基于FB41PID与FB43PWM的锅炉水温控制系统硬件设计水.docx

基于FB41 PID+FB43 PWM的锅炉水温控制系统硬件设计

Hardware Design of Water Temperature Control System for Boiler Based on FB41 PID and FB43 PWM

基于FB41 PID+FB43 PWM的锅炉水温控制系统硬件设计
[摘　要]在西门子S7-300可编程控制器的平台下，设计了电加热锅炉的温度控制硬件系统，接着对系统的硬件设计从选型开始进行分析，并阐述了每个元件的特性、适用范围和承载负荷，最终设计了控制回路图、电气原理图、电气接线图等一系列图纸，并根据图纸搭建硬件系统，最后通过不同的程序对硬件系统进行了验证，结果表明：硬件系统的输入输出量能快速准确地通过上位机进行监控，达到了良好的控制效果。
[关键词]电加热锅炉；硬件设计；可编程控制器；温度控制

Hardware Design of Water Temperature Control System for Boiler Based on FB41 PID and FB43 PWM
Electrical Engineering and Automation Specially SHUI Xin-xin
Abstract: Temperature control hardware system for electric heating boiler has been designed based on the platform of Siemens S7-300PLC,then analysis the hardware design for the system such as selection , characteristics of each component, range of application , bearing loads and so on, design the diagram of control, the diagram of principle, the diagram of connection and a series of drawings, according to the drawings to set up the hardware system, use of the different programs inspection of the hardware system, the results show that，the input and the output can be transmitted quickly and accurately by the computer of the hardware system, achieve a good effect of control.
Keywords: Electric heating boiler; hardware design; programmable logic controller; temperature control

目 录
1 引言 1
2 系统组成 1
2.1 控制系统方案 1
2.2 控制回路 2
2.3 电气原理图 3
3 硬件选型设计 4
3.1 S7-300PLC的硬件组成 4
3.1.1 中央处理单元(CPU) 4
3.1.2 负载电源模块(PS) 5
3.1.3 信号模块(SM) 5
3.1.4 功能模块(FM) 7
3.1.5 通信处理器(CP) 7
3.1.6 接口模块(IM) 7
3.1.7 扩展机架 7
3.2 锅炉 7
3.3 传感器 8
3.4 人工智能仪表AI818 10
3.5 继电器 12
3.6 接触器 12
3.7 漏电断路器 13
3.8 开关电源 14
3.9 导线 14
4 系统电气方案设计 15
4.1 系统电气接线图 15
4.2 PLC电气接线图 16
5 硬件系统测试 16
5.1 通讯方案 16
6 控制结果 18
结束语 19
参考文献 20
致谢 21

1 引言
在工业过程控制领域，特别是在微电子技术和计算机技术领域以及自动控制方面，都需要我们有先进的温度控制器做后盾，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟。参数大多靠人工经验及现场调试来确定。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是必然的发展趋势。
当前用于工业控制的计算机可分为:可编程控制器（PLC）、基与PC总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置等。可编程控制器是应用广泛、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，已成为现代工业自动化的重要支柱。
本题目设计了基于PLC的温度控制系统。在工业自动化领域内，PLC（可编程控制器）以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。目前的工业控制中,常常选用PLC作为现场的控制设备,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用HMI/ SCADA软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示,实现监控、管理、分析和存储等功能。这种监控系统充分利用了PLC和计算机各自的特点，得到了广泛的应用。本题目就是在这种方式的基础上设计了一套温度控制硬件系统。以基于PLC的下位机和完成HMI/ SCADA功能的上位机相结合,构建成温度控制系统,实现了温度自动控制[1]。
PID过程控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效果。组态软件力控因其简单易用的特点，在HMI设计中深受用户的喜欢而得到广泛的使用。
2 系统组成
2.1 控制系统方案
系统选用西门子S7-300PLC作为控制器，控制对象为自制的小型不锈钢模拟锅炉。上位机一台，通过MPI通讯与PLC相连，实现对系统的操作与监控。
温度传感器采用最常用的热电偶测量温度，温度信号经热电偶变成热电势信号再经过变送仪表输出标准信号接入PLC模拟量输入模块，在经FB41 PID与FB43 PWM对信号运算处理后输出脉冲信号控制接触器的通断，从而控制加热丝的通电占空比，以此来控制锅炉温度。
正在工作的硬件系统完整展示图，如图1所示。

