关于温度调节设备的自动控制原理分析

刘宇　张真真　史伟

摘 要：随着传感器技术的不断进步人们对控制提出了更高的要求，传统的开关量传感器技术已经不能满足精度控制的要求，于是人们选择模拟量传感器控制输出元器件的动作，尤其是在温度控制方面。基于实际控制需求以亚龙YL-G005 型智能温度控制实训模块和三菱系列PLC为基本模型，通过PT100采集模块，检测不同时间的温度变化，通过2AD模块采集到PLC，再通过程序控制风机和加热器，使温度保持在设定的范围。

关键词：温度传感器;AD模块;三菱PLC

温度控制广泛应用于实际生活和工业生产中，比如家用空调的温度设定，奶厂中巴式杀菌时的温度调节，都是以温度作为被控量。在温度调节中，采用温度传感器检测出实际温度值，然后再根据控制要求，通过控制器完成相应的动作，来实现使温度的达到某个设定值或范围。本论文中，基于YL-G005 型智能温度控制设备模拟实现恒温箱控制。

一.控制要求分析

1.1基于亚龙YL-G005 型恒温箱控制实训模块设计的如图1-1

图1 亚龙YL-G005 型智能温度控制实训模块

1.2基本组成：

1.2.1恒温箱：内部有一个PT100温度传感器、温度变送器、两个DC24V散热风扇、一个加热器;面板有E5CC-800温度显示器，两个按钮，绿色为启动按钮，红色为停止按钮、G3NA继电器，热保，指示灯，及主体架构。

1.2.1.1温度传感器：它可以通过物体随温度变化的某些特性（如电阻、电压变化等特性）来间接测量。通过研究发现，金属铂（Pt）的电阻值会随着温度的变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零摄氏度阻值为 100Ω，电阻变化率为 0.3851Ω /℃。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200～650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。

在本温控实训模块中，为了能同时将温度信号传送给可编程控制器和智能温控仪表，我们选用的是在同一个传感器上具有两组输出信号的铂电阻温度传感器，两组都是采用三线制接法。

1.2.1.2温度变送器：温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I 转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的 4～20mA 电流信号输出。

1.2.1.3温控仪表：

智能温控仪是在工业自动化仪表中常用的仪表，它将测量信号与给定值比较后，对偏差信号按一定的控制规律进行运算，并将运行结果以规定的信号输出。在该设备中选用的是欧姆龙 E5CC-800 系列的 E5CC-RX2ASM-800 温控仪表。该仪表可以显示显示设定值，测量值和偏差值，并具有上、下限设定，报警输出和控制等功能。在采集温度信号时，可将 PT100 铂电阻传感器直接接到仪表上。

1.2.1.4加热器：

在温控系统中，加热器是系统最终的执行单元，它是用于加热温控箱内的温度，使系统温度到达一个允许正常加工或工作的范围。在该设备中，选用的是梳状铝合金加热器，加热器外侧装有不锈钢保护罩。该加热器的正常工作电压为 AC 220V，额定功率为 300W，具有散热面积大、绝缘性能好、使用寿命长、安装方便简单等优点。

1.2.1.5固态继电器（Solid State Relay，缩写 SSR）：

它是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关，用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。固态继电器具有寿命长、无触点、无火花、无噪音、无电磁干扰、开关速度快、抗干扰能力强、工作可靠，且体积小、耐振动、防爆、防腐蚀，能与 TTL、DTL、HTL 等集成电路兼容等优点。在该设备中，选用的是欧姆龙 G3NA 系列的固态继电器，输入额定电压为 5-24VDC，输出电压 24-240VAC，其外形及在系统工作时，将可编程控制器 PLC 或温控仪表 DC24V 的输出控制信号转换成工作电压为 AC220V 加热器的开关信号，作为该温控系统中加热器加热的控制信号转换元件。如图7所示。

1.2.1.6热保护开关

它是温度开关，是一种用双金属片作为感温组件的温控器。当电器正常工作時，双金属片处于自由状态，触点处于闭合/断开状态：当温度达到动作温度时，双金属片受热产生内应力而迅速动作，打开/闭合触点，切断/接通电路，从而起到控温作用：当电器冷却到复位温度时，触点自动闭合/打开，恢复正常工作状态，在用于设备的过热保护。本模块使用的热保护开关的保护温度为 60℃。当温控箱内的温度超过 60℃时，立即切断控制加热电路的电源，使系统无法进行加热控制，当温控箱内的温度低于 60 度以下时重新接通，设备可正常工作，所以该设备具有过温保护的功能。

1.2.1.7散热风机：

风机是我国对气体压缩和气体输送机械的习惯简称，通常所说的风机包括通风机，鼓风机，风力发电机。在温度控制系统中，为了实现温控箱内的温度快速降温的功能，采用通风机进行自然风冷却的方式进行散热，在实际应用中，通风机的体积和功率是很大的，本系统选用两个 24VDC 的小型散热风扇来模拟温控系统的冷却散热过程。

二.系统流程分析

1.按下启动按钮，检测当前设备温度，并显示在温度显示器上。

2.如果温度低于25度时，加热器开始工作，当温度到达30度时加热器停止加热。

3.如果温度高于30度时，散热风扇启动进行降温，当温度低于25度时风扇停止工作。

最终使得恒温箱的温度控制在25-30度之间，如果按下停止按钮，系统停止工作。具体流程如图11。

三.系统的硬件电路设计

1.根据设计要求设计电路如图1

图1 实际接线图

四、扩展问题与分析

在本控制中，主要遇到的问题是AD转换后数值不准，需要校对和调整。可以改进的部分是增加触摸屏的可视化操作，这样使系统直观和便于操作性。对于温度控制，本文主要分析的是开环控制，但实际应用中还是PID的闭环调节，也是可以进一步研究内容。