高精度温度控制系统设计

摘要：针对实际工程中热处理工艺的高精度温度控制要求，本文介绍了一种高精度温度控制的系统设计方案，系统以温度控制器为核心，实现了精准控温、自动温控曲线运行、故障报警等功能。实际结果表明，系统运行稳定可靠，控温精度高，操作简单，能够满足大多数热处理工艺的基本要求。

关键词： PID；温度；控制器

1.前言

高温炉是热处理工艺的重要设备，高精度温控系统系统是其关键技术之一，温控性能好坏直接影响到其热处理效果。温度控制器是一种模块化的可自由组态的高精度、高性能的温度及过程控制器。本文结合热处理炉的性能特点，介绍以温度控制器为核心的高精度温控系统设计方案及仪表的参数配置调试，并检验实际应用效果。

2.硬件设计及仪表配置

2.1.控制原理

本系统主要是以温度控制器为核心，加上外围线路，使用闭环控制的方式，实现对被控对象温度的控制。此系统由温度控制器、输出单元、测量单元组成。测量单元测量温度变化，温度信号转换成数字信号，反馈给温度控制器进行计算和处理，得到当前温度PV，把当前温度PV和设定温度SP进行判断比较，得到温度偏差EV，通过输出单元，计算出实际输出量OP的大小，控制加热器的加热过程，使目标温度趋于稳定。

2.2.测量单元

热处理炉选用K型热电偶检测与炉温控制，该热电偶800℃以下的条件下长期工作。温度控制器有热电偶、铂电阻、红外高温计等信号输入类型选项，对于本系统，仪表配置PV 测量类型为K型热电偶，显示分辨率为精确到1位小数。

2.3.输出单元

加热控制线路选用晶闸管调压的方式控制加热电压，进而平滑调节炉内的加热速度。首先系统闭合接触器给加热主回路通上交流380V电源，然后温度控制器输出一个控制信号触发晶闸管导通，从而给加热器供电。晶闸管控制信号选择了0～10V电压信号。晶闸管的控制输出特性曲线具有单调性，控制信号电压越大，输出到加热器的电压越高。晶闸管的热容量小，自身抗过流能力较弱，在故障时必须借助于其他过流保护措施，才能保证晶闸管的安全，因此在接触器进线端的每一相线路上各串联一个快速熔断器。另外，晶闸管从导通到阻断时会产生过电压，需使用阻容吸收回路防止晶闸管被击穿。

3.系统调试

3.1.PID参数设定

PID控制是在温控系统工程实际中应用最为广泛的控制算法，全称比例、积分、微分控制。PID控制器有比例项、积分项、微分项3个参数，即比例系数KP、积分时间TI、和微分时间Td，其设定的选用和数值大小决定了比例、积分和微分控制作用的强弱，直接影响了PID控制器的控制性能。

比例项能够快速减少温度误差，必须要引入。但是单一的比例项并不能消除误差，而且比例系数过大会引起控制系统的振荡，所以要另外引入积分项，通过积分时间的作用逐渐消除温度调节过程中的偏差。温度控制是一种滞后控制，而PID控制的微分项具有超前调节的作用，因此也必须引入。

PID参数整定指的是温度控制器正常调节工作前的参数设定，可以通过人工经验设置或者系统计算获取。对于本系统，通过温度控制器的PID控制方式，系统先采用仪表自整定的方式得到PID参数，当控制效果不能满足控制要求时，再通过手动整定或微调得到更合适的PID参数。需要注意的是，在使用自整定功能之前，应根据加热器和晶闸管的额定电流，进行温度控制器限幅，防止自整定输出全开过程大电流损坏加热器或晶闸管。

