一種電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

呂棟騰

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

電加熱爐以其無污染、操作方便、自動化程度高、節(jié)省基建投資等諸多優(yōu)點在冶金、機(jī)械、食品、化工等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用[1]。在其控制系統(tǒng)中，溫度控制是關(guān)鍵，但其溫度波動范圍大，溫度控制精度不高。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是單片微型計算機(jī)的出現(xiàn)，采用功能強(qiáng)、體積小、價格低的智能化控制已成為現(xiàn)實。本文研究的主要目的是利用51系列單片機(jī)作為控制器來實現(xiàn)溫度控制，溫度調(diào)節(jié)的超調(diào)量小于30%，達(dá)到工控要求；可實時顯示爐內(nèi)溫度，記錄溫度變化過程。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

傳統(tǒng)電加熱爐主要采用溫度控制表控制交流接觸器的通斷時間來達(dá)到改變加熱功率的目的。受儀表本身誤差和交流接觸器電氣壽命的影響，不僅通斷頻率較低，溫度控制精度也不夠準(zhǔn)確，溫度波動范圍較大[2]。本文設(shè)計的基于單片機(jī)的調(diào)溫控制系統(tǒng)以8031單片機(jī)作為核心控制器件構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。采用穩(wěn)定性好、測溫區(qū)寬的B型鉑銠熱電偶，使用PWM技術(shù)，雙向可控硅過零檢測輸出。系統(tǒng)克服了常規(guī)系統(tǒng)中補(bǔ)償誤差的缺點，具有軟啟動、程控升溫過程、鍵盤輸入等功能，使溫度控制的穩(wěn)態(tài)誤差不超過±1℃。

1.1 溫度檢測電路

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

圖2 溫度檢測電路

溫度檢測電路如圖2所示。B型熱電偶的輸出熱電勢0～13.583mV(在1500℃僅為13.58mV)。檢測到的溫度信號需要放大790倍左右。本系統(tǒng)前級選用高精度斬波運算放大器ICL7650，后級運放則用較廉價的741。7650輸入端的鉗位二級管起保護(hù)作用，避免由于輸入線路故障或瞬態(tài)尖峰干擾而損壞器件。該溫度測量電路輸出電壓和冷端補(bǔ)償電路輸出電壓經(jīng)多路轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換后送入CPU中，便用軟件完成冷端補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償。

因為B型熱電偶的溫度特性曲線是非線性的，所以在控制過程中需要加以校正[3]。模擬電路中使用較多的是通過運算放大器和精密電阻對熱電偶進(jìn)行非線化處理，但是運算放大器的溫漂、零漂較大，這些因素都會直接影響溫度轉(zhuǎn)換后的精度，使測量結(jié)果和控制誤差變大。而現(xiàn)在通過單片機(jī)對熱電偶進(jìn)行非線性補(bǔ)償，不僅簡化了電路，而且提高了精度。把0～1500℃溫度區(qū)間內(nèi)的電勢溫度曲線以每10℃分成150段，將電勢溫度數(shù)據(jù)存入EPROM中，經(jīng)過線性插值運算得到相應(yīng)的電加熱爐溫值，從而完成控制過程中的非線性校正。檢測到的溫度信號通過轉(zhuǎn)換送入CPU進(jìn)行運算處理，將得到的結(jié)果用來控制調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)加熱功率。

1.2 報警電路

報警電路如圖3所示，雙向可控硅兩端除串聯(lián)電磁開關(guān)C1長開觸點外，還并聯(lián)了另一個電磁開關(guān)C2的長開觸點。正常情況下觸點處于閉合狀態(tài)。當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，立即使電磁開關(guān)C1斷開；當(dāng)溫度升溫不達(dá)標(biāo)或者硬件電路出現(xiàn)故障會使C2動作已達(dá)到控制溫度的目的。系統(tǒng)的報警信號通過8031輸出，經(jīng)過隔離驅(qū)動電路接通中間繼電器Z1和Z2的電磁線圈。一旦有報警信號輸出，就會停止向雙向可控硅發(fā)送脈沖觸發(fā)信號。當(dāng)電路出現(xiàn)故障時，只檢測爐內(nèi)溫度并顯示，系統(tǒng)停止控制輸出功率。圖中兩個報警信號為超溫和欠溫，共用一個蜂鳴器，通過不同的指示燈來進(jìn)行區(qū)分。HL1為超溫指示燈，燈亮工作正常，燈滅表示超溫。同理，HL2為欠溫指示燈，亮為工作正常，低于要求溫度則燈滅。當(dāng)故障排除后，通過系統(tǒng)硬件請求和軟件處理，單片機(jī)響應(yīng)中斷結(jié)束后，立即恢復(fù)自動控制。

