2024年4月4日发(作者：富察鸿煊)
自动化技术
基于PLC的水温控制系统设计
彭芳
（湖南工程职业技术学院，湖南长沙，410151）
摘要：温度测量广泛应用于各种工业生产、农业生产和生活中，本文介绍基于可编程逻辑控制器（PLC）的水温测量与控制系统，利用温
度传感器进行水箱水温温度实时检测，通过PLC模拟量扩展模块进行信号的转换，根据控制要求完成PLC程序的设计与调试，实现水温的
自动调节与控制；同时通过触摸屏界面显示水温，具有直观性和可操作性。
关键词：温度；测量；控制
0 前言
温度是一种最基本的环境参数，它不仅与我们的日常生
活息息相关，同时在工业生产、农业生产过程中，许许多多
农产品的生长环境、工业产品的加工工艺流程都需要实时进
行温度检测，才能生产出合格的产品。为保证产品的质量，
要求我们对温度进行精确控制。
例如：在某水箱水温控制系统中，控制要求如下：水
箱水温由加热器控制，其功率为2kW；水温要求控制在
50℃~60℃之间，当温度低于50℃时，启动加热器；当水
温高于60℃时，关闭加热器，实现温度的自动调节与控制。
1 控制系统设计方案
温度测量可采取不同的方式，如生活中的温度计，利用
水银热胀冷缩原理，可反映出实时的天气温度。在工业控制
中，不仅要求进行温度的检测，而且要求能对产品的生产环
境温度进行控制，使温度保持在要求的范围内，实现自动调
节。基于此，笔者在水箱水温控制系统设计中，采用基于可
编程逻辑控制器（PLC）的温度测量与控制模块，可达到精
确控制、灵活调节的效果。
2 控制系统硬件设计
该系统硬件主要由西门子S7-200 SMART SR40PLC、
模拟量扩展模块EM AT04、K型热电偶传感器、加热电阻丝、
交流接触器KM和电源开关等组成。在系统设计中需要解决
两个问题：一是如何实现温度的测量？二是如何使水箱水温
保持在50
o
C-60
o
C之间？
■ 2�1 温度测量电路
首先温度测量采用应用广泛的K型热电偶传感器，它
是一种自发电式传感器，工作时不需要外加电源。K型热电
偶测量温度范围在0℃~1200℃之间，具有良好的线性热电
特性曲线；同时因为K型热电偶传感器具有造价低、测量
精确度较高、测量温度范围广等特点。这里选择型号为MT
的K型热电偶，其测量温度范围为0℃~600℃，满足本项
目的水温测量要求。
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| 电子制作 2019年04月
在温度测量时，考虑到温度是一个随时间连续变化的模
拟信号，经温度传感器转换的电信号也是一个模拟量，它不
能作为输入信号直接与PLC相连，需要经过模-数转换，
才能接入PLC的输入端。这里采用西门子模拟量扩展模块
EM AT04进行信号的转换，该模块将温度传感器的电信号
经逆变器后输出的标准电压信号，进行A/D转换，转换为一
个字长的对应数字量，储存在模拟量存储器AI中，系统工作
时，只需将PLC模拟量存储器AI对应的温度数据读取即可。
EM AT04可输入来自热电偶的4个外部通道信号，它
具有反极性保护。
■ 2�2 温度显示电路
在水温控制系统中，我们需要将测量的温度进行数据的
显示，让我们能直观地对水温进行实时观察。这里水温显示
采用威纶通触摸屏，型号为TK6070iP，不仅可在屏上实现
温度的实时显示，而且还可以通过触摸屏上设置的起动与停
止按钮的操作，实现系统工作状态的控制，且与硬件按钮的
起动与停止操作具有同样的效果。
■ 2�3 PLC整体硬件电路
西门子S7-200 SMART SR40做为主控制器，模块输入
电源为交流220V。其输入端设置水箱温度检测起动按钮和
停止按钮，可控制系统的工作状态，其输出端接交流接触器
KM线圈。
PLC与模拟量扩展模块EM AT04通过信号线相连，扩
展模块电源为直流24V。将两线制的温度传感器分别接模拟
量扩展模块0号通道的0+、0-端点。
PLC与威纶通触摸屏TK6071iP通过信号线相连，触摸
屏供电电源为直流24V。水温硬件控制电路如图1所示。
在图1中，
起动按钮、停止按
钮分别接到PLC
