plc的家用烤箱全自动控制装置的设计
目 录
引言 1
一、家用烤箱的总体设计 2
（一）家用烤箱的机械结构 2
（二）家用烤箱的被控对象 2
二、家用烤箱的硬件设计 2
（一）控制系统硬件选型 2
（二）PLC的具体配置 5
（三）外围硬件的系统接线 5
三、家用烤箱的软件设计 8
（一）控制器的温度控制原理 8
（二）编程软件及程序流程图设计 9
（三）烤箱温度PID控制程序 11
（四）PID控制实验 12
四、组态王仿真 14
（一）新建工程 14
（二）创建画面 15
（三）画面设计 15
（四）新建变量 16
（五）关联变量 16
（六）编辑画面命令语言 16
（七）运行程序 17
总结 18
参考文献 19
谢辞 20
引言
家用烤箱是一种把食物密闭在烘烤空间内进行烘烤或烘干，使得食物烤熟或变脆易于食用的烹饪电器。家用烤箱已经越来越多的步入国内普通百姓的家庭，国内外也有很多的家用电器生产厂家研制生产各式各样的家用烤箱，总体而言，家用烤箱已经逐步具备了全自动控制的功能，人们可以将食物放入烤箱之后不需特殊值守，待烤熟后根据烤箱的声光提示将食物取出食用即可。烤箱可以制作蛋挞、饼干、烤肉等等，应用面非常广泛。
现在家用嵌入式烤箱的价格国产的相对比较低，大概在2000~6000元左右，而进口品牌的价格相对还较高，大多数进口烤箱的价格都超过7000元升至达到万元以上。外国还有一个网络出身的品牌德普（DEP），该品牌烤箱价格走平民 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
路线，也大约在4000左右，因此了解和研究家用烤箱的电气控制原理，可以更好的掌握关键技术。
多数品牌的家用烤箱的电气控制系统经过调查都采取微型芯片如单片机、FPGA等作为控制核心，配合外围I/O芯片及控制电路完成，这些产品具备价格低廉、体积小易于量产等特点。而工业现场的电气控制系统中多采用PLC作为控制核心，PLC也具备一些微型处理芯片不具有的优势，如扩展性强、编程简单，易于维护等。本文以家用烤箱作为控制对象，首先对家用烤箱的内部结构进行分析，得出控制对象的各项控制任务及控制要求，根据这些要求对控制系统的软硬件进行选型和配置，最终完成整个控制系统的方案设计。
一、家用烤箱的总体设计
（一）家用烤箱的机械结构
如图1-1所示，家用烤箱由箱体、加热元件、调温旋钮及电气控制元件等组成，箱体是外壳、隔热层和加热内胆的三层结构，内胆边缘向外壳卷边形成隔绝空气的隔热腔，隔热腔体内填充隔热的膨胀珍珠岩材料。能在保护热量不外溢和保护外壳不过热方面起到很大作用。烤箱门是由带弹簧活页固定在箱体一侧，保证门在关闭后自动与箱体扣紧，获得良好的密封性。
图1-1 家用烤箱的外形结构
（二）家用烤箱的被控对象
家用烤箱的电控对象有：上加热炉丝元件1.5KW；下加热炉丝元件1.5KW；炉内照明灯0.05KW；烘烤架翻转电机0.03KW；烘烤提示声光报警器5W；烘烤启动/停止指示灯5W；
对以上被控元件按照控制类型不同进行分类，首先，加热元件需要自动温度控制，则需要设置功率控制系统，以电位器作为温度设定源，按照烘烤温度选取PT100热电偶温度传感器作为实际温度值采样，在PLC内部执行温度PID闭环控制，驱动功率元件进行闭合或切断，使温度按照设定范围运行。这种系统是连续模拟量闭环控制系统，所以加热控制被控对象按照模拟量控制系统进行设计。
对于炉内照明、烘烤翻转电机、提示报警灯等被控对象，是通过外围按钮作为PLC的输入信号，通过内部程序运算，最终输出给PLC的驱动端，进而驱动被控元件动作，这类元件归类为开关量控制系统，系统将按照开关量控制系统的设计方法进行设计。
二、家用烤箱的硬件设计
（一）控制系统硬件选型
1.PLC选型
