1. 引言
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。温度控制则是使被控对象的温度达到并保持在设定的目标范围之内。温度控制的被控对象是特定的物体或环境，被控量是温度值。
在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
组成最基本的温度控制系统一般包括四部分：温度传感器、能够升温或者降温的执行器、进行判断分析的控制器和被控对象。如图1–1所示：
图1–1 基本的温度控制系统
电动机和变压器是工厂企业中，现场使用最多的电气设备，经常因为操作不当，或者年久失修，而造成损坏，所以对于这些设备的检修成为了一项重要的任务。在电动机和变压器的生产和检修的过程中，需要对电动机和变压器的线圈进行绕制，然后将线圈浸漆，最后利用加热炉对浸漆后的线圈进行烘干处理。因此，加热炉的温度控制成为了线圈质量的好坏的关键，也间接影响了电动机和变压器的质量。
可编程控制器( Programmable Controller) 简写成PLC， 经过30多年的发展，现在已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。可编程控制器具有诸多优点：（1）PLC有较高的可靠性和诊断能力，维修容易；（2）PLC还具有编程方便、易于使用、价格低廉的优点；（3）PLC控制功能极强，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、P I D运算、过程控制、数字控制等功能；（4）PLC的扩展以及与外部联接极为方便，环境适应力强。PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。
本论文即是要求设计利用PLC设计一个加热炉自动温度控制系统，以保证加热炉工作的稳定性以及电动机和变压器的产品质量。
2. PLC的基本概念和工作原理
2.1 PLC概述
PLC的兴起是与美国现代工业自动化生产发展的要求密不可分的。在1968年，当时的通用汽车公司为解决工厂生产线调整时，继电器顺序控制系统的电路修改耗时，平时检修与维护不易等问题而征集更替方案。在PLC出现之前，汽车制造业中的一般控制、顺序控制以及安全互锁逻辑控制必须完全依靠众多的继电器、定时器以及专门的闭回路控制器来实现。它们的体积庞大、有着严重的噪音，不但每年的维护工作要耗费大量的人力物力，而且继电器–接触器系统的排线检修等工作对维护人员的熟练度也有着很高的要求。针对这些问题，美国通用汽车公司要求设计一种新的系统来替换继电器系统，并提出了著名的“通用十条”招标指标，即：
（1）编程方便，现场可修改程序；
（2）维修方便，采用模块化结构；
（3）可靠性高于继电器控制装置；
（4）体积小于继电器控制装置；
（5）数据可直接送入管理计算机；
（6）成本可与继电器控制装置竞争；
（7）输入可以是交流115V；
（8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；
（9）在扩展时原系统只要很小的变更；
（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
随后美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年成功研制了第一台PDP-14控制器，并在汽车自动装配线上使用并获得成功。由于当时系统主要用于顺序控制、职能进行逻辑运算，所以被命名为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。
最早期的PLC只有简易的逻辑开关功能，但是比起传统继电器的控制方式，以具有容易修改、安装、诊断和不占用空间等优点。1970年代初期，PLC引进微处理机技术，使得PLC具有算术运算功能与多元的数位喜好输出输入功能，并且能直接以阶梯图符号进行程式编写。这项新技术的使用在工业界产生了巨大的反响。1970年代中期，PLC功能加入远距通讯、类比输出输入、NC伺服控制等技术。1980年代以后更引进PLC高速通讯网络功能，同时加入一些特殊输出输入界面、人机界面、高功能函数指令、资料收集与分析能力等功能。
PLC的功能早已不止当初数位逻辑的运算功能，因此近年来PLC常以可编程控制器（Programmable Controller）简称之。
1985年，国际电工委员会（IEC）在PLC的标准草案第3稿中，对PLC作出了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”
本论文将以金钟·穆勒公司生产的“Easy”500系列为基础。
2.2 PLC的工作原理
