基于ARM的電阻爐爐溫控制系統設計

馬 飛

(無錫工藝職業技術學院, 江蘇 無錫 214206)

在科學進步的背景下,工業生產自動化水平不斷提高。溫度控制在高精度的工業產品加工等場景中位置更為重要。作為一種通過電熱元件發熱實現對工料加熱的爐具,電阻爐在運行中存在慣性大以及時滯性的缺陷,不僅影響到爐溫的控制效果,也直接作用到工料的加工質量。基于此,本文在現有電阻爐控制問題的基礎上,結合ARM微處理器以及模糊控制算法設計一種電阻爐的爐溫控制系統,以盡可能減少電阻爐實際爐溫與設定溫度之間的誤差,提高電阻爐在工業生產中的運行效率。

1 電阻爐溫度控制分析

1.1 電阻爐溫度控制難點分析

(1)控制回路設計和調試。電阻爐的控制回路需要精確的設計和調試,包括選用合適的控制器、投入運行前進行參數的調整和校驗等。如果控制回路設計不好,易出現控制精度不高、響應遲鈍等問題[1]。

(2)熱慣性問題。電阻爐具有較大的熱慣性,控制回路需要考慮熱慣性對控制精度的影響。此外,控制回路也要能夠快速響應溫度變化以保持穩定的溫度控制。

(3)噪聲干擾。電阻爐工作時產生的噪聲會對溫度傳感器的信號產生干擾,從而影響溫度測量精度[2]。為此,需要選用抗干擾能力強的傳感器,或者采用信號濾波技術來減少噪聲的影響。

(4)溫度變化速度。電阻爐的溫度變化速度較快,需要控制器具備快速響應的能力。因此,控制器的采樣速度、控制算法等也是影響溫度控制精度的重要因素。

1.2 電阻爐溫度控制系統設計原則

電阻爐溫度控制受內外多因素的影響。結合實際考量,電阻爐溫度控制系統設計原則如下:

(1)精度要求。電阻爐溫度控制系統的精度決定控制的穩定性和準確度。精度要求是電阻爐溫度控制系統設計的首要目標,因此,必須保證系統計算和控制的精度,以達到準確控制溫度的目的[3-4]。

(2)動態響應能力。電阻爐溫度控制系統需要具備良好的動態響應能力,以快速適應溫度變化,保證溫度穩定在設定值附近,同時避免溫度超調等情況發生。

(3)穩定性。電阻爐溫度控制系統必須具備良好的穩定性,即可以在溫度變化的情況下保持系統的穩定性,避免出現溫度偏差和超限情況[5]。

(4)可靠性。電阻爐溫度控制系統需要具有良好的可靠性,確保在長時間的運行過程中不出現故障或失效。

(5)易用性。電阻爐溫度控制系統需要具備良好的易用性,操作簡單、易懂,同時可以提供必要的報警和診斷功能,防范和排查故障。

(6)成本控制。電阻爐溫度控制系統需要優化成本,通過對電阻爐本身以及控制器的設計,盡量降低采購、使用和維護成本,提高系統的性價比,符合市場需求[6-7]。

2 電阻爐爐溫控制系統設計

2.1 電阻爐溫度控制整體設計方案

電阻爐溫度控制系統整體設計架構如圖1所示,電阻爐溫度控制系統設計包括四部分:

圖1 電阻爐爐溫控制整體設計方案

(1)系統硬件設計:系統主要由以下硬件組成:ARM微處理器、溫度傳感器、繼電器模塊、LCD顯示屏、按鍵開關等。其中,ARM微處理器作為主控單元,負責實現整個系統的數據采集、控制和顯示。

(2)系統軟件設計:系統軟件由模糊控制算法實現對嵌入式操作系統、應用程序和驅動程序組成[8]。

(3)系統功能設計:系統主要具備如下功能:溫度采集和監控、控制命令的輸出和執行、故障檢測和處理、數據記錄和分析。

(4)系統調試與優化:主要包括硬件、軟件調試、溫度控制精度優化以及系統性能評估等[9]。在實際使用中,需根據實際情況進行相應的改進,以提高系統的穩定性和可靠性。

2.2 系統主要硬件設計

1)ARM微處理器

電阻爐溫度控制系統中,ARM微處理器的選擇需要考慮以下因素。首先是處理器速度,高速度的微處理器才能滿足實時響應性能要求以及與其他設備進行通信的需要。其次是存儲容量。電阻爐溫度控制系統需要足夠的存儲容量來存儲系統軟件以及采集、存儲和處理傳感器數據和控制算法[10]。除此之外,ARM微處理器需要支持多種通信接口以及外設的整合,例如串口、SPI、I2C、以太網等。本系統設計選擇廣芯微電子生產的ARM Cortex-M0+內核微電子處理器,如圖2所示。

