基于PLC和触摸屏的电加热水浴温度控制系统设计

基于PLC和触摸屏的电加热水浴温度控
制系统设计
摘要：温度控制系统是大部分制造业生产过程中不可或缺的一部分。

由于一
些简单的温度控制系统的精确度较低，因此其控制效果不佳。

PLC技术的出现大
大改善了传统温度控制系统的不足，它具有可靠性极强、操作简单易行的特点。

通过将PLC和触摸屏有机地融入到一个温度控制系统中，不仅可以充分展现PLC
的可靠性优势，也可以展现触摸屏便捷性的优势，进而大大提高了温度控制系统
的总体效率。

通过结合PLC技术与触摸屏技术，继而开发出一套先进的智能化电
加热水浴温度控制系统。

这个系统使用了S7200PLC作为控制器，并使用了
Smart1000触摸屏来提供人机交互界面。

该系统使用了数字PID控制算法，具有
自动调整功能，可以通过触摸屏进行灵活调整。

经过实践证明，这种控制系统具
有易于使用、操作简单、稳定性强、控制准确性高的特点，能够有效地满足化学
反应室中水浴实验的要求。

关键词：可编程控制器；触摸屏；PID自整定；温度控制
在化学实验中，水浴装置得以广泛使用，对于需要用到这一装置的化工实验
而言，其关键在于需要精确地调节温度。

PID控制算法因其具有简洁的结构和出
色的鲁棒性，已成为控制方面中最受青睐的算法之一。

然而，PID控制中的比例、积分和微分3个参数共同作用，使得人工整定一组理想参数变得复杂而且具有一
定的挑战性。

1984年，K.J.Astrom和T.Hagglund提出了一种新的延时反馈自整
定算法，并通过二十年的实践探索，这种算法被广泛应用于工业控制的各个领域，以自动整定PID参数。

近年来，西门子S7200PLC的PID指令集成了上述的自整
定算法，为了更好地控制温度，经过许多科研人员的努力，开发出了一种基于
PIC和上位机的温控系统，但是在进行操作时对上位机的依赖性较强。

基于此，
本文特提出了一种无需依赖上位机、编程软件的温控系统。

一、温控系统硬件架构
这个系统由一系列高性能的部件组成，包括S7—200PIC、Smart1000触摸屏、PAC15P调压板、可控硅功率元件、500W电加热套和PT100热电阻。

S7—200PIC是系统的主要控制器，它能够自整定PID算法，并且Smart1000
触摸屏提供了一个便捷的HMI，用户可以在这里调整PID的参数，开启或者是取
消PID的自整定，调整控制温度，查看当前的温度变化情况，并且还能够跟踪实
时的温度变化趋势。

此外，PT100和EM231RTD是用于测量反馈的重要部件，它们
能够提供准确的反馈信息，从而使得整个系统更加稳定、高效。

通过测量当前变量，将数据传递给控制器，控制器可以根据4~20mA的电流输出，来控制调压板、可控硅功率器件以及电加热套的加热电压，从而实现影响被控温度变量的目的。

（一）PLC控制器
温度控制系统对于大部分制造业而言都不陌生。

由于一些简单的温度控制系
统缺乏精确性，使得其在实际应用中无法达到理想的效果。

随着PLC技术的发展，传统的温度控制系统已经无法满足当今的需求，而PLC凭借其高可靠性和便捷的
操作继而成为一种理想的选择。

通过将PLC和触摸屏有机地融入到温度控制系统中，能够促使二者的优势得以充分展现，进而大大提高了温度控制系统的总体效率。

这个控制系统所用的主控制器为西门子S7—20OPIC（CPU226），之所以选择它，是因为其具有紧凑的结构，强大的功能，低廉的价格和良好的可扩展性。

这
款PLC主机拥有24路DI/16路DO，而且还具备了便于扩展的AI/AO模块，能够
轻松地收集和控制各种模拟量。

采用Step7-Micro/WinV4.0SP6编制梯形图，将
其下载到PLC中，就能够断开与上位机的连接，无需依赖于上位机或者编程软件。

通过将PT100铂热电阻封装在金属套管中，并加入有效的隔热材料，以及借
助于四线制接法，有效地将其与西门子EM231热电阻扩展模块相连接，从而在合
理规避导线电阻影响的前提下做好温度采集工作。

EM231通过接收PT100所采集
的温度模拟信息，并将其传输至PLC，继而完成模数转换。

自动化控温的实施。

随着科技的发展，现代工业制造中的温度控制已经变得
越来越简单易行，从而大大降低了人们的劳动强度和控制成本。

即便如此，许多
制造商仍然倾向于采用传统的手动控制方式，之所以会产生这一现象，主要是由
于自动化控温缺乏稳定性，这一缺陷也易于导致产品发生质量问题。

PID控制器
的自动整定功能可以有效地解决温度控制稳定性差的问题，它可以实现比例-积
分-微分的自整定，从而有效维持温度在整个生产过程中的稳定性，使其达到预
期的温度控制要求。