图1 硬件系统完整展示图
2.2 控制回路
根据构思出的控制原理，结合实际条件以及常用的控制方法，设计出温度控制原理图，如图2所示。
温度传感器采用热电偶，信号经变送仪表输出标准信号接入PLC模拟量输入模块，在经FB41与FB43对信号运算处理后输出脉冲信号控制继电器的通断，进一步控制接触器，从而控制加热丝的通电占空比以此来控制锅炉温度。

图2 控制回路图
2.3 电气原理图
依据锅炉温度控制回路，先构思出电气控制的原理图，来自电源的220V电压首先要经过漏电断路器，漏电断路器在过电流或者过负荷时会自动跳闸，以防发生短路或者过载，损坏元件。
从漏电断路器正端引出，一路送到PLC，另一路送到电源指示灯，指示灯要与相关控制的继电器常开触点串联，再送回到断路器负端，形成回路。PLC的L+端和输入端口接到相应的按钮两端，形成一个输入回路，PLC的M端和输出端口接到相应的继电器常闭触点两端，形成一个输出回路。
接触器的通断由中间继电器3的接通与否进行控制，接触器得电时锅炉的加热丝开始工作，锅炉具体的工作效率与接触器的得电时间成正比，这需要程序进行控制。
电气原理图设计中，用到了三个指示灯、三个继电器、一个接触器、三个按钮、一台AI818仪表、一个J型热电偶、一台自制小型锅炉、一个电源模块、一个漏电断路器、一套S7-300 硬件系统(包含一台电源模块、一台CPU、一台SM321模块、一台SM322模块、一台SM334模块)、导线若干、20点的端子排两个。
电气原理图，如图3所示。

