魏艷紅， 許 昌， 吳 霞

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于多課程應(yīng)用的溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏艷紅， 許 昌， 吳 霞

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

結(jié)合機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，基于多課程交叉融合的培養(yǎng)需求，設(shè)計(jì)了PLC的溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)具備溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控、溫控曲線(xiàn)的準(zhǔn)確跟蹤等功能。以PLC為控制核心，采用V/F轉(zhuǎn)換器和PLC的高速計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)了串行A/D轉(zhuǎn)換, 并利用PLC的定時(shí)器產(chǎn)生脈寬調(diào)制(即PWM)波形替代了D/A模塊；軟件上設(shè)計(jì)了溫度控制曲線(xiàn)，并采用分段擬合的方法修正頻率-溫度曲線(xiàn)，彌補(bǔ)了常規(guī)PID算法的缺陷，實(shí)現(xiàn)了溫度的閉環(huán)控制。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行搭建，降低了實(shí)驗(yàn)成本，提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率。

V/F轉(zhuǎn)換； PWM； 分段擬合； 機(jī)電綜合實(shí)踐

0 引 言

機(jī)電綜合實(shí)踐課程設(shè)計(jì)是機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修實(shí)踐類(lèi)課程，是對(duì)學(xué)生所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的一次綜合考查[1]。在2周內(nèi)，學(xué)生按照老師布置的任務(wù)和要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)一套完整的機(jī)電控制系統(tǒng)，并完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告?？紤]到機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)需求，該系統(tǒng)涉及模擬電子測(cè)量電路方面的知識(shí)、數(shù)字電路知識(shí)的應(yīng)用、自動(dòng)控制理論算法的具體應(yīng)用，以及工業(yè)自動(dòng)控制方面可編程邏輯控制器(PLC)[2]的相關(guān)應(yīng)用等。

課程設(shè)計(jì)時(shí)間短暫，涉及的知識(shí)面比較廣，綜合性較強(qiáng)，如何為學(xué)生搭建一個(gè)可行的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而提升學(xué)生的實(shí)踐能力和教學(xué)效果，是機(jī)電綜合實(shí)踐課程教學(xué)中亟待解決的問(wèn)題[3-5]。為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)加熱爐的溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括Pt100的測(cè)量電路、電壓/頻率(U/F)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)、PID算法的應(yīng)用、PLC的控制等環(huán)節(jié)，集合了“檢測(cè)技術(shù)”、“電路”、“電子技術(shù)”、“自動(dòng)控制理論”、“可編程控制器原理及應(yīng)用”、“數(shù)控技術(shù)”等多門(mén)課程的知識(shí)，打破了課程間的壁壘，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了不同課程間實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的有效銜接和知識(shí)融合[6-7]。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。溫度控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先Pt100測(cè)量及放大電路將加熱爐的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)傳送給U/F轉(zhuǎn)換器，U/F轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，發(fā)送到PLC的高速計(jì)數(shù)器。通過(guò)PLC編程，實(shí)現(xiàn)輸入電壓的測(cè)量，獲得當(dāng)前爐溫值。然后PLC將系統(tǒng)設(shè)定的溫度值與反饋溫度值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，輸出不同脈寬的波形，控制固態(tài)繼電器的通斷，進(jìn)而控制加熱爐電阻絲兩端的平均電壓，最終控制加熱爐的溫度[8-9]。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 溫控曲線(xiàn)的形成

實(shí)際PLC控制系統(tǒng)中，不同的應(yīng)用對(duì)象需要的溫度控制曲線(xiàn)不同。因而，在PLC控制程序方面，也需要考慮溫度控制曲線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)[10-11]。

以某段溫控曲線(xiàn)的形成為例進(jìn)行介紹，曲線(xiàn)可分成兩種情況：一是斜坡部分；二是平臺(tái)部分。斜坡部分的主要參數(shù)有斜坡斜率和斜坡時(shí)間；平臺(tái)部分的主要參數(shù)有平臺(tái)溫度值和平臺(tái)時(shí)間(恒溫時(shí)間)。下面主要介紹斜坡部分的積算過(guò)程，見(jiàn)圖2。

程序設(shè)計(jì)中，對(duì)時(shí)間軸以2 s為單位進(jìn)行分割，即采樣周期為2 s，斜坡斜率K即為平臺(tái)的溫差除以斜坡時(shí)間，則某一瞬間的溫度Ti為

圖2 溫控曲線(xiàn)積算示意圖

(1)

其中：

1.2.2 頻率-溫度曲線(xiàn)分段擬合

在PLC編程中，可直接調(diào)用三菱系列PLC自帶的PID 指令[12-14]。但是，在調(diào)用PID指令前，需將采樣頻率換算為實(shí)際溫度值[15-16]。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，采樣頻率隨溫度的變化近似為線(xiàn)性關(guān)系，可將頻率-溫度曲線(xiàn)分成若干段，取每段曲線(xiàn)上的起點(diǎn)和終點(diǎn)(x0,y0)、(x1,y1)來(lái)分段擬合直線(xiàn)方程。設(shè)定x為采樣頻率，y為對(duì)應(yīng)的溫度值，直線(xiàn)方程見(jiàn)式(2)。PLC每次讀入采樣頻率后，先判斷曲線(xiàn)所在的分段，根據(jù)該段直線(xiàn)的斜率和起點(diǎn)，得到對(duì)應(yīng)的溫度值，