为了确保PID控制器的温度稳定性，可以通过启用自动调整功能来控制它的
运行。

首先，可以打开自整定功能，并根据实际情况调节相关的参数。

通过这种
方式，我们可以让PID整定实现自动化要求。

当需要自动整定时，可以通过打开
对应的选项，PID控制器将根据设定的参数P、1、D，自动调节温度，从而达到
控制温度的目的。

通过使用PID控制器进行参数整定，可以有效控制温度，进而提高制造效率，提升生产质量，并且有效地维护制造流程的标准化。

借助于PID控制器实施参数
整定工作时，可采用的方法主要为两类。

首先讲到的第一种是通过理论计算来加
以整定。

理论计算整定法旨在构建一个精确的数学模型，从而设定各种参量，从
而有效地控制和调整系统的性能，达到最佳的整定效果。

采用这种参数整定的方式，可能会导致模拟结果与实际情况之间的差距较大。

当使用这种整定技术时，
必须根据具体情况灵活地调整参数，以确保不会因单靠理论而导致偏差过大问题
的产生，从而影响到生产流程的正常运转。

其次要讲到的是工程整定方法。

通过
实验，工程整定法利用专业的经验来完成参数的整定工作。

也就是说，在开始整
定参数之前，应该先通过模拟实验来研究实际情况，并根据实验结果来确定最佳
的参数调整方案。

通过采用这种方法，我们可以根据实际情况对参数进行精确的
调整，从而使其更加符合实际环境的要求。

不同的参数调整方法均有其独特之处，因此，在实际控制温度时，应根据实际情况选择最合适的参数整定方法，以确保
最终操作的结果具有准确性和可靠性。

PLC通过PID计算获取的控制量输出，将其转换为0~1区间的实数，然后再
将其转换为6400~32000的整数，最终将其发送到EM232模拟量输出扩展模块，
以实现对控制量的有效调节。

借助于EM232展开数模转换工作，可以将其转为电
流（4~20mA），并传输至单相晶闸管调压器和功率器件可控硅，控制电加热套的
加热电压，以达到控制水浴装置温度的目的。

（二）触摸屏HMI
通过将PLC和触摸屏相结合，继而创建出了一个高效的温度控制系统，这样
可以更加方便地操作，提高工作效率。

通过利用触摸屏技术，操作者可以轻松地
整定温度参数，查看实时的温度变化，并且能够轻松地完成各种温度控制操作，
这样不仅提高了操作效率，而且更加便捷。

在选择触摸屏时，应当综合考虑使用
场景、操作者技术水准和其他因素，从而确保触摸屏的可靠性、可持续性。

首先，为了获得最佳的操作体验，触摸屏的尺寸必须符合要求。

触摸屏的尺寸对于操作
过程而言至关重要，如果尺寸过小，可能会导致误操作，并且还会使得显示出来
的数字变得过小，在复杂的制造环境中容易出现错误，从而造成无谓的损失。

使
用过大的触摸屏可能会导致操作困难的问题发生，所以应该选择合适的触摸屏。

此外，为了提高操作的灵活性，建议使用更加灵敏的触摸屏。

由于灵敏度较低的
触摸屏可能会出现故障，从而影响参数设置的准确性，因此，最好选择具备高灵
敏度的触摸屏。

再者，选择优质的触摸屏是非常重要的。

优质的触摸屏可以在复
杂的电力环境中稳定运行，而且它们所显示的数据更加清晰，出现故障的可能性
也更低。

最后，为了获得更好的体验，建议使用具备USB接口、可以实现数据输
入输出的触摸屏。

如此一来，便可以更加便捷地设置和记录各项参数，有效规避
了人工记录易于出现错误的情况发生。

这个控制系统使用了西门子Smart1000智
能触摸屏HMI，它可以帮助我们更好地进行工业控制。

随着技术的进步，该触摸
屏已被广泛应用于各种化工过程，如化学反应器监测，并且取得了显著的成果。

此外，它还被广泛应用于工业和农业等领域。

Smart1000是一款拥有出色的清晰度的触控屏，它拥有PPI通信协议，使得
它与S7—200之间的连接可以展现出快速、稳定的优势，并且拥有极快的通信速度，最高可达187.5Kbit/s，是一款非常理想的小型自动化解决方案。

