发帖
雷达卡
摘要
本文探讨了可编程逻辑控制器（PLC）在恒温控制领域的实际应用。恒温控制系统中的核心装置——恒温控制器，能够维持被控对象在指定温度点或特定温度区间内的稳定状态。系统主要依赖电路结构与感应元件实现对主体温度的检测与调控，在工业及生活场景中具有重要意义。系统运行过程中，采用铂电阻进行实时温度采集，并将数据传送至PLC模块。PLC对接收到的温度信号与预设值进行比对，通过PID算法处理后，调节双向晶闸管在一个固定周期内的导通与关断时间比例，从而改变加热丝的电流强度和加热时长，最终实现精确的温度控制目标。文中以一个设计实例中的水箱系统为案例，详细说明了PLC在此类控制过程中的工作机理。
关键词：PLC 温度 PID控制 CPU224 EM235
Abstract
This paper explores the practical application of Programmable Logic Controllers (PLC) in constant temperature control systems. The constant temperature controller, as a key component, maintains the temperature of the controlled object at a specific point or within a defined range. It primarily relies on circuits and sensing elements to monitor and adjust temperature, playing a crucial role in both industrial and daily applications. During operation, platinum resistance sensors are used to measure real-time temperature, which is then transmitted to the PLC. The PLC compares the measured value with the preset reference. After processing via PID algorithms, it adjusts the on-off time ratio of a bidirectional thyristor within a fixed cycle, thereby regulating the current and heating duration in the heating element to achieve precise temperature control. Using a designed water tank system as an example, this study elaborates on the operational mechanism of PLC in such environments.
Key words: PLC Temperature PID Control CPU224 EM235
目录
1. 前言 1
1.1 恒温系统应用 1
1.2 PLC的结构 1
1.2.1 中央处理单元(CPU) 1
1.2.2 存储器 1
1.2.3 电源 2
1.3 PLC的工作原理 2
1.3.1 PLC的基本工作原理 2
1.3.2 PLC 编程方式 3
1.4 PLC控制系统的未来发展趋势 3
1.5 构成与设计原则及步骤 4
1.5.1 设计应遵循的原则 4
1.5.2 典型设计流程 5
2. 硬件系统设计 7
2.1 系统工作流程 7
2.2 I/O地址分配方案 7
2.3 关键硬件选型 8
2.3.1 CPU224模块特性 8
2.3.2 双向晶闸管功能说明 9
2.3.3 热电阻构造与原理 10
3. PID控制技术概述 11
3.1 工作机制解析 11
3.2 参数整定方法 12
3.3 PID模块详解 13
3.3.1 回路表格式与初始化设置 13
3.3.2 控制程序实现 14
4. 软件程序设计 18
4.1 顺序功能流程图展示 18
