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的出現(xiàn)，采用功能強、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)計的基于單片機的調(diào)溫控制系統(tǒng)以8031單片機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償和非線性補償。

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)在通過單片機對熱電偶進行非線性補償，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)溫度升溫不達標(biāo)或者硬件電路出現(xiàn)故障會使C2動作已達到控制溫度的目的。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?？紤]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，有的達到熱穩(wěn)定狀態(tài)的時間較短但精度不高；有的達到熱穩(wěn)定狀態(tài)需要的時間較長但精度很高。利用單片機對加熱爐進行定時檢測，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].機械制造與自動化，2001，（ 2）：102-104.

[3] 楊大勇.內(nèi)?？刂圃陔娂訜釥t溫度控制中的應(yīng)用[J].微計算機信息，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.