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计算机温控器

基于温控器计算机控制系统设计

----总体设计

第一章温控器概述

多功能温度控制系统的结构如图1所示，系统由六部分组成：

控制核心部分、温度数据采集部分、加热装置控制部分、液晶显示部分、按键输入部分和报警提示部分。

单片机启动温度采集电路完成温度的一次转换，然后读出转换后的数字量并转化成当前的温度呈现在显示模块中，并将当前的温度与通过按键输入电路设定的保持恒温度数进行比较，以实现温度的控制。

还可以通过按键设置温度的上下限值以实现超温或低温报警提示功能。

本系统的设计目标要对温度的控制精度达到0．1℃。

图1系统组成框图

1.1温度采集电路

温度采集电路的输入是指与之相配的温度传感器的分度号，一般为两大类，即热电偶、热电阻。

通过桥式电路将温度的变化转换成电信号，在经过适当运放转放大信号，通过单片机的A/D采样就可以得到温度的大小。

1.2按键输入电路

按键输入电路是将按键直接接到单片机的I/O口上，可以实现一些功能的设定，丰富了温控器的功能。

1.3模块

1.显示模块

一般为LCD液晶显示模块，有分辨率高，功耗低的特点。

2.温度控制模块

控制方式是对主输出而言的，内部参数可选，主要有开关型、PID调节输出两种，简单的讲，开关型就是对温度控制器开启和关闭，PID调节输出根据主给定对温度进行控制比例、积分、微分的控制，会很好的保持平衡。

3.报警模块

报警模块的动作模式是根据设定的上限报警、下限报警值报警，当检测到的温度超过报警极限，就动作。

第二章日本岛电FP93温控器介绍

FP93是日本岛电公司高性能的0.3级可编程PID调节器，它功能完善，性

能优良、设计细腻。

具有自由输入，四位超大高亮的字符显示，众多的状态指

示。

可带4组曲线最大40段可编程，六组专家PID参数，更高级的区域PID算

法。

带手动、停电和故障保护、模拟变送、通讯接口、两路时标输出，I/O接

口包括4组DI外部开关、3路继电器和4路OC扩展门共16种和事件。

2.1仪表的显示面板和功能键

图2.1仪表面板

2.2操作流程及窗口设置

图2.2操作流程

FP93可分为六个窗口群,每个窗口群的第一个窗口用星号代表，全部的子窗口

和用虚线表示的选件子窗口共95个。

每个窗口采用了编号,例如传感器量程选

择窗口[5-5],表示第5窗口群的第5号窗口。

进入子窗口，按增减键修改参

数时，面板SV窗口的小数点闪动，按ENT键确认修改后，小数点灭。

基本窗口[0-0]窗口

1）传感器类型和范围/单位[5-5]/[5-6]窗口

2）调节输出正/反作用[5-12]窗口

3）SSR（P型）和继电器接点（Y型）的输出比例周期[5-13]窗口

4）PID参数，调节输出限幅和抗超调系数[4-0]～[4-8]窗口

5）PID参数的自整定AT执行[0-7]窗口

6）定值控制FIX和程序控制PROG选择[3-1]窗口

1.传感器类型和测量范围

此窗口需首先设置,一旦更改将清除其它与量程有关的参数,例如设定值SV

输入类型的设定：

（参照流程图上的量程代码表，在[5-5]“RANG”窗口,按增/

减键选择传感器类型和测量范围代码）,按确认键（ENT）确认。

此外，可在[5-6]

窗口选择温度测量的摄氏（℃）或华氏（℉）的单位。

注：

铂电阻Pt100或JPt100（旧国标BA2）的标准区别。

直流输入的可编显示量程：

在[5-9]窗口选择直流信号的小数点位置（DP）:

XXXX、

XXX.X、XX.XX、X.XXX；[5-8][5-7]设置直流信号显示范围的上、下限值:

-1999～

9999，最大间隔10～5000。

由此定义了直流信号的工程显示量程。

例如：

４～

２０ｍＡ表示为０～１００．０兆帕的压力量程．

2.调节输出正/反作用

在[5-12]“ACT”窗口,选择调节输出反作用（加热）或正作用（致冷）。

反作用（RA）:

PV测量值与SV设定值的正偏差越大,调节输出越小（加热系统）。

正作用（DA）:

PV测量值与SV设定值的正偏差越大,调节输出越大（致冷系统）。

３．SSR（P型）和继电器接点（Y型）的输出比例周期:

在[5-13]窗口设置Out的输

出比例周期。

在比例周期内,占空比脉宽调节输出正比于PID运算,用于交流过

零调功。

P型输出比例周期一般选２～１２秒（出厂值3秒）。

继电器接点（Y

型）输出比例周期一般选20～30秒（出厂值30秒）。

周期短调节变化快,适合

小惯性系统；惯性大的周期可选长些。

负载电流大于300A时,可配功率扩展板

触发晶闸管。

还可配置先进的TAC10I/P周波控制器，具有节能、不打表针，

调节精度高和提高电源功率因数的优点。

４．系统PID参数组

1）6组PID参数:

比例P，积分I和微分D参数是决定系统调节品质的重要参数，

提供了0-6号的6组PID参数（0或1都代表1号），以对号入座的配制在定值

或曲线控制中。

定值方式时，仅能在[3-3]窗口，选择1个PID号码。

程序方式，

一组曲线最多可选择6个。

2）6组调节输出限幅：

每个PID号码都有对应的一组输出限幅参数，分别

在[4-7][4-8]窗口设定下限O-L（0～99%）和上限O-H（1～100%）。

例如:

O-L设20％和O-H设80％,对应0～10V和4～20mA分别是2～8V和7.2～

16.8mA。

适用于限定阀门开度,避开如线性阀的非线性区,伺服动作范围、

减小加热功率以及对特殊加热元件某升温段的功率限制等。

限幅虽能减小

超调,如果因调节量不足将影响调节速度造成欠调（如长时间温度不能到

达）。

对反作用的加热,会因下限维持输出造成连续超调,一般不设下限（保

持0.0％）。

同上，在该PID参数窗口群中设其它5组PID号对应的调节输出限幅。

3）6组抗超调系数：

每个PID号码都有对应的一组抗超调SF系数

图2.3有超调、振荡无超调、无振荡欠调，过渡时间长

在[4-6]窗口，设置第1组PID参数的超调抑制系数SF。

调整SF可使被控对象

到达目标设定值的过渡过程最平稳。

其原理是提前进入比例调节,延迟进行积分

调节（克服积分饱和）。

SF对过渡过程的影响见图--，理论上,到达新设定值，

过快的调节速度,容易产生振荡,而中间图的效果较为理想。

可根据工艺时间和

允许超调量,现场具体选择超调抑制系数SF（0～1.00），SF=0为常规PID;SF=

1超调抑制作用强，速度慢；SF=0.4为出厂值，建议初次采用。

同上，在该PID参数窗口群中设其它5组PID参数的SF。

4）PID参数的自整定AT执行:

专家系统的办法是利用自整定功能，自动找到系统最佳的PID参数。

在定值控

制或程序控制运行状态时,在[0-7]窗口,可执行自整定AT:

执行（on）或停止

（off）。

如图示的AT自整定起动on后,AT灯亮闪烁，在PV测量值到达SV

设定值后，AT灯常亮，产生对系统的二、三次扰动。

根据超调振荡的大小和恢

复的周期,自动算出系统的PID参数。

整定完成,AT灯灭,系统恢复正常控制。

在曲线运行时，对于选择多组PID号的需反复起动AT的自整定。

2.3程序控制方式

图2.4一组曲线的设定以及相关参数的示意图

1.设置顺序（初次设置时带星号的可跳过）

⑴设定曲线的分组格式[5-1]

⑵确定程序运行的时间单位[5-2]

进入曲线的设定

⑶设定曲线的步（段）数[1-2]