4.2 程序逻辑构建 20
结 束 语 25
谢 辞 26
参考文献 27
1. 前言
1.1 恒温系统应用
恒温设备广泛存在于日常生活和各类专业环境中。例如，家庭中最常见的恒温装置是电冰箱；在工业生产环节，某些原材料需储存在恒温条件下以保证其性能稳定；而在科研领域，尤其是生物培养实验室内，恒温箱几乎是必备设备。随着技术的发展，恒温控制技术不断进步，系统稳定性与精度持续提升。在这一进程中，PLC因其高可靠性、灵活性和易于集成的特点，已成为实现精准温度调控的重要工具之一，其在该领域的应用已趋于成熟且效果显著。
1.2 PLC的结构
PLC作为一种专用的工业控制计算机，通常由多个关键部分组成，包括中央处理单元、存储器、输入/输出接口、电源模块以及通信组件等，各部分协同工作以完成复杂的自动化任务。
1.2.1 中央处理单元(CPU)
CPU是整个PLC系统的核心部件，负责执行用户编写的控制程序，处理来自输入端的数据信息，并根据逻辑运算结果向输出端发送指令。它还管理内部寄存器、定时器、计数器等功能模块，确保系统按预定逻辑高效运行。
1.2.2 存储器
PLC配备有不同类型的存储区域，用于保存系统程序、用户程序以及运行过程中的临时数据。其中，系统程序固化于只读存储器中，而用户可编辑的控制逻辑则存放在可擦写存储单元内，支持反复修改与调试。
1.2.3 电源
电源模块的作用是将外部供电转换为适合PLC各部件工作的直流电压，保障系统稳定运行。同时具备一定的抗干扰能力和过载保护机制，提高整体安全性。
1.3 PLC的工作原理
1.3.1 PLC的基本工作原理
PLC采用循环扫描的方式工作，整个过程可分为三个阶段：输入采样、程序执行和输出刷新。在每个扫描周期开始时，系统首先读取所有输入端口的状态并暂存于映像寄存器中；随后逐条执行用户程序中的指令；最后将计算得出的结果更新到输出映像区，并驱动相应的外部执行机构动作。这种分时操作模式使得PLC能够在多任务环境下保持良好的响应性和实时性。
1.3.2 PLC 编程方式
目前主流的PLC编程语言包括梯形图（LAD）、功能块图（FBD）、指令表（STL）、结构化文本（SCL）和顺序功能图（SFC）。其中梯形图因接近传统继电器控制电路，直观易懂，被广泛应用。不同的编程方式适用于不同类型的任务需求，开发者可根据实际情况选择最合适的表达形式。
1.4 PLC控制系统的构成设计原则及步骤
现代工业自动化对控制系统提出了更高的要求，推动PLC向着网络化、智能化、模块化的方向发展。未来的PLC不仅需要具备更强的数据处理能力，还需支持远程监控、故障诊断和自适应调节等功能，以满足复杂工况下的控制需求。
1.5 PLC控制系统的构成设计原则及步骤
1.5.1 PLC的设计原则
在进行PLC控制系统设计时，应遵循以下基本原则：首先是可靠性优先，确保系统长期稳定运行；其次是实用性，设计方案必须贴合现场实际，便于安装维护；再次是扩展性，预留足够的I/O点位和通信接口，方便后期升级；最后是经济性，在满足功能前提下尽可能降低成本。
1.5.2 PLC的设计步骤
典型的设计流程一般包括以下几个阶段：明确控制目标与工艺要求；确定系统的输入输出信号种类与数量；选择合适的PLC型号及其扩展模块；进行I/O地址分配；绘制电气接线图；编写并调试控制程序；最后进行现场联调与试运行。整个过程需严格按照规范执行，确保最终系统达到预期性能指标。
2. 硬件设计
2.1 工作过程
系统启动后，温度传感器持续采集被控对象的实际温度值，并将其转化为标准电信号传送给PLC的模拟量输入模块。PLC接收信号后进行A/D转换，并调用内置的PID控制算法进行运算处理。根据偏差大小动态调整输出脉冲宽度，进而控制双向晶闸管的导通角，调节加热元件的功率输出，使温度逐步趋近设定值并保持稳定。
[此处为图片1]2.2 I/O地址分配
合理的I/O地址规划有助于提高程序可读性和系统维护效率。本系统中，数字量输入主要包括启停按钮、急停开关等；模拟量输入主要来自铂电阻测温电路；数字量输出用于驱动指示灯和报警装置；模拟量输出则连接至晶闸管触发电路。具体地址分配如下表所示：
（注：此处原无表格内容，若原文含表格请补充）
2.3 选择硬件
2.3.1 CPU224