图3 电气原理图
3 硬件选型设计
3.1 S7-300PLC的硬件组成
S7-300是模块化PLC系统，能满足中等性能控制系统的要求[2]。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同的系统。S7-300具有强大的通信功能，通过STEP-7编程软件的用户界面提供通信硬件组态功能，这使得组态非常容易、简单。此外，S7-300 PLC还具有多种不同的通信接口，通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统。
3.1.1 中央处理单元(CPU)
各种CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU模块有一个MPI和一个PROFIBUS-DP接口，有的CPU模块有一个MPI/DP接口和一个DP接口[3]。
CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒(有的CPU没有)。CPU内的元件封存在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，旧式的CPU还有后备电池盒，存储器插槽可以插入Flash EPROM微存储卡，简称MMC，用于掉电后程序和数据的保存，用来扩展CPU的存储器容量。
可使用模式选择开关设置当前的CPU运行模式。开关有4个位置，其含义如表1所示。
表1 CPU的四种运行模式
位置
含义
说明
RUN-P
运行编程模式
CPU不仅执行用户程序，在运行时还可以通过编程软件读出和修改用户程序，以及改变运行方式
RUN
运行模式
CPU执行用户程序，可以通过编程软件读出用户程序，但是不能修改用户程序
STOP
停止模式
CPU不执行用户程序，通过编程软件可以读出和修改用户程序
MRES
存储器复位模式
MRES位置不能保持，在这个位置松手时开关将自动返回STOP位置。将模式选择开关从STOP状态扳到MRES位置，可以复位存储器，使CPU回到初始状态。工作存储器、装载存储器中的用户程序和地址区被清除，全部存储器位、定时器、计数器和数据块均被删除，即复位为零，包括有保持功能的数据。系统参数、CPU和模块的参数被恢复为默认设置，MPI的参数被保留。如果有存储器卡，CPU在复位后将它里面的用户程序和系统参数复制到工作存储器区
3.1.2 负载电源模块(PS)
负载电源模块用于将AC220V电源转换为DC24V电源，供CPU和I/0模块使用。额定输出电流有2A、5A和l0A三种，输出电压时隔离的，且具有短路保护，电源模块上有一个LED指示灯来指示电源是否正常工作，当输出电压过载时，模块上的LED指示灯闪烁[4]。
PS307电源模块(5A)具有以下显著特性：
（1）输出电流5A。
（2）输出电压24VDC，防短路和开路保护。
（3）连接单相交流系统 (输入电压120/230V AC，50/60Hz)。
（4）可靠的隔离特性，符合EN 60950标准。
（5）可用作负载电源。
3.1.3 信号模块(SM)
信号模块是数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配。信号模块主要有数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322，模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。模拟量输入模块可以输入热电阻、热电偶、DC 4～20mA和DC 0～10V等多种不同类型和不同量程的模拟信号。每个模块上有一个背板总线连接器，现场的过程信号连接到前连接器的端子上[5]。
S7-300有多种数字量输入/输出模块，其输入/输出电缆最大长度为1000m（屏蔽电缆）或600m（非屏蔽电缆），本次设计选用的有以下三种：
（1）数字量输入模块SM321
数字量输入模块将来自现场的数字信号电平转换成PLC内部信号电平，经过光电隔离和滤波后，送到输出缓冲区等待CPU采样，采样后的信号状态经过背板总线进入输入映像区。根据输入信号的极性和输入点数，SM321共有14种数字量输入模块。这次设计选用的是订货号为：6ES7 321-1BL00-0AA0这种，32点输入。
（2）数字量输出模块SM322
数字量输出模块将S7-300内部信号电平转换成现场所需要的外部信号电平，可直接驱动电磁阀线圈、接触器线圈、微型电动机、指示灯等负载。
根据负载回路使用电源的要求，数字量输出模块有：直流输出模块（晶体管输出方式）；交流输出模块（晶闸管输出方式）；交直流输出模块（继电器输出方式）；设计选用的是继电器输出方式的，订货号：6ES7 322-1BH01-0AA0。
（3）模拟量I/O模块SM334
模拟量I/O模块SM334有两种规格，一种是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为8位，另一种也是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为12位。这次选用的是8位的模块，订货号：6ES7 334-0CE01-0AA0，SM334模块输入测量范围为0～10V或0～20mA，输出范围为0～10V或0～20mA。它的I/O测量范围的选择是通过恰当的接线而不是通过组态软件编程设定的。与其它模拟量模块不同，SM334没有负的测量范围，且精度比较低。SM334的通道地址如表2所示[6]。
表2 SM334的通道地址
通 道
地 址
输入通道0
模块的起始
输入通道1
模块的起始＋2 B的地址偏移量
输入通道2
模块的起始＋4 B的地址偏移量
输入通道3
模块的起始＋6 B的地址偏移量
输出通道0
模块的起始
输出通道1
模块的起始＋2 B的地址偏移量