⑷设定曲线执行次数[1-14]（不设置为1，为单次运行）

⑸设定曲线运行中的报警点[1-11][1-12][1-13]

⑹设定曲线的伺服起动[1-15]

⑺曲线的确保平台[1-16]

⑻曲线的时标[1-3]～[1-10]

⑼曲线的掉电保护方式[5-3]

⑽超量程故障的保护方式[5-4]

循环完成的设置

⑾第一步的起始值[1-1]

⑿每步的目标值[2-1]

⒀按号选择的PID参数[2-3]

调试过程

⒁选择程序方式[3-1]

⒂选择曲线入口[0-0]

⒃运行程序[0-0]

⒄据选择的PID号的数量，反复起动自整定[0-7]

2.设置说明：

1）由工艺要求设定曲线的分组格式和时间单位：

参照图示的一组曲线示意，曲线是由步（段）组成的，在[5-1]窗口，可选择

1：

1组曲线40步2：

2组曲线20步/组2：

4组曲线10步/组的格式。

仅有

曲线的小循环，曲线和曲线间不能链接，40段已足够满足了绝大多数的应用。

在[5-2]窗口，选每步最大的执行时间，HM：

99小时59分；MS：

99分59秒

2）运行曲线中的PID号的选择

一组曲线可利用6组PID号,一般可按低温-中温-高温区选三个号。

在曲线的设

置中，不选PID号，将被自动默认1号PID。

更便利的办法是区域PID。

3）运行曲线的PID参数自整定

一组曲线用了几组PID号，就需要反复起动几次自整定[0-7]。

运行程序和起动

自整定后，当测量PV值到达平台步的SV设定值后，自整定才开始，整定的是

平台的PID参数，AT整定完成,AT灯灭。

其后需再次起动自整定，得到下个平

台的PID参数。

PID号相同的，取最后一次的整定结果。

在曲线斜率运行中，需进入程序的保持状态，才能进行自整定。

可利用程序的

跳步，缩短整条曲线的整定时间；也可已利用定值或某设定点的整定结果，在

PID号的参数窗口群中，手动填写修改其它PID号的参数。

4）程序复位时，可修改全部参数；程序运行时，仅初始化参数不能被修改。

可

方便地修改PID参数、运行目标、运行时间等参数。

5）提高系统的调节品质的方法：

根据自整定效果，可手动修改整定后的PID参

数；对应PID号，调整与低温-中温-高温区加热功率匹配的输出限制；改变SF

系数减小超调；为减小平台的超调，甚至可增加一步曲线或加长运行时间。

3．程序例

某加热系统,仪表选用FP93-1P-90-P1000,K型热偶0.0～800.0℃输入,P型输

出接固态继电器。

4组程序曲线设置，每组曲线10步，程序要求掉电保护，超

量程故障出现，以“复位”方式停止。

起始设定温度为20.0℃,第1组曲线：

时

间单位：

分钟。

图2.5

EV1上限绝对值报警值450.0℃,设置步骤如下:

1）～4）项的设定与定值方式相同

5）在[3-1]窗口，设置为OFF，程序控制方式。

6）在[5-1]窗口,按增减键设置为4（4组曲线，每组10步）按ENT键确认。

7）在[5-2]窗口,将时间单位设为MS（分钟）。

8）在[5-3]窗口,将程序掉电保护设为ON。

9）在[5-4]窗口,将超量程故障方式设为超量程RST，程序停止,输出为0。

10）在[1-1]窗口，第1组曲线的第1步的起始值设为20.0℃,按ENT键确认。

11）在[2-1]窗口，将第1步的目标值设为40.0℃,按ENT键确认。

12）在[2-2]窗口，第1步的运行时间设为10.00分钟。

按ENT键确认。

13）在[2-3]窗口，设置对应的PID号为1，按ENT键确认。

14）在[2-1A]窗口—[2-3I]窗口，重复11）-13）操作，设置完成曲线。

参照10）--14）的步骤设置其它3组曲线。

15）在[5-19]窗口,将EV1报警方式设为:

