专利名称：温度控制模块和具有温度控制模块的温度控制设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种温度控制模块，特别涉及具有输入、控制和输出功能的集成温度控制模块以及具有集成温度控制模块的温度控制设备。
背景技术：
在诸如食品包装机器、各种工业炉具、半导体制造设备、塑料成型机等等的各种领域中使用温度控制设备。最近，随着对高性能、小型化以及低成本需求的增加，要求将温度控制设备与可编程逻辑控制器(PLC)组合。PLC代表通用的控制器，其中诸如在控制面板内的继电器、定时器以及计数器的现有功能装置被替换为诸如集成电路(IC)和晶体管的半导体器件以将计算功能添加到基本序列控制功能中从而控制程序。而且，近年来比例积分微分(PID)控制被最普遍地用作使用PLC控制温度的方法。PID控制表示一种控制操作，其中待控制对象的当前测量的值与预设的目标值进行比较以调整输出值，从而在当前测量的值与目标值相互不同的情况下使当前值与目标值相匹配。即，PID控制可以是包括比例控制(P)、积分控制(I)以及微分控制(D)的组合的控制方法。在根据现有技术使用PLC的温度控制设备中，单独地提供并且操作模拟输入模块、PLD控制模块以及模拟输出模块。因此，这样的结构可能对PID控制性能具有不好的影响。而且，当PLC CPU(中央处理单元)异常时，可能无法正常地控制温度。
发明内容
实施例提供了一种集成温度控制模块，该集成温度控制模块执行输入、控制和输出功能。实施例也提供了一种集成温度控制模块，该集成温度控制模块占据一个可编程逻辑控制器(PLC)基槽(base slot)。实施例也提供一种温度控制模块，其中最小化温度漂移效应以减少由于温度变化导致的测量误差，并且稳定地测量温度。本发明的目的不限于前述，根据下面的描述，本领域的技术人员将会清楚地理解在此没有描述的其它目的。在一个实施例中，温度控制模块包括输入单元，该输入单元连接到温度测量对象以测量温度；控制单元，该控制单元将通过输入单元测量的温度测量值与预设目标值进行比较以执行使用目标值的比例积分微分(PLD)控制，从而当温度测量值与目标值相互不同时计算调整值；以及输出单元，在控制单元的控制下该输出单元将计算的调整值输出到外部，其中输入单元和输出单元占据同一个可编程逻辑控制器(PLC)基槽。输入单元被布置在PLC基槽的上部分或者下部分上，并且输出单元被布置在与布置了输入单元的侧相对的侧对应的PLC基槽的下部分或者上部分。
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输入单元包括电阻温度检测器(RTD)，该电阻温度检测器(RTD)连接到温度测量对象以使用根据温度测量对象的温度可变的电阻值来输出电压值；第一恒流源，该第一恒流源连接到RTD的一端以施加恒流；第二恒流源，该第二恒流源连接到RTD的另一端以施加恒流；基准电阻，该基准电阻连接到第一和第二恒流源的恒流中的一个被施加到的引线以生成基准电压；以及A/D转换器，该A/D转换器将从RTD输出的模拟电压值转换为数字信号。输入单元进一步包括第一隔离部分，该第一隔离部分布置在输入单元和控制单元之间以使输入单元与控制单元隔离。控制单元包括接口，该接口用于接收来自于外部的参数；PID计算器，该PID计算器基于通过A/D转换器输出的数字信号和预设的目标值执行PID控制以计算调整值；以及控制器，该控制器使用由PID计算器计算的调整值和参数来生成脉冲宽度调制(PWM)控制信号以把所生成的PWM控制信号输出到输出单元。控制单元进一步包括存储器，该存储器存储接收到的参数和计算的调整值。输出单元包括输出部分，该输出部分将通过控制单元计算的调整值输出到外部。通过晶体管来构造输出部分，该晶体管根据通过控制单元输出的PWM控制信号将调整值输出到外部。