【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 據(jù)的正常 傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度 進(jìn)行較 快速、 精確的控制，仍然是目前 迫切需要解決的問(wèn)題。 目前國(guó)內(nèi)溫 度控制系統(tǒng) 儀表的發(fā)展，相對(duì)國(guó)外而言在性能 上 還存在一定差距，它們之間最大的差別主要 在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)溫 度 控 制 儀在量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因 由 多方面造成的，如 不同的被控對(duì)象， 或由于控制算法的不足 導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。 溫度 作為 表征物體的冷熱程度最基本的物理量 ， 在很多生產(chǎn)過(guò) 5 程中， 尤其 是在冶金、 建材、 機(jī)械、 食品 等工業(yè)中， 溫度的測(cè)量和控制 技術(shù) 都直接和安全生產(chǎn)、生產(chǎn)效率、 產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。因此，溫度的測(cè)量與控制 技術(shù) 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。 對(duì)于不同工藝、 不 同場(chǎng)所 所需溫度高低范圍不 同、 精度不 同 ，則采用的測(cè)溫元件、測(cè)溫方法以及對(duì)溫度的控制方法也將不同； 產(chǎn)品工藝 、 控制溫度的精度、時(shí)效不同，則對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同。 因而，對(duì)溫度的測(cè)控方法 也變得 多種多樣。 本設(shè)計(jì)目標(biāo) 在該 溫度控制系統(tǒng)中 ， 熱電偶 傳感器檢測(cè)到的溫度經(jīng)模擬量與數(shù)字量 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ， PLC 將它與溫度設(shè)定值比較 ， 并按 PID控制調(diào)節(jié) 規(guī)律對(duì)誤差值進(jìn)行運(yùn)算 ， 將運(yùn)算結(jié)果送給 輸出模塊 ， 控制開(kāi)關(guān)量并根據(jù)當(dāng)前溫度值與設(shè)定值的差異 ， 決定主電路控制開(kāi)關(guān)閉和時(shí)間 ， 即電熱絲工作時(shí)間 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制 。 圖 11 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 二、 硬件設(shè)計(jì) 6 可編程控制器（ PLC）作為 一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是繼承計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)裝置。它具有抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜， 可靠性強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，易學(xué)易用等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此 PLC已在工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛地使用。 硬件選型 對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，硬件選型尤為重要。首先應(yīng)該 確定系統(tǒng)是單機(jī)控制還是由多個(gè) PLC組成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜控制。這樣 做有兩個(gè)目的，其一、 大致算出 PLC DI/DO點(diǎn)數(shù)，進(jìn)一步可以確定 DI/DO模塊型號(hào)和數(shù)量；其二、可以 根據(jù)要求選擇合適的網(wǎng)絡(luò)模塊。 其次，確定系統(tǒng)是否有壓力檢測(cè)、溫度檢測(cè)，以及檢測(cè)速度要求等方面要求，確定所需 AD/DA/PT/TC等模塊的型號(hào)和數(shù)量。 最后， 根據(jù) PLC輸出端所帶的負(fù)載是直流還是交流、 是大電流還是小電流，以及 PLC輸出點(diǎn)動(dòng)作的頻率 等，確定采用繼電器輸出，或 是晶體管輸出。不同的負(fù)載選用不同的輸出方式， 這些 對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是很重要的。 對(duì)系統(tǒng)主要硬件進(jìn)行選型，系統(tǒng)主要控制模塊可選用 FX2N16MR；模擬量與數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊可選用轉(zhuǎn)換器 FX2N4AD；溫度采集模塊可選用 K型熱電偶傳感器；主電路控制開(kāi)關(guān)選用固態(tài)繼電器等。 可編程控制器的選型 可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱 PLC。因?yàn)閭€(gè)人計(jì)算機(jī)也簡(jiǎn)稱 PC，為避免和個(gè)人計(jì)算機(jī)相混淆， 因此 一般簡(jiǎn)稱可編程 7 控制器為 PLC 。可編程控制器和外界交換信息的通道 主要為 I/O 接口電路。 I/O 接口電路是可編程控制器連接外部設(shè)備的接口電路。 