PLC通电后,需要对硬件和软件作一些初始化的工作.为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务(见图2–1)，这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。
（1）读取输入
在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入过程映像寄存器。CPU以字节（8位）为单位来读写输入/输出过程映像寄存器。
在读取输入阶段，PLC把所有外部数字量输入电路的1/0状态（或称ON/OFF）读入输入过程映像寄存器。外接的输入电路闭合时，对应的输入过程映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入电路断开时，对应的输入过程映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入点的常开触点断开，常闭触点接通
（2）执行用户程序
PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。在RUN工作模式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序。
在执行指令时，从I/O映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其0/1状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应的映像寄存器中，因此，各映像寄存器（只读的输入过程映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。
在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入过程映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。执行程序时，对输入/输出的存取通常是通过映像寄存器，而不是实际的I/O点，这样做有以下好处：
①程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完后再用输出过程映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。
②用户程序读写I/O映像寄存器比读写I/O点快得多，这样可以提高程序的执行速度。
（3）通信处理
在通信请求处理阶段，CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息，例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，在适当的时候将信息传送给通信请求方。
（4）CPU自诊断测试
自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。
（5）改写输出
CPU执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的0/1状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出点的线圈“断电”，对应的输出过程映像寄存器中存放的二进制数为0，将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。
当CPU的工作模式从RUN变为STOP时，数字量输出被置为系统块中的输出表定义的状态，或保持当时的状态，默认的设置是将数字量输出清零
。图2.1 扫描过程
3. 电路的设计和系统的工作原理
整个系统由主电路和控制电路两部分组成，此系统的电气原理图在附录中。
3.1 主电路的设计
3.1.1 主电路组成和系统介绍
（1）主电路设备
①风机部分
②主加热器部分
③辅助加热器部分
主电路控制元件主要包括：交流继电器、熔断器、低压断路器、固态继电器和热继电器等电气元器件。
（2）系统介绍
①我们这里使用的是管状加热鼓风干燥箱，型号：DF–302, 规格：,温度范围：50℃～250℃，温度调节精度
2℃。加热功率20KW，报警温度200℃。主电路由三部分组成：炉内风机、主加热器、辅助加热器。炉内风机为三相交流电动机，其功率为2KW。主加热器、辅助加热器都为三相电阻丝加热，其功率分别为15KW、10KW。
②交流接触器代号为图中KM1–KM3.接触器是一种用来自动接通或断开大电流电路的电器，在大多数情况下，其控制对象是电动机，也可是其他电力负载，如电热器、电焊机等。分为直流接触器和交流接触器。在此可设计中我们采用的是交流接触器，交流接触器主要有接触点系统、电磁机构和灭弧装置等组成。
