電爐溫度控制系統(tǒng)

1、引言前言：電阻爐在國民經(jīng)濟中有著廣泛的應用，而大功率的電阻爐則應用在各種工業(yè)生產(chǎn)過程中。然而，大多數(shù)電阻爐存在著各種干擾因素。一直以來，人們采用了各種方法來進行溫度控制，都沒有取得很好的控制效果。起先由于電阻爐的發(fā)熱體為電阻絲，傳統(tǒng)方法大多采用儀表測量溫度，并通過控制交流接觸器的通斷時間比例來控制加熱功率。電阻爐微機自動程序溫度控制系統(tǒng)就是通過單片機對加熱爐的升、降溫速率和保溫時間進行嚴格控制的裝置，它將溫度變送、顯示和數(shù)字控制集于一體，以微機控制為基礎(chǔ)，以A/D轉(zhuǎn)換器為核心，并配以適當?shù)耐鈬涌陔娐?，實現(xiàn)對電阻爐溫度自動控制。摘要：自動控制系統(tǒng)在各個領(lǐng)域尤其是工業(yè)領(lǐng)域中有著及其廣泛的應用，溫

2、度控制是控制系統(tǒng)中最為常見的控制類型之一。隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，通過單片機對被控對象進行控制日益成為今后自動控制領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。1.電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的特性溫控系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)儀、執(zhí)行裝置、被控對象四個部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。圖1.1被控制對象是大容量、大慣性的電熱爐溫度對象，是典型的多階容積遲后特性，在工程上往往近似為包含有純滯后的二階容積遲后；由于被控對象電容量大，通常采用可控硅作調(diào)節(jié)器的執(zhí)行器，其具體的電路圖如圖1.2所示。如圖1.3所示，設(shè)周期Tc內(nèi)導通的周期的波數(shù)為n，每個周波的周期為T，則調(diào)功器的輸 出功率為P=n×T×

3、Pn/Tc ，Pn為設(shè)定周期Tc內(nèi)電壓全通過時候裝置的輸出功率。圖1.2 圖1.3 執(zhí)行器的特性：電爐的溫度調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)劑(供電能源)的斷續(xù)作用，改變電爐絲閉合時間Tb與斷開時間Tk的比值,=Tb/Tk。調(diào)節(jié)加熱爐的溫度，在工業(yè)上是通過在設(shè)定周期范圍內(nèi)，將電路接通幾個周波，然后斷開幾個周波，改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通斷時間的比例，來調(diào)節(jié)負載兩端交流平均電壓即負載功率，這就是通常所說的調(diào)功器或周波控制器；調(diào)功器是在電源電壓過零時觸發(fā)晶閘管是導通的，所以負載上得到的是完整的正弦波，調(diào)節(jié)的只是設(shè)定周期Tc內(nèi)導通的電壓周波。2.電爐的電加熱原理及方式當電流在導體中流過時，因為任何導體均存在電阻，電能即

4、在導體中形成損耗，轉(zhuǎn)換為熱能，按焦耳楞次定律：Q02412Rt，Q代表熱能，單位卡；I代表電流，單位安9；R代表電阻，單位歐姆；t代表時間，單位秒。 按上式推算，當1千瓦小時的電能，全部轉(zhuǎn)換為熱能時Q(024×1000×36000)1000=864千卡。 在電熱技術(shù)上按l千瓦小時860千卡計算。電爐在結(jié)構(gòu)上是使電能轉(zhuǎn)換為熱能的設(shè)備，它能有效地用來加熱指定的工件，并保持高的效率。電阻爐按熱量產(chǎn)生的方法不同，可分為間接加熱式和直接加熱式二大類。間接加熱式電阻爐、就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料做的發(fā)熱元件。電流通過加熱元件時產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導、對流、輻射而使放置在爐中的爐料

5、被加熱。直接加熱式電阻爐，電源直接接在所需加熱的材料上，使強大的電流直接流過所需加熱的材料而使材料自己發(fā)熱達到加熱效果。3.溫度控制系統(tǒng)組成3.1硬件部分一般電路有元件如：8031芯片、8255A芯片、74LS373芯片、6116芯片、2764芯片、ADC0809轉(zhuǎn)換器、溫度檢測元件及變送器.溫度調(diào)節(jié)儀是控溫系統(tǒng)的核心部分，采用單片機控制，實現(xiàn)智能化，它主要由輸入通道、輸出通道、人機對話通道以及一些外圍電路組成。它把傳感器送來的溫度信號進行放大、比較、運算后，輸出控制信號，觸發(fā)執(zhí)行裝置，實現(xiàn)溫度的自動控制，同時還實現(xiàn)多種溫度傳感器的轉(zhuǎn)換、調(diào)零、調(diào)幅的軟調(diào)整等功能。主要設(shè)備:熱電偶或熱電阻,智能

