關于溫度調節設備的自動控制原理分析

劉宇　張真真　史偉

摘 要：隨著傳感器技術的不斷進步人們對控制提出了更高的要求，傳統的開關量傳感器技術已經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作，尤其是在溫度控制方面?；趯嶋H控制需求以亞龍YL-G005 型智能溫度控制實訓模塊和三菱系列PLC為基本模型，通過PT100采集模塊，檢測不同時間的溫度變化，通過2AD模塊采集到PLC，再通過程序控制風機和加熱器，使溫度保持在設定的范圍。

關鍵詞：溫度傳感器;AD模塊;三菱PLC

溫度控制廣泛應用于實際生活和工業生產中，比如家用空調的溫度設定，奶廠中巴式殺菌時的溫度調節，都是以溫度作為被控量。在溫度調節中，采用溫度傳感器檢測出實際溫度值，然后再根據控制要求，通過控制器完成相應的動作，來實現使溫度的達到某個設定值或范圍。本論文中，基于YL-G005 型智能溫度控制設備模擬實現恒溫箱控制。

一.控制要求分析

1.1基于亞龍YL-G005 型恒溫箱控制實訓模塊設計的如圖1-1

圖1 亞龍YL-G005 型智能溫度控制實訓模塊

1.2基本組成：

1.2.1恒溫箱：內部有一個PT100溫度傳感器、溫度變送器、兩個DC24V散熱風扇、一個加熱器;面板有E5CC-800溫度顯示器，兩個按鈕，綠色為啟動按鈕，紅色為停止按鈕、G3NA繼電器，熱保，指示燈，及主體架構。

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）來間接測量。通過研究發現，金屬鉑（Pt）的電阻值會隨著溫度的變化而變化，并且具有很好的重現性和穩定性，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，穩定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區（-200～650℃）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成各種標準溫度計（涵蓋國家和世界基準溫度）供計量和校準使用。

在本溫控實訓模塊中，為了能同時將溫度信號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傳感器上具有兩組輸出信號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、熱電阻作為測溫元件，從測溫元件輸出信號送到變送器模塊，經過穩壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I 轉換、恒流及反向保護等電路處理后，轉換成與溫度成線性關系的 4～20mA 電流信號輸出。

1.2.1.3溫控儀表：

智能溫控儀是在工業自動化儀表中常用的儀表，它將測量信號與給定值比較后，對偏差信號按一定的控制規律進行運算，并將運行結果以規定的信號輸出。在該設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定值，測量值和偏差值，并具有上、下限設定，報警輸出和控制等功能。在采集溫度信號時，可將 PT100 鉑電阻傳感器直接接到儀表上。

1.2.1.4加熱器：

在溫控系統中，加熱器是系統最終的執行單元，它是用于加熱溫控箱內的溫度，使系統溫度到達一個允許正常加工或工作的范圍。在該設備中，選用的是梳狀鋁合金加熱器，加熱器外側裝有不銹鋼保護罩。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、安裝方便簡單等優點。

1.2.1.5固態繼電器（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開關，用隔離器件實現了控制端與負載端的隔離。固態繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅動大電流負載。固態繼電器具有壽命長、無觸點、無火花、無噪音、無電磁干擾、開關速度快、抗干擾能力強、工作可靠，且體積小、耐振動、防爆、防腐蝕，能與 TTL、DTL、HTL 等集成電路兼容等優點。在該設備中，選用的是歐姆龍 G3NA 系列的固態繼電器，輸入額定電壓為 5-24VDC，輸出電壓 24-240VAC，其外形及在系統工作時，將可編程控制器 PLC 或溫控儀表 DC24V 的輸出控制信號轉換成工作電壓為 AC220V 加熱器的開關信號，作為該溫控系統中加熱器加熱的控制信號轉換元件。如圖7所示。

1.2.1.6熱保護開關

它是溫度開關，是一種用雙金屬片作為感溫組件的溫控器。當電器正常工作時，雙金屬片處于自由狀態，觸點處于閉合/斷開狀態：當溫度達到動作溫度時，雙金屬片受熱產生內應力而迅速動作，打開/閉合觸點，切斷/接通電路，從而起到控溫作用：當電器冷卻到復位溫度時，觸點自動閉合/打開，恢復正常工作狀態，在用于設備的過熱保護。本模塊使用的熱保護開關的保護溫度為 60℃。當溫控箱內的溫度超過 60℃時，立即切斷控制加熱電路的電源，使系統無法進行加熱控制，當溫控箱內的溫度低于 60 度以下時重新接通，設備可正常工作，所以該設備具有過溫保護的功能。

1.2.1.7散熱風機：

風機是我國對氣體壓縮和氣體輸送機械的習慣簡稱，通常所說的風機包括通風機，鼓風機，風力發電機。在溫度控制系統中，為了實現溫控箱內的溫度快速降溫的功能，采用通風機進行自然風冷卻的方式進行散熱，在實際應用中，通風機的體積和功率是很大的，本系統選用兩個 24VDC 的小型散熱風扇來模擬溫控系統的冷卻散熱過程。

二.系統流程分析

1.按下啟動按鈕，檢測當前設備溫度，并顯示在溫度顯示器上。

2.如果溫度低于25度時，加熱器開始工作，當溫度到達30度時加熱器停止加熱。

3.如果溫度高于30度時，散熱風扇啟動進行降溫，當溫度低于25度時風扇停止工作。

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，系統停止工作。具體流程如圖11。

三.系統的硬件電路設計

1.根據設計要求設計電路如圖1

圖1 實際接線圖

四、擴展問題與分析

在本控制中，主要遇到的問題是AD轉換后數值不準，需要校對和調整?？梢愿倪M的部分是增加觸摸屏的可視化操作，這樣使系統直觀和便于操作性。對于溫度控制，本文主要分析的是開環控制，但實際應用中還是PID的閉環調節，也是可以進一步研究內容。