PLC即可编程控制器，是以计算机控制技术为核心的基础上使用微处理芯片作为控制处理器，结合外部I/O接口硬件设备实现对工业系统的集中控制。PLC具有编程简单、可靠性高的显著优点。自PLC问世以来，不光在超大型工业现场PLC有广泛应用，在小型的生产线控制系统中，具有较强经济性和维护性能优越的微型PLC也得到了广泛的应用，西门子S7-200系列PLC作为微型PLC家族较知名和优秀的一员，它结构紧凑，扩展性良好，指令功能强大，价格低廉，在各个小型控制系统中得到广泛应用。S7-200PLC外形图如图2-1所示。
图2-1 S7-200PLC外形图
2.温度检测的选型
PT100铂热电阻是测量精确值最高的热电阻，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，这种温度测量元件阻值跟温度的变化成正比，变化关系为当PT100温度为0℃阻值为100欧姆，在100℃时阻值上升至138.5欧姆。这种热电阻是一种温度测量灵敏的温度检测元件，测量精度很高且温度测量值稳定，在当前的各式PLC中都由这种信号的采集模块，比较利于系统集中设计。另外，热电偶的铠装结构也使得热电偶的外形结构坚固，不易于损坏，其外形图如图2-2所示。
图2-2 PT100热电偶外形图
PT100具有很明确的温度等级的划分，不同的阻值会对应不同的温度。这里将热电偶的分度表展示如下表2-1：
表2-1 PT100分度表
温度
欧姆
温度
欧姆
温度
欧姆
0
100
70
127.08
140
153.58
10
103.9
根据组态图分配的PLC的I/O地址表见表2-3。
表2-3 家用烤箱PLC控制系统I/O信号统计及地址分配
输入/输出类别
信号用途
信号类型
声光报警器
DO
Q0.4
（三）外围硬件的系统接线
在这里根据PLC的I/O的分配，绘制出硬件的I/O接线图，如图2-5所示：
——规格化的偏差信号的阶跃变化；
——控制器增益；
——积分时间；
引言 1
一、家用烤箱的总体设计 2
（一）家用烤箱的机械结构 2
（二）家用烤箱的被控对象 2
二、家用烤箱的硬件设计 2
（一）控制系统硬件选型 2
（二）PLC的具体配置 5
（三）外围硬件的系统接线 5
三、家用烤箱的软件设计 8
（一）控制器的温度控制原理 8
（二）编程软件及程序流程图设计 9
（三）烤箱温度PID控制程序 11
（四）PID控制实验 12
四、组态王仿真 14
（一）新建工程 14
（二）创建画面 15
（三）画面设计 15
（四）新建变量 16
（五）关联变量 16
（六）编辑画面命令语言 16
（七）运行程序 17
总结 18
参考文献 19
谢辞 20
引言
家用烤箱是一种把食物密闭在烘烤空间内进行烘烤或烘干，使得食物烤熟或变脆易于食用的烹饪电器。家用烤箱已经越来越多的步入国内普通百姓的家庭，国内外也有很多的家用电器生产厂家研制生产各式各样的家用烤箱，总体而言，家用烤箱已经逐步具备了全自动控制的功能，人们可以将食物放入烤箱之后不需特殊值守，待烤熟后根据烤箱的声光提示将食物取出食用即可。烤箱可以制作蛋挞、饼干、烤肉等等，应用面非常广泛。
现在家用嵌入式烤箱的价格国产的相对比较低，大概在2000~6000元左右，而进口品牌的价格相对还较高，大多数进口烤箱的价格都超过7000元升至达到万元以上。外国还有一个网络出身的品牌德普（DEP），该品牌烤箱价格走平民 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
路线，也大约在4000左右，因此了解和研究家用烤箱的电气控制原理，可以更好的掌握关键技术。
多数品牌的家用烤箱的电气控制系统经过调查都采取微型芯片如单片机、FPGA等作为控制核心，配合外围I/O芯片及控制电路完成，这些产品具备价格低廉、体积小易于量产等特点。而工业现场的电气控制系统中多采用PLC作为控制核心，PLC也具备一些微型处理芯片不具有的优势，如扩展性强、编程简单，易于维护等。本文以家用烤箱作为控制对象，首先对家用烤箱的内部结构进行分析，得出控制对象的各项控制任务及控制要求，根据这些要求对控制系统的软硬件进行选型和配置，最终完成整个控制系统的方案设计。