CPU224属于西门子S7-200系列PLC中的高性能型号，具有较强的运算能力和丰富的指令集。其自带14个数字量输入点和10个数字量输出点，支持最多7个扩展模块，适用于中小规模控制系统。此外，它还集成了两个RS485通信接口，便于组网和上位机通讯，非常适合应用于温度监控类项目。
[此处为图片2]2.3.2 双向晶闸管
双向晶闸管（TRIAC）是一种可以双向导通的半导体器件，常用于交流电源的开关控制。在本系统中，它作为加热回路的执行元件，根据PLC输出的触发信号控制加热丝的通断时间比例，从而实现对加热功率的无级调节。由于其响应速度快、寿命长、体积小，特别适合频繁启停的温度调节场合。
[此处为图片3]2.3.3 热电阻原理构造
热电阻利用金属材料电阻随温度变化的特性进行测温。本系统选用铂电阻（Pt100），因其具有测量精度高、稳定性好、线性度优等特点。铂电阻通常由纯铂丝绕制而成，封装于不锈钢护套中，外部引出两根或多根导线连接至变送器或直接接入PLC的模拟量输入模块。配合信号调理电路，可将温度变化准确转化为4~20mA或0~10V的标准信号供控制系统使用。
[此处为图片4]3. PID的介绍
3.1 PID的工作原理
PID控制是一种经典的闭环反馈控制策略，由比例（P）、积分（I）和微分（D）三部分组成。比例项反映当前误差大小，加快响应速度；积分项消除静态误差，提高稳态精度；微分项预测误差变化趋势，抑制超调。三者结合可有效应对负载扰动和参数波动，实现快速、平稳、精确的控制效果。
3.2 PID参数整定
PID控制器的效果很大程度上取决于参数Kp、Ti、Td的合理设置。常用的整定方法有经验法、临界比例度法、衰减曲线法以及自整定功能。实践中往往先通过仿真或试凑初步设定参数，再结合实际运行情况微调优化，直至系统响应既迅速又无明显振荡。
3.3 PID模块介绍
3.3.1 PID回路表的格式及初始化
S7-200系列PLC提供了专用的PID指令向导，可通过配置回路表来定义各项参数。回路表包含设定值（SV）、过程变量（PV）、输出值（MV）、增益系数、积分时间、微分时间等多个字段，均需在程序初始化阶段写入对应内存地址。正确配置回路表是实现PID控制的前提条件。
3.3.2 PID程序
在STEP 7-Micro/WIN编程环境中，可通过调用PID向导生成标准控制程序框架。程序主要包括变量声明、回路表初始化、PID指令调用和输出限幅处理等部分。运行期间，PLC周期性地读取PV值，执行PID运算，并将结果转化为模拟量输出信号，驱动执行机构动作，形成完整的闭环控制链路。
[此处为图片5]4. 程序
4.1 顺序功能流程图
为了清晰表达控制逻辑，采用顺序功能图（SFC）描述系统的工作流程。整个过程分为初始状态、系统自检、参数加载、手动/自动模式选择、温度采样、PID运算、输出控制和异常处理等多个步骤。各步之间通过转移条件触发切换，确保操作有序进行。
[此处为图片6]4.2 程序设计
主程序结构包括初始化模块、模式判断模块、数据采集模块、PID运算模块和输出控制模块。在自动模式下，系统持续采集温度信号并执行PID运算，输出经滤波处理后的控制量；在手动模式下，则允许操作人员直接设定加热强度。程序中还设置了上下限报警、传感器断线检测等安全机制，增强系统鲁棒性。
结束语
本文围绕PLC在恒温控制系统中的应用展开研究，从系统架构、硬件选型、控制算法到软件实现进行了全面分析。实践表明，基于PLC与PID相结合的控制方案具有响应快、精度高、稳定性强的优点，适用于多种温度控制场景。未来可通过引入更先进的控制算法和物联网技术进一步提升系统智能化水平。
参考文献
[1] 王建军. 可编程控制器原理与应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2018.
[2] 李志勇. 自动化控制系统设计与调试[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 2019.
[3] SIEMENS. S7-200 SMART系统手册[Z]. 2020.
[4] 张立勋. 现代PID控制技术及应用[J]. 控制工程, 2021, 28(3): 45-50.
[5] 刘志强. 工业温度测控系统设计[J]. 仪表技术与传感器, 2020(7): 12-15.