1）触点系统：触点是接触器的执行元件，用来接通或断开电路。它包括主触点和辅助触点。主触点用来通断主电路，辅助触点用来通断控制回路。
2）电磁机构：作用是将电磁能转换成机械能，操纵触点的闭合或断开。交流接触器一般采用衔铁绕轴转动的拍合式电磁机构和衔铁作直线运动的电磁机构。
3）灭弧装置：交流接触器在分断大电流电路时，往往会在动、静触点之间产生很强的电弧。电弧一方面会使电路切断时间延长，另一方面又会烧毁触点损坏装置，产生事故造成损失，因此，灭弧是接触器工作时主要任务之一。
4）其他部分：交流接触器的其他部分包括底座、反力弹簧、缓冲弹簧、传动机构和接线柱等。
（3）熔断器代号为图中的FU1–FU4。熔断器是一种广泛应用的最简单的保护电器之一。其主体是低熔点金属丝或金属薄片制成的熔体，串联在被保护的线路中。在正常的情况下，熔体相当于一根导线，当电路发生短路或过载时，线路中的电流很大，熔体因过热而熔化从而切断电路，从而起到保护的作用。其主要由熔体和绝缘底座等组成。
（4）低压断路器代号为图中的QF1–QF4。低压断路器又称为自动空气开关或自动空气断路器，主要用于低压动力线路中。它相当于刀闸开关、熔断器、热继电器和欠压继电器的组合，是一种自动切断电路故障的保护电器。低压断路器主要由触点系统、操作机构和保护元件三部分组成。
（5）固态继电器代号为图中的SSR。固态继电器是一种无触点通断的电子开关，因为可以实现电磁继电器的功能，故称固态继电器。又因其“断开”和“闭合”均无触点、无火花，因而又称其为“无触点开关”。由于它是由固体元件组成的无触点开关元件，所以与电磁继电器相比，具有体积小、重量轻、工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快、使用方便等优点。比较适用于相对恶劣的工业现场和要求工作可靠性高的场合。
（6）热继电器代号为图中的FR。热继电器是一种具有反时限（延时）过载保护特性的电流继电器，广泛用于电动机的过载保护，也可以用于其它的电气设备过载保护。电动机在运行过程中，如果长期过载、频繁启动、欠压运行或断相运行都可能使电动机的电流超过额定值。如果超过的额定值的量不大，熔断器在这种情况下不会熔断，这样将会引起电动机过热，损坏绕组的绝缘，缩短电动机的使用寿命，严重时有可能烧坏电动机。因此常用热继电器作为电动机的过载保护及断相保护。
3.1.2 电器元件的选取和相关计算
在该系统中电路的电流是就定器件型号的就定因素，因此，电流计算就成了选取起见的关键。
主要计算公式：
P=1.732UIcosΦ （3–1）
U=380V，P1=2KW， P2=15KW，P3=10KW，cos Φ=1
通风机支路：
I1=P1/(1.732UcosΦ)=3.04A （3–2）
主加热器支路：
I2=P2/(1.732UcosΦ)=22.79A （3–3）
辅加热器支路：
I3=P3/(1.732UcosΦ)=15.19A （3–4）
干路总电流：
I=I1+I2+I3=41.02A （3–5）
根据以上电路的计算对电线的选择如下：
控制电路的内部电线用明缚温度在30℃以下用BX导线截面积为2.5。
主电路用导线穿钢管温度在30℃以下用BX导线MT管：路内风机导线截面积为2.5、管径为20
。主加热器导线截面积为4、管径为25
。辅助加热器导线截面积为2.5、管径为20
。（1）接触器（KM1–KM3）
KM1： CJ20-40
KM2: CJ20-25
KM3： CJ20-10
（2）熔断器（FU1–FU4）
FU1: RM10-60/45
FU2: RM10-60/35
FU3: RM10-15/6
（3）低压断路器（QF1–QF4）
QF1–QF4：DZ20Y–100
（4）固态继电器（SSR）
GTJ 6–380 25–ZL
（5）热继电器（FR）
JR 20–10
3.2 控制电路的设计
控制电路由数字温度控制仪、PLC、热电偶、中间继电器、指示灯和控制风箱等组成。
3.2.1控制电路的介绍
（1）PLC
将采用金钟·穆勒公司生产的“Easy”500系列，其相关知识的介绍及使用已在前面有所介绍，在此不将重复说明。PLC在本系统中是最核心的电器元件，所以单独成为一章。
（2）数字温度控制仪
在此系统中，我们使用了富士牌数字式温度控制仪表。
①接线须知
为了对控制仪的安全操作，温度探头安装在环境电压超过50V的直流电压的地方，必须的强绝缘和基本绝缘与温控仪的连接点必须接地。当终端设备接电源时，用绝缘能力高于600V的绝缘头。切断主设备两极点的开关和250V，1MP的熔断器按在一起，熔断器应在主开关和控制仪之间。安装系统应优先考虑接线应符合绝缘要求。