输出单元进一步包括第二隔离部分，该第二隔离部分布置在输出单元和控制单元之间以使输出单元与控制单元隔离。在另一实施例中温度控制设备包括恒温装置，该恒温装置对应于温度测量对象； 和温度控制模块，该温度控制模块测量恒温装置的温度以输出用于使测量的温度测量值与预设目标值相匹配的调整值，其中温度控制模块包括输入单元，该输入单元测量温度；控制单元，该控制单元计算调整值；以及输出单元，该输出单元输出所计算的调整值。组成温度控制模块的输入和输出单元占据同一个PLC基槽，输入单元布置在PLC 基槽的上部分或者下部分，并且输出单元布置在与布置了输入单元的侧相对的侧对应的 PLC基槽的下部分或者上部分。组成温度控制模块的输入单元包括电阻温度检测器(RTD)，该电阻温度检测器 (RTD)连接到温度测量对象以使用根据温度测量对象的温度可变的电阻值来输出电压值； 第一恒流源，该第一恒流源连接到RTD的一端以施加恒流；第二恒流源，该第二恒流源连接到RTD的另一端以施加恒流；基准电阻，该基准电阻连接到第一和第二恒流源的恒流中的一个被施加到的引线以生成基准电压；以及A/D转换器，该A/D转换器将从RTD输出的模拟电压值转换为数字信号。组成温度控制模块的控制单元包括接口，该接口用于接收来自于外部的参数； PID计算器，该PID计算器基于通过A/D转换器输出的数字信号和预设目标值执行PID控制以计算调整值；以及控制器，该控制器使用由PID计算器计算的调整值和参数来生成脉冲宽度调制(PWM)控制信号以把所生成的PWM控制信号输出到输出单元。控制单元进一步包括存储器，该存储器存储接收到的参数和计算的调整值。组成温度控制模块的输出单元包括输出部分，该输出部分根据通过控制单元输出的PWM控制信号将调整值输出到外部。输出部分包括用于冷却输出的连接线和用于加热输出的连接线以根据PWM控制信号将所计算的调整值输出到用于冷却输出的连接线或者连接线。在附图和下面的描述中阐述一个或者多个实施例的详情。根据描述和附图以及根据权利要求其它的特征将会是显而易见的。
图1是根据实施例的温度控制模块的示意性的框图。图2是图1中示出的输入单元的详细电路图。图3是图1中示出的控制单元的示意性的框图。图4是图1中示出的输出单元的示意性的框图。图5是包括图1中示出的温度控制模块的温度控制设备的示意图。
具体实施例方式在说明书和权利要求中使用的术语或者词语不应被解释为限于词典意义，并且应当被理解为由发明人基于他/她能够将术语定义为以最好的方式描述其他人要看到的他的/她的发明的合适的概念。因此，在此描述的实施例和附图是简单的示例性的并且不是穷举的，并且能够理解，可以进行各种修改和等效物以代替实施例。图1是根据实施例的温度控制模块的示意性的框图。参考图1，温度控制模块100包括输入单元110、控制单元120以及输出单元130。输入单元110连接到待测量的对象(在下文中，被称为测量对象)以测量对应于测量对象的温度值。具体地，输入单元110连接到测量对象以输出与经过测量对象的电流相对应的电压。输出的电压具有与测量对象的温度相对应的值。控制单元120接收通过输入单元110输出的测量对象的温度测量值以输出用来基于接收到的温度测量值调整测量对象的温度的调整值。具体地，控制单元120把温度测量值与目标值做比较。然后，当温度测量值和目标值相互不同时，控制单元120计算调整值以使温度测量值与目标值匹配。输出单元130接收通过控制单元120计算的调整值以将接收到的调整值发送到测量对象。因此，输出单元130允许测量对象保持为恒温。在此，这些单元通过它们之间的隔离体相互隔离。S卩，具有隔离功能的隔离体被布置在输入单元110和控制单元120之间。因此，可以确保输入单元110和控制单元120之间的操作可靠性。