可编程逻辑控制器（PLC）是一种以微处理器为核心，用于实现工业自动化控制的实时系统。它通过编写程序来完成逻辑运算、定时、计数以及算术处理，并借助数字量和模拟量的输入输出接口对生产过程中的设备进行精确控制。基于其独特的工作机制，PLC能够实现高精度的温度调控等功能。
[此处为图片1]1.2 PLC的构成结构
PLC本质上是一种专为工业环境设计的计算机装置，其硬件架构与普通微型计算机相似，但在抗干扰性、稳定性和可靠性方面进行了专门优化。
1.2.1 中央处理单元（CPU）
CPU模块作为PLC的核心控制部件，承担着整个系统的协调与管理任务。它依据系统预置程序，接收并保存由编程器输入的用户程序及数据信息，同时持续监测电源状态、内存运行情况、I/O通道状况以及报警计时器等关键参数，及时发现并纠正用户程序中的语法错误。
在PLC正常运行过程中，CPU首先通过扫描方式读取外部输入设备的状态和数据，并将其暂存于I/O映像区中；随后按顺序从用户程序存储器中逐条读取指令，执行相应的逻辑判断或数值计算操作，最终将结果写入数据寄存器或输出映像区域。当全部指令执行完毕后，系统进入输出刷新阶段，将更新后的输出状态传递至外围执行机构。
为了提升大型PLC系统的可靠性，目前普遍采用双CPU冗余配置，甚至引入三CPU投票机制。即使其中某个处理器发生故障，其余组件仍能维持系统正常运作，确保控制过程不中断。
1.2.2 存储器组成
PLC的存储空间主要分为三类：系统程序存储区、系统RAM存储区和用户程序存储区。
系统程序存储区用于存放操作系统级软件，如监控程序、命令解析子程序、管理程序、诊断程序和各类功能模块。这部分内容由制造商固化，用户无法直接访问或修改。
常见的存储介质包括RAM（随机存取存储器），具备读写速度快的特点，通常由锂电池供电以保证断电后数据不丢失；另一种是EPROM（可擦除可编程只读存储器），可在紫外线照射下清除原有数据，适合长期保存固定程序。
系统RAM存储区主要包括I/O映像区及其他软元件存储空间，例如逻辑线圈、定时器、计数器、数据寄存器和累加器等。这些资源被划分为断电保持区和非保持区，前者依赖内部电池维持数据，后者则在重启后清零。
I/O映像区的作用是在每个扫描周期开始时集中采集输入信号状态，在周期末尾统一刷新输出信号。由于这一机制的存在，开关量I/O占用一个存储单元，而模拟量I/O通常使用16位字长表示，因此整体映像区可分为开关量I/O区和模拟量I/O区两个部分。
用户程序存储区则用来保存用户自行编制的应用程序，不同型号的PLC支持的存储容量各不相同，直接影响可实现的功能复杂度。
1.2.3 电源模块
电源是保障PLC系统稳定运行的关键组成部分。缺乏可靠供电的情况下，整个控制系统将无法正常工作。因此，PLC生产厂家在电源的设计与制造上投入了大量精力，确保其具备良好的电压适应能力和抗波动性能。
一般情况下，PLC可在交流电网电压波动±10%（部分机型可达±15%）范围内稳定运行，无需额外稳压装置，直接接入市电即可投入使用。
1.3 PLC的工作原理
1.3.1 基本运行机制
PLC采用“顺序扫描、循环执行”的工作模式。每一个完整的扫描周期包含三个主要阶段：输入采样、程序执行和输出刷新。
在输入采样阶段，CPU会集中读取所有输入端口的状态，并将其复制到I/O映像区中。一旦该阶段结束，即便外部输入信号发生变化，也不会立即被系统识别，必须等到下一个扫描周期才能被重新采样。
在程序执行阶段，CPU按照用户程序的指令顺序逐一处理，期间涉及的各种中间变量和逻辑结果会动态更新至对应的寄存器或映像区中。这意味着组件映像寄存器的内容会随着程序运行不断变化。
最后，在输出刷新阶段，系统将I/O映像区中最新的输出状态批量传送到实际的输出端口，驱动外部负载动作。
整个扫描周期的长短受多种因素影响，包括CPU处理速度、指令执行时间以及是否采用集中式输入/输出方式。这种机制不可避免地带来一定的输入输出响应延迟，即所谓的I/O滞后现象。
