本系统的结构框如图2-2所示
PLC 变送器 热电偶 锅 炉 可控硅 图2-2 系统组成的结构框图
系统选用S7-300PLC为控制器，用热电偶检测炉温，温度变送器将热电偶输出的微弱信号转换为标准信号。然后送给模拟量输入模块，经A/D转换成数字量。CPU将它与温度设定值作比较，并按PID控制算法对误差进行运算，将结果送给模拟量输出模块，经D/A转换变为模拟信号。用来控制可控硅的导通角大小，从而调节电热丝的加热，改变温度大小。
第三章 硬件设计及网络结构
3.1可编程控制器概述
可编程控制器简称PLC，它几乎完全占领了工业控制领域。由于PLC的应用面广、功能强大、使用维护方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用。
PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）。其中运行状态是执行应用程序的状态，在CPU执行启动操作时，清除没有保持功能的位存储器，定时器和计数器，清除堆栈内容等。再执行一次启动组织块OB100,它由用户编写，即完成对指定的初始化操作。之后反复不断地重复执行用户程序。停止状态一般用于程序的编制与修改。
除了执行用户程序外，PLC还要完成启动循环时间监，数据写入输出模块，读取输入模块状态，并存入输入过程映像区；在系统循环结束时，接着执行所有挂起的任务。最后返回第一阶段。各个阶段如图3-1所示
执行OB100 启动循环时间监控 数据写入输出模块 读取输入模块状态 执行用户程序 执行其他任务 图3-1 扫描过程
PLC的特点如下：
? 可靠性高，抗干扰能力强，适应性强。 ? 系统的安装、设计和调试工作量小，维护方便。 ? 硬件配套齐全，编程方便易学，操作方便。 ? 体积小，功能强大，能耗低，性价比高。
3.2 S7-300的输入输出模块
S7-300属于模块式PLC，主要由CPU模块、电源模块、输入输出模块组成（图3-2）。各种模块安装在机架上，通过通信模块，PLC可以与计算机，其他PLC或其他设备进行通信。
电源模块 接口模块 扩展机架 输入模块CPU 模块 通信接口 输出模块 其他设备 ? 模拟量输入模块
在温度控制系统中，传感器将检测到的温度信号转换成4～20mA的电流信号。模拟量输入模块SM331用于将模拟量信号转换为CPU内部处理的数字信号。其主要组成部分是A/D转换器。模拟量输入模块的输入信号一般是模拟量变送器的标准输出信号。
为了减少电磁干扰，传送模拟信号时使用双绞屏蔽电缆。模拟信号电缆的屏蔽层两端接地，如果电缆两端存在电位差，将会造成对模拟信号的干扰。在这种情况下，将电缆的屏蔽层一点接地。 ? 模拟量输出模块
模拟量输出模块SM332用于将CPU送给执行元件的数字信号转换成成比例的电流信号，其主要部件是D/A转换器、
模拟量输出模块为负载和执行器提供电流或电压，模拟信号使用屏蔽电缆或双绞线电缆来传送。 ? 数字量输入模块
数字量输入模块SM321用于连接外部的机械触点和电子式传感器，比如接近开关，二线式开关等。数字量输入模块把外部传来的数字信号转换为PLC的内部
通信网络 其他PLC 计算机 图3-2 PLC基本结构
信号，输入电路中一般含有RC滤波器，防止由于外部干扰而引起的错误信号输入。输入电流一般为几毫安。 ? 数字量输出模块
数字量输出模块SM322用于驱动接触器，灯等小功率电机负载。数字量输出模块将PLC的内部信号转换为控制过程所需的外部信号。具有隔离和功率放大作用，其功率放大元件如大功率晶体管和场效应晶体管，固态继电器，驱动交流负载的双向晶体管等。输出电流一般为0.5～2A
3.3 温度传感器
温度传感器是最早开发，应用最广的一种传感器。它是把检测到的温度转化为电量的装置。按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶，热电偶是将温度转化为电势的变化，而热电阻是将温度的变化转化为电阻的变化。 ? 热电阻
热电阻是金属导体的电阻随温度的增加而增加的这一特性来测量温度的，是测量低温的温度传感器，一般测量温度在-200～800℃。热电阻由金属材料制成，应用最广的是铂和铜。热电阻式温度传感器有如下特点:
优点：1）准确度高 2)输出信号大，灵敏度高。3）测量范围广，稳定性好。4)输出线性好 缺点：1）抗机械冲击与振动性能差 2）元件结构复杂，热响应时间长，不适宜测量温度瞬变区域。 ? 热电偶
将两种不同的金属导体焊接在一起，构成闭合回路。在焊接端（测量端）加热产生温差，就会在回路里产生热电流，相应地产生热电动势。这种以测量热电动势的方法来测量温度的元件称为热电偶。一般测量范围在400～1800℃。热电偶温度传感器有如下特点：
优点：1）结构简单，制造容易 2)价格便宜 3)准确度高 4）测量范围广，能适应各种测量对象的要求，远距离测量和控制 5）具有极高的响应速度，可以测量极速变化的过程 缺点：灵敏度较低，容易受到环境干扰的影响。
本设计使用镍镉-镍硅N型热电偶，具有线性度好，热电动势大，灵敏度稳定性均较好的优点。
3.4 温度变送器
变送器用于将传感器提供的电量转换为标准量程的直流电流或直流电压信号。例如DC0～10V和4～20mA。变送器分为电流输出型和电压输出型。PLC模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高。如果变送器距离PLC较远，传送模拟量电压信号时抗干扰能力会很差。当PLC的模拟量输入模块输入电流时，产生的干扰较小，所以模拟量电流信号适合于远距离传送。本设计选用电流输出型。
3.5 温度控制器
本设计采用可控硅作为开关元件，可以避免传统继电器的频繁吸合造成损坏的问题。而且具有动作快，寿命长，可靠性好等优点。通过将可控硅的导通角大小来调节输出功率，从而控制主回路加热元件电流大小，使加热炉保持在设定温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成，主回路由可控硅、快速熔断器，加热元件等部分组成。控制回路由电源、热电偶、PID调节器等部分组成。
3.6系统网络结构
西门子的STMATIC NET网络系统可分为四层，如图3-3
工业以太网 工业以太网 管理层 单元层 现场层 执行器—传感器 Profibus Profibus AS-i 图3-3 网络系统
课程设计（论文）-基于PLC的电加热炉温度控制系统设计
