欧米茄带您深入了解温度控制器

温度控制器简介

小型CN7700是一款基于微处理器的全功能控制器，具有 1⁄16DIN壳体。

如何精确可靠地控制过程温度？

为了在操作人员不进行大量介入的情况下精确地控制过 程温度，温度控制系统依靠控制器接收热电偶或RTD等 温度传感器的信号作为输入。它将实际温度与所需控制 温度或设定值比较，然后提供输出来控制加热元件。

控制器是整个控制系统的一部分，在选择合适的控制器 时应对整个系统进行分析。选择控制器时应考虑以下各 项：

1. 输入传感器的类型（热电偶、RTD）和温度范围
2. 所需输出的类型（机电式继电器、SSR、模拟 输出）
3 所需控制算法（通/断、比例、PID）
4 输出的数量和类型（加热、冷却、报警、限制）

有哪些类型的控制器，其工作原理是什么？

有三种基本类型的控制器：通断、比例和PID。根据要 控制的系统情况，操作人员可以使用一种或另一种来对 过程进行控制。

通/断

通断式控制器是形式最简单的温度控制装置。该装置的 输出非通即断，没有中间状态。通断式控制器只有在温 度越过设定值时才切换输出。对于加热控制，当温度低 于设定值时输出接通，高于设定值时切断。

由于靠温度越过设定值改变输出状态，过程温度将持续 循环，在设定值上下来回波动。当这种循环快速发生 时，为防止损坏接触器和阀门，可给控制器操作加一个 通断差值或“滞后”。此差值要求温度超过设定值一定 的量，然后输出才会再次切断或接通。通断差值可防止 输出“振荡”（即，当温度非常快速地在设定值上下循 环时快速接合、频繁切换）。

通断式控制通常用在不需要精确控制的场合、无法处理 频繁接通和切断能源的系统中、因系统质量太大而温度 变化极慢的场合，或者用作温度报警。

用作报警的一种特殊类型通断控制装置为限制控制器。 这种控制器使用必须手动复位的锁定继电器，用于在达 到特定温度时关闭过程。

比例

比例控制设计用于消除伴随通断控制的循环。比例控制 器在温度接近设定值时降低供给加热器的平均功率。这 有放慢加热器加热的效果，以使其不会超过设定值，而 只是接近设定值并维持在一个稳定的温度。这种比例作 用可通过以短时间间隔接通和切断输出来实现。该“ 时间比例”用于改变“接通”时间和“切断”时间的比 例，从而控制温度。比例作用发生在设定温度附近的 一个“比例带”内。超出此比例带，控制器的作用方式 与通断控制器一样，输出为全通（比例带以下）或全断 （比例带以上）。但是，在比例带内，输出的接通和切 断与测量值和设定值之差成比例。在设定值（比例带的 中点）处，输出通断比为1:1，即接通时间和切断时间 相等。如果温度远离设定值，接通时间和切断时间与温 差成比例变化。如果温度低于设定值，输出接通时间较 长，如果温度过高，输出切断时间较长。

CN3251控制器具有斜坡和保温功能，能够长时间控制温度。

比例带通常以满量程的百分比或度表示。它也可以称为 增益，是比例带的倒数。请注意，在时间比例控制中， 加热器以最大功率工作，但循环接通和切断，因此平均 时间是变化的。在大多数装置中，循环时间和/或比例带 可以调节，从而使控制器可以更好地匹配特定的过程。

除机电和固态继电器输出外，比例控制器也可以提供比 例模拟输出，如4 ～ 20 mA或0 ～ 5 Vdc。在这些输出 中，变化的是实际输出电平，而不是通断时间，与继电 器输出控制器一样。

比例控制的优点之一是操作简单。它只需要操作人员在 首次启动时或在过程条件发生明显变化时进行很小的调 整（手动复位），以使温度达到设置值。

温度循环范围宽的系统也需要比例控制器。根据过程情 况和所需精度不同，可能需要简单的比例控制器或带 PID的控制器。

具有长时间滞后和较大的最大升温速度的过程（如热交 换器）需要较宽的比例带来消除振荡。宽比例带在负载 变化时会产生较大的偏移量。为消除这些偏移量，可使 用自动复位（积分）。微分（速率）作用可以用在有长 时间延迟的过程上，以在过程扰动后加快恢复。