上限绝对值（HA）。

16）在[1-11]窗口,设EV1报警值:

450.0℃。

17）在[0-0]窗口,选择要运行的曲线号。

18）系统成闭环，在[0-0]按RUN/RST键3秒钟后，程序运行，面板RUN灯亮

19）在[0-7]AT自整定窗口，按增/减键将OFF改为ON状态后，按ENT键确认启

动自整定，AT灯闪烁。

AT全亮，AT开始，AT结束，AT灯灭。

4.程序的显示/执行功能窗口:

[0-0]按RUN键3秒钟后，程序运行；再按3秒钟后复位，面板RUN灯灭。

此外，

外部输入的DI1开关与面板RUN键功能等效。

[0-2]窗口,程序运行步的剩余时间

[0-3]窗口,当前曲线的执行次数

[0-4]窗口,当前曲线执行的PID号

[0-5]窗口”HLD”改为ON,程序从当前步进入保持状态.改OFF后,程序继续运行.

[0-6]窗口”ADV”改为ON,强制跳入下一步运行。

跳步后显示OFF，可继续跳步。

保持、跳步如果被转移到外部开关上，将无该窗口的功能！

5．设定曲线的伺服起动如果是必要的

在[1-15]设定曲线的伺服起动为ON，程序第一步的起始值等于实际测量值（残

余炉温），而不是程序第一步的起始设定值，从而节约了能源。

6．确保曲线的平台如果是必要的

满足精密工艺要求，确保平台保温区的热处理时间是重要的。

在[1-16]设定

确保的偏差值1-999数字后，当曲线设定值已到达平台，由于系统的滞后等原

因，造成实际测量值大于容许偏差值，程序将被自动延时，直到测量值小于容

许偏差后才能进入曲线的平台。

7．曲线运行中的掉电保护如果是必要的

[5-3]设定ON，运行程序掉电、再次上电后从断点处继续运行;设OFF被复位。

8.曲线运行中超量程、断偶故障的保护如果是必要的

[5-4]设HLD程序被保持，故障消除后继续运行；设RUN程序继续运行；设RST

程序被复位。

超量程故障时，调节输出为零。

9．区域PID-自适应不同SV设定值、自动选择PID参数的方式

在[4-11]窗口ZONE初始值为OFF时为独立PID参数控制，每个程序步可选

择和使用对应的PID号。

当[4-11]窗口设为ON时进入了区域PID方式，此时，

曲线运行步的PID号的被禁止。

对于低温-中温-高温区加热系统，相同区域（Zone）PID的参数是近似的（包

括输出功率限制和超调系数）。

可根据设定值划分三个区域，并利用了1（0）、

2、3的PID号码。

在[4-12]窗口，当设定值<区域1的SP1划分值时，自动选择

PID1号，与2，3号PID对应分别是[4-13]和[4-14]的SP2和SP3的划分值。

当设定值SV处于某PID号的区域值时,该PID号自动被使用；当设定值SV小于

的区域值区域回差以下时,自动切换到下一区域PID号。

多组PID号的区域值相

同,最小的PID号优先。

[4-15]窗口的区域回差（Zone的HYS）,决定区域PID号间切换的动作灵敏度，是

避免临界间频繁动作的调整参数。

初值是20。

图2.6

2.4事件和报警设置

图2.7

FP93提供了EV1～EV3三个事件继电器，在[5-19][5-22][5-25]事件方式窗口可

选择16事件，设置NON为取消。

注：

通过DO选件,可扩展成7组继电器。

1．报警事件说明：

绝对值报警:

报警值固定,不随设定值改变。

偏差值报警:

报警值与设定值保持固定偏差值，跟随设定值改变。

SO超量程报警：

测量PV值超过上下限量程范围±10%报警，调节输出为零。

设定报警值:

定值控制方式在[3-4][3-5][3-6]窗口设定；程序方式在

[1-11][1-12][1-13]窗口设定报警继电器的实际报警值或偏差值。

图2.8

报警的回差:

在[5-20][5-23][5-26]分别设报警的回差值。

参见上图矩形窗口,

回差（动作灵敏度）是避免报警误动作和频繁动作的调整参数。

进入报警区时,报

警动作；直到退出回差区,报警才解除。

例如:

500℃上限绝对值报警，回差3

℃。

当测量值PV超过500℃时，报警动作；PV值降至小于497℃时才解除。

报警的上电抑制和非抑制：

在[5-21][5-24][5-27]设置报警的4种抑制方式。

1：

无抑制，只要处于报警区内,就会产生报警。

2：

报警抑制。

初次上电,禁止首次报警,只有测量值再次进入报警区,报警才动

作。

造成例如:

不希望下限报警继电器首次上电动作,错误地切断系统电源。

3：

初次上电状态或改变设定值时报警被抑制。

4：

正常报警运行状态时无抑制，正常报警；超量程时抑制。

2．报警以外的其它事件

Hld程序保持：

程序保持状态时动作。

GUA:

程序确保平台状态时动作。

TMS1：

第1时标输出，在[1-3][1-4][1-5][1-6]窗口设置（详见编程标输出）

TMS2：

第2时标输出，在[1-7][1-8][1-9][1-10]窗口设置。

同上。

RUN：

程序运行时吸合，程序结束时断开

STPS：

程序运行过程中每跳一步吸合1秒。

ENDS：

程序结束时吸合1秒钟。

FIX：

定值控制方式时吸合。

NON：

无定义/取消指定。

第3章岛电FP93仪表

3.1仪表安装的注意事项

⒈仪表的安装:

安装形式是嵌入式,安装厚度为1-3.5毫米面盘。

安装时将仪表从

仪表盘前面推入开孔,直到塑料簧片将仪表卡住。

⒉安装仪表的场地必须注意:

●避免腐蚀气体、灰尘●避免强烈冲击和振动●环境温度在－10～50℃

●远离强电源和电场●相对湿度在90％以下●避免阳光直射和水蒸汽

⒊仪表的接线要求:

●输入为热电偶时,需使用规定的补偿导线,引线电阻不得大于100Ω。

●输入为铂电阻时,三线制,引线电阻不得大于5Ω,三条引线阻值相同。

●其它输入时,为了避免噪音和干扰,引线使用屏蔽电缆,要求一点接地。

●与仪表端子的接线建议使用标准压接型接线片（适用于3.5毫米螺丝）。

●输入和输出信号线应远离动力电缆,不得使用同一电缆管。

●仪表的接地端必需良好接大地。

⒋仪表抗干扰的措施:

开关电源设计,工作电压100～240VAC。

●如果有来自电网或仪表周围的设备噪音干扰,需安装噪音滤波器。

●继电器接入感性负载时,接点间需加阻容灭弧或压敏电阻保护。

5.建议:

为避免电源故障：

如控制柜地线开路、工作电压长期超过240VAC和雷击。

建议

采用220V/125V降压变压器。

可有效降低仪表温升，提高测量精度。

我司可提供

RU系列50W、100W、200W的R型变压器。

每台仪表功耗大约为15W。

此外,仪表内部电源为压敏电阻保护，外电源必须串接0.3A保险管。

3.2仪表出错信息:

ΗΗΗΗ:

热电偶断线，PV超上限量程10%FS或RTDA端断线

　ΛΛΛΛ:

PV超下限量程-10%FS或输入极性错误

　ΧϑΗΗ：

热电偶冷端补偿检测低于下限-20度

⒈热电偶或铂电阻输入的仪表显示不正常:

将热电偶输入端短路后,显示仪表自动补偿后的温度（近似室温）;三线制铂电阻

输入端接100Ω电阻,正常为0℃;如不正常请查输入端接线、量程代码、铂电阻

的标准、传感器故障等原因,否则需返修仪表。

2.直流输入的仪表显示不正常

对4～20mA输入类型，输入开路/短路时，显示下限超量程。

可编程显示量程设

置不合理，显示数值的比例不对。

3.无调节输出:

将仪表设为手动控制，MAN状态灯亮,调节设为100%。

对于"Y"型

输出则有继电器吸合;"P"型有12V直流电压;”I"型短路电流为20mA;”V"型为10V

直流电压。

否则需返修仪表。

第四章岛电FP93实物图与接线端子

图4.1FP93实物图

图4.2FP93接线端子

第五章系统设计

图5.1TP100烤箱

图5.2单相调压调功TAC16P

TAC16p系列三相调压调功一体化电力调整器品牌：

希曼顿Shimaden型号：

TAC16P额定容量：

根据所选电压电流计算kVA相数：

单相频率：

50Hz额定输入电压：

220/380VTAC16P单相调压调功一体化电力调整器基本功能：

是大功率固态电力模块应用技术的新产品。

它集单相调压/调功方式为一体，采用锁相环同步电路、具有上电缓启动、缓关断、散热器超温报警、电流限制、过流保护，适用于电阻性负载和感性负载。

电流容量：

可选30A　50A　80A　105A　195A　255A　400A500A等。

广泛适用于铸制、锻造、热处理及工业炉行业、真空炉、各种常规热处理炉及气氛炉、高中低频感应加热设备、电热加工、材料制造、航天航空、冶金、电子、耐火、陶瓷、钢铁、玻璃、水泥、烘干设备、真空镀膜机等各种设备。

TAC16P技术参数及规格1.基本功能：

移相调压，锁相环同步，宽脉冲出发2.调节分辨率：

0.2度（调压），20ms（调功）3.换启动时间：

0.1～120可调，缓关断时间：

10s4.报警输出：

常开接点1A250VAC5.环境温湿度：

0～40°C，90％HR控制输入：

4～20mADC，接受电阻：

120欧，0～10VDC，输入电阻：

450千欧电源电压：

220／380VAC±10％50Hz电流限制和过流报警（选件）调功方式（选件）阻性调功；感性调功项目型号代码规格系列TAC16P基本功能：

移相调压,锁相环同步，宽脉冲触发调节分辨率：

0.2°（调压）,20ms（调功）起始电压：

3.5VAC缓起动时间：

0.2~120秒可调，缓停时间：

10秒报警输出：

常开接点　1A250VAC环境温湿度：

0~40℃，90%RH最大控制输入4-４~20mADC,接收电阻:

120Ω6-0~10VDC,输入阻抗>450KΩ电源22-220VAC±10%50HZ38-380VAC±10%50HZ电流容量/外形尺寸mm外形尺寸mm030-030A220高×94宽×167厚050-050A220高×94宽×167厚080-080A245高×110宽×200厚105-105A245高×110宽×200厚195-195A376高×132宽×265厚255-255A376高×132宽×265厚400-400A330高×220宽×242厚500-500A380高×220宽×242厚电流限制和过流报警（选件）（含TCT1电流变换器，测两相电流）（一般纯阻负载，阻值恒定）N无C带电流限制功能和过流报警调功（选件）00无01阻性调功04感性调功电力调整器电流容量选择参考：

１．一般纯阻负载：

电力调整器电流容量应大于负载最大电流。

硅碳棒负载：

当取消变压器时，硅碳棒应串联，使之能够承受电源电压的70%~80%以上。

硅碳棒在700~800℃存在负阻区，电力调整器电流容量应大于负载最大电流的1.7倍。

２．电热管负载：

电热管易受潮、局部短路和放电打火等，电力调整器电流容量应大于负载最大电流的1.7倍。

图5.3温控器电路原理图

给定值

烤箱

烤箱温度

温控器

被控参数

—

反馈值

检测装置

图5.4系统结构框图

第六章结束语

完成本次课程设计的过程，是一个从无到有的过程，经历了兴奋、自信、失落、奋发、所悟、完成几个过程。

刚做做课程设计时，仔细阅读设计的题目和要求，以为没什么困难的，所用的知识书上都有。

可是当我动手开始做的时候，才发现其中的算