3.1.4 功能模块(FM)
功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务，例如计数器模块、快速/慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、定位和连续路径控制模块、闭环控制模块、工业标识系统的接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置解码器等，这次设计只用到了简单的数字量输入输出模块和模拟量输入模块，没有用到功能模块[7]。
3.1.5 通信处理器(CP)
通信处理器用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入PROFlBUS-DP、AS-I和工业以太网，或用于实现点对点通信等[8]。通信处理器可以减轻CPU处理通信的负担，并减少用户对通信的编程工作，本次设计中只有一个控制对象，只用了一台PLC，然后用力控组态对锅炉温度进行监控，继而控制继电器的脉冲输出，没有用到CP模块。
3.1.6 接口模块(IM)
接口模块IM用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。常用的有IM360、IM361、IM365三种，IM365用于一个中央机架和一个扩展机架的配置中，S7-300通过分布式的主机架和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器。由于控制对象简单，设计中没有用IM模块[9]。
3.1.7 扩展机架
除了带CPU的中央机架(CR)，S7-300PLC最多可以增加3个扩展机架(ER)，每个机架可以插8个模块(不包括电源模块、CPU模块和接口模块IM)，4个机架最多可以安装32个模块。机架的最左边是1号槽，最右边是11号槽，电源模块总是在I号槽的位置。中央机架(0号机架)的2号槽上是CPU模块，3号槽是接口模块。这3个槽号被固定占用，信号模块、功能模块和通信处理器使用4～11号槽。本设计只有一个中央机架，没有扩展机架[10]。
常用铝质导轨用来固定和安装S7-300上述的各种模块。DIN导轨是S7-300可编程序控制器的机械安装机架。该导轨用螺丝紧固安装固定物，S7-300的所有模块均直接用螺丝紧固在导轨上。导轨采用铝金属制作，为了防止表面铝被氧化影响接地性能，表面特别电镀上金属层，另设接地螺丝，保证装上模块的整个系统有效的接地[11]。
3.2 锅炉
锅炉采用的是自制的小型不锈钢模拟锅炉，底部有一根加热丝，加热丝功率为1500W，额定容量为12L，包装尺寸:340*340*520mm，额定电压为220V，额定频率为50Hz，通过接触器控制通电与否。当工作电压为U=220V，工作电流I=6.8A，加热对象选择用水，自制锅炉外观，如图4所示。

图4 自制锅炉
3.3 传感器
传感器种类繁多，本次设计只涉及到温度量，所以选用最常用的测温元件热电偶。热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同材质的导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体称为热电极，温度较高的一端称为测量端，温度较低的一端称为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。如图5所示热电偶工作原理演示图。

图5 热电偶工作原理演示图
标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按工EC国际标准生产，并指定S, B, E, K, R, J, T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶[11]。
本次设计的测温范围在0～100℃之间，测量温度既不在高温区也不在低温区，工作环境没有氧化性气体、没有惰性气体更没有真空限制，测量精度达到0.1℃就可以，因而根据各类热电偶的测温范围和使用范围以及特性，最后选用了J型热电阻。J型热电偶就是铁-铜镍热电偶，是一种价格便宜的廉金属的热电偶。它的正极（JP）的化学成分为纯铁，负极（JN）的化学成分为铜镍合金。
J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,广为用户所采用，外观如图6所示。
J型热电偶可用于真空，氧化，还原和惰性气氛中，但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度受到限制，也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200～1200℃，通常使用的测温范围为0～750℃。

图6 J型热电偶
如表3所示是J型热电偶的部分分度表。默认的自由端温度是0℃，如果知道温度，可以查到热电偶的输出热电势，如果知道热电偶的输出热电势，可以查到对应的温度值。
表3 J型热电偶的分度表
JJG351-1996
铁-铜镍合金（康铜）热电偶(J型)E（t）分度表 参考温度：0℃
单位：mV
t（℃）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
0.000
0.050
0.101
0.151
0.202
0.253
0.303
0.354
0.405
0.456
10
0.507
0.558
0.609
0.660
0.711
0.762
0.814
0.865
0.916
0.968
20
1.019
1.071
1.122
1.174
1.226
1.277
1.329
1.381
1.433
1.485
30
1.537
1.589
1.641
1.693
1.745
1.797
1.849
1.902
1.954
2.006
40
2.059
2.111
2.164
2.216
2.269
2.322
2.374
2.427
2.480
2.532
50
2.585
2.638
2.691
2.744
2.797
2.850
2.903
2.956
3.009
3.062
60
3.116
3.169
3.222
3.275
3.329
3.382
3.436
3.489
3.543
3.596
70
3.650
3.703
3.757
3.810
3.864
3.918
3.971
4.025
4.079
4.133
80
4.187
4.240
4.294
4.348
4.402
4.456
4.510
4.564
4.618
4.672
90
4.726
4.781
4.835
4.889
4.943
4.997
5.052
5.106
5.160
5.215
100
5.269
5.323
5.378
5.432
5.487
5.541
5.595
5.650
5.705
5.759
热电势的计算如公式1如下，t为测量端温度，为自由端温度
（1）
可以通过仪表测得电压值，可以通过分度表查得电压值，进而可以计算出的电压值，然后在分度表中找到该电压值所对应的温度，就是测量端的温度t。
3.4 人工智能仪表AI818
图7是人工智能仪表的使用说明及操作说明图