②温控仪表的绝缘标准
主输入、主输出为基本绝缘；relay 输出––输入为基本绝缘；SSR输出––输入为无绝缘要求。
③操作条件
温度：–10℃～50℃；湿度：90％RH或低于90％；安装类别：；污染级别：2级；如果由于误操作或影响而造成的严重事故，此系统提供内部保护电流加以防止。
④电源
1）保证使用相关电压的电源保护设备以免损坏，禁止错误电流；
2）全部接线完成给电，以免电流振动和系统麻烦；
3）对于PXW4，在运行时候，不允许从机壳拉出插头或插入插头。
⑤控制仪的要求
1）优先控制，核查警告作用，因为特殊的设定错误会导致特殊的输出错误；
2）输入暂停将会显示UUUU或LLLL，换传感器要关掉电源。
（3）热电偶
在工业生产过程中温度是测量和控制的重要参数之一。在温度测量过程中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单。制造方便、测量的范围广、精度高、惯性小和输出信号便于采集等许多优点。另外，犹豫热电偶是一种有源传感器，测量时不需要外加电源，使用十分方便，所以常被用以测量加热炉、管道内的气体或液体的温度及固体表面得温度。
①热电效应
将两种不同物质的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场合时，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电”。这两种导体称“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。从而，根据“热电效益的原理”，产生了热电偶。
②接触电动势
所有金属中都有大量自由电子，而不同的金属材料其自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上因自由电子密度不同而发生电子扩散，电子扩散速率与两导体的电子密度有关，并和接触区的温度成正比。设导体
和
的自由电子密度分别为
和
，且有
，则在接触面上由
扩散到
的电子将必然比由
扩散到
的电子数多。因此，导体
失去电子而带正电荷，导体
因获得电子而带负电荷，在
、
的接触面上便形成一个从
到
的静电场，这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势，其大小可以表示为⑤热电偶的选择:
热电偶的选择应根据以下三点选择:
1）根据测量对象的测量范围和测量的精确度来选择；
2）根据被测介质的气氛和环境条件等来选择；
3）尽量少采用贵金属的热电偶材料。
根据以上要求本设计的测量范围不超过400℃，允许误差为1℃，所以选择出材料为铜––铜镍的热电偶，它们的正极为铜，负极为铜镍，型号为WRC，分度号为T（老式的为CK），测量范围为-200℃～400℃，允许误差为
℃，它的性能比较低，低温灵敏度较高，稳定性好，价格便宜，适用于氧化和还原性气氛中。⑥热电偶与热电阻之间的区别
热电偶是一种测温度的传感器，与热电阻一样都是温度传感器，但是他和热电阻的区别主要在于：
1）信号的性质，热电阻本身是电阻，温度的变化，使热电阻产生正的或者是负的阻值变化；而热电偶，是产生感应电压的变化，他随温度的改变而改变。
2）两种传感器检测的温度范围不一样，热阻一般检测0-150度温度范围，最高测量范围可达600度左右（当然可以检测负温度）。热电偶可检测0-1000度的温度范围（甚至更高）所以，前者是低温检测，后者是高温检测。
3）从材料上分，热阻是一种金属材料，具有温度敏感变化的金属材料，热电偶是双金属材料，既两种不同的金属，由于温度的变化，在两个不同金属丝的两端产生电势差。
4）PLC对应的热电阻和热电偶的输入模块也是不一样的，这句话是没问题，但一般PLC都直接接入4～20ma信号，而热电阻和热电偶一般都带有变送器才接入PLC。要是接入DCS的话就不必用变送器了。热电阻是RTD信号，热电偶是TC信号。
5）PLC也有热电阻模块和热电偶模块，可直接输入电阻和电偶信号。
6）热电偶有J、T、N、K、S等型号，有比电阻贵的，也有比电阻便宜的，但是算上补偿导线，综合造价热电偶就高了。热电阻是电阻信号,热电偶是电压信号。
7）热电阻测温原理是根据导体（或半导体）的电阻随温度变化的性质来测量的，测量范围为负00~500度，常用的有铂电阻（Pt100、Pt10）、铜电阻Cu50（负50-150度）。热电偶测温原理是基于热电效应来测量温度的，常用的有铂铑––铂（分度号S，测量范围0~1300度）、镍铬––镍硅（分度号K，测量范围0~900度）、镍铬––康铜（分度号E，测量范围0~600度）、铂铑30––铂铑6（分度号B，测量范围0~1600度）。