一、家用烤箱的总体设计
（一）家用烤箱的机械结构
如图1-1所示，家用烤箱由箱体、加热元件、调温旋钮及电气控制元件等组成，箱体是外壳、隔热层和加热内胆的三层结构，内胆边缘向外壳卷边形成隔绝空气的隔热腔，隔热腔体内填充隔热的膨胀珍珠岩材料。能在保护热量不外溢和保护外壳不过热方面起到很大作用。烤箱门是由带弹簧活页固定在箱体一侧，保证门在关闭后自动与箱体扣紧，获得良好的密封性。
图1-1 家用烤箱的外形结构
（二）家用烤箱的被控对象
家用烤箱的电控对象有：上加热炉丝元件1.5KW；下加热炉丝元件1.5KW；炉内照明灯0.05KW；烘烤架翻转电机0.03KW；烘烤提示声光报警器5W；烘烤启动/停止指示灯5W；
对以上被控元件按照控制类型不同进行分类，首先，加热元件需要自动温度控制，则需要设置功率控制系统，以电位器作为温度设定源，按照烘烤温度选取PT100热电偶温度传感器作为实际温度值采样，在PLC内部执行温度PID闭环控制，驱动功率元件进行闭合或切断，使温度按照设定范围运行。这种系统是连续模拟量闭环控制系统，所以加热控制被控对象按照模拟量控制系统进行设计。
对于炉内照明、烘烤翻转电机、提示报警灯等被控对象，是通过外围按钮作为PLC的输入信号，通过内部程序运算，最终输出给PLC的驱动端，进而驱动被控元件动作，这类元件归类为开关量控制系统，系统将按照开关量控制系统的设计方法进行设计。
二、家用烤箱的硬件设计
（一）控制系统硬件选型
1.PLC选型
PLC即可编程控制器，是以计算机控制技术为核心的基础上使用微处理芯片作为控制处理器，结合外部I/O接口硬件设备实现对工业系统的集中控制。PLC具有编程简单、可靠性高的显著优点。自PLC问世以来，不光在超大型工业现场PLC有广泛应用，在小型的生产线控制系统中，具有较强经济性和维护性能优越的微型PLC也得到了广泛的应用，西门子S7-200系列PLC作为微型PLC家族较知名和优秀的一员，它结构紧凑，扩展性良好，指令功能强大，价格低廉，在各个小型控制系统中得到广泛应用。S7-200PLC外形图如图2-1所示。
图2-1 S7-200PLC外形图
2.温度检测的选型
PT100铂热电阻是测量精确值最高的热电阻，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，这种温度测量元件阻值跟温度的变化成正比，变化关系为当PT100温度为0℃阻值为100欧姆，在100℃时阻值上升至138.5欧姆。这种热电阻是一种温度测量灵敏的温度检测元件，测量精度很高且温度测量值稳定，在当前的各式PLC中都由这种信号的采集模块，比较利于系统集中设计。另外，热电偶的铠装结构也使得热电偶的外形结构坚固，不易于损坏，其外形图如图2-2所示。
图2-2 PT100热电偶外形图
PT100具有很明确的温度等级的划分，不同的阻值会对应不同的温度。这里将热电偶的分度表展示如下表2-1：
表2-1 PT100分度表
温度
欧姆
温度
欧姆
温度
欧姆
0
100
70
127.08
140
153.58
10
103.9
根据组态图分配的PLC的I/O地址表见表2-3。
表2-3 家用烤箱PLC控制系统I/O信号统计及地址分配
输入/输出类别
信号用途
信号类型
声光报警器
DO
Q0.4
（三）外围硬件的系统接线
在这里根据PLC的I/O的分配，绘制出硬件的I/O接线图，如图2-5所示：
——规格化的偏差信号的阶跃变化；
——控制器增益；
——积分时间；
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