图7 面板说明及操作说明图
① 输出指示灯 ② 报警1指示灯
③ 报警2指示灯 ④ 手动调节指示灯
⑤ 显示转换(兼参数设置进入) ⑥ 数据移位（兼手动/自动切换及程序设置进入）
⑦ 数据减少键（兼程序运行/暂停）⑧ 数据增加键（兼程序停止操作）
⑨ 给定值显示窗 ⑩ 测量值显示窗
因为设计选用了SM334作为模拟量输入模块，这款模块只能接收标准的电流或者电压信号，所以我们从热电偶测得的热电势要经过温度变送仪表变为标准信号才能送到PLC模块上，而AI818作为很常用又很普遍的变送仪表，可以处理温度、压力、流量、液位、湿度等信号，这次使用的就是温度变送功能。
仪表响应时间≤0.5s；报警功能：上限、下限、正偏差、负偏差等4种方式；手动功能：自动／手动双向无扰动切换；电源：85－264VAC／50－60Hz；电源消耗：≤5W；环境温度：0－50℃。
使用前要对先对仪表进行参数设置，输入规格(Sn)选5，表示J型热电偶；控制方式(Ctrl)选0，表示要求不高的场合，位式调节；输出方式（op1）选2，表示0-20mA线性电流输出，主输出模块上安装安装线性电流输出模块；运行状态（run）选1，表示自动调节状态。
人工智能仪表背部引脚接线图如图8所示。

图8 仪表接线图
注：9，10两端接电源，线性电压量程在1V以下的由3,2端输入，0～5V及1～5V的信号由1,2两端输入。4～20mA线性电流输入可以用250欧电阻变为1～5V电压信号，然后从1、2端或3、2两端输入。OUT的7、8两端并上250欧的电阻，接输出[12]。
3.5 继电器
根据本次设计的要求，在选用继电器时主要考虑工作条件以及安装使用方便还有工作稳定性，加热丝功率是1500W，最大工作电流I=6.8A，因此选用HH52P型小型继电器，HH52P系列小型继电器，配套底座PYF08A,适用于交流50Hz或60Hz，可承受电流AC：7A,DC：5A，符合锅炉加热丝的负载要求，线圈的承受电压AC：6～380V，DC：5～220V，供电子设备、通讯设备、电子计算机控制设备、自动化控制装置等动作切换电路及扩大控制范围使用。
规格品种属于基型、磁保持性、带指示灯、带浪涌抑制；电寿命：50万次；安装方式：插拔式；特点：体积小、容量大、寿命长。
底部有八个引脚，分别为1、2、3、4、5、6、7、8，说明如下：7、8为线圈 1、3、5是一组触头，5是公共点，5与1为常闭，5与3为常开 ，2、4、6为一组触头，6是公共点，6与2为常闭，6与4为常开，当7、8得到线圈额定电压后，5、3闭合5、1断开；同时6、4闭合，6、2断开，失电后恢复原状。
HH52P继电器和配套的底座PYF08A外观，如图9所示。

图9 HH52P继电器及底座PYF08A
3.6 接触器
根据设计选用的加热丝功率为1500W，电压为220V，正常工作电流I=6.8A，没有特殊要求，所以接触器就可以选用使用广泛的、购买方便的、价格较低的CJ20-10型交流接触器。
CJ20-10交流接触器（以下简称接触器）适用于50Hz，最大电压至660V电流至63A的电力系统中接通与分断电路，还可用于与适当的热继电器或电子式保护装置组合成电机起动器以保护可能发生过载的电路。
进线接1/L1 3/L2 5/L3 7/L4 三相四线制，出线接2/T1 4/T2 6/T3 8/T4三相四线制，如果只接三相可以只用前三对触头；11、12和41、42是两对常闭触头，接联锁电路和停机指示的；23 24和33 34是两对常开触头，接自锁电路和运行指示的。
额定绝缘电压660V，额定工作电压220V；380V,约定发热电流10A，接380V的三相交流电时额定工作电流10A，机械寿命1000万次，在380V工作电压下电寿命100万次，在380V工作电压下操作频率1200次/时，接线能力截面积为1.5的铜导线，如图10所示是CJ20-10交流接触器的外观图。

