基于多课程应用的温度控制实验系统设计

魏艳红， 许 昌， 吴 霞

(中国计量学院 机电工程学院，浙江 杭州 310018)



基于多课程应用的温度控制实验系统设计

魏艳红， 许 昌， 吴 霞

(中国计量学院 机电工程学院，浙江 杭州 310018)

结合机械电子专业的学科特点，基于多课程交叉融合的培养需求，设计了PLC的温度控制实验系统，系统具备温度的实时监控、温控曲线的准确跟踪等功能。以PLC为控制核心，采用V/F转换器和PLC的高速计数功能实现了串行A/D转换, 并利用PLC的定时器产生脉宽调制(即PWM)波形替代了D/A模块；软件上设计了温度控制曲线，并采用分段拟合的方法修正频率-温度曲线，弥补了常规PID算法的缺陷，实现了温度的闭环控制。该实验系统利用实验室现有的实验资源进行搭建，降低了实验成本，提高了实验设备的利用率。

V/F转换； PWM； 分段拟合； 机电综合实践

0 引 言

机电综合实践课程设计是机械电子专业学生的必修实践类课程，是对学生所学专业知识的一次综合考查[1]。在2周内，学生按照老师布置的任务和要求，独立设计一套完整的机电控制系统，并完成课程设计报告。考虑到机械电子专业的人才培养需求，该系统涉及模拟电子测量电路方面的知识、数字电路知识的应用、自动控制理论算法的具体应用，以及工业自动控制方面可编程逻辑控制器(PLC)[2]的相关应用等。

课程设计时间短暂，涉及的知识面比较广，综合性较强，如何为学生搭建一个可行的实验平台，从而提升学生的实践能力和教学效果，是机电综合实践课程教学中亟待解决的问题[3-5]。为此，本文设计了一个加热炉的温度控制实验系统，包括Pt100的测量电路、电压/频率(U/F)转换电路的设计、PID算法的应用、PLC的控制等环节，集合了“检测技术”、“电路”、“电子技术”、“自动控制理论”、“可编程控制器原理及应用”、“数控技术”等多门课程的知识，打破了课程间的壁垒，进一步实现了不同课程间实践教学环节的有效衔接和知识融合[6-7]。

1 实验系统设计

1.1 实验系统结构原理

温度控制系统如图1所示。温度控制实现过程如下：首先Pt100测量及放大电路将加热炉的温度转化为电压信号传送给U/F转换器，U/F转换器将其转换成频率信号，发送到PLC的高速计数器。通过PLC编程，实现输入电压的测量，获得当前炉温值。然后PLC将系统设定的温度值与反馈温度值进行比较，经过PID运算后，输出不同脉宽的波形，控制固态继电器的通断，进而控制加热炉电阻丝两端的平均电压，最终控制加热炉的温度[8-9]。

图1 系统框图

1.2 实验系统设计

1.2.1 温控曲线的形成

实际PLC控制系统中，不同的应用对象需要的温度控制曲线不同。因而，在PLC控制程序方面，也需要考虑温度控制曲线的实现[10-11]。

以某段温控曲线的形成为例进行介绍，曲线可分成两种情况：一是斜坡部分；二是平台部分。斜坡部分的主要参数有斜坡斜率和斜坡时间；平台部分的主要参数有平台温度值和平台时间(恒温时间)。下面主要介绍斜坡部分的积算过程，见图2。

程序设计中，对时间轴以2 s为单位进行分割，即采样周期为2 s，斜坡斜率K即为平台的温差除以斜坡时间，则某一瞬间的温度Ti为

图2 温控曲线积算示意图

(1)

其中：

1.2.2 频率-温度曲线分段拟合

在PLC编程中，可直接调用三菱系列PLC自带的PID 指令[12-14]。但是，在调用PID指令前，需将采样频率换算为实际温度值[15-16]。实验系统中，采样频率随温度的变化近似为线性关系，可将频率-温度曲线分成若干段，取每段曲线上的起点和终点(x0,y0)、(x1,y1)来分段拟合直线方程。设定x为采样频率，y为对应的温度值，直线方程见式(2)。PLC每次读入采样频率后，先判断曲线所在的分段，根据该段直线的斜率和起点，得到对应的温度值，

(2)