选择控制器时还须考虑其它功能。包括自动整定或自整 定功能，具有这种功能的仪器将自动计算精确控制所需 的正确比例带、速率和复位值；串行通信功能，具有 这种功能的装置可以与主机“对话”，以进行数据存 储、分析和整定；报警功能，该功能可以为锁定（手动 复位）或非锁定（自动复位），设置在过程温度过高或 过低时或在观察到与设定值的偏差时触发；计时器/事件 指示器，可以标记持续时间，或一个事件的结束/开始 时间。此外，继电器或三端双向可控硅开关输出装置可 以与外部开关（如SSR固态继电器或磁接触器）一起使 用，以便开关高达75 A的大负载。

PID

第三种控制器提供比例与积分和微分控制，或称PID。 这种控制器在比例控制中结合了两个附加调整，可帮助 装置自动补偿系统中的变化。这两个调整（积分和微 分）用基于时间的单位表示，也分别用其倒数“复位” 和“速率”来称呼。

比例、积分和微分项必须使用“试误法”针对特定系统 专门调节或“整定”。它在三种控制器类型中提供最精 确、最稳定的控制，最适用于质量相对较小，对过程所 加能源的变化反应迅速的系统。在负载变化频繁系统 中，以及因为设定值、可供能源或要控制的质量频繁 变化而需要控制机自动补偿的系统中，建议使用这种 控制器。

速率和复位有什么作用，它们如何发挥作用？

速率和复位是控制器用来补偿温度偏移和漂移的方法。 使用比例控制器时，维持设定温度的热量输入为50%的 情况非常罕见；温度将从设定值上升或下降，直到得到 一个稳定温度。该稳定温度与设定值之间的差值称为偏 移量。该偏移量可以手动或自动补偿。使用手动复位， 用户将移动比例带，使过程稳定在设定温度上。自动复 位（也称为积分）将求出偏差信号的时间积分，此积分 值与偏差信号加在一起，来移动比例带。从而自动增大 或减小输出功率，以使过程温度返回设定值。

速率或微分功能为控制器提供移动比例带的能力，用以 补偿快速变化的温度。移动量与温度变化速率成正比。

PID或三模式控制器结合了比例、积分（复位）和微分 （速率）作用，通常在控制复杂过程时需要使用。这种控制器也可以有两个比例输出，一个用于加热，另一个 用于冷却。对于可能需要加热来启动但随后在运行过程 中某些时间会产生过剩热量的过程，需要这种控制器。

有哪些不同输出类型的控制器？

控制器的输出可以是几种形式中的一种。最常见的形式 为时间比例和模拟比例。时间比例输出为负载供电的时 间是固定循环时间的百分数。例如：对于10秒的循环 时间，如果控制器输出设置为60%，继电器将通电（闭 合、供电）6秒，然后断电（打开、不供电）4秒。时间 比例输出有三种不同形式：机电式继电器、三端双向可 控硅开关或交流固态继电器或直流电压脉冲（驱动外部 固态继电器）。机电式继电器通常是最经济的一种，一 般在循环时间大于10秒、负载相对较小的系统中选用。

选择交流固态继电器或直流电压脉冲的目的是提高可靠 性，因为它们不包含任何移动零件。建议在要求短循环 时间的过程使用，它们需要一个置于控制器外部的附加 继电器来处理加热元件所需的典型负载。这些外部固态 继电器通常与交流固态继电器输出控制器的交流控制信 号一起使用，或者与直流电压脉冲输出控制器的直流控 制信号一起使用。

模拟比例输出通常是模拟电压（0 ～ 5 Vdc）或电流 （4 ～ 20 mA）。这种输出的输出电平也由控制器设 置；如果输出设置为60%，输出电平将是5 V的60%，即 3 V。对于4 ～ 20 mA输出（16 mA的量程），60%等于 (0.6 x 16) + 4，即13.6 mA。这种控制器常常与比例阀或 电源控制器一起使用。

为特定应用选择控制器时应考虑哪些因素？

选择控制器时，主要考虑因素包括所需控制精度，以及 过程控制难度。为尽量方便整定和降低初始成本，应选 择能产生所需结果的最简单的控制器。

对于具有相称（不过大也不太小）加热器且无快速循环 的简单过程，可使用通断式控制器。对于受制于循环的 系统，或者加热器不匹配（过大或过小）的系统，需要 使用比例控制器。