8）分度号是用来反映温度传感器在测量温度范围内温度变化对应传感器电压或者阻值变化的标准数列，即热电阻、热电偶、电阻、电势对应的温度值。以热电偶为例：热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T、WRe、WFT等几种。其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。E型测温度值为-40之+1000 ；K型为-40之+1300；S型为0之1700；B型为0之1800；T型为-40之400；WRe型为0之2000；WFT型为400之2000，单位℃
（4）按钮
控制按钮是一种结构简单、使用广泛的手动主令电器，它可以与接触器或继电器配合，对电动机实现远距离的自动控制，用于实现控制线路的电气联锁。
控制按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成，通常做成复合式，即具有常闭触点和常开触点。按下按钮时，先断开常闭触点，后接通常开触点；按钮释放后，在复位弹簧的作用下，按钮触点自动复位的先后顺序相反。通常，在无特殊说明的情况下，有触点电器的触点动作顺序均为“先断后合”。
在电器控制线路中，常开按钮常用来起动电动机，也称起动按钮，常闭按钮常用于控制电动机停车，也称停车按钮，复合按钮用于连锁控制电路中。
控制铵钮的种类很多，在结构上有揿钮式、紧急式、钥匙式、旋钮式、带灯式和打碎玻璃按钮。
常用的控制按钮有LA2、LAl8、LA20、LAYl和SFAN一1型系列按钮。其中SFAN-1型为消防打碎玻璃按钮。LA2系列为仍在使用的老产品，新产品有LAl8、LAl9、LA20等系列。其中LAl8系列采用积木式结构，触点数目可按需要拼装至六常开六常闭，一般装成二常开二常闭。LAl9、LA20系列有带指示灯和不带指示灯两种，前者按钮帽用透明塑料制成，兼作指示灯罩。
按钮选择的主要依据是使用场所、所需要的触点数量、种类及颜色。
3.2.2 工作过程及要求
（1）工作过程
合上QF4电源开关，同时三个分开关QF1、QF2、QF3合上，这时主电路和控制电路在给电状态，按下PLC的合闸按钮，同时给加计数器C1清零。使PLC内部的M1.0得电，同时使加计数器清零的M1.0常闭触点断开，系统开始工作。系统工作线圈K3得电，这时主电路中的K3常开触点闭合，KM3线圈得电，KM3常开触点闭合。控制电路中的散热风机和温控仪也得电，开始工作。由于加热炉内温度没达到温控仪设定的低温点，温度低触点的常开触点此时闭合，使线圈K1、K2得电，K1、K2的辅助常开触点闭合，主电路中KM1、KM2线圈得电，它的常开触点动作，使主、辅加热器通电工作，给炉内加热。红灯发光指示系统工作，同时PLC内部的接通延时定时器T37和加计数器C1也开始工作。
这时炉内温度从室温开始上升，当温度上升到设定的低温点时，温度低触点开始动作，闭合的触点断开，断开的触点闭合，温度低触点动作由闭合变为常开。由附图–1的梯形图可知，线圈K1失电，其触点动作，常开触点由闭合回到常开，主加热器停止工作；线圈K2得电，K2的常开触点闭合，KM2线圈得电，它的触电闭合，温控仪控制的固态继电器也闭合，辅助加热器开始工作。红灯发光指示系统工作，此时PLC内的接通定时器T37和加计数器C1继续工作
当温度达到系统设定的设定温度时，热电偶给温控仪一个信号，使它控制固态继电器SSR截止，使辅助加热器停止工作，保持温度不再上升。当温度低于系统设定的正常温度时，热电偶给温控仪一个信号，使温控仪控制固态继电器SSR，使固态继电器导通，让辅助加热器工作。就这样反复工作，使干燥箱保持设定温度。在系统开始工作的同时PLC内的定时器开始定时，每30分钟给加计数器一个脉冲使加计数器的当前值加1，直到加计数器的设定值为20时，即10小时。同时加计数器C1的常闭触点断开，使PLC工作线圈K3、主加热器线圈K1、辅助加热器线圈K2断电，从而使主加热器和辅助加热器同时断电停止加热，使系统停止工作
如果系统工作电路出现故障时，辅助加热器或主加热器还在工作的情况下，这时PLC的最高温度设定触点发生动作，常开闭合，黄灯发光开始报警，同时使PLC工作线圈K3、主加热器线圈K1、辅助加热器线圈K2断电。从而使主加热器和辅助加热器同时断电，停止加热。以保证工艺要求。如果入内风机电流过大时，也会产生相同的结果。
（2）工作要求：
①能够通过PLC对加热炉的炉温进行自动控制。已达到设计的目的。
②温度在设定温度的低温点以下是，红灯亮（运行），主加热器工作，副加热器不工作。当超过低温点时，辅加热器开始工作，主加热器停止。
③温度超过设定最高温度思点或热继电器过载时，黄灯亮（报警）。整个系统停止工作。
④当时间到达设定的时间时，PLC动作使系统停止工作。