2 实验系统的具体应用

温度控制系统的实现主要包括：①根据系统要求，进行U/F转换器和Pt100测量电路的设计；②根据系统的设计要求绘制电气控制图，搭建控制系统；③根据实际应用的要求，考虑系统的软件流程和算法；④通过监控上位机和示波器波形，不断修改程序，最终达到所需要的实验结果。将上述实验内容分成不同的设计任务，如硬件电路的设计及调试、电气控制系统的设计及连接、PLC程序的编写及调试、PID算法的具体应用等。学生可根据自己的专业特长选择设计内容，最终以小组的形式进行综合调试。因考虑到课程设计的时间比较短，上位机界面的程序和部分示例电路图可直接分发给学生进行学习研究，学生可在此基础上，设计出更为完善和复杂的机电控制系统。

2.1 Pt100放大电路

Pt100主要用于测量加热炉的温度，其放大电路示例电路见图3，图中：Pt100采用桥式接法；

(3)

其中，R为Pt100的阻值，0～100 ℃对应100.0～138.5 Ω。

图3 PT100放大电路

输出电压：

(4)

2.2 实验系统调试

图4是利用 VB6.0 的 MSComm 控件进行设计的上位机界面，学生可直接在界面上设置阶梯曲线的各个温度值，并利用其寄存器进行PLC程序设计。图5为系统响应曲线，从图中可以看出，斜坡曲线系统超调量很小，阶梯曲线超调量较大，且调整时间较长。

图4 温度控制曲线设定界面

图5 系统响应曲线

3.3 自制系统对机电综合实践课程教学的帮助

搭建了以PLC为核心的加热炉温度控制系统，学生可利用实验室现有的实验资源搭建一个新的实验系统，并在线调试修改程序。同时观察加热炉的温度在变化过程中各模块输出波形的变化。整个实验过程中，既锻炼了学生的实践动手能力，又加深了对以往所学实验项目的理解，同时理论联系实际，课堂知识也得到了具体的应用。这种做法不仅有效利用了实验室现有的教学资源，节省了硬件成本；同时调动了学生学习的积极性，让学生从“我得学”变成“我要学”。 学生为了解决系统中存在的问题，必须主动查阅相关文献资料，包括以往的实验项目指导书、产品说明书、电路设计示例、PLC编程技巧、PID算法原理等。同时，在PLC程序的设计中，学生可根据课堂学到的理论知识，灵活运用编程技巧，加深了对课堂知识的理解，提高了编程能力。该课程设计综合性较强，系统调试时间久，碰到有难题的地方时，学生可采取小组讨论的方式进行解决。在整个课程设计的过程中，学生起主导作用，指导教师可针对实验涉及的相关理论知识、波形测试、数据处理、设备使用等各方面进行辅助性指导。

3 结 语

设计了一款融合多课程应用的温度控制系统，并将其应用于机电综合实践课程的实践教学中，锻炼了学生的实践能力，收到了良好的教学效果。该系统可进一步完善和改进，比如不使用PLC自带的PID指令，让学生自己编写PID算法的运算过程，温度的显示模块也可以试着让学生自己设计。

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Design of Temperature Control Experiment System Based on Multi-course Application

WEIYan-hong,XUChang,WUXia

(College of Mechanical & Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Based on characteristics of mechanical electronics speciality and requirement of multi-course application, a temperature control system is designed using PLC. The system has many features such as real time monitoring of temperature, accurately tracking of temperature control curve. Furthermore, it has two main advantages. The first one is to use voltage/frequency converter and high-speed counters of PLC for analog /digital conversion, the second one is using the PLC’s timer to produce PWM (pulse width modulation) curve instead of D/A module. In the software design, the temperature control curve is employed, and also the PID algorithm is adopted to form a closed-loop control. Meanwhile, the piecewise fitting method is used to make up for the defects of conventional PID algorithm by modifying the curve of frequency and temperature. The system is applied for teaching of Mechatronics practice course in the form of open experimental teaching. It is devised by using the existing laboratory resources, so it reduces the hardware cost and improves the utilization rate of equipment.

V/F converter; PWM; piecewise fitting; mechatronics practice

2015-11-26

国家自然科学基金资助项目(61203113)；浙江省自然科学基金资助项目(LY15F030012)

魏艳红(1982-)，女，山西朔州人，硕士，实验员，主要从事单片机控制系统和PLC数控系统的设计。

Tel.：13335883482；E-mail：weiyanhongwyh@163.com

许 昌(1956-)，男，浙江杭州人，硕士，教授，现为中国计量学院机电学院机械电子学科负责人。

Tel.：18958002258;E-mail：xuchang@mail.hz.zj.cn

G 642.423; TM 571.61

A

1006-7167(2016)08-0061-03