2 系統(tǒng)的算法設(shè)計

圖3 系統(tǒng)報警電路

根據(jù)溫度變化曲線的要求，爐溫從室溫到80%額定溫度是自由升溫階段，在自由升溫階段，希望升溫速度越快越好，則使加熱功率在全功率下運行；當(dāng)溫度低于80%額定溫度時則屬于保溫階段。由于電熱元器件的功率變化在實際系統(tǒng)中會存在一定的時滯性，因此以溫差來控制系統(tǒng)功率輸出時，系統(tǒng)會進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，在實際溫度與設(shè)定溫度值相等時才會停止功率輸出。考慮到滯后的影響，本系統(tǒng)采用自整定PID調(diào)節(jié)來控制功率輸出大小[4]。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，會有一個較大的跳躍機(jī)會，加熱功率輸出100%，使?fàn)t內(nèi)溫度按較陡的斜率快速上升到設(shè)定值的80%，然后單片機(jī)系統(tǒng)按照預(yù)先存放在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)表格，查出對應(yīng)的參數(shù)并根據(jù)爐內(nèi)溫度的變化和偏差，按照PID運算并輸出從而實現(xiàn)控制參數(shù)的自整定過程，實現(xiàn)爐內(nèi)溫度的自動控制。

3 系統(tǒng)硬件電路調(diào)試

硬件電路中包含有標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，如單片機(jī)上的RAM區(qū)的讀寫功能、ROM區(qū)的讀出功能、I/O接口區(qū)的輸入輸出、復(fù)位電路和時鐘電路的正確性測試等。硬件電路調(diào)試還包括現(xiàn)場測量儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的檢查，這些儀表在安裝前要按照說明書要求校驗完畢。對于RAM區(qū)測試主要采用讀出寫入加比較的方法檢測；ROM區(qū)測試采用累加和的方法測試；I/O區(qū)可通過觀察數(shù)據(jù)輸入和輸出來完成；譯碼器通過運行循環(huán)檢測程序來測試；最后觀察單片機(jī)復(fù)位電路、晶振電路能否產(chǎn)生所需時鐘信號來確定其工作狀態(tài)是否正常[5]。利用SICE將本系統(tǒng)調(diào)試成功后，本系統(tǒng)即可正常工作。最后，生產(chǎn)制作成正規(guī)芯片，并設(shè)計美觀實用的外殼，將其組裝、檢驗直至合格。

4 結(jié)束語

在電加熱爐的溫控系統(tǒng)中，系統(tǒng)的溫度指標(biāo)一旦確定，相應(yīng)的熱慣性大小和散熱條件等硬件條件就確定了。此時影響控制系統(tǒng)熱平衡的主要因素有加熱方法和調(diào)節(jié)方法、系統(tǒng)設(shè)定溫度和周圍環(huán)境溫度等[6]。目前已有的溫控方法中，有的達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)的時間較短但精度不高；有的達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)需要的時間較長但精度很高。利用單片機(jī)對加熱爐進(jìn)行定時檢測，控制其加熱功率的輸出，可以使系統(tǒng)在較高精度下快速達(dá)到熱平衡，并兼具各方案之優(yōu)點。同時，利用軟件編程也可使系統(tǒng)操作更加簡單方便[7]。

[1] 郝智紅.基于時延的電加熱爐溫度綜合控制[J].化工自動化及儀表，2011，（ 12）：66-68.

[2] 韋曉慧.多位區(qū)電加熱爐溫度控制算法的研究與應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動化，2001，（ 2）：102-104.

[3] 楊大勇.內(nèi)模控制在電加熱爐溫度控制中的應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息，2008，（ 10）：42-44.

[4] 劉大易.電加熱爐溫度模糊控制系統(tǒng)設(shè)計 [J].鍋爐制造，2010，（ 4） ：57-60.

[5] 張英壽.基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng) [J].電子技術(shù)，2012，（ 7） ：73-75.

[6] 安文亮.加熱爐溫度控制系統(tǒng)[J].價值工程，2014，（ 7）：42-43.

[7] 陳永祿.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，（ 2）：73-76.