的I0�0、I0�1输入
端；PLC的输出端
Q0�0接控制交流
接触器KM线圈。
图1 水温控制电路
■ 2�4 温度控制电路
在温度控制主电路中，220V交流电源经电源开关接入
交流接触器的常开触点与加热器电阻丝构成回路。
接触器线圈通电
与否，决定加热器电
阻丝是否与接通交流
电进行加热，如图2
所示。
系统起动后，若
图2 加热器控制主电路
水温低于50
o
C时，PLC执行程序使输出点Q0�0
得电，接
触器KM线圈得电，其常用开触点闭合，主电路中加热器工
作，水箱加热，使水温上升；当水温高于60
o
C时，PLC执
行程序使输出点Q0�0
断电，KM线圈断电，其常用开触点
恢复断开，主电路中加热器电阻丝与交流电分断，停止工作。
3 控制系统软件设计
■ 3�1 程序结构设计
采用主程序完成设计，主程序分为三个部分：一是系统
起动与停止控制；二是水温的读取；三是温度控制范围的设
置与控制。
起动与停止控制程序采用起-保-停结构。借助辅助继
电器元件M，设置对应的系统运行控制位M0�0，起动时，
M0�0线圈得电，停止时，M0�0断电；水温的读取采用传送
指令将温度数据存储区的信息写入至变量寄存器中，并进行
数据的换算；EM AT04的4个通道分别是0、1、2、3通道，
每个通道对应的温度数据读取地址分别是AIW16、AIW18、
AIW20、AIW22，即当温度传感器的输出信号接至EM AT04
的0号通道两个输入端0+、0-时，则对应该通道的数据读
取地址是AIW16，并将读取的数据进行除以10的换算，才
是水温的温度值；温度控制范围程序可采用比较指令进行判
断，比较指令的数据格式采用字的存储格式，其比较结果控
制PLC的输出点Q0�0，即可实现水温要求的控制范围。
■ 3�2 程序流程图
程序设计流程图见图3。
系统停止时，由停止信号对相应工作位和端口进行清零。
4 系统调试
在硬件电路连接完成的基础上，系统软件调试主要分为
以下步骤：
（1）采用西门子S7-200 SMART软件建立工程项目，
编写梯形图程序，编译并下载至PLC中；
自动化技术
（2）在威纶通触摸屏EBproV6软件中，首先完成PLC
与触摸屏的通信设置，然后进行触摸屏界面组态，编译并下
载至触摸屏；
（3）系统调试时，一是观察硬件工作状态正常与否；
二是在PLC软件界面，观察到温度数据的读取情况如下：
在加热时，水温温度的变化呈上升趋势，当水温升至上限温
度时，能有效停止加
热器，说明该控制系
统实现了水温温度的
测量与调节控制。
5 结束语
此设计方案分硬
件和软件两大部分，
硬件上利用了西门子
PLC做为控制器，采
用K型热电偶传感器
进行水温的检测，通
过模拟量扩展模块的
信号转换，将传感器
图3 系统工作流程图
的信号变换成PLC可输入的数字信号。软件设计中采用了
结构化程序设计，具有较好的可移植性，当控制系统要求的
温度变化时，只需做简单的修改参数，快捷方便，可实现不
同控制对象的温度控制要求。
需要说明的是模拟量扩展模块EM AT04工作时若只使
用了部分通道，则应将未用通道的两个输入端子之间接入
100Ω的电阻，才能正常工作，否则通电时，模块将出现红
灯闪烁的警示状态。例如此方案中只使用了EM AT04的0
号通道，0+、0-两个端子，其余1、2、3个通道未使用，
则应用3个100Ω的电阻分别接到1+与1-、2+与2-、3+
与3-之间，才能让模拟量模块有效工作。
参考文献
＊ [1]西门子S7-200 SMART系统手册[Z],2016�12
＊ [2]史宜巧,侍寿永�PLC
应用技术
[M]�北京：高等教育出版社，
2016�9�
＊ [3]廖常初�PLC编程及应用[M]�北京：机械工业出版社，
2008�1�
＊ [4]宋伯生�PLC编程理论·算法及技巧[M]�北京：机械工业出版
社，2005�2�
＊ [5]吴志敏，阳胜峰�西门子
PLC与变频器、触摸屏综合应用教
程[M]�中国电力出版社，2009
www�ele169�com |
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自动化技术
