基于PLC的TEC高精度温度控制系统设计

基于PLC的TEC高精度温度控制系统设计覃贵礼1,2，刘威1（1.武汉大学，武汉430072；2.广西职业技术学院，南宁530226）摘要：针对半导体制冷片升降温速度快并且可逆的特点，设计一种基于半导体制冷片（TEC）为控温元件，以FX3U-48MT可编程控制器（PLC）为核心的控制单元，采用数字递推增量式PID控制算法来对TEC进行升降温的一套高精度温度控制系统，其上位机采用组态王KingView7.5进行监控与记录。系统测试结果表明：该系统具有温度控制精确度高、升降温速度快、误差小、可靠性高的特点，可以实现0℃~80℃之间的升降温功能，且精度可达0.5℃以内，在实际应用中可以满足一般温控控制系统使用要求。关键词：PLC；半导体制冷；PID；温度控制中图分类号：TP27文献标识码：A文章编号：1001-7119（2017）11-0082-05DOI:10.13774/j.cnki.kjtb.2017.11.019DesignofTECHigh-precisionTemperatureControlSystemBasedonPLCQinGuili1,2，LiuWei1（1.WuhanUniversity，Wuhan430072，China；2.GuangxiVocationalandTechnicalCollegeNanning，Guangxi530226，China）Abstract：Sincethethermo-electricalcoolercouldpromiserapidheatingandcooling,ahigh-precisiontemperaturecontrolsystemwhichisequippedwithTECandPLCisdesigned.ThesystemisfurnishedwithTECastemperaturecontrolcomponentandisinstalledwithFX3U-48MTPLCascorecontrolunit.DigitalincrementalPIDalgorithmwithinthesystemcontrolsTECtoachieveheatingorcooling.KingView7.5isoperatedonthehostcomputertomonitorandrecorddata.Thetestresultsshowthatthesystemisareliableonewhichcanheatandcoolrapidlywithhighprecision.Also,thesystemcanperformthefunctionofheatingandcoolingwithtemperatureranging0℃to80℃,andthemeasurementerrorislessthan0.5℃.Thesystemcanmeetrequirementsofcontrollingtemperatureindailylife.Keywords：PLC；semiconductorrefrigerator；PID；temperaturecontrol收稿日期：2016-12-11基金项目：国家自然科学基金项目（81272443）；国家自然科学基金项目（61474084）。作者简介：覃贵礼（1976-），男，工学硕士，副教授。研究方向：电子技术及电气自动化技术教学与研究。温度在工业及其他行业中是一个非常重要的参数，精确温度控制直接影响着产品的质量和实验结果的稳定性，而在一些特殊的场合，温控系统往往还需要拥有降温和升温的功能，并且稳定性要高，如进行循环聚合酶连反应扩增过程中，是在一个热循环下的酶催化过程，通过高温变性、低温退火及酶催化（适温延伸）三个过程的循环进行，使目的DNA片段得以迅速扩增，在这个过程中是快速而准确的控制循环温度。而采用半导体制冷片作为制冷制热执行部件，非常易于实现。加上半导体制冷器件所拥有精度高、制冷速度快、无噪音、体积小、易于实现制冷制热转换等诸多优点而广泛应用于航空、军事、生化、农业等各个行业，具有良好的应用前景。因此所研制基于PLC的TEC高精度温度控制系统可实现制冷制热两种工作模式，并且稳定在所设定温度第33卷第11期2017年11月科技通报科技通报BULLETINOFSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.33No.11Nov.2017第11期上，在对温度控制要求较高场合具有很好的应用前景。1系统整体方案设计本控制系统以三菱FX3U-48MT可编程控制器为控制核心，加上半导体制冷片、PT100铂电阻温度传感器、AD模拟量输入模块、驱动转换电路和开关电源等构成温度控制系统。该系统的基本工作原理：当PT100铂电阻采集半导体制冷片上的温度信号后送入变送器中，经变送器转换为0-5V电压信号后送到模拟量模块中进行模数转换，PLC根据程序中的设定值与测量值进行比较得出一个差值，利用差值进行PID运算后调制出PWM信号去控制半导体制冷片的导通时间，从而实现恒温控制的目的，且系统具有制冷制热转换功能；系统整体结构如图1所示。图1系统结构框图Fig.1Systemstructurediagram系统设计要求：（1）温度设计范围：0℃~80℃内温度可调；（2）系统稳定精度：温度稳定精度为±0.5℃以内；（3）升降温控制：可自动切换制冷制热状态；（4）监视与控制：可在上位机中进行温度设定，同时显示温度等各种参数，具有曲线显示和保存、查询等功能。2系统硬件设计2.1半导体制冷制热片选择实验装置选择TEC1-12706A制冷片为制冷制热元件。该制冷片外形尺寸为50*50*4mm，最大电压为15.4V，最大电流为6A，最大制冷量为53W，最大温差为67℃。可通过改变半导体制冷片电流方向来实现制冷制热功能。2.2FX3U-48MTPLC本控制系统选用三菱公司生产的第三代FX3U-48MT可编程控制器为主控单元，因其具有丰富的功能指令和PID指令，基本指令处理速度可达0.065μS/步的业界最高水平，加上抗干扰能力强、可靠性高、易于集成等诸多优点，可以很好的满足系统控制要求。