I/O 接口電路包括輸入模塊、輸出模塊、編程器接口、存儲(chǔ)器接口、擴(kuò)展板接口、特殊模塊接口和通訊接口。 I/O 接口電路實(shí)現(xiàn)可編程控制器與外部設(shè)備的信息交換。輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)，輸出模塊用來(lái)把可編程控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)傳送到其控制對(duì)象上，編程器接口主要用于把編程器連接到可編程控制器，存儲(chǔ)器接口用于擴(kuò)展存儲(chǔ)器，擴(kuò)展板接口用于連接擴(kuò)展板（如通訊擴(kuò)展板），特殊功能模塊接口用于把特殊功能模塊（如A/D 模塊、 D/A 模塊）連接到可 編程控制器上，通訊接口用于可編程控制器之間或可編程控制器與上位機(jī)之間的通訊。 廣義地說(shuō)，可編程控制器上輸入信號(hào)（數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)）的一個(gè)通道稱為一個(gè)輸入點(diǎn)，可編程控制器上輸出信號(hào)（數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)）的一個(gè)通道稱為一個(gè)輸出點(diǎn)，可編程控制器的所有輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)的總和稱為可編程控制器的 I/O 點(diǎn)數(shù)。 狹義的 I/O 點(diǎn)數(shù)僅指輸入繼電器與輸出繼電器的總數(shù)（輸入輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)）。 8 圖 21 FX2N16MR實(shí)物 在本設(shè)計(jì)中，可編程控制器采用日本三菱公司的 FX2N16MR 型PLC，該型號(hào)的 PLC有 8個(gè)輸入 點(diǎn)數(shù)和 8個(gè)輸出點(diǎn)數(shù)可滿足系統(tǒng)需要 ， 輸出部分連接主電路控制開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的控制線圈，進(jìn)而控制主電路的通斷。 溫度采集模塊 的選型 隨著電子產(chǎn)業(yè)數(shù)字化程度的不斷發(fā)展，逐漸形成了以數(shù)字系統(tǒng)為主體的格局。 A/D轉(zhuǎn)換器作為模擬和數(shù)字電路的接口，正受到日益廣泛的關(guān)注。隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì) A/D轉(zhuǎn)換器的要求也越來(lái)越高，新型的模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)不斷涌現(xiàn)。 計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等數(shù)字系統(tǒng)是處理數(shù)字信號(hào)的電路系統(tǒng)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，遇到的大都是連續(xù)變化的模擬量，因此，需要一種接口電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 A/D轉(zhuǎn)換器正是基于這種要求應(yīng)運(yùn)而生的。通常， A/D轉(zhuǎn)換器具有四個(gè)功能：采樣、保持、量化、編碼。 針對(duì)電氣技術(shù)的不斷更新， A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展方向?qū)⑹歉咿D(zhuǎn)換速 9 度和高精度。高轉(zhuǎn)換速度 :現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度越來(lái)越快，要求獲取數(shù)據(jù)的速度也要不斷提高。比如，在軟件無(wú)線電系統(tǒng)中， A/D轉(zhuǎn)換器的位置是非常關(guān)鍵的，它要求 A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入信號(hào)頻率在 1GHz和 5GHz之間，以目前的技術(shù)水平，還很難實(shí)現(xiàn)。因此，向超高速 A/D轉(zhuǎn)換器方向發(fā)展的趨勢(shì)是清晰可見(jiàn)的。高精度： 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的分辨率在不斷提高，比如，高級(jí)儀表的最小可測(cè)值在不斷地減小，因此， A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率也必須隨之提高 。在專業(yè)音頻處理系統(tǒng)中，為了能獲得更加逼真的聲音效果，需要高精度的 A/D轉(zhuǎn)換器。目前，最高精度可達(dá) 24位的 A/D轉(zhuǎn)換器也不能滿足要求。現(xiàn)在，人們正致力于研制更高精度的 A/D轉(zhuǎn)換器。 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求溫度轉(zhuǎn)換器選用 FX2N4AD，該溫度轉(zhuǎn)換器 將來(lái)自K 型、 J 型 等 熱電偶傳感器的信號(hào)放大 ， 并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 12 位的可讀數(shù)據(jù) ， 存儲(chǔ)在 PLC 的主單元中 。 溫度傳感器 的選型 在本設(shè)計(jì)中溫度采集模塊是十分重要的一環(huán)。 