關(guān)于溫度調(diào)節(jié)設(shè)備的自動(dòng)控制原理分析

劉宇　張真真　史偉

摘 要：隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步人們對(duì)控制提出了更高的要求，傳統(tǒng)的開關(guān)量傳感器技術(shù)已經(jīng)不能滿足精度控制的要求，于是人們選擇模擬量傳感器控制輸出元器件的動(dòng)作，尤其是在溫度控制方面。基于實(shí)際控制需求以亞龍YL-G005 型智能溫度控制實(shí)訓(xùn)模塊和三菱系列PLC為基本模型，通過PT100采集模塊，檢測(cè)不同時(shí)間的溫度變化，通過2AD模塊采集到PLC，再通過程序控制風(fēng)機(jī)和加熱器，使溫度保持在設(shè)定的范圍。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器;AD模塊;三菱PLC

溫度控制廣泛應(yīng)用于實(shí)際生活和工業(yè)生產(chǎn)中，比如家用空調(diào)的溫度設(shè)定，奶廠中巴式殺菌時(shí)的溫度調(diào)節(jié)，都是以溫度作為被控量。在溫度調(diào)節(jié)中，采用溫度傳感器檢測(cè)出實(shí)際溫度值，然后再根據(jù)控制要求，通過控制器完成相應(yīng)的動(dòng)作，來實(shí)現(xiàn)使溫度的達(dá)到某個(gè)設(shè)定值或范圍。本論文中，基于YL-G005 型智能溫度控制設(shè)備模擬實(shí)現(xiàn)恒溫箱控制。

一.控制要求分析

1.1基于亞龍YL-G005 型恒溫箱控制實(shí)訓(xùn)模塊設(shè)計(jì)的如圖1-1

圖1 亞龍YL-G005 型智能溫度控制實(shí)訓(xùn)模塊

1.2基本組成：

1.2.1恒溫箱：內(nèi)部有一個(gè)PT100溫度傳感器、溫度變送器、兩個(gè)DC24V散熱風(fēng)扇、一個(gè)加熱器;面板有E5CC-800溫度顯示器，兩個(gè)按鈕，綠色為啟動(dòng)按鈕，紅色為停止按鈕、G3NA繼電器，熱保，指示燈，及主體架構(gòu)。

1.2.1.1溫度傳感器：它可以通過物體隨溫度變化的某些特性（如電阻、電壓變化等特性）來間接測(cè)量。通過研究發(fā)現(xiàn)，金屬鉑（Pt）的電阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器零攝氏度阻值為 100Ω，電阻變化率為 0.3851Ω /℃。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（-200～650℃）最常用的一種溫度檢測(cè)器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)（涵蓋國家和世界基準(zhǔn)溫度）供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。

在本溫控實(shí)訓(xùn)模塊中，為了能同時(shí)將溫度信號(hào)傳送給可編程控制器和智能溫控儀表，我們選用的是在同一個(gè)傳感器上具有兩組輸出信號(hào)的鉑電阻溫度傳感器，兩組都是采用三線制接法。

1.2.1.2溫度變送器：溫度變送器采用熱電偶、熱電阻作為測(cè)溫元件，從測(cè)溫元件輸出信號(hào)送到變送器模塊，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性校正、V/I 轉(zhuǎn)換、恒流及反向保護(hù)等電路處理后，轉(zhuǎn)換成與溫度成線性關(guān)系的 4～20mA 電流信號(hào)輸出。

1.2.1.3溫控儀表：

智能溫控儀是在工業(yè)自動(dòng)化儀表中常用的儀表，它將測(cè)量信號(hào)與給定值比較后，對(duì)偏差信號(hào)按一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)行結(jié)果以規(guī)定的信號(hào)輸出。在該設(shè)備中選用的是歐姆龍 E5CC-800 系列的 E5CC-RX2ASM-800 溫控儀表。該儀表可以顯示顯示設(shè)定值，測(cè)量值和偏差值，并具有上、下限設(shè)定，報(bào)警輸出和控制等功能。在采集溫度信號(hào)時(shí)，可將 PT100 鉑電阻傳感器直接接到儀表上。

