PC—based電加熱爐智能溫度控制系統的設計

李建強

摘 要：針對加熱爐溫度控制的這一難點，構建了PC-based溫度智能控制系統的新型機構，提出了PID控制與BANG-BANG控制相結合的策略（該策略克服了單獨用常規PID控制溫度時穩定時間長和單獨用BANG-BANG控制時超調量過大的缺點），并給出了系統、有效的解決方案，實現了對電加熱爐溫度系統的有效控制。

關鍵詞：PC-based控制系統；BANG-BANG；加熱爐；控制方案

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.23.006

1 PC-based控制系統簡介

PC-based控制系統就是基于PC機配合的一個穩定、可靠的操作系統（例如Microsoft的WindowsNT），是一套由不同廠家開發的基于PC的控制軟件加上一些必要的I/O硬件設備組成的控制系統。與傳統的控制方案相比，基于PC的控制系統是一種開放式的控制系統，它更便于控制系統與工廠管理系統之間的連接，能夠把實時邏輯控制、連續生產過程和批量生產過程控制、運動控制、可視化操作、信息分析、系統診斷等功能集成到一個緊湊的軟件包中，并能完成一些PLC難以勝任的工作。PC-based測控技術就是使用PC來采集數據、顯示數據、保存數據、處理數據和打印報表等，同時向采集數據的執行設備輸出控制信號，以實現對設備或整個系統的調節。

2 系統設計原理

本溫控系統是由組態王6.53軟件、工控機、PCI1711數據采集卡、智能儀表（電能采集模塊EDA9033E）、可控硅調壓模塊和熱電阻一體化溫度變送器等組成，用于某生產線上的電爐（熔化爐）控制。控制原理為：由一體化熱電偶溫度變送器采集并轉換成現場信號，通過PCI1711數據采集卡傳送到工控機；工控機通過組態王軟件里已經設計好的相關控制程序計算，然后選擇PID或BANG-BANG調節輸出信號；輸出信號通過PCI1711數據采集卡轉換后傳送到可控硅調壓模塊，最終通過可控硅調壓模塊來調節電加熱爐的供電，從而達到控制溫度的目的。EDA9033E在整個系統中負責相關電量參數的采集。系統控制原理如圖1所示。

如果一個系統有實時性要好、系統要穩定、控制精度要求高這幾個要求，則可以將非線性的BANG-BANG控制和線性的PID控制相結合，這樣控制效果比較好。如果單采用線性的PID控制，雖然穩態精度容易滿足，但過渡的時間比較長；如果單采用非線性的BANG-BANG控制，雖然能使過渡時間最短，但容易出現超調量過大的情況，而且在零點附近容易出現振蕩，造成系統不穩定。鑒于此，本文設計了一種變結構的控制器，是由兩者有機結合而來，能夠使系統運行起來既快又穩。變結構式的雙模控制回路結構如圖2所示。

該變結構控制器就是使系統的結構可以在控制過程的各個瞬間，根據被控參數的變化分別選擇PID或BANG-BANG控制，從而將不同的結構糅合在一起，取得比固定結構系統更加完善的性能指標。據此，針對電爐的溫度控制，提出了一種將非線性的BANG-BANG控制與線性的控制結合的變結構雙模控制方法。

當設定值（SP）與檢測值（PV）出現偏差時，由識別機構根據不同的偏差來選擇不同的控制器——當偏差大于或小于某個值的時候，采用非線性BANG-BANG控制；當偏差在BANG-BANG控制范圍以外時，系統自動切換到線性的PID控制。

對于溫度控制，如果直接使用PID，就必須在快速性與穩定性之間作出抉擇。但是如果事先了解對象的特性，然后選擇了合適的BANG-BANG控制，并結合PID，則可能有比較好的結果。

3 組態軟件介紹

組態軟件正在代替各種計算機語言的軟件開發，具體有以下六種功能：①數據采集和數據處理功能；②數據存儲功能，包括數據查詢、數據管理和數據顯示；③系統故障或事故報警；④現場動態圖形功能，顯示現場生產過程或實時狀態；⑤自動或檢索出報表的功能；⑥友好的人機界面。組態軟件在控制系統中的位置如圖3所示。

當系統運行時，雙模控制就會按上述命令語言進行相應的控制。

4 系統的硬件

4.1 電加熱爐

本系統采用的是工業用的周期式電阻加熱爐，電加熱爐直徑為1 m、高1.5 m，可加熱融化1.5 t金屬。電源為三相380 VAC，加熱功率為30 kW，整個控制系統的控制對象是電加熱爐。電爐溫度要求控制在（250±5） ℃范圍之內，并且超調量要小于5 ℃。

4.2 工控機

本系統所用的計算機要求能夠連續作業，即連續工作一年。因此，計算機必須具備以下特點：①機箱采用鋼結構，有較好的防磁、防塵、防沖擊能力；②機箱內有專用底板，底板上有PCI和ISA插槽；③機箱內有專門的電源，電源有較強的抗干擾能力；④連續長時間工作能力強；⑤一般采用便于安裝的標準機箱。

4.3 PCI1711數據采集卡

本系統采用的PCI1711數據采集卡是一款功能強大、成本低、多功能的PCI總線數據采集卡，12位16路單端輸入，采樣率可達100 kS/s，還有2路模擬量輸出通道，板載1 K采樣FIFO緩沖器，每個輸入通道的增益可編程自動通道/增益掃描。本系統采用的組態王6.53軟件已具有PCI1711卡的驅動，直接選用即可。

4.4 EDA9033E三相電量參數采集模塊

本系統采用的EDA9033E模塊是一個智能的三相電參數數據綜合采集模塊，能測量三相三線制或三相四線制交流電路中的三相電流、三相電壓（真有效值）、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、正反向有功電度和正反向無功電度等電參數；能替代過去的電流、電壓、功率、功率因數、電量等一系列變送器和測量這些變送器標準輸出信號的模入模塊，可大大降低系統成本，方便現場布線，提高系統的可靠性。此外，該模塊的485總線輸出與兼容于PCI1711卡、ADAM等模塊的ASCII碼指令集使其可與其他廠家的控制模塊掛在同一485總線上，方便了計算機編程和對測控系統的構建。

4.5 一體化熱電偶溫度變送器

本系統采用的一體化熱電偶溫度變送器是熱電阻溫度傳感器與變送器的完美結合，能用十分簡便的方式把-200～600 ℃范圍內的溫度信號轉換為二線制4～20 mA DC的電信號傳給工作儀表，然后工作儀表顯示出所對應的溫度值。

4.6 可控硅調壓模塊

本系統采用的可控硅調壓模塊AIJK3是一種以可控硅（電力電子功率器件）為基礎、以智能數字控制電路為核心的電源功率控制電器。其工作原理是交流調壓電路輸入的是交流電壓，而輸出電壓波形是交流電源電壓波形的一部分，并且是可調的，這樣輸出電壓的有效值就是可調的。

5 結束語

本文設計了一種PC-based電加熱爐智能溫度控制系統。該系統能夠對所規定的溫度參數進行控制。在設計中，我們力求整個系統操作簡單、容易掌握、達到控制要求，并具有可靠性高、抗干擾能力強、功能完善、性價比較高等優點。

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〔編輯：王霞〕

Abstract： I build the new type of temperature intelligent control system， in which we use the method of PID and BANG-BANG are joined together（it overcomes the problem of long time in control system with PID， and the large over short with BANG-BANG）， giving to the effective plan to resolve the shorts at last.

Key words： PC- based control system； PID； BANG-BANG； heating furnace； control scheme