类似地，具有隔离功能的隔离体布置在控制单元120和输出单元130之间以确保其间的操作可靠性。如上所述，根据当前实施例的温度控制模块100包括被相互集成的输入单元110、 控制单元120以及输出单元130。在此，分别用于执行温度控制模块100的输入和输出功能的输入单元110和输出单元130连接到可编程逻辑控制器(PLC)基槽。即，温度控制模块100包括用于输入的输入端子块和用于输出的输出端子块。输入单元110和输出单元130分别连接到输入端子块和输出端子块。在此，可以制造温度控制模块100使得用于执行输入功能的输入单元110和用于执行输出功能的输出单元130占据一个PLC基槽。这就是说，用于输入的输入端子块和用于输出的输出端子块组成一个公共端子块，从而使用这一个端子块执行输入和输出功能。因此，在当前实施例中，温度控制模块100可以执行所有的输入、控制以及输出功能。而且，温度控制模块100可以通过一个PLC槽来执行输入和输出功能以减少占据的PLC
基槽的数目。在下文中，将参考附图详细地描述这些单元。图2是图1中示出的输入单元的详细的电路图。参考图2，输入单元110包括测量部分111、第一引线112、第二引线113、第三引线114、基准电阻115、第一恒流源116、第二恒流源117、A/D转换器118以及第一隔离部分 119。输入单元110将与测量对象的温度相对应的模拟测量信号转换为数字温度信号以输出经转换的温度信号。测量部分111连接到测量对象以输出与经过测量对象的电流相对应的电压。使用电阻温度检测器(RTD)可以实现测量部分111。RTD可以是一种传感器，使用电阻直接根据温度系数而变化的方法来测量温度。因此，RTD可以将测量对象的温度转换为与测量对象的温度相对应的电阻值。2线或者3线型RTD典型地用作RTD。通过恒流源来驱动2线型RTD。在此，因为在2线型RTD中产生的电流是恒定的，所以电压变化与由于温度产生的电阻变化成比例。而且，3线型RTD连接到3线桥式电路。桥式电路的输出电压被用于检测RTD的电阻变化。在当前实施例中，3线型RTD被用于组成测量部分111。测量部分110通过使用根据测量对象的温度而变化的电阻值Rs而输出电压值来测量测量对象的温度。与第一恒流源116相对应的第一电流Il经过上述3线型RTD的第一引线112。而且，与第二恒流源117相对应的第二电流12经过RTD的第二引线113。而且，其中流入第一引线112的第一电流Il和流入第二引线113的第二电流12 混合的第三电流流入第三引线114。因此，对应于流入第一引线122或者第二引线124的第一电流Il或者第二电流12的两倍大小的第三电流11+12经过第三引线114。如上所述，因为第三电流11+12对应于第一引线112或者第二引线113的两倍大小，所以被施加到第三引线114的电压是两倍。然而，因为电压是共模电压，不发生因共模电压导致的误差。在第一恒流源116与第二恒流源117匹配的状态下第一恒流源116和第二恒流源 117连接到测量部分111的第一引线112和第二引线114。第一和第二恒流源116和117输出相同的电流。当经过第一引线112时第一恒流源的电流在A/D转换器118的信号输入端引起电压误差。因此，为了补偿电压误差，使用连接到A/D转换器118的(-)引线的第二恒流源 117。第二恒流源117的电流经过第二引线113。在此，第一引线112和第二引线113具有相同的材料和长度。因此，第一引线112和第二引线113具有相同的电阻值。