1.2.1.4加熱器：

在溫控系統(tǒng)中，加熱器是系統(tǒng)最終的執(zhí)行單元，它是用于加熱溫控箱內(nèi)的溫度，使系統(tǒng)溫度到達(dá)一個(gè)允許正常加工或工作的范圍。在該設(shè)備中，選用的是梳狀鋁合金加熱器，加熱器外側(cè)裝有不銹鋼保護(hù)罩。該加熱器的正常工作電壓為 AC 220V，額定功率為 300W，具有散熱面積大、絕緣性能好、使用壽命長、安裝方便簡單等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.1.5固態(tài)繼電器（Solid State Relay，縮寫 SSR）：

它是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)，用隔離器件實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號(hào)，達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。固態(tài)繼電器具有壽命長、無觸點(diǎn)、無火花、無噪音、無電磁干擾、開關(guān)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠，且體積小、耐振動(dòng)、防爆、防腐蝕，能與 TTL、DTL、HTL 等集成電路兼容等優(yōu)點(diǎn)。在該設(shè)備中，選用的是歐姆龍 G3NA 系列的固態(tài)繼電器，輸入額定電壓為 5-24VDC，輸出電壓 24-240VAC，其外形及在系統(tǒng)工作時(shí)，將可編程控制器 PLC 或溫控儀表 DC24V 的輸出控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成工作電壓為 AC220V 加熱器的開關(guān)信號(hào)，作為該溫控系統(tǒng)中加熱器加熱的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換元件。如圖7所示。

1.2.1.6熱保護(hù)開關(guān)

它是溫度開關(guān)，是一種用雙金屬片作為感溫組件的溫控器。當(dāng)電器正常工作時(shí)，雙金屬片處于自由狀態(tài)，觸點(diǎn)處于閉合/斷開狀態(tài)：當(dāng)溫度達(dá)到動(dòng)作溫度時(shí)，雙金屬片受熱產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而迅速動(dòng)作，打開/閉合觸點(diǎn)，切斷/接通電路，從而起到控溫作用：當(dāng)電器冷卻到復(fù)位溫度時(shí)，觸點(diǎn)自動(dòng)閉合/打開，恢復(fù)正常工作狀態(tài)，在用于設(shè)備的過熱保護(hù)。本模塊使用的熱保護(hù)開關(guān)的保護(hù)溫度為 60℃。當(dāng)溫控箱內(nèi)的溫度超過 60℃時(shí)，立即切斷控制加熱電路的電源，使系統(tǒng)無法進(jìn)行加熱控制，當(dāng)溫控箱內(nèi)的溫度低于 60 度以下時(shí)重新接通，設(shè)備可正常工作，所以該設(shè)備具有過溫保護(hù)的功能。

1.2.1.7散熱風(fēng)機(jī)：

風(fēng)機(jī)是我國對(duì)氣體壓縮和氣體輸送機(jī)械的習(xí)慣簡稱，通常所說的風(fēng)機(jī)包括通風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在溫度控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)溫控箱內(nèi)的溫度快速降溫的功能，采用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行自然風(fēng)冷卻的方式進(jìn)行散熱，在實(shí)際應(yīng)用中，通風(fēng)機(jī)的體積和功率是很大的，本系統(tǒng)選用兩個(gè) 24VDC 的小型散熱風(fēng)扇來模擬溫控系統(tǒng)的冷卻散熱過程。

二.系統(tǒng)流程分析

1.按下啟動(dòng)按鈕，檢測(cè)當(dāng)前設(shè)備溫度，并顯示在溫度顯示器上。

2.如果溫度低于25度時(shí)，加熱器開始工作，當(dāng)溫度到達(dá)30度時(shí)加熱器停止加熱。

3.如果溫度高于30度時(shí)，散熱風(fēng)扇啟動(dòng)進(jìn)行降溫，當(dāng)溫度低于25度時(shí)風(fēng)扇停止工作。

最終使得恒溫箱的溫度控制在25-30度之間，如果按下停止按鈕，系統(tǒng)停止工作。具體流程如圖11。

三.系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

1.根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)電路如圖1

圖1 實(shí)際接線圖

四、擴(kuò)展問題與分析

在本控制中，主要遇到的問題是AD轉(zhuǎn)換后數(shù)值不準(zhǔn)，需要校對(duì)和調(diào)整。可以改進(jìn)的部分是增加觸摸屏的可視化操作，這樣使系統(tǒng)直觀和便于操作性。對(duì)于溫度控制，本文主要分析的是開環(huán)控制，但實(shí)際應(yīng)用中還是PID的閉環(huán)調(diào)節(jié)，也是可以進(jìn)一步研究內(nèi)容。