PLC 与 PC 机的核心差异在于其“循环扫描”机制：相较于继电器控制系统采用的“并行”工作模式，PLC 工作在“串行”方式下。前者依赖软件实现控制逻辑，而后者则基于硬件电路运作。此外，PLC 与微机的主要区别体现在工作模式上——PLC 遵循固定的“扫描周期”运行，而微机通常处于“中断待机”状态，响应外部事件。
1.3.2 PLC 编程方式
PLC 编程最显著的优势是采用“软继电器”替代传统“硬继电器”，将原本依赖物理布线的逻辑控制转变为由程序实现的软件逻辑。常见的 PLC 编程语言包括梯形图和布尔助记符语言等，其中梯形图和布尔语言应用最为广泛。
梯形图的语言特性如下：
- 每个梯形图程序由多个逻辑步骤构成。
- 梯形图左右两侧的竖直线代表虚拟的逻辑电源线；当某一支路的逻辑运算结果为“1”时，相当于有电流流过该路径。
- 继电器线圈在程序中只能出现一次，但其常开与常闭触点可重复使用多次。
- 后续步骤可以直接引用前一步骤的运算结果。
- 输入继电器的状态由外部信号决定，仅提供触点，不设线圈。
1.4 PLC 控制系统的发展趋势
(1) 功能集成化与网络化进程加快
当前，国际主流 PLC 制造商持续推出新型产品。例如，西门子从 S5 系列发展至 S7 系列；三菱则经历了 F 系列、FX 系列，现已进入 A 系列（如 A1、A2、A2X）。总体来看，PLC 正朝着功能更丰富、集成度更高、通信能力更强的方向演进。尤其在网络化方面表现突出，顺应全球信息化的大趋势。
目前各类 PLC 均在加强自身的网络连接能力，主要分为两种形式：一是通过在 PLC 模块上配置通信端口，实现与计算机之间的点对点通信；二是采用多点连接方式（如 RS485），适用于多层级 PLC 构成的系统。在这方面，西门子的 PROFIBUS 协议具有代表性，已被全球多数国家采纳，接近成为国际通用标准，因而广泛应用。
现代网络控制系统通常由两台主控计算机作为中心，通过电缆连接现场的 PLC 节点。各 PLC 站靠近被控设备布置，使得设备与站点间的连线极短，大幅降低布线成本。虽然从站点到控制中心仍需长距离电缆，但整体造价显著下降。[此处为图片1]
(2) 开放式网络与小型高性能并行发展
当前 PLC 发展呈现出两大方向：
第一，网络技术日益开放。PLC 不再局限于封闭的独立系统。如今的 PLC 网络不仅能完成现场控制任务，还能与上位管理信息系统互联，实现数据共享，融入企业信息管理体系。同时，现场总线技术得到广泛应用。PLC 与各类智能现场设备（如智能仪表、传感器、电磁阀、执行器）通过双绞线、同轴电缆或光缆连接，并遵循统一协议进行信息交换，构建起高效的工业现场控制网络。相比传统的远程 PLC 网络，这种架构具备更高的灵活性、易于扩展、成本更低且性价比优异，更具开放性。
第二，PLC 向高性能与微型化同步迈进。随着技术进步，PLC 在体积不断缩小的同时，功能却愈发强大。以三菱 FX-1S 系列为例，其最小尺寸仅为 60 × 90 × 75 mm，却支持高速运算、16 位四则运算输出及电位器式时间设定等功能。现代可编程控制器早已超越早期仅能处理开关量逻辑的功能局限，已具备强大的模拟量处理能力，以及浮点运算、PID 调节、温度控制、精确定位、步进驱动、报表生成等原本仅见于计算机的高级功能。由此可见，PLC 与 DCS（分布式控制系统）之间的界限正逐渐模糊，利用 PLC 同样可以构建复杂的过程控制系统。
1.5 PLC 控制系统的设计原则与实施步骤
1.5.1 PLC 的设计原则
硬件设计内容：包括 PLC 机型选择、输入输出设备选型、电气图纸绘制（如接线图）等。
应遵循的基本原则：
- 经济性：在满足功能需求的前提下控制成本；
- 可靠性：确保系统长期稳定运行；
- 先进性与可扩展性：预留升级空间，便于后期功能拓展。
软件设计内容：主要是编写控制程序，如绘制梯形图或编写语句表。
设计原则如下：
- 逻辑结构应简洁明了，便于编程与维护。软继电器触点可无限次调用以实现所需逻辑，提升程序可读性，但应避免冗余触点的使用；
- 在保证控制功能完整的前提下，尽量优化指令数量，缩短程序执行周期。
1.5.2 PLC 的设计步骤