本热处理炉选用镍铬合金加热器，温度调节范围要求为0～600℃，控温精度要求±1℃。镍铬合金电阻随温度升高而升高，而且常温下电阻很小，起始加热电压不宜过大。

由于加热闭环控制具有惯性大的特点，PID参数的整定和测试是一个耗时很长的过程。整定期间控制器会有一个温度预设值SV，开始满功率输出，直到温度实际值PV达到预设值SV时就会停止输出，热处理炉开始自然降温，温度实际值PV逐渐回到预设值SV，控制器重新开始满功率输出，如此反复几个周期，得到周期时间，以此计算得到初步的整定参数。整定过程伴随着温度的振荡和超调现象，属于合理现象，但可能引起元器件的频繁开关和实际温度过高，需要关注其他相关模块是否受影响，可通过输出限幅等方法加以约束。

首先让温度控制器限幅80%，在300℃自整定，得到一组PID参数。用这组PID参数，测试在1小时内从常温到500℃的升温效果。从记录结果看出，在常温开始加热和升温接近最高温的阶段，温度曲线波动较大，这对于技术指标来说是不允许的。于是这里改用分段PID控制方式，将0～600℃分成两个温区，分别整定出相应的PID参数，0～300℃温区使用PID1，整定点200℃，限幅80%，300～600℃温区使用PID2，整定点450℃，限幅90%，整定得到两组参数结果。

参数整定完毕后，温控系统进入温度调节工作状态。将此参数写入控制器，作为固定的基础配置，在常温下设定加热温度500℃并打开加热器，测试整定参数的控制性能。经过多次测试运行，得到一个平滑的升温曲线，与设定曲线完全重合，温度控制性能好，控制精度高，PID参数满足工艺要求。

3.2.程序控制器

在实际的热处理工艺中，单一固定的温度点控制往往不能满足要求。通过温度控制器的程序控制功能，产生一个按时间变化的设定值。它可以让温度按一定速率爬升到一个值，保温一定时间后再按另一个速率爬升到另一个温度值并保温一定时间，依次继续下去直到结束。对于不同的热处理工艺，只需要在仪表上修改程序每一段的温度和时间，即可更换另一种预设定的温控曲线。

3.3.PV伺服启动

温度控制器程序刚启动时，当前温度实际值大多数情况下都大于设定的起始点，因此程序需要经过一段时间才能使设定值与当前的温度值一致。还有另外一种情况，程序运行过程中出现故障需要重启程序时，程序会重新从第一段开始执行。这两种情况都会导致时间的浪费，甚至是工艺的失败。将温度控制器的启动程序当前的温度测量值作为程序的起始点，可解决以上两个问题，使实际温度曲线对预设曲线有更好的跟随性。

4.系统优化

4.1.报警设置

报警是指温度控制器满足或超过预设条件时，输出控制信号或向操作者发出的警示信息。通常用来控制某一输出 （一般是继电器输出） 的开或关，使控制装置互锁，达到保护设备和提供报警信息的目的。设计这个功能，是为了在工艺过程中出现超温时，及时切断加热线路，防止设备或产品的损坏。

通过温度控制器设置报警，当前温度PV值与报警SP值比较，当PV值大于SP值时，输出报警信号到外部继电器接口，再硬连线至PLC，使PLC作出相应报警处理。

4.2.上位机监控

为了让温度控制器的信息引入远程监控系统，提升设备操作的快捷性，本温控系统增加温度控制器和上位机之间的数据传输。对于本系统，有硬连线和通讯两种方式实现数据互相传输，由于传输数据量多，使用硬连线的方法会造成线路上的杂乱，因此采取通讯的方式。通讯采用基于RS485的Modbus RTU协议，以上位机作为Master站，温度控制器作为Slave站，并调用两站点协议驱动，设置相应波特率、奇偶校验等通讯参数。通讯测试正常后，上位机就可以对温度控制器进行读写操作，如建立温度控制器的温度程序表、记录温度变化曲线等等。

5.总结

高温真空炉的温度控制非常严格，控制温度对产品的影响非常大，越来越多的热处理工艺都已经使用了高精度的温度控制器。所以，基于温度控制器设计的本温控系统，在热处理炉项目上，通过试验调试，控温曲线平滑，控制精度高，安全可靠，操作简便，能达到工艺要求，得到了用户高度的评价。随着热处理工艺技术的发展，高精度温控系统将会得到更加广泛的应用。

参考文献

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