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因此，当假定第一恒流源116和第二恒流源117具有相同的电流值时，当经过第一引线112时出现的电压误差可能等于当经过第二引线113时出现的电压误差。因此，电压误差可能相互抵消并被去除。输入单元110包括基准电阻115，该基准电阻115生成基准电压。基准电阻115连接到第三引线114。在基准电阻115中产生的基准电压被施加给 A/D转换器118的基准电压输入端子(未示出)。输入到A/D转换器118的基准电压确定在A/D转换器118中可接受的输入信号的范围。当由于温度漂移效应导致从第一恒流源116和第二恒流源117输出的电流在强度上改变时，在第一引线112和第二引线113中出现的误差电压相互抵消。考虑除了取决于基准电阻115的组分的温度漂移效应之外从测量部分111输出的电压值，测量部分111的电压可以根据两个恒流源116和117的电流变化而在强度(施加到Rs的电压)上变化。因此，电流变化对施加给测量部分111和连接到A/D转换器118的基准电压输入端子的基准电阻115的电压分量具有影响。S卩，当第一恒流源116和第二恒流源117的电流强度增大时，施加给基准电阻115 的电压增加以扩大在A/D转换器118中可接受的输入信号的范围。而且，另一方面，当第一恒流源116和第二恒流源117的电流强度减小时，施加给基准电阻(Rref) 115的电压减小以减小在A/D转换器118中可接受的输入信号的范围。因此，当温度漂移出现时，温度漂移对从第一恒流源116和第二恒流源117输出的电流、测量部分111的电压值(即，RTD的电阻值)以及基准电阻(Rref) 115具有影响。 因此，误差可以相互抵消并且输入信号的范围可以不受电流变化的影响以避免温度漂移效应。 A/D转换器118是模拟-数字转换器。因此，A/D转换器118将电压信号转换为数字电压信号。通过光耦合器来构造第一隔离部分119。而且，第一隔离部分119使输入单元110 与控制单元120隔离。S卩，第一隔离部分119可以提高温度控制模块100的可靠性。第一隔离部分119 阻挡输入单元110和控制单元120之间的噪声、浪涌电流和浪涌电压。图3是图1中示出的控制单元120的示意性的框图。参考图3，控制单元120包括接口 121、PID计算器122、存储器123以及控制器124。控制单元120将通过输入单元110输出的温度测量值与预设目标值进行比较以执行比例积分微分(PID)控制。接口 121通过数据与PLC CPU (未示出)通信。具体地，接口 121接收来自于PLC CPU的预设参数。预设参数包括输入参数、控制参数以及输出参数。输入参数包括与温度测量对象的输入传感器类型有关的信息。而且，控制参数包括诸如执行PID控制所需的PID设置系数的信息。而且，输出参数包括与诸如加热输出或者冷却输出的输出类型有关的信息和与诸如模拟输出或者开/关输出的输出类型有关的 fn息οPID计算器122将通过输入单元110输出的温度测量值，即，通过A/D转换器118转换的温度测量值PV与预设目标值SV进行比较。结果，当温度测量值PV和目标值SV相互不同时，PID计算器122计算调整值MV以使温度测量值PV与目标值SV相匹配。存储器123存储通过接口 121接收到的参数。而且，存储器123存储通过PID计算器122计算的调整值MV。控制器124将温度测量值PV与目标值SV进行比较以控制PID计算器122，从而执行PID计算。然后，控制器124将通过PID计算器122计算的调整值MV存储在存储器123中。而且，控制器124生成与通过PID计算器122计算的调整值MV相对应的脉冲宽度调制(PWM)控制信号以将该PWM控制信号发送到输出单元130。在此，PWM控制信号包括与输出类型有关的信息和与输出形式有关的信息。图4是图1中示出的输出单元130的示意性的框图。参考图4，输出单元130包括第二隔离部分131和输出部分132。输出单元130接收通过控制单元120计算的调整值以将接收到的调整值输出到外部。