典型的 PLC 系统设计流程如下所示：
[此处为图片1]- 确定设计方案：若控制对象环境恶劣、工艺流程复杂，则优先考虑采用 PLC 控制系统；若控制逻辑极为简单，也可选用继电器方案。使用 PLC 前，必须全面掌握系统的运行过程与功能要求，分析控制对象的动作顺序，明确输入输出类型（开关量或模拟量），定义具体控制需求，并绘制系统工作流程图。
2 硬件设计
2.1 工作过程描述
系统启动后，首先打开电磁阀 SV1 进行冷水注入。当水位上升至设定上限位置时，上限传感器触发信号输出，此时自动停止供水并关闭 SV1。若水位下降至下限位置，则启动加热器 H 对水进行加热，同时搅拌电机 M 开始运行，以确保水温均匀上升。
系统预设温度为 60°C。当实际检测温度高于该值时，将开启 SV1 和 SV2，并保持搅拌电机 M 的运转；当温度低于 60°C 时，则接通加热器 H 并继续运行搅拌电机 M，实现循环控制。一旦水位低于下限传感器检测范围，报警指示灯将被激活发出警示。用户可通过手动按下停止按钮中断流程，随后可重新启动系统。
[此处为图片2－1]2.2 I/O 地址分配方案
结合图2-1 所示的控制系统结构及上述工作流程分析，整理出系统所需的输入与输出信号清单，其名称、符号及对应地址编号详见表2-1 与表2-2。其中，水位上限与下限信号分别定义为 I0.1 和 I0.2，在传感器被淹没时状态为 0，暴露于空气中时也为 0（注：此处逻辑需根据实际接线方式确认）。
[此处为图表2－1 I/O分配]| 类别 | 名称 | 符号 | 地址编号 |
|---|---|---|---|
| 输入信号 | 启动按钮 | QS2 | I0.0 |
| 停止按钮 | QS1 | I0.1 | |
| 水池水位上限信号 | SLH | I0.2 | |
| 水池水位下限信号 | SLL | I0.3 | |
| 热继电器信号 | QS | I0.4 | |
| 输出信号 | 控冷水电磁阀 | SV1 | Q0.0 |
| 控热水电磁阀 | SV2 | Q0.1 | |
| 搅拌电机 | M | Q0.2 | |
| 报警指示灯 | HL | Q0.3 | |
| 加热器 | H | AQ | |
| PID输出模拟信号 | A00 | AQW0 |
2.3 硬件选型与系统配置
根据系统需求分析，本设计共包含五个数字量输入点、四个数字量输出点，并配备一个模拟量输入通道和一个模拟量输出通道。综合考虑西门子 S7-200 系列产品的性能参数及市场成本因素，选用 CPU224 作为主控单元（具备14路输入和10路继电器输出），并扩展 EM235 模拟量模块（4AI/1AO）。此组合在满足功能要求的同时，具有较高的性价比。
整个 PLC 系统的硬件构成如下：
- 主机单元：CPU224，AC/DC/继电器类型
- 模拟量扩展模块：EM235，支持4路模拟输入和1路模拟输出
2.3.1 CPU224 主机特性
CPU224 是西门子 S7-200 系列中的一种主流型号，另有包括 CPUM224XP 在内的多种变体可供选择。该模块集成了 14 个数字输入点和 10 个数字输出点，总计 24 点数字量 I/O，最多可连接 7 个扩展模块，最大可扩展至 168 个数字量点或 35 个模拟量点。程序与数据存储空间达 13K 字节，支持复杂控制任务。
其内置资源包括：6 个独立的 30kHz 高速计数器、2 路 20kHz 高速脉冲输出，支持 PID 控制算法。配备一个 RS485 通信接口，兼容 PPI、MPI 协议以及自由口通信模式，便于编程与联网。I/O 端子采用可拆卸端子排设计，方便现场维护与更换。整体具备较强的控制能力，适用于中小型自动化系统。
[此处为图2－3 CPU224的接线图]2.3.2 双向晶闸管应用说明
在输出控制回路中，针对交流负载如加热器等设备，可采用双向晶闸管作为功率驱动元件，实现无触点开关控制，提高响应速度与使用寿命。其触发信号由 PLC 输出点经隔离驱动电路提供，确保控制安全可靠。
PLC 模型选择原则