6、PID溫控儀,可控硅觸發(fā)調(diào)功器等。圖1.4 系統(tǒng)硬件組成3.2軟件部分系統(tǒng)軟件采用中斷方式編程，主要部分是時鐘中斷程序，主要由輸入處理程序、控制算法程序、顯示處理、輸出處理和自診斷程序等組成。儀表通電啟動后，初始化程序進行時間給定，每隔500ms時鐘中斷一次，中斷后進入時鐘中斷處理。對于純滯后，大慣性環(huán)節(jié)控制對象，一般采用積分分離PID控制算法。4.爐溫自動控制原理根據(jù)爐溫對給定溫度的偏差，自動接通或斷開供給爐子的熱源能量，或連續(xù)改變熱源能量的大小，使爐溫穩(wěn)定有給定溫度范圍，以滿足熱處理工藝的需要。溫度自動控制常用調(diào)節(jié)規(guī)律有二位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。電阻爐爐溫控制是這

7、樣一個反饋調(diào)節(jié)過程，比較實際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，去調(diào)節(jié)電阻爐的熱功率，從而實現(xiàn)對爐溫的控制。系統(tǒng)控制程序采用兩重中斷嵌套方式設(shè)計。首先使T0計數(shù)器產(chǎn)生定時中斷，作為本系統(tǒng)的采樣周期。在中斷服務程序中啟動A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進行數(shù)字濾波、上下限報警處理，PID計算，然后輸出控制脈沖信號。脈沖寬度由T1計數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時，將本次采樣值轉(zhuǎn)換成對應的溫度值放入顯示緩沖區(qū)，然后調(diào)用顯示子程序。從T1中斷返回后，再從T0中斷返回主程序并且、繼續(xù)顯示本次采樣溫度，等待下次T0中斷。其原理在實際中表現(xiàn)有：1)二位式調(diào)節(jié)-它只有開、關(guān)兩種狀態(tài)，當爐溫低于限給

8、定值時執(zhí)行器全開；當爐溫高于給定值時執(zhí)行器全閉。（執(zhí)行器一般選用接觸器）2）三位式調(diào)節(jié)-它有上下限兩個給定值，當爐溫低于下限給定值時招待器全開；當爐溫在上、下限給定值之間時執(zhí)行器部分開啟；當爐溫超過上限給定值時執(zhí)行器全閉。（如管狀加熱器為加熱元件時，可采用三位式調(diào)節(jié)實現(xiàn)加熱與保溫功率的不同）3）比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）-調(diào)節(jié)器的輸出信號（M）和偏差輸入（e）成比例。即：M=ke，式中：K-比例系數(shù)4）比例積分（PI）調(diào)節(jié)-為了“靜差”，在比例調(diào)節(jié)中添加積分（I）調(diào)節(jié)積分，調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出信號與偏差存在隨時間的增長而增強，直到偏差消除才無輸出信號，故能消除“靜差”比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積

9、分調(diào)節(jié).5) 比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)-比例積分調(diào)節(jié)會使調(diào)節(jié)過程增長，溫度的波動幅值增大，為此再引入微分（D）調(diào)節(jié)。微分調(diào)節(jié)能加快調(diào)節(jié)速度，降低溫度波動幅度，比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分微分調(diào)節(jié)。（一般采用晶閘管調(diào)節(jié)器為執(zhí)行器）。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的運行情況，這種控溫方法，精度比較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)的實際需要。5.控制算法原理控制算法為分段式PID控制。在系統(tǒng)工作的大多數(shù)時間內(nèi)，僅為PID控制，其參數(shù)由10%電源開度下的溫度飛升曲線測得。在溫度響應曲線的由初態(tài)向設(shè)定點的上升段過程中，大致采用三段控制。首先置電源為滿開度，以最大的功輸出克服熱慣性；接下來轉(zhuǎn)入PID控制；接近