与第一隔离部分119相同，通过光耦合器来构造第二隔离部分131。而且，第二隔离部分131使控制单元120与输出单元130隔离以确保操作可靠性。输出部分132根据从控制单元120发送的PWM控制信号将PID计算器122的调整值MV输出到外部。可以通过晶体管构造输出部分132以开/关输出形式来输出与包括在PWM控制信号中的输出形式有关的信息。如上所述，根据当前实施例的温度控制模块可以提供使用RTD和晶体管测量温度以降低制造成本并且提高效率的集成温度控制模块。而且，可以最小化温度漂移效应以减少由于温度变化导致的测量误差，并且稳定地测量温度。而且，可以制造输入模块和输出模块以占据一个PLC基槽，从而降低由于购买单独的模块而产生的制造成本并且减小温度控制模块的体积。图5是包括图1中示出的温度控制模块的温度控制设备的示意图。参考图5，温度控制模块100接收在温度测量对象200中测量的温度值以将接收到的测量值转换为数字值。即，温度控制模块100将测量值与目标值进行比较以计算调整值。 然后，温度控制模块100生成与计算的调整值相对应的输出。在此，温度测量对象200包括加热器210和冷却器220。因此，在温度控制设备的控制下操作加热器210和冷却器220以保持恒温。用于测量温度测量对象200的温度的RTD连接到温度控制模块100的输入部分。 用于操作加热器220的晶体管加热输出和用于操作冷却器220的晶体管冷却输出连接到温度控制模块200的输出部分。在此，在温度控制模块100中，用于输入的输入单元110和用于输出的输出单元 130占据一个PLC基槽。即，可以提供用于输入和输出的一个端子块。因此，可以在端子块的上部分执行输入(或者输出)，并且可以在端子块的下部分执行输出(或者输入)。因此， PLC基槽的数目可以减少到一个。
权利要求
1.一种温度控制模块，包括输入单元，所述输入单元连接到温度测量对象来测量温度；控制单元，所述控制单元把通过所述输入单元测量的温度测量值与预设目标值做比较以执行使用所述目标值的比例积分微分(PLD)控制，从而当所述温度测量值与所述目标值相互不同时计算调整值；以及输出单元，在所述控制单元的控制下所述输出单元把所计算的调整值输出到外部， 其中所述输入单元和所述输出单元占据同一个可编程逻辑控制器(PLC)基槽。
2.根据权利要求1所述的温度控制模块，其中所述输入单元布置在所述PLC基槽的上部分或者下部分，并且所述输出单元布置在与布置了所述输入单元的侧相对的侧对应的所述PLC基槽的下部分或者上部分。
3.根据权利要求2所述的温度控制模块，其中所述输入单元包括电阻温度检测器(RTD)，所述电阻温度检测器(RTD)连接到所述温度测量对象以使用根据所述温度测量对象的温度可变的电阻值来输出电压值；第一恒流源，所述第一恒流源连接到所述RTD的一端以施加恒流； 第二恒流源，所述第二恒流源连接到所述RTD的另一端以施加恒流； 基准电阻，所述基准电阻连接到所述第一和第二恒流源的恒流中的一个被施加到的引线以生成基准电压；以及A/D转换器，所述A/D转换器把从所述RTD输出的模拟电压值转换为数字信号。
4.根据权利要求3所述的温度控制模块，其中所述输入单元进一步包括第一隔离部分，所述第一隔离部分布置在所述输入单元和所述控制单元之间以使所述输入单元与所述控制单元隔离。
5.根据权利要求4所述的温度控制模块，其中所述控制单元包括 接口，所述接口用于接收来自于外部的参数；PID计算器，所述PID计算器基于通过所述A/D转换器输出的所述数字信号和所述预设目标值来执行所述PID控制以计算所述调整值；以及控制器，所述控制器使用由所述PID计算器计算的所述调整值和所述参数来生成脉冲宽度调制(PWM)控制信号以输出所生成的PWM控制信号至所述输出单元。