尽管当前各类 PLC 产品在可靠性方面普遍表现良好，但在型号选取时仍需重点评估其功能是否满足具体控制系统的需求。选型依据主要包括：控制对象的输入/输出电压等级、负载功率大小、系统对响应速度的要求、控制柜与现场设备之间的布线距离等因素。
I/O 设备地址规划与电气设计流程
I/O 输入通道用于连接 PLC 与现场检测元件，如操作按钮、行程开关、接近开关、压力继电器等，通常以开关量形式接入；输出则连接执行机构，如继电器、电磁阀、接触器、信号灯等。
在确定了所有输入输出设备后，应据此绘制电气原理图，配置控制电源，并选定合适的传感器与执行器原始部件。进行 I/O 地址分配时应注意以下几点：
- 将所有按钮、行程开关等集中布置，并按顺序连续分配 I/O 地址；
- 每个 I/O 设备应独占其地址，避免冲突；
- 尽量将同一类型的 I/O 点安排在同一区域，便于维护与调试；
- 对于互锁或相关的输出设备（如正反转电机控制），应合理分配输出地址，保证逻辑清晰；
此外，应在 PLC 外部绘制电动机主电路及其他辅助控制电路图，并完成 PLC 的 I/O 接线图设计。
注意事项：PLC 输入端接线时，停止按钮应使用常开触点；热继电器 KH 的保护触点也应采用常开形式接入。PLC 的输入电路一般由内部电源供电，而输出电路则需根据负载的额定电压和电流外接适当电源。
电路图设计、编程与调试流程
系统设计还包括完整的电路图绘制工作。编程阶段可采用经验法设计，也可结合功能图法，或两者结合使用，提升程序可读性与稳定性。最后进入组装与调试环节：完成硬件线路连接，下载 PLC 程序，进行在线调试，验证控制逻辑与系统响应是否符合预期。
双向晶闸管是一种具有双向导通与关断能力的半导体器件，其结构本质上相当于两个反向并联的单向晶闸管。该器件由五层NPN型半导体材料构成，包含四个PN结和三个电极，属于典型的四层三端器件。在实际应用中，相移触发方式常用于液体加热系统的温度控制，通过模拟输入获取温度信号，并以模拟输出调节晶闸管的导通角，实现功率调节。
由于电网功率波动可能对系统造成干扰，通常采用固定周期循环控制策略来提升稳定性。具体工作方式为：设定控制周期Tc为1秒，在此期间将工频电源的100个半波周期（每个约10毫秒）作为基本单位。根据PID控制器的计算结果，计算机输出不同宽度的触发脉冲，作用于双向晶闸管，调节其在一个固定时间内的导通时段，从而改变加热设备的平均功率输出。
[此处为图片1]2.3.3 热电阻的工作原理与结构
在中低温范围内的温度测量中，热电阻以其高测量精度和良好的稳定性成为首选传感器类型。其中铂热电阻的测温精度最高，不仅广泛应用于工业现场，还常被用作标准温度基准。常见的工业用热电阻温度传感器多采用此类结构。
从测温原理来看，热电阻是利用金属阻值随温度变化的特性进行温度检测的。因此，任何引线或连接导体的电阻变化都会影响最终测量结果。为了消除引线电阻带来的误差，通常采用三线制或四线制接法。
一个完整的热电阻测温系统一般包括热电阻元件、连接线路以及显示仪表三部分。为保证测量准确性，需满足以下两点要求：首先，显示仪表的分度号必须与所使用的热电阻一致；其次，为减小连线电阻变化的影响，应采用三线连接方式。
3 PID控制简介
3.1 PID控制的基本原理
PID控制是自动控制系统中最常用的控制方法之一，属于通用控制规范。下图展示了典型的PID控制系统结构框图。
[此处为图片2]整个系统主要由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性调节器，其核心思想是根据设定值Rin(t)与系统实际输出值Output(t)之间的偏差Error(t)来进行调节，即：
Error(t) = Rin(t) - Output(t) （公式3.1）
在此基础上，控制器通过对偏差信号实施比例（P）、积分（I）和微分（D）运算，形成综合控制律。控制器的输出可表示为：
（公式3.2）
或者以传递函数形式表达为：
（公式3.3）
