1、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 420mA 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
2、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
3、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-1010V 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外围电路的转换与调理，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 420mA 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，
4、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 420mA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
5、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 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 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
6、K2 ANI M10 ANI M20 FROM K0 K5 D10 K2 MEAN D10 D20 K2 PID 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 PID 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 D1
7、60 PWM 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.
8、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