基于PLC的水温控制系统设计
彭芳
（湖南工程职业技术学院，湖南长沙，410151）
摘要：温度测量广泛应用于各种工业生产、农业生产和生活中，本文介绍基于可编程逻辑控制器（PLC）的水温测量与控制系统，利用温
度传感器进行水箱水温温度实时检测，通过PLC模拟量扩展模块进行信号的转换，根据控制要求完成PLC程序的设计与调试，实现水温的
自动调节与控制；同时通过触摸屏界面显示水温，具有直观性和可操作性。
关键词：温度；测量；控制
0 前言
温度是一种最基本的环境参数，它不仅与我们的日常生
活息息相关，同时在工业生产、农业生产过程中，许许多多
农产品的生长环境、工业产品的加工工艺流程都需要实时进
行温度检测，才能生产出合格的产品。为保证产品的质量，
要求我们对温度进行精确控制。
例如：在某水箱水温控制系统中，控制要求如下：水
箱水温由加热器控制，其功率为2kW；水温要求控制在
50℃~60℃之间，当温度低于50℃时，启动加热器；当水
温高于60℃时，关闭加热器，实现温度的自动调节与控制。
1 控制系统设计方案
温度测量可采取不同的方式，如生活中的温度计，利用
水银热胀冷缩原理，可反映出实时的天气温度。在工业控制
中，不仅要求进行温度的检测，而且要求能对产品的生产环
境温度进行控制，使温度保持在要求的范围内，实现自动调
节。基于此，笔者在水箱水温控制系统设计中，采用基于可
编程逻辑控制器（PLC）的温度测量与控制模块，可达到精
确控制、灵活调节的效果。
2 控制系统硬件设计
该系统硬件主要由西门子S7-200 SMART SR40PLC、
模拟量扩展模块EM AT04、K型热电偶传感器、加热电阻丝、
交流接触器KM和电源开关等组成。在系统设计中需要解决
两个问题：一是如何实现温度的测量？二是如何使水箱水温
保持在50
o
C-60
o
C之间？
■ 2�1 温度测量电路
首先温度测量采用应用广泛的K型热电偶传感器，它
是一种自发电式传感器，工作时不需要外加电源。K型热电
偶测量温度范围在0℃~1200℃之间，具有良好的线性热电
特性曲线；同时因为K型热电偶传感器具有造价低、测量
精确度较高、测量温度范围广等特点。这里选择型号为MT
的K型热电偶，其测量温度范围为0℃~600℃，满足本项
目的水温测量要求。
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| 电子制作 2019年04月
在温度测量时，考虑到温度是一个随时间连续变化的模
拟信号，经温度传感器转换的电信号也是一个模拟量，它不
能作为输入信号直接与PLC相连，需要经过模-数转换，
才能接入PLC的输入端。这里采用西门子模拟量扩展模块
EM AT04进行信号的转换，该模块将温度传感器的电信号
经逆变器后输出的标准电压信号，进行A/D转换，转换为一
个字长的对应数字量，储存在模拟量存储器AI中，系统工作
时，只需将PLC模拟量存储器AI对应的温度数据读取即可。
EM AT04可输入来自热电偶的4个外部通道信号，它
具有反极性保护。
■ 2�2 温度显示电路
在水温控制系统中，我们需要将测量的温度进行数据的
显示，让我们能直观地对水温进行实时观察。这里水温显示
采用威纶通触摸屏，型号为TK6070iP，不仅可在屏上实现
温度的实时显示，而且还可以通过触摸屏上设置的起动与停
止按钮的操作，实现系统工作状态的控制，且与硬件按钮的
起动与停止操作具有同样的效果。
■ 2�3 PLC整体硬件电路
西门子S7-200 SMART SR40做为主控制器，模块输入
电源为交流220V。其输入端设置水箱温度检测起动按钮和
停止按钮，可控制系统的工作状态，其输出端接交流接触器
KM线圈。
PLC与模拟量扩展模块EM AT04通过信号线相连，扩
展模块电源为直流24V。将两线制的温度传感器分别接模拟
量扩展模块0号通道的0+、0-端点。
PLC与威纶通触摸屏TK6071iP通过信号线相连，触摸
屏供电电源为直流24V。水温硬件控制电路如图1所示。
在图1中，
起动按钮、停止按
钮分别接到PLC
的I0�0、I0�1输入