其中，KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。
各环节功能如下：
- 比例环节：直接反映当前偏差大小，一旦出现误差，立即产生相应的控制作用，有助于快速减小偏差。其传递函数为 Gc(s) = Kp。
- 积分环节：主要用于消除系统的静态误差，提高整体控制精度。积分作用的强弱取决于TI的大小——TI越大，积分作用越弱；反之则越强。该环节的传递函数为 Gc(s) = Kp/(TIs)，能够有效提升系统的无差度。
- 微分环节：能够预测偏差的变化趋势（即变化率），在误差显著增大之前提前引入校正信号，加快系统响应速度，缩短调节时间。其传递函数为 Gc(s) = KpTDs。
理想情况下，基本PID控制器的数学表达式为：
（公式3.4）
若令u(k)表示控制器在第k次采样时刻的输出值，则可得到离散化的PID控制公式：
U(k) = Kpe(k) + Ki∑j=0ke(j) + Kd[e(k) - e(k-1)]
其中积分系数Ki = KpT/TI，T为采样周期。由于计算机输出u(k)直接驱动执行机构（如阀门等），故u(k)对应的是执行器的实际位置（如开度大小），这种算法被称为“位置式PID”控制算法。
然而，位置式PID存在两个主要缺点：一是每次计算都需要累加历史误差，运算量较大；二是控制器输出依赖于全部过去状态，若系统发生故障导致u(k)突变，可能引起执行机构大幅动作，带来安全隐患。
3.2 PID参数整定
合理的参数设置对于PID控制器的性能至关重要。参数整定的目标是在动态响应速度、稳定性和稳态精度之间取得平衡。常用的方法包括经验试凑法、临界比例度法、衰减曲线法以及基于模型的优化算法等。通过调整KP、TI、TD三个关键参数，使系统达到理想的控制效果。
在控制系统的设计过程中，参数调节是一项至关重要的环节。针对控制量的动态响应特性，需合理确定PID控制器中的比例系数、积分时间与微分时间三者之间的关系。目前存在多种用于整定PID参数的方法，本课题采用的是实验试错法。在进行数字PID参数选择之前，首先应明确控制器的整体结构。
对于存在静态误差（即稳态误差）的系统，可优先考虑使用P或PD控制器；而对于必须消除稳态误差的系统，则应引入具备积分作用的PI或PID控制器。因此，在实际工程应用中，PI、PID以及P型控制器被广泛采用。值得注意的是，微分控制环节通常会在系统中引入一定的延迟效应。
[此处为图片1]
在确定了控制器结构之后，便可进入具体参数的选择阶段。参数的设定应结合被控对象的实际特性和控制系统所要求的性能指标来进行。一般而言，闭环系统需要满足以下基本要求：系统必须保持稳定；能够快速响应设定值的变化，并以较小的超调量实现平稳跟踪；在各类外部扰动影响下，被控量仍能维持在期望值附近；当环境条件发生变化时，系统依然具备良好的稳定性。
然而，这些性能指标之间往往存在相互制约的关系。为了兼顾各项要求，必须在设计过程中综合权衡，妥善处理各性能之间的矛盾，从而达到整体最优的控制效果。
在实验试错法中，典型的参数整定步骤遵循“先比例、再积分、后微分”的原则：
- 比例环节的整定：将比例系数从较小值逐步增大，同时观察系统的响应曲线，直至获得一个响应速度快且超调量较小的理想动态过程。
[此处为图片2]
- 积分环节的整定：当仅采用比例控制时若稳态误差无法满足控制要求，则需引入积分作用。此时，应先将上一步确定的比例系数减小至原值的50%~80%，并将积分时间初始设为较大数值，以观察系统响应。随后逐步减小积分时间，增强积分作用，同时适当调整比例系数，通过反复试验，最终获得较为理想的响应曲线，并据此确定积分时间常数及对应的比例参数。
[此处为图片3]
- 微分环节的整定：在比例和积分参数已确定并记录的基础上，若发现PI控制虽能消除稳态误差，但动态响应仍不够理想（如上升时间过长或抗干扰能力弱），则可进一步加入微分环节。通过适当调节微分时间，改善系统的动态性能，提升响应速度与稳定性。
通过上述步骤，可逐步完成PID控制器的参数整定，实现对被控系统的有效调节。
京公网安备 11010802022788号