图10 CJ20-10接触器
3.7 漏电断路器
设计选用的DZ47LE漏电断路器的外观，如图11所示。

图11 DZ47LE漏电断路器
DZ47LE-16是一种具有过载与短路双重保护的限流型高分断小型断路器，适用于交流50Hz/60Hz，额定电压230V/400V，额定电流至16A及以下的电路中，作为线路过载和短路保护之用。同时也可在正常情况下频繁的通断电器装置和照明线路。本产品符合GB10963标准，16是指额定电流16安培。
3.8 开关电源
在硬件系统中，不仅需要220V的交流电压，还需要有24V直流电压做输入，这时就需要选用一款电源来转换交流电，在电源领域里，台湾的明纬电源是使用最广泛的，市场占有率很高，根据需要的是24V的直流电，所以选择S-100-24这一种型号，就是S-100-24的外观，如图12所示；它的一些输入输出参数，如表4所示。

图12 S-100-24电源外观
表4 开关电源的输入输出参数
输入参数
输出参数
电压范围
176-264VAC/248-370VDC
直流输出电压
24V
频率范围
47～63Hz
额定输出电流
4.5A
效率
83%
输出功率
108W
交流电流
1.5A/230VAC
电压调整范围
21.6～26.4V
---
---
启动时间
1000ms
---
---
上升时间
30ms
---
---
保持时间
20ms
3.9 导线
一般铜导线的安全载流量是根据所允许的线芯最高温度、冷却条件、敷设条件来确定的。常用的几种导线的安全载流量，如表5所示。根据负载工作电流最大为6.8A，选用1铜导线就足够了。
表5 铜导线安全载流量
导线截面（）
1
1.5
2.5
4
6
10
16
25
截流量（A）
9
14
23
32
48
60
90
100
穿管（八折）、高温(九折）、穿管又高温（七折）
4 系统电气方案设计
4.1 系统电气接线图
在电气原理图的基础上，经过进一步细化，根据实际情况按照元件使用方便为前提进行接线，再根据控制要求，选用三个输入I0.0 I0.1 I0.2，分别连接到启动按钮、停止按钮、复位按钮；选用三个输出Q4.0 Q4.1 Q4.2 ,分别连接到运行指示灯、报警指示灯、中间继电器3上，最终确定电气接线图，如图13所示。

图13 系统电气接线图
4.2 PLC电气接线图
PLC电气接线图，如图14所示。

图14 PLC电气接线图
这里着重说一下PLC的接法，PLC上有L、M、L1、N四个端容易搞混淆，L1与N之间是让接220V电压的，L1表示正端，N表示负端，两个端都接电源的相应位置；L与M之间是24V电压，L端是用来接输入端的，比如接启动按钮时，要从L端引出一根线接到按钮一端上，按钮另一端接I0.0，M端是用来接输出的，比如接运行指示灯时，运行指示灯由继电器1控制开断，从Q0.0引出一根线接到继电器1的常闭触点一端上，从另一端引出接回到M端上，然后再由电源引出220V电压经过运行指示灯串到继电器1的另外两个常开端子上，最终继电器1上接了四个端子，两个低压24V，两个高压220V，L端相当于24V的正，M端相当于24V的负端[13]。
5 硬件系统测试
5.1 通讯方案
CPU模块上常用的有两种通讯接口。
MPI接口：多点接口MPI（Multipoint Interface）是用于连接CPU和PG/OP的接口，或用于MPI子网中的通讯接口。一般传输速率为187.5kbps。如果与S7-200进行通讯，也可以指定19.2kbps的传输速率。不能指定其他传输速率。编程器可以自动侦测到CPU MPI接口的正确参数，并建立连接。
PROFIBUS-DP接口：PROFIBUS-DP接口主要用于连接分布式I/O。PROFIBUS-DP，用于创建大型、扩展子网。例如：PROFIBUS-DP接口既可组态为主站，也可组态为从站，传输速率可达12Mbps。编程器也可以自动侦测到CPU DP接口的正确参数，并建立连接。
这次设计选用的是MPI通讯，通讯线用的是国产的MPI适配器，用MPI适配器将PLC与计算机连接起来。
要使编程计算机与S7-300PLC进行通信，不仅需要实际的物理连接，还需要通过“控制面板”中的“设置PG/PC接口”对话框对通信参数进行设置，如图15所示。

