激测综合控制器

[color=#990000]摘要：针对温度跟踪控制中存在热电堆信号小致使控制器温度跟踪控制精度差，以及热电阻形式的温度跟踪控制中需要额外配置惠斯特电桥进行转换的问题，本文提出相应的解决方案。解决方案的核心是采用一个多功能的超高精度PID控制器，具有24AD和16位DA，可大幅提高温差热电堆跟踪温度控制精度。同时，此PID控制器具有远程设定点功能，两个热电阻温度传感器可直接接入控制器就能实现相应的温度自动跟踪控制。由此仅通过一个超高精度PID控制器，可实现热电偶和热电阻形式的高精度温度跟踪控制。[/color][align=center][img=高精度温度跟踪控制,600,330]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301051642301750_9704_3221506_3.jpg!w690x380.jpg[/img][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size] 在一些工业领域和热分析仪器领域内，常会用到温度自动跟踪功能，以达到以下目的： （1）保证温度均匀性：如一些高精度加热炉和半导体圆晶快速热处理炉等，为实现一定空间或面积内的温度均匀，一般会采取分区加热方式，即辅助加热区的温度会自动跟踪主加热区。 （2）绝热防护：在许多热分析仪器中，如绝热量热仪、热导率测试仪和量热计等，测试模型要求绝热边界条件。这些热分析仪器往往会采取等温绝热方式手段，由此来实现比采用隔热材料的被动绝热方式更高的测量精度。 自动温度跟踪功能的使用往往意味着要实现快速和准确的温度控制，其特征是具有多个温度传感器和加热器，其中温差探测器多为电压信号输出的热电偶和电阻输出的热电阻形式。对于采用这两种温差探测器的温度跟踪控制，在具体实施过程中还存在以下两方面的问题： （1）在以热电堆为温差传感器的跟踪温度控制过程中，往往会用多只热电偶构成热电堆来放大，N对热电偶组成的热电堆会将温差信号放大N倍，但即使放大了温差信号，总的温差信号对应的输出电压也是非常小。如对于K型热电偶，1℃温差对应40uV的电压信号，若使用10对K型热电偶组成温差热电堆，则1℃温差时热电堆只有400uV的电压信号输出。对于如此小的电压值作为PID控制器的输入信号，若要实现小于0.1℃的温度跟踪控制，一般精度的PID控制器很难实现高精度，因此必须采用更高精度的PID控制器。 （2）在以热电阻测温形式的跟踪温度控制过程中，情况将更为复杂，一般是采用复杂的惠斯登电桥（wheatstonebridge）将两只热电阻温度传感器的电阻差转换为电压信号，再采用PID控制器进行跟踪控制。但这样一方面是增加额外的电桥仪表，另一方面同样要面临普通PID控制器精度不高的问题。 为此，针对上述温度跟踪控制中存在的上述问题，本文将提出相应的解决方案。解决方案的核心是采用一个多功能的超高精度PID控制器，具有24AD和16位DA，可大幅提高温差热电堆跟踪温度控制精度。同时，此PID控制器具有远程设定点功能，两个热电阻温度传感器可直接接入控制器就能实现相应的温度自动跟踪控制。由此通过一个超高精度PID控制器，可实现热电偶和热电阻形式的高精度温度跟踪控制。[b][size=18px][color=#990000]2. 解决方案[/color][/size][/b] 为了实现热电堆和热电阻两种测温形式的温度跟踪控制，解决方案需要解决两个问题： （1）高精度的PID控制器，可检测由多只热电偶组成的温差热电堆输出小信号。 （2）不使用电桥仪器，直接采用PID控制器连接两只热电阻温度传感器进行跟踪控制。 为解决温度跟踪控制中的上述两个问题，解决方案将采用VPC-2021系列多功能超高精度的PID控制器。此控制器的外观和背面接线图如图1所示。[align=center][img=,600,177]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301051656426331_2008_3221506_3.jpg!w690x204.jpg[/img][/align][align=center][b][color=#990000]图1 VPC 2021系列多功能超高精度PID控制器[/color][/b][/align] 针对温度跟踪控制，VPC 2021系列多功能超高精度PID程序控制器的主要特点如下： （1）24位AD，16位DA，双精度浮点运算，最小输出百分比为0.01%。 （2）可连接模拟电压小信号，可连接各种热电偶，可连接各种铂电阻和热敏电阻温度传感器，共有多达47种输入信号形式。 （3）具备远程设定点功能，即将外部传感器信号直接作为设定点来进行自动控制。 对于由热电偶组成的热电堆温差探测器形式的温度跟踪控制，具体接线形式如图2所示。