这款触摸
屏拥有出色的性能表现、高速外部总线和64MDDR的大容量内存。

除此之外，其
还具备可靠的电源设计，还配备了24V电子自恢复反接保护，以防止由于错误的
连接方式造成产品故障。

二、PLC编程
使用Micro/Win编写梯形图程序，以便有效满足PLC的需求。

通过PID指令，可以开始构建一个中断子程序。

该程序可以自动生成一个长度为120Byte的回路表，其中VB0~VB35包含了PID算法的九个关键参数，如过程变量PVn、设置数值SPn、输出Mn、增益Kc等。

VB36~VB79是一种用于自动整定PID的电机，VB36、VB40、VB41分别代表回路表ID、AT控制、AT状态和AT结果。

VB80~VBl19提供
了足够的计算存储空间以便满足需求。

通过自定义梯形图程序，可以将P作为转换后的变量值，将它与HMI相结合，以便更加直观地展现当前的实时温度；SP是一个设定参数，它可以接收触摸屏上
输入的所需温度；PID_Gain，PID_I_Time，PID_D_Time分别为增益、积分时间和
微分时间，用于接收触摸屏参数设定，并传递至PID指令回路表；PID自整定为
布尔变量，用于人工控制PID自整定的启动与停止。

在PID指令被激活并被自定义相关参数之后，就可以开始绘制梯形图了。

程
序主要由以下模块组成：
（1）通过使用过程变量值转换模块，我们可以将EM231RTD测得的数据转化
为真实的温度，并通过HMI进行显示。

（2）通过PID参数传递模块，HMI可以实现将人为输入的PID参数传递至
PID指令。

（3）PID执行模块执行一系列运算，将计算结果输出至EM232的AQW0，以
实现对系统的控制和调节。

（4）通过启动或取消自整定模块，可以接收HMI指令，从而实现自整定算
法的运行。

（5）初始化，在开始自整定之前，应该先将AT状态和相关结果彻底清空，
以确保模块的正常运行。

（6）通过自整定输出模块，继而可以将自整定的增益、积分时间和微分时
间传递至PID算法。

三、触摸屏组态
SIMATICwinCCFlexible2008是一款人机界面组态软件，它可以轻松组态Smart1000触摸屏，WinCCFlexible具备优良的开放性、灵活性以及强大的组态功能，可以实现图形界面的管理、报警、归档、报表、配方管理等多种功能，为实际工作的开展提供了更加便捷的服务。

首先，创建一个新的项目，将设备类型设置为“SmartLine—Smart1000”。

借助于“通信一连接”定进行相关定义，同时还需要实现HMI以及S7—200PIC二者之间的相连。

借助于“通信一变量”加以定义，其所定义的变量具体指的是能够和PLC进行交互的变量，这类数据的类型及其所对应的地址都必须与PLC的相关元件保持一致。

（1）在组态主画面时，应将其划分为三个部分：系统状态监控、系统设定以及自整定。

（2）通过组态实时趋势曲线图，可以更好地捕捉SP和PV的变化趋势，从而更有效地组态实时趋势图像。

四、实验应用
在将梯形图编制完成后，需将其下载到PLC和安装的相应的组态程序，继而继而传至触摸屏，将PLC和触摸屏连接起来，同时，还可以根据系统的框架，将其它相关的硬件也进行对应性的连接，从而实现整个系统的构建。

将控制温度调节至30℃，调节增益为5，调节积分时间至20min，调节微分时间至0，当所有过程变量的值都接近或者达到预期设定值，并保持相对稳定的状态时，即可通过触摸屏开启自整定。

通过使用延迟反馈算法，我们可以自动调整一组推荐参数，增益为10.1，积分时间为22.3min，微分时间为0。

采用经过自整定的推荐参数设置，有效地控制温度，其稳态精度达到0.2℃，从而满足实际需求。

总结
通过将PLC和触摸屏HMI融为一体，在此基础上开发出一套新型的电加热智能水浴温度控制系统，该系统采用触摸屏操作，无需上位机编程，也不需要PID
调谐面板，操作简单，界面友好，而且在空间和成本上具有极大的优势。

通过使用HMI，可以调节控制温度，手动调节PID参数，并观察温度变化。

参考文献：
[1]刘金茂,李文,唐雅媛,等.基于S7-200PLC恒压供水控制系统设计[J].机电工程技术.2021,(2).
[2]淮文军,沈炜栋,吴伟伟,等.基于TIA和PLC的变频恒压供水自动控制系统设计[J].工业控制计算机.2021,(5).
[3]陈经艳.基于PLC和触摸屏的变频恒压供水控制系统设计[J].软
件.2022,43(3).
[4]刘震宇.基于关联规则与PLC的同步电机高精度转角自适应控制方法[J].电机与控制应用.2021,(9).。