PLC，也可以完成要求，西门子S7-200系列工作能力超过同级别的小型PLC，并且从成本上来说也不高于其他种类的PLC。S7-200一类PLC可以完美符合上诉标准，其指令功能强大并且包括着多类型的功能模块，例如常见的输入输出模块，解决了模拟量的问题，相对其他小型系列PLC更优秀，并且他的系统集成并不复杂，可以使用三种语言来进行编程，所以它更方便学习，除此之外多种人机交互界面可以使他更方便上手操作。现在因为S7-200PLC出色的性能已经被大多数人广泛认可，并且得到了大范围的使用。
3.2系统其它硬件介绍及选型
3.2.1温度传感器
温度传感器是17世纪初被设计出用来采集温度并转换成电信号的一种设备，其主要有热电阻传感器以及热电偶传感器两种，随着温度传感器在四五百多年内不断发展现，已相对成熟。热电阻传感器将不同温度以电阻大小的形式显示出来，使用的电阻通常为镍、锰和铑等导体或半导体材料，此类材料会因为温度的不同改变自己的电阻阻值大小。热电偶传感器是最简单的温度传感器，可以将其视为能量转换装置，它通过将热能转换为电能，这种情况被称之热电效应。其适用范围在90℃至130℃之间并且准确度不高，故不适用于高精度的温度测量。在本设计中选择AD590型号的温度传感器，具有价格低、可靠性强、环境适应能力强等特点。温度测量电路如图3.2所示。
图3.2温度测量电路
3.2.2调功器
为满足加热炉的基本要求，此论文中选择镍铬合金作为加热丝，额定电压为220V。故选择220V的单相电源，控制模式选择相位控制。根据控制器关系式可以得到单相电流约为97A，为方便计算，取单相电流为100A。本设计中选用型号为P-1P-220V100A-20的控制器。
3.2.3显示模块
为满足加热炉的基本要求，本文显示模块选择HLP2-39型两线PLC专用数显表，此表通过输出端口接收数据。实物如图3.3所示：
图3.3 HLP2-39数显表
PLC中所有的数据信息均可经子程序通过两个输出端口输出编码至HLP2-39数显表上，其中：主表SDA与PLC中Q0.3相连，其作用为实时显示夹套温度；从表SDA与PLC中Q0.2相连，其作用为实时显示内胆温度；主表与从表的SDA端口接PLC中Q0.4，其作用为接收时钟信号。
3.2.4触摸屏
选择触摸屏的型号为SIEMENS公司的Smart1000。此触摸屏有着优秀的通信能力，通信速率较高，以及分辨率高等优点。并且使用的通信协议为PPI，可以大幅度降低触摸屏与PLC通信所需时间。WinCC Flexible是SIEMENS公司中的HMI软件，此软件功能强大并且具有优秀的开放性及灵活性。用于对人机交互界面进行控制，同时对系统进行监控。在对Smart 1000组态时，应保证采集到的与数据PID参数等数据类型与地址同S7-200相对应。使用界面可划分以下三个部分：
（1）系统状态监测区域，用于显示预设温度以及当前温度；
（2）系统设定区域，用于对PID算法的增益、积分时间、微分时间等参数及预设数据；
（3）自整定区域，用于设置PID自整定。
触摸屏程序组态完成后，使用USB/PPI将电脑与触摸屏连接，然后对传输模式以及传输速率进行设定，就可以实现触摸屏对加热系统的控制。
3.3系统硬件连接方式
以上述为基础结合控制系统的基本功能要求，对其控制系统的接线方式进行了设计，如图3.4所示：
图3.4系统接线图
4系统软件设计
4.1方案设计思路
本文采用S7-200系列PLC，222系列CPU，采用了两个按钮用来控制系统，一个系统运行指示灯用来显示系统的工作情况，主从数显表分别用来显示夹套及内胆的实时温度。为满足温度控制系统基本功能要求，并结合控制系统的整体设计方案，可将软件设计分为以下四个部分：
1.主程序部分；
2.标度变换部分；
3.显示部分；
4.PID运算调节部分。
文中的温度控制系统地址分配如下：
4.2加热炉温度控制系统
主程序流程图的确定温度控制系统的具体实现过程如下：
第一步：信号采集，由传感器得到水温的模拟信号即温度信号；
第二步：信号转换，因为温度信号无法被PLC使用，所以将温度信号转换成电信号，然后由EM235扩展模块把所收到的电信号转换成可以被PLC使用的数字量；
第三步：对比反馈，将水温的给定量与反馈量进行比较，得到二者的误差，通过PID算法，得到新的输出量，并将其作为新给定量再次对比反馈得到新的误差，再次通过PID算法得到新的输出量；
第四步：改变电压，将新的输出量作为功率调节器的输入量，从而改变电压输出效率，实现改变炉内电压的目的，从而对水温进行调整。
主程序流程图如图4.1所示。
图4.1系统主流程图
4.3温度控制系统西门子S7-200程序的实现
以加热炉的基本控制要求为基础，通过对S7-200进行编程，得到了以下满足基本控制要求的设计程序。
4.3.1温度控制系统主程序梯形图及作用
温度控制系统的主程序作用是手动开始或停止系统与完成对子程序的调用。主程序梯形图如图4.2所示。
图4.2主程序梯形图
4.3.2温度控制系统子程序梯形图及作用子程序
（1）标度变换子程序的主要作用如下：
标度变换子程序的主要作用是为方便显示模块显示炉内水温以及CPU的计算，将0~32000的数字信号转换为0~100的温度信号。首先进行信号转换，将温度信号转换为电信号，通过模拟量输入扩展模块再次进行转换，将电压信号转换为数字量信号。
（2）显示模块子程序的主要作用如下：
显示模块子程序的主要作用是用来显示加热炉夹套以及内胆的水温。数据通过标度变换子程序进行处理，得到热炉夹套以及内胆的真实温度值，最后通过显示模块进行显示。
（3）PID初始化子程序的主要作用如下：
首先进行参数初始化，然后调用PID中断程序，设置主控制器的给定量为0.8即控制水温80℃，进行PID运算后，得到所求输出结果，最后完成PID运算，输出模拟量。
总结
本设计通过对整个温度控制系统的了解与学习，以PLC为基础，对设备I/O端子进行新的分配，做出结构图并且进行指令编程，在不改变传统的温度控制系统关键功能的前提下进行了改进。从而实现对温度控制可以简单化电路结构使其更容易实现对水温的控制的目的。此设计，使用了S7-200作为此系统核心，设备整体使用串级控制方案，其中主副控制器以PID算法为基础进行调控，从而达到实时对炉内水温进行控制的目的，且PID算法中的PID参数可人为设定。此设计在外部加入了数显表以及指示灯，用来显示加热炉夹套以及内胆的水温，同时实时的监控系统的工作情况。根据以上布置可将水温控制在80摄氏度左右并且可以由外部开关手动进行系统的启动以及关闭。除此之外此系统在保证运行正常的情况下，还加入了一系列使用的功能，可以简单化电路结构使其更容易实现对水温的控制。此设计虽然可以达到控制要求，但是相对于温控表的控制精度还是有所不如，并且由于温度的反馈环节采用传感器进行温度的采集，且在温度值测量上存在时间严重滞后，使系统的工作能力降低；电加热炉温度存在差值，因此炉内温度在测量点的选取依然具有不足之处。且系统容易产生振荡，超调量大，接下来将会在温度控制系统的这几个方面进行改良。
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