[align=center][color=#990000][b][img=温差热电堆控制器接线图,500,194]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301051643371408_3010_3221506_3.jpg!w690x268.jpg[/img][/b][/color][/align][align=center][b][color=#990000]图2 温差热电堆控制器接线图[/color][/b][/align] 图2是典型的温差热电堆控制器接线形式，其中用了两只或多只热电偶构成的热电堆检测物体AB之间的温差，温差信号（电压）直接连接到PID控制器的主输入端，PID控制器调节物体B的加热功率，使温差信号始终保持最小（近似零），从而实现物体B的温度始终跟踪物体A。 对于由热电阻温度传感器形式构成的温度跟踪控制，具体接线形式如图3所示。这里用了控制器的远程设定点功能，这时需要物体AB上分别安装两只热电阻温度计，其中物体B上的热电阻（两线制或三线制）连接到PID控制器的主输入端作为控制传感器，物体A上的热电阻（与物体B热电阻制式保持相同）连接到PID控制器的辅助输入端作为远程设定点传感器，由此实现物体B的温度调节始终跟踪物体A的温度变化。[align=center][img=热电阻温度传感器控制器接线图,500,195]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301051644317319_3570_3221506_3.jpg!w690x270.jpg[/img][/align][align=center][b][color=#990000]图3 热电阻温度传感器控制器接线图[/color][/b][/align][b][color=#990000][size=18px]3. 总结[/size][/color][/b] 高精度的温度跟踪控制一直以来都是一个技术难点，如对于热电偶组成的温差热电堆温度跟踪控制，若采用普通精度的PID控制器还有实现高精度的温度跟踪控制，通常需要增加外围辅助技术手段，一是通过增加热电偶对数来增大温差电压信号，但这种方式工程实现难度较大且带来导线漏热问题，二是采用较高品质的直流信号放大器对温差电压信号进行放大，这同时增加了控制设备的复杂程度和造价。 对于采用热电阻温度传感器进行温度跟踪控制，以往的实现方法是采用复杂的惠斯登电桥（wheatstone bridge）将两只热电阻温度传感器的电阻差转换为电压信号，这同样增加了控制设备的复杂程度和造价。 由此可见，采用VPC 2021系列多功能超高精度PID调节器，可直接与相应的温度传感器进行连接，简化了温度跟踪控制的实现难度和装置的体积，更主要的是超高精度的数据采集和控制可大幅提高温度跟踪的控制精度。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=center][/align][align=center][/align]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：针对控制领域内广泛使用的PID控制器和可编程逻辑控制器PLC，本文分析了具体应用中PID控制器的几大优点。PID调节器的优点主要体现在测控精度高、更强的控制功能、使用门槛低和操作简单、具有明了的可视化界面和节省成本。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][img=相对于可编程逻辑控制器PLC，PID控制器具有哪些优势,600,320]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305161607321889_5876_3221506_3.jpg!w690x368.jpg[/img][/size][/align][size=16px][/size][b][size=18px][color=#339999]1. 基本概念[/color][/size][/b][size=16px] PID控制器(Proportion Integration Differentiation.比例-积分-微分控制器)，由比例单元P、积分单元 I 和微分单元D组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，PID控制器通常是指闭环控制的一种形式，这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。[/size][size=16px][/size] 可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是一种具有微处理器的用于自动化控制的数字运算控制器，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。