2.3温度采集电路本系统测量温度范围0℃~80℃，精度为0.5℃以内。因此选用测量精度高、测量范围广、性能稳定的PT100铂电阻为测温元件，可以很好的满足系统要求；其温度采集电路由PT100铂电阻温度传感器、温度变送器与模拟量输入模块FX2N-4AD所构成，电路如图2所示。图2温度采集电路图Fig.2ThediagramofTemperatureacquisitioncircuit2.4温度控制电路半导体制冷片工作在制冷制热状态时最大电流可达6A，而所选PLC输出继电器为晶体管输出型，其输出驱动能力比较弱，每个点最大电流只有0.2A，不能直接驱动高达6A的半导体制冷片进行制冷制热工作。因此选用美格尔MGR-1DD220D10单相固态继电器作为驱动，电路如图3所示。该驱动电路由四个单相固态继电器SSR1-SSR4所构成，除了完成驱动半导体制冷片工作以外还可以完成制冷制热工作状态的切换。当输出加热信号时，直流固态继电器SSR1与SSR3导通，+12V电源电压经SSR1的OUT+、OUT-，制冷片的黑端、红端，SSR3的OUT+、OUT-端到地，使制冷片工作在加热状态。反之在制冷状态时，直流固态继电器SSR2与SSR4导通。3数字递推增量式PID控制算法分析PID控制规律数学表达式为覃贵礼等.基于PLC的TEC高精度温度控制系统设计83第33卷科技通报U()t=Péëêùûúe(t)+1I∫0te(t)dt+Dde(t)dt（1）式中U(t)为控制器输出，e(t)为控制器输入，即给定值r(t)与实际输入值y(t)之间的偏差，P为比例系数，I为积分时间常数，D为微分时间常数。在数字采样系统中，式（1）中的积分式和微分项不能直接使用，必须进行离散处理。即以T作为采样周期，k作为采样序号，则离散化采样时间kT对应时间t，用矩形法数值积分近似取代积分，用一阶差分来代替微分，即有：∫0te(t)dt≈T∑i=0ke(i)de(t)dt≈e(k)-e(k-1)T（2）将式（2）带入式（1），就得到位置PID算法表达式U(k)=Péëêùûúe(k)+TI∑i-oke(i)+De(k)-e(k-1)T（3）式中U(k)第k次采样时刻PID控制输出值，e(k)第k次采样时刻输入偏差值，e(k-1)为第k-1次采样时刻输入偏差值，T是采样周期，P、I、D为PID控制参数。对于位置式PID算法，与当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时需要对e(k)进行累加，工作量大，因此，对式（3）去增量，得到控制力的增量Δu(k)为：Δu(k)=u(k)-u(k-1)=Ae(k)+Be(k-1)+Ce(k-2)（4）式中：A=KP+KI+KDB=-(KP+2KD)C=KD式（4）为增量式数字PID表达式，当采样周期确定后，一旦确定了ABC，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以求出控制的增量。可以通过增量式PID控制算法推出其递推计算公式：U(k)=U(K-1)+ΔU(K)（5）式（5）就是目前在数字控制设备中广泛使用的数字递推PID控制算法。而在三菱FX系列PLC中PID指令，采用的是数字递推增量式PID控制算法，并综合使用了一阶惯性数字滤波，不完全微分和微分先行等措施。其计算公式如下：正动作：ΔU(k)=kæèçöø÷e(k)-e(k-1)+TTie(k)+D(k)e(k)=PVf(k)-SVD(K)=TdT+αdTd()-2PVf()k-1+PVf(k)+PVf(k-2)+αdTdT+αdTdD(k-1)U(k)=∑ΔU逆动作：ΔU(k)=kæèçöø÷e(k)-e(k-1)+TTie(k)+D(k)e(k)=SV-PVf(k)D(K)=TdT+αdTd()2PVf()k-1-PVf(k)-PVf(k-2)+αdTdT+αdTdD(k-1)U(k)=∑ΔU式中：e(k)本次采样偏差；e(k-1)一个周期前的偏差；SV设定值；PVf(k)滤波后本次采样测定值；PVf(k-1)一个周期后的滤波后的测定值；PVf(k-2)二个周期后的滤波后的测定值；ΔU输出变化量；U(k)本次输出值；D(k)本次微分项；D(k-1)一个周期前的微分项；k比例增益；T采样周期；Ti积分时间；Td微分时间；αd微分增益。4系统软件设计4.1PLC程序设计系统上电启动后，分别对PLC、特殊功能模块FX2N-4AD进行初始化处理，其中PLC初始化主图3制冷制热驱动电路Fig.3Refrigerationheatingdrivercircuit84第11期要对温度设定值、采样时间、输入滤波和微分增益等在自动调谐中不能自动设定的参数进行设置，以及特殊功能模块FX2N-4AD完成通道和工作模式的设置；PT100铂电阻温度传感器采集温度当前值经AD模块变换后送入PLC，并在上位机中通过组态王KingView7.5进行实时显示，以及数据进行记录和温度设定。同时，将温度当前值与设定值进行比较，如果当前值小于设定值，半导体制冷片进行制冷降温；反之则进行加热升温。由于本系统控制器直接使用FX3U系列PLC中PID指令，其具有自动调谐功能而获取最佳的PID控制主要控制参数从而达到最优控制的目的，在系统程序中我们采用阶跃反应法来求取自动设定动作方向、比例增益、积分时间和微分时间几个重要常数。当完成自动调谐后，系统转入正常的PID运行模式，输出PWM脉宽信号来控制半导体制冷片的导通时间，从而实现制冷降温或制热升温工作，达到控制要求，其程序流程如图4所示。图4PLC程序流程图Fig.4ThePLCprogramflowchart4.2上位机监控系统设计本系统采用组态王KingView7.5构建了半导体制冷片温度监控系统，实现了PID主要控制参数输出显示、温度设置和实时趋势曲线显示功能，还有历史数据存储功能等。监控画面可以通过监控画面实时观察温度控制情况