图15 设置PG/PC接口
图15中“应用程序访问点”显示当前选择的编程软件及通信接口和协议，如S7ONLINE (STEP7)→PC Adapter（MPI）表示S7-300的编程软件STEP7通过PC Adapter以MPI协议与S7-300PLC进行通信，若要修改则在列表框中选择希望的通信设备和协议，单击“属性”按钮打开右图，可以设置相应的通信参数，注意选择正确的连接端口。因为实验室用的是MPI适配器通讯，所以我们这里选用PC Adapter(MPI),本地连接选用USB端口，传输率等一些通信参数选用默认[15]。
适配器上一共有三个指示灯，分别是Tx指示灯、Rx指示灯和PWR指示灯,将适配器连接好以后，适配器上的Tx指示灯与PWR指示灯亮起，然后按照提示下载USB驱动，安装好驱动后，方可进行通讯，正常的数据传输时，Rx指示灯不停的闪烁，若Rx指示灯不闪烁，则表明还没有实现正常通讯。
向CPU下载不同的程序进行试验，经过试验，硬件连接正确，元件工作正常，输入输出信号传输稳定，试验结果良好。
6 控制结果
硬件搭建好以后，通过软件STEP7进行编写控制程序，设置好PG/PC通信接口，安装好PC Adapter驱动，从而可以实现远程控制，但这只能客观的通过AI818进行观察温度或者观察锅炉工作与否，不能直观的看到设定值与当前测定值的具体变化情况，要想看到实时曲线就需要用到一台上位机进行数据监控，在这里选用力控6.1版组态软件，它采用功能框图的方式为用户提供组态界面，具备与实时数据库、图形界面进行通讯的功能。
通过不同的程序对硬件系统进行了验证，结果表明：硬件系统的输入输出量能快速准确地通过上位机进行监控，达到了良好的控制效果。
例如当采用比例积分对系统进行闭环控制时，比例系数P=5，积分时间Ti=250s，设定温度值70度，最后跟踪到69.9度，误差最小达到0.1度。控制效果图，如图16所示。

图16 控制效果图

结束语
在西门子S7-300系列PLC和力控组态软件的基础上，我们成功设计出了温度控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。再加上由力控设计的人机界面，整个系统操作简单、控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。通过本次毕业设计，我对温度控制系统有了一个深入的认识，特别是对常用的控制对象、控制方法有了一定的了解。
大学的最后一个学期，过的充实而精彩，之前的大学时光我把更多的时间用来学习理论的教科书知识，很少接触动手的课程，毕业设计就是一次很好的检验学习效果的机会，经过这一个学期的动手操作以及思考和体会，之前学习上的一些疑惑都在理论和实践的结合中迎刃而解，通过应用，理论知识更加系统化，也更加生动的体现了具体价值，这些也为以后的职业生涯奠定了一定的基础。
尽管系统整体上实现了控制效果，不过整个系统在控制精度上还有提升的空间，误差还可以再进一步细化解决办法，并且存在一定的延迟，这些都可以做为我以后工作中努力的方向和激励我前进的动力，大学的学习阶段就要结束了，可我的职业生涯学习历程才刚刚开始。

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致谢
本次毕业设计是在田老师的悉心指导下完成的，田老师治学严谨、工作认真，更有诲人不倦的师者风范，在此谨