可编程逻辑控制器已经相当或接近于一台紧凑型电脑的主机，其在扩展性和可靠性方面的优势使其被广泛应用于目前的各类工业控制领域。[size=16px][/size] 在大多数工业控制应用中，PLC像PID控制器一样使用，PID模块的排列可以在PACs或PLC中完成，从而为精确的PLC控制提供更好的选择。与单独的控制器相比，这些控制器既智能又强大，每个PLC基本都包括软件编程中的PID模块。[size=16px][/size] 然而，尽管PID控制器和PLC有众多类似之处，它们在设置、编程和应用方面仍有显著不同，而综合这些不同来看，PID控制器有以下几方面自己独特的优势。[size=18px][color=#339999][b]2. 测控精度高[/b][/color][/size][size=16px] [/size][size=16px]PID控制器是闭合反馈回路的一部分，该回路主动追踪过程值与设定值的偏差，并根据需要调节输出水平。许多控制器都有 PID 算法，并带自动调节功能，可以实现快速设置，并保持最小的过程值与设定值偏差。目前一些工业用PID控制器已经发展到具有极高精度的水平，如24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，由此可以实现温度、真空、压力、流量、张力等物理量的超高精度测量和控制。而对于PLC则很难具备如此高精度的能力，就算个别PLC能达到如此高的精度，那价格也会远高于PID调节器。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 控制功能更优[/b][/color][/size][size=16px] [/size][size=16px]PID控制器是一种专门设计用于处理特定的工业过程的调节器，因此包含了与这些过程直接相关的特点、输出和控制功能，例如针对各种不同的传感器需要提供完备的数据采集能力，针对需要阀门电机驱动控制（VMD）的应用提供专门的算法。而PLC需要具备适合广泛制造和自动化功能的特点，因此针对很多具体工业控制的特点是有限的。PLC可以执行基本的控制任务，但不如专门的PID控制器优势明显。此外，由于需要处理模拟信号，控制系统对微处理器的要求非常严苛，PID控制器是专为处理这些需求而设计的，而PLC必须在系统经过测试后才能判定能否满足这些过程要求。如未能符合要求，PLC将无法快速响应过程中的各种变化，并导致超前或滞后，从而影响产品质量。[/size][size=18px][color=#339999][b]4. 使用门槛低和操作简单[/b][/color][/size][size=16px] [/size][size=16px]PLC设计用于多任务控制环境，需要专业编程技巧以及大量时间，由专业人士来打造符合特定应用需要的解决方案。而PID控制器则可以相对快速地安装、设置和优化，并且所需经验极少。特别是一些PID控制器还自带计算机软件，采用图形化界面的计算机软件可以快速实现PID控制器的设置、运行和过程变量的采集和显示，更是大幅度降低了使用门槛。 [/size][size=16px][/size] 大多数PID控制器可以面板安装，也就是可以安装在过程机械的前面板上，并且带可视屏幕，相关人员只需基本的工程知识即可在数分钟内完成设置。PLC则较为复杂，通常安装在面板后面的机架上，不带显示屏，且需要单独的HMI（同样需要设置），因此PLC操作使用的便捷性上劣势明显。[size=18px][color=#339999][b]5. 明了的可视化界面[/b][/color][/size][size=16px] [/size][size=16px]面板安装的PID控制器有多种规格以及复杂程度，因此操作员可轻松查看过程信息以及需要注意的警告或警报信息。PLC通常没有直接的界面，需要一个单独的人机界面（HMI），且人机界面需要单独设置。HIM可以显示必要的过程信息，但它通常还会显示与PLC所管理的其他任务相关的各种数据。这意味着面板安装式PID控制器优势非常明显，有专门的界面方便查看所有相关的信息，可以快速进行调节。许多PID控制器还额外提供数据记录功能，可以用于查看先前所做的更改以及标记潜在问题。[/size][size=18px][color=#339999][b]6. 节省成本[/b][/color][/size][size=16px] [/size][size=16px]当然这是相对来说的，PLC设计用于控制多任务，适用于多回路控制的应用。对于某些单回路，或者少数回路控制的应用，PLC许多特点是应用所不需要的，所以成本显得高昂，这是不如选用专门针对某个工艺参数调控设计的PID控制器。[/size][size=16px][/size] 总之，对于具有相同功能和控制精度的PID控制器和PLC，总体而言PID控制器更节省成本。[size=16px][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align]