(2)

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體應(yīng)用

溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要包括：①根據(jù)系統(tǒng)要求，進(jìn)行U/F轉(zhuǎn)換器和Pt100測(cè)量電路的設(shè)計(jì)；②根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求繪制電氣控制圖，搭建控制系統(tǒng)；③根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，考慮系統(tǒng)的軟件流程和算法；④通過(guò)監(jiān)控上位機(jī)和示波器波形，不斷修改程序，最終達(dá)到所需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成不同的設(shè)計(jì)任務(wù)，如硬件電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試、電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及連接、PLC程序的編寫(xiě)及調(diào)試、PID算法的具體應(yīng)用等。學(xué)生可根據(jù)自己的專(zhuān)業(yè)特長(zhǎng)選擇設(shè)計(jì)內(nèi)容，最終以小組的形式進(jìn)行綜合調(diào)試。因考慮到課程設(shè)計(jì)的時(shí)間比較短，上位機(jī)界面的程序和部分示例電路圖可直接分發(fā)給學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，學(xué)生可在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出更為完善和復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)。

2.1 Pt100放大電路

Pt100主要用于測(cè)量加熱爐的溫度，其放大電路示例電路見(jiàn)圖3，圖中：Pt100采用橋式接法；

(3)

其中，R為Pt100的阻值，0～100 ℃對(duì)應(yīng)100.0～138.5 Ω。

圖3 PT100放大電路

輸出電壓：

(4)

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試

圖4是利用 VB6.0 的 MSComm 控件進(jìn)行設(shè)計(jì)的上位機(jī)界面，學(xué)生可直接在界面上設(shè)置階梯曲線(xiàn)的各個(gè)溫度值，并利用其寄存器進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)。圖5為系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)，從圖中可以看出，斜坡曲線(xiàn)系統(tǒng)超調(diào)量很小，階梯曲線(xiàn)超調(diào)量較大，且調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)。

圖4 溫度控制曲線(xiàn)設(shè)定界面

圖5 系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)

3.3 自制系統(tǒng)對(duì)機(jī)電綜合實(shí)踐課程教學(xué)的幫助

搭建了以PLC為核心的加熱爐溫度控制系統(tǒng)，學(xué)生可利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)資源搭建一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在線(xiàn)調(diào)試修改程序。同時(shí)觀(guān)察加熱爐的溫度在變化過(guò)程中各模塊輸出波形的變化。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，既鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，又加深了對(duì)以往所學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理解，同時(shí)理論聯(lián)系實(shí)際，課堂知識(shí)也得到了具體的應(yīng)用。這種做法不僅有效利用了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的教學(xué)資源，節(jié)省了硬件成本；同時(shí)調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生從“我得學(xué)”變成“我要學(xué)”。 學(xué)生為了解決系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，必須主動(dòng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括以往的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目指導(dǎo)書(shū)、產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)、電路設(shè)計(jì)示例、PLC編程技巧、PID算法原理等。同時(shí)，在PLC程序的設(shè)計(jì)中，學(xué)生可根據(jù)課堂學(xué)到的理論知識(shí)，靈活運(yùn)用編程技巧，加深了對(duì)課堂知識(shí)的理解，提高了編程能力。該課程設(shè)計(jì)綜合性較強(qiáng)，系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間久，碰到有難題的地方時(shí)，學(xué)生可采取小組討論的方式進(jìn)行解決。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，學(xué)生起主導(dǎo)作用，指導(dǎo)教師可針對(duì)實(shí)驗(yàn)涉及的相關(guān)理論知識(shí)、波形測(cè)試、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備使用等各方面進(jìn)行輔助性指導(dǎo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一款融合多課程應(yīng)用的溫度控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于機(jī)電綜合實(shí)踐課程的實(shí)踐教學(xué)中，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，收到了良好的教學(xué)效果。該系統(tǒng)可進(jìn)一步完善和改進(jìn)，比如不使用PLC自帶的PID指令，讓學(xué)生自己編寫(xiě)PID算法的運(yùn)算過(guò)程，溫度的顯示模塊也可以試著讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61203113)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY15F030012)

魏艷紅(1982-)，女，山西朔州人，碩士，實(shí)驗(yàn)員，主要從事單片機(jī)控制系統(tǒng)和PLC數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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

許 昌(1956-)，男，浙江杭州人，碩士，教授，現(xiàn)為中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電學(xué)院機(jī)械電子學(xué)科負(fù)責(zé)人。

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

G 642.423; TM 571.61

A

1006-7167(2016)08-0061-03