10、設(shè)定點時置電源開度為0，提供一個保溫階段，以適應溫度的滯后溫升。具體參數(shù)及處理可見源程序。出于實際考慮，程序在溫度升至距設(shè)定點6/8度時，恢復PID控制，以縮短上升時間，盡快達到設(shè)定點。本模型是一個溫度類型模擬量的控制系統(tǒng)。溫度信號由鉑熱阻采集，變換為電阻信號后，直接送人熱電阻電阻信號輸入模塊（1746-NR4）。在此模塊中產(chǎn)生對應的D/A數(shù)字值，其對熱電阻變送的溫度信號的分辨率約為1/8度，處理中直接使用NR4的轉(zhuǎn)換值，無需在硬件級電路上作其他處理。處理器為SLC-5/04，通過DH網(wǎng)同上位機（PC）通信；使用RSview制作的人機界面中的數(shù)據(jù)上傳和下傳皆由此通道進行另外在Ethernet上

11、，亦可將數(shù)據(jù)傳送至局域網(wǎng)中的任一工作站。執(zhí)行機構(gòu)由可控硅電壓調(diào)整器（提供可控硅觸發(fā)脈沖的控制下的輸出移相觸發(fā)方式）和一個雙向可控硅構(gòu)成。調(diào)整器接受來自模擬量I/O模塊的電壓輸出信號，以通過雙向可控硅控制電源的開度，從而控制電源的輸出功率。6.系統(tǒng)仿真 圖1.5圖1.67.主要的技術(shù)特性電阻爐消耗電能轉(zhuǎn)換來的熱能一部分由電爐構(gòu)筑材料及傳熱的各種因素而散失到空間去了，另一部分則用于對爐內(nèi)工件的加熱，前面的一部分形成了電爐損失功率，后一部分形成了電爐有效功率。 當電爐開始升溫時，爐內(nèi)砌磚體大量地吸收熱量，以提高本身溫度，在停爐冷下來時又把這一部分熱量散失到空間去；這一部分形成爐體蓄熱損失。一臺先進的

12、電爐應具有低的空爐損失及高的有效功率。一般工業(yè)電阻爐的效率。小型電爐較低一些大型電爐 較高一些，從10100千瓦的箱式電爐效率約為65-85%，空爐損失約占總功率的35-15。 電爐從室溫升到工作溫度的時間對電爐的經(jīng)濟指標是有明顯影響的，升溫時間短則爐子投入正常使用的時間就較長每天的生產(chǎn)率就較高，每公斤工件的電耗量就降低，所以要盡量采用熱慣性小的爐襯材料并降低爐體蓄熱量來加快電爐的升溫速度。對連續(xù)作業(yè)爐其影響就不明顯。加熱能力是一臺電爐的主要技術(shù)指標，加熱能力是指電爐的有效功率，從理論計算上在一個小時內(nèi)能把指定的材料加熱到額定溫度的最大重量數(shù)，以公斤小時計算。 8.用途 工業(yè)電阻爐的主要用途是

13、供機械工業(yè)對原材料、毛坯、機械另件加熱用。如板材軋制前的坯料加熱，鍛件的加熱。機械另件及半成品的熱處理以改善其機械性能，如進桿淬火、回火、退火、正火、氣體滲碳、氮化等。亦有用于燒結(jié)、釬焊，部份電阻爐用于低熔點金屬的熔煉及陶瓷玻璃工業(yè)的加熱。9.參考文獻1劉復華.8098單片機及其應用系統(tǒng)設(shè)計M.清華大學出版社,1991.2黃澤銑.熱電偶原理及其檢定M.北京：中國計量出版社，1993.3陳建鐸.8098單片機原理及其應用技術(shù)M.北京：電子工業(yè)出版社，1997.4鄒逢興.微型計算機原理與接口技術(shù)M.長沙：國防科技大學出版社，1993.5穆 蘭.單片微型計算機原理及接口技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，1996.6沈德金,陳粵初.接口電路與應用程序例 M.機械工業(yè)出版社，2003.7百度文庫心得體會通過這次課程設(shè)計，讓我學到了很多東西。第一，學到了很多關(guān)于供配電技術(shù)的知識，不僅是書本上的理論知識，更重要的是實操上得來的經(jīng)驗與知識。在操作上，遇到很多不懂的知識，通過多方努力