這一型號處理器主頻48 MHz,內置64 KB閃存,支持2.0～5.5 V寬電壓工作范圍,芯片內集成12位高精度SAR ADC、多路UART、SPI,I2C等豐富外設接口,具有高整合度、高抗干擾、高可靠性的特點。芯片支持25路PWM和1路CAN總線,提供51個GPIO,內置運算放大器,比較器能夠滿足電阻爐溫度控制系統處理要求。

2)溫度傳感器

電阻爐溫度控制系統需要高精度、穩定可靠的溫度傳感器,以監測電阻爐內部的溫度,并將其反饋給控制系統進行調節。在電阻爐溫度控制系統中,通常需要考慮電阻爐的溫度范圍、精度要求、響應速度以及抗干擾能力來設計和選擇溫度傳感器。常見的溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻、紅外線測溫、電容式溫度傳感器等。熱敏電阻是由一條純銅線繞成的繞線電阻,繞線電阻中添加一定量的金屬氧化物,使其能夠隨著溫度的變化而產生電阻變化。通過將電阻變化轉化為電壓或電流信號,可以得到溫度的測量值。本系統選擇TH-22型號熱敏傳感器進行溫度的測量[11]。TH-22系列熱敏電阻探頭采用55000系列玻璃封裝 熱敏電阻元件制成,擁有出色的穩定性和精度。連接器中有帶鍍鎳銅針的LCP連接器插件,適用于高溫應用。

3)繼電器模塊

繼電器是控制加熱元件的關鍵部件,需要根據加熱元件的電流和電壓等參數來選用合適的繼電器。選用額定電流和電壓略大的繼電器。同時需要考慮布局的合理性以保證各部分連接穩固可靠。繼電器開關時會有電磁干擾的問題,設計時在繼電器上使用炭化器或采取屏蔽措施等,以避免干擾產生的影響。除此之外,在繼電器的輸入端設置保險絲或熔斷器等,以降低繼電器損壞的風險。

2.3 軟件設計—模糊控制算法

模糊控制算法是一種基于模糊邏輯的控制算法,其利用人類經驗和知識來解決復雜的控制問題,具有較好的魯棒性和靈活性。電阻爐溫控模糊控制算法的基本原理是將輸入數據進行模糊化處理,建立模糊規則庫,通過模糊綜合推理的方法進行計算,輸出模糊控制量,最終得到控制結果。具體步驟如下:

(1)將實時的溫度進行模糊量化,即將連續的溫度值映射為離散的模糊變量(溫度的誤差、誤差變化率等)[12]。

(2)建立模糊規則庫,包含一系列輸入變量的模糊集合、變量之間的關系和變量之間的邏輯運算和相應的隸屬度函數。規則以自然語言的形式表達,并表示了輸入數據和輸出控制量之間的關系。將模糊量化后的值映射到輸出控制信號。

(3)設計模糊推理機制,對模糊控制量進行去模糊化處理,轉化為實際控制量,即控制器對電阻爐施加的加熱功率。模糊控制算法具有較好的適應性和抗干擾能力,能夠快速、準確地響應溫度變化,且對噪聲和干擾具有較強的抑制能力。

2.4 系統主要功能設計

電阻爐溫度控制系統功能如圖3所示。

圖3 電阻爐溫度控制系統功能

(1)溫度采集和監控:采用熱敏電阻傳感器對電阻爐的溫度進行實時采集和監控。同時,還需要對采集的溫度信號進行放大、濾波、線性化處理,確保信號的準確性和穩定性。

(2)控制命令的輸出和執行:根據溫度控制模糊算法計算出的控制命令,通過輸出模塊將控制信號傳遞給電阻爐的控制裝置,實現溫度的自動調節[13]。

(3)故障檢測和處理:設計故障檢測和處理機制,及時發現和處理可能出現的溫度控制故障,確保電阻爐的穩定運行和安全性能。

(4)數據記錄和分析:建立數據記錄和分析系統,將電阻爐溫度數據進行記錄和分析,形成溫度曲線和統計圖表,為生產管理和調整提供數據支持。

2.5 系統調試與優化

(1)溫控系統布線檢查:檢查電阻爐的溫控系統布線是否正確、穩定。如果布線不良或者接觸不良可能會導致溫度不穩定或者溫度波動過大。

(2)溫度傳感器校正:對溫度傳感器進行校準,確保溫度的測量準確度。

(3)控制器參數設置:控制器是整個系統的核心部件,控制器參數的設置將影響到整個系統的穩定性和精度。在調試和優化系統時,對控制器的參數進行調整。

(4)控制器輸出信號濾波:控制器的輸出信號需要經過濾波處理,以減少干擾和提高穩定性。因此對控制器的輸出信號進行濾波處理。

3 結 語

電阻爐是一種廣泛應用于工業生產的加熱設備,對其進行溫度控制能夠保證生產過程中物體的溫度始終保持在設定值范圍內,從而保證加熱效果和加熱速度,提高生產效率和產品質量。同時由于電阻爐溫度的高低對能源的消耗有很大的影響,控制合理的溫度范圍可以避免能源浪費和環境污染問題滿足節能減排發展需要。