6.根据权利要求5所述的温度控制模块，其中所述控制单元进一步包括存储器，所述存储器存储所接收的参数和所计算的调整值。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的温度控制模块，其中所述输出单元包括输出部分，所述输出部分把通过所述控制单元计算的所述调整值输出到外部。
8.根据权利要求7所述的温度控制模块，其中通过晶体管来构造所述输出部分，所述晶体管根据通过所述控制单元输出的PWM控制信号把所述调整值输出到外部。
9.根据权利要求8所述的温度控制模块，其中所述输出单元进一步包括第二隔离部分，所述第二隔离部分布置在所述输出单元和所述控制单元之间以使所述输出单元与所述控制单元隔离。
10.一种温度控制设备，包括恒温装置，所述恒温装置对应于温度测量对象；和温度控制模块，所述温度控制模块测量所述恒温装置的温度以输出用来使所测量的温度测量值与预设目标值相匹配的调整值，其中所述温度控制模块包括输入单元，所述输入单元测量所述温度；控制单元，所述控制单元计算所述调整值；以及输出单元，所述输出单元输出所计算的调整值。
11.根据权利要求10所述的温度控制设备，其中组成所述温度控制模块的所述输入单元和输出单元占据同一个PLC基槽，所述输入单元布置在所述PLC基槽的上部分或者下部分，并且所述输出单元布置在与布置了所述输入单元的侧相对的侧对应的所述PLC基槽的下部分或者上部分。
12.根据权利要求11所述的温度控制设备，其中组成所述温度控制模块的所述输入单元包括电阻温度检测器(RTD)，所述电阻温度检测器(RTD)连接到所述温度测量对象以使用根据所述温度测量对象的温度可变的电阻值来输出电压值；第一恒流源，所述第一恒流源连接到所述RTD的一端以施加恒流；第二恒流源，所述第二恒流源连接到所述RTD的另一端以施加恒流；基准电阻，所述基准电阻连接到所述第一和第二恒流源的恒流中的一个被施加到的引线以生成基准电压；以及A/D转换器，所述A/D转换器把从所述RTD输出的模拟电压值转换为数字信号。
13.根据权利要求12所述的温度控制设备，其中组成所述温度控制模块的所述控制单元包括接口，所述接口用于接收来自于外部的参数；PID计算器，所述PID计算器基于通过所述A/D转换器输出的所述数字信号和所述预设目标值执行所述PID控制以计算所述调整值；以及控制器，所述控制器使用通过所述PID计算器计算的所述调整值和所述参数来生成脉冲宽度调制(PWM)控制信号以输出所生成的PWM控制信号至所述输出单元。
14.根据权利要求13所述的温度控制设备，其中所述控制单元进一步包括存储器，所述存储器存储所接收的参数和所计算的调整值。
15.根据权利要求10至14中任意一项所述的温度控制设备，其中组成所述温度控制模块的所述输出单元包括输出部分，所述输出部分根据通过所述控制单元输出的PWM控制信号把所述调整值输出到外部。
16.根据权利要求15所述的温度控制设备，其中所述输出部分包括用于冷却输出的连接线和用于加热输出的连接线以根据所述PWM控制信号将所计算的调整值输出到用于冷却输出的所述连接线或者所述连接线。
全文摘要
本发明提供一种温度控制模块和温度控制设备。温度控制模块包括输入单元，连接到温度测量对象以测量温度；控制单元，用于将通过输入单元测量的温度测量值与预设目标值进行比较以执行使用目标值的比例积分微分(PLD)控制，从而当温度测量值与目标值相互不同时计算调整值；以及输出单元，在控制单元的控制下把计算的调整值输出到外部，其中输入单元和输出单元占据同一个可编程逻辑控制器(PLC)基槽。
文档编号G05D23/20GK102478862SQ20111037854
公开日2012年5月30日 申请日期2011年11月21日 优先权日2010年11月19日
发明者申容恪 申请人:Ls产电株式会社