熱電偶是一種感溫元件 ， 是一次儀表，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào) ， 通過(guò)電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶 測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體（稱為熱電偶絲或熱電極）組成閉合回路 ， 當(dāng)接合點(diǎn)兩端的溫度不同，存在溫度梯度時(shí) ， 回路中就會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì) —— 熱電動(dòng)勢(shì)，即塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端（也稱為測(cè)量端），溫度較低的一端為自由端（也稱為補(bǔ)償端）， 10 自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系 ，制成熱 電偶分度表 ； 分度表是自由端溫度在 0℃時(shí) 的 條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。 在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將用到 K 型熱電偶，它作為一種溫度傳感器，K 型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。 K 型熱電偶可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)中從 0℃到 1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。 K 型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。 K 型熱電偶 （鎳鉻 偶） 是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。 熱電偶的分類及不同規(guī)格熱電偶的特點(diǎn)和適用范圍如下表： 表 21 不同類別熱電偶特點(diǎn) 分度號(hào) 材質(zhì) 特點(diǎn) K 鎳鉻 鎳硅 抗氧化性能強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長(zhǎng)期使用溫度 1000℃，短期 1200℃。在所有熱電偶中使用最廣泛； E 鎳鉻 銅鎳 在常用熱電偶中，其熱電動(dòng)勢(shì)最大，即靈敏度最高。宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，使用溫度 0800℃； J 鐵 銅鎳 既可用于氧化性氣氛（使用溫度上限 750℃），也可用于還原性氣氛（使用溫度上限 950℃），并且耐 H2及 CO氣體腐蝕，多用于煉油及化工； T 純銅 銅鎳 在所有廉金屬熱電偶中精確度等級(jí)最高，通常用來(lái)測(cè)量 300℃以下的溫度。 B 鉑銠 30 鉑銠 6 在室溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小，故在測(cè)量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線。它的長(zhǎng)期使用溫度為 1600℃，短期 1800℃。可在氧化性或中性氣氛中使用，也可在真空條件下短期使用 。 R 鉑銠 13 純鉑 S分度號(hào)相比除熱電動(dòng)勢(shì)大 15%左右，其它性能幾乎完全相同； 11 S 鉑銠 10 純鉑 抗氧化性能強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長(zhǎng)期使用溫度 1400℃，短期 1600℃。在所有熱電偶中， S分度號(hào)的精確度等級(jí)最高，通常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶； N 鎳鉻硅 鎳硅 1300℃下高溫抗氧化能力強(qiáng)，熱電動(dòng)勢(shì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)的復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻照及耐低溫性能也好，可以部分代替S分度號(hào)熱電偶； 在本次設(shè)計(jì)中恒溫箱初始溫度設(shè)定值為 110℃ ，根據(jù)不同熱電偶特性的區(qū)別以及溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求在該設(shè)計(jì)中選用 K型熱電偶測(cè)量恒溫箱內(nèi)溫度值。 繼電器選型 繼電器的工作原理和特性， 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 表 22 繼電器按作用原理及結(jié)構(gòu)特征分類 序號(hào) 名 稱 說(shuō) 明 電磁繼電器 由控制電流通過(guò)線圈所產(chǎn)生的電磁吸力驅(qū)動(dòng)磁路中的可動(dòng)部分而實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)開(kāi)閉或轉(zhuǎn)換功能的繼電器。 電磁 繼電器 1 直流電磁繼電器 控制電流為直流的電磁繼電器。 2 交流電磁繼電器 控制電流為交流的電磁繼電器。 3 混合式繼電器 由電子元件和電磁繼電器組合而成的繼電器。一般，輸入部分由電子線路組成，起放大、整流、延時(shí)、傳感等作用，輸出部分采用電磁繼電器。 4 固體繼電器 利用電子器件的導(dǎo)通或截止功能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制、輸入輸出之間具有隔離的電子開(kāi)關(guān)。 5 高頻繼電器 用來(lái)切換頻率大于 10 千赫的交流線路的繼電器。 6 同軸射頻繼電器 用來(lái)切換高頻、射頻線路而具有最小損耗的繼 電器。 12 考慮到在實(shí)際應(yīng)用中主電路控制開(kāi)關(guān)可能會(huì)頻繁進(jìn)行通斷動(dòng)作，故在本設(shè)計(jì)中選用固態(tài)繼電器。 固態(tài)繼電器工作可靠，壽命長(zhǎng)，無(wú)