基于PID脉宽调制温度控制系统的设计

【摘要】

温度调节存在大滞后现象，对温度的适时控制一直是工业过程中公认的难题，文章提出一种采用标准输出4～20mA温度变送器对系统温度信号进行采集，采集后的模拟量经PLC功能模块转换为数字量，通过其自带的PID指令对温度当前值和设定值的偏差进行运算，再通过脉宽调制指令控制电热器的导通时间，直至温差为零，电热器不工作，实现温度的闭环控制，实现对电热器温度的高精度调节。

【关键词】

PID脉宽调制；温度控制；温度变送器；电热器

1.系统组成

整个系统的组成如图1所示，使用PLC作为控制核心，温度变量经温度变送器采集[1]后，再经过A/D转换模块转换成PLC可读的数字量，PLC将它与温度设定值比较，并按某种控制规律对误差进行运算，驱动执行机构，实现温度的闭环控制。

2.硬件选择

（1）PLC的选择

PLC的选择主要应从PLC机型、容量、I/O模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑[2]。本系统选用三菱公司生产的FX2N-48MR作为温度控制系统的PLC主单元。

（2）温度传感器的选择

选择中温区最常用的一种Pt100热电阻作为传感器。测量精度高，性能稳定，其中铂热电阻的测量精确度是最高的。

（3）模拟量输入模块的选择

温度由Pt100铂电阻温度传感器检测后输出的是电阻信号，且是模拟量，而PLC所能处理的是数字量，因此选择FX2N-4AD作为整个系统的A/D转换模块。

（4）温度变送器的选择

由于FX2N-4AD所能识别的信号是DC-10～10V或-20～+20mA，所以铂电阻温度传感器[3]采集到得温度信号必须要通过电路的转换与调理，在此选用SBWZ-PT100热电阻温度变送器实现该功能。SBWZ-PT100可将热电阻信号转换成与温度信号成线性的4～20mA的输出信号，根据表1选择预设1，当前温度和FX2N-4AD最终转换得到的数字量的比例关系：FX2N-4AD转换的数字量=当前温度×10。

（5）加热器及驱动的选择

选择电热管作为系统的加热器件，其具有使用寿命长、抗氧化性能好、电阻率高、加工便宜等优点。

加热驱动器的选择对系统的控制效果、可靠性及使用寿命有着较大的影响。由于在本控制系统中，所选用可编程序控制器采用继电器输出方式，所以选用固态继电器为驱动控制器件。

3.系统安装

SBWZ-PT100温度变送器端子5接24V电源正端、端子4为4～20mA电流输出端。端子1、2、3接热电阻。温度控制系统原理接线图如图2所示。

4.软件设计

（1）温度控制技术的选择

三菱FX2N-48MR可编程序控制器拥有自己的PID指令，只需进行一些简单的参数设置即可，且与开关量控温法相比系统的控制精度有了较大的提高。

（2）内存地址及内部继电器分配

PLC内存地址及内部继电器功能对照见表2。

（3）程序设计

①系统的启动与停止。利用内部辅助继电器来代替开关输入，可以在触摸屏上点击启动、停止，节省I/O输入点。其指令表如下：

LD M3

OR M5

ANI M4

OUT M5

②特殊功能模块。FX2N-4AD的识别，FX2N-4AD把两个温度传感器输出转换为数字量，并把两个通道的数据求平均。其指令表如下：

LD M8002

FROM K0 K30 D4 K1

CMP K2010 D4 M0

LD M1

TOP K0 K0 K3311 K2

TOP K0 K1 K4 K2

FROM K0 K29 K4 M10 K2

ANI M10

ANI M20

FROM K0 K5 D10 K2

MEAN D10 D20 K2

③PID参数设定：

LD M5

MOVP K1000 D300

MOVP K1 D301

MOVP K50 D302

MOVP K10000 D303

MOVP K15000 D304

MOVP K0 D305

MOVP K0 D306

PID D200 D20 D300 D150

④PID输出值上下限调节：

LD M5

ZCP K0 K5000 D150 M100

LD M100

MOV K0 D160

LD M101

MOV D150 D160

LD M102

MOV K5000 D160

⑤PWM指令控制电热器的导通时间：

LD M5

PWM D160 K5000 Y000

OUT Y001

LD M5

CMP D20 D200 M6

LD M6

AND M5

OUT Y2

LD M4

ZRST D0 D400

END

5.调试运行

系统按图2连接好以后，建立人机界面。

当前温度为39.1℃，就是A/D转换模块转换来的数字量391。将温度设定为800就相当于80℃，并设定PID的参数，然后按下启动按钮，系统启动，开始进行温度当前值采集和PID运算。

当温度升高到40.5℃时，PID运算输出5000，电热管持续导通，温度持续升高；温度上升到77.2℃，PID输出为3296，电热管每5s导通3s，使温度缓慢上升；温度为79.7℃时，PID输出为893，即电热管在5s的周期里导通1s；如果当前温度超过温度设定值，风机就导通降温。

使用FX2N-48MR自带的PID指令，能使温度控制系统更加稳定，控制精度更高。使用PWM脉宽调制指令，进一步提高了系统控制精度。利用触摸屏作为人机界面，控制系统的启动、停止，输入温度设定值，实时监控温度的变化，临时改变PID的各项数据不用一直更改梯形图，就可以改变温度设定值等数据，使操作更加方便。

参考文献：

[1]王晓华.高精度温箱温度控制系统设计[J].西安工业大学硕士论文，2013，4

[2]王兆明.电气控制与PLC技术[M].北京：清华大学出版社，2010，4