端；PLC的输出端
Q0�0接控制交流
接触器KM线圈。
图1 水温控制电路
■ 2�4 温度控制电路
在温度控制主电路中，220V交流电源经电源开关接入
交流接触器的常开触点与加热器电阻丝构成回路。
接触器线圈通电
与否，决定加热器电
阻丝是否与接通交流
电进行加热，如图2
所示。
系统起动后，若
图2 加热器控制主电路
水温低于50
o
C时，PLC执行程序使输出点Q0�0
得电，接
触器KM线圈得电，其常用开触点闭合，主电路中加热器工
作，水箱加热，使水温上升；当水温高于60
o
C时，PLC执
行程序使输出点Q0�0
断电，KM线圈断电，其常用开触点
恢复断开，主电路中加热器电阻丝与交流电分断，停止工作。
3 控制系统软件设计
■ 3�1 程序结构设计
采用主程序完成设计，主程序分为三个部分：一是系统
起动与停止控制；二是水温的读取；三是温度控制范围的设
置与控制。
起动与停止控制程序采用起-保-停结构。借助辅助继
电器元件M，设置对应的系统运行控制位M0�0，起动时，
M0�0线圈得电，停止时，M0�0断电；水温的读取采用传送
指令将温度数据存储区的信息写入至变量寄存器中，并进行
数据的换算；EM AT04的4个通道分别是0、1、2、3通道，
每个通道对应的温度数据读取地址分别是AIW16、AIW18、
AIW20、AIW22，即当温度传感器的输出信号接至EM AT04
的0号通道两个输入端0+、0-时，则对应该通道的数据读
取地址是AIW16，并将读取的数据进行除以10的换算，才
是水温的温度值；温度控制范围程序可采用比较指令进行判
断，比较指令的数据格式采用字的存储格式，其比较结果控
制PLC的输出点Q0�0，即可实现水温要求的控制范围。
■ 3�2 程序流程图
程序设计流程图见图3。
系统停止时，由停止信号对相应工作位和端口进行清零。
4 系统调试
在硬件电路连接完成的基础上，系统软件调试主要分为
以下步骤：
（1）采用西门子S7-200 SMART软件建立工程项目，
编写梯形图程序，编译并下载至PLC中；
自动化技术
（2）在威纶通触摸屏EBproV6软件中，首先完成PLC
与触摸屏的通信设置，然后进行触摸屏界面组态，编译并下
载至触摸屏；
（3）系统调试时，一是观察硬件工作状态正常与否；
二是在PLC软件界面，观察到温度数据的读取情况如下：
在加热时，水温温度的变化呈上升趋势，当水温升至上限温
度时，能有效停止加
热器，说明该控制系
统实现了水温温度的
测量与调节控制。
5 结束语
此设计方案分硬
件和软件两大部分，
硬件上利用了西门子
PLC做为控制器，采
用K型热电偶传感器
进行水温的检测，通
过模拟量扩展模块的
信号转换，将传感器
图3 系统工作流程图
的信号变换成PLC可输入的数字信号。软件设计中采用了
结构化程序设计，具有较好的可移植性，当控制系统要求的
温度变化时，只需做简单的修改参数，快捷方便，可实现不
同控制对象的温度控制要求。
需要说明的是模拟量扩展模块EM AT04工作时若只使
用了部分通道，则应将未用通道的两个输入端子之间接入
100Ω的电阻，才能正常工作，否则通电时，模块将出现红
灯闪烁的警示状态。例如此方案中只使用了EM AT04的0
号通道，0+、0-两个端子，其余1、2、3个通道未使用，
则应用3个100Ω的电阻分别接到1+与1-、2+与2-、3+
与3-之间，才能让模拟量模块有效工作。
参考文献
＊ [1]西门子S7-200 SMART系统手册[Z],2016�12
＊ [2]史宜巧,侍寿永�PLC
应用技术
[M]�北京：高等教育出版社，
2016�9�
＊ [3]廖常初�PLC编程及应用[M]�北京：机械工业出版社，
2008�1�
＊ [4]宋伯生�PLC编程理论·算法及技巧[M]�北京：机械工业出版
社，2005�2�
＊ [5]吴志敏，阳胜峰�西门子
PLC与变频器、触摸屏综合应用教
程[M]�中国电力出版社，2009
www�ele169�com |
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