機電一體化技術(shù)對傳統(tǒng)馬弗爐改進中的應(yīng)用

任小軍

摘要：馬弗爐是一種通用的加熱設(shè)備，馬弗爐的溫度精確自動化控制，對于生產(chǎn)、研發(fā)和實驗室科學(xué)研究都有很重要的作用。本文利用機電一體化技術(shù)對傳統(tǒng)馬弗爐進行改進，實現(xiàn)了馬弗爐在工作過程中的沖溫溫度的控制功能。

關(guān)鍵詞：機電一體化；傳統(tǒng)；馬弗爐；改進；應(yīng)用

馬弗爐是一種通用的加熱設(shè)備，依據(jù)外觀形狀可分為箱式爐、管式爐、坩堝爐等。廣泛應(yīng)用于陶瓷、冶金、電子、玻璃、化工、機械、耐火材料、新材料開發(fā)、特種材料、建材等領(lǐng)域。熱加工、工業(yè)工件處理、水泥、建材行業(yè)，進行小型工件的熱加工或處理；醫(yī)藥行業(yè)用于藥品的檢驗、醫(yī)學(xué)樣品的預(yù)處理等。分析化學(xué)行業(yè)作為水質(zhì)分析、環(huán)境分析等領(lǐng)域的樣品處理。也可以用來進行石油及其分析。煤質(zhì)分析用于測定水分、灰份、揮發(fā)份、灰熔點分析、灰成分分析、元素分析。也可以作為通用灰化爐使用。

根據(jù)其加熱元件、額定工作溫度、和控制器的不同對于馬弗爐的分類有如下幾種：

1）按加熱元件區(qū)分有： 硅鉬棒馬弗爐、硅碳棒馬弗爐、電阻絲馬弗爐；

2）按額定工作溫度分為：1000℃以下馬弗爐， 1200℃馬弗爐， 1400℃馬弗爐，1600℃馬弗爐、1700℃馬弗爐。1800℃馬弗爐；

3）按控制器分有如下幾種：機械指針表，普通數(shù)字顯示表，PID調(diào)節(jié)控制表，多段程序控制表；

4）按保溫層材料來區(qū)分有：普通耐火磚和陶瓷纖維兩種。

當(dāng)前的現(xiàn)代化工業(yè)對自動化、智能化程度的要求越來越高，本文就目前情況下的現(xiàn)代化工業(yè)現(xiàn)狀對溫度控制精確度的要求對傳統(tǒng)馬弗爐進行改進，利用機電一體化技術(shù)實現(xiàn)了馬弗爐的溫度精確控制功能。

馬弗爐的溫度自動化控制，對于生產(chǎn)、研發(fā)和實驗室科學(xué)研究都有很重要的作用。溫度自動控制原理：根據(jù)檢測溫度與設(shè)定溫度的偏差，自動接通或斷開控制對象的熱能量，或連續(xù)改變熱能量的大小，使控制對象的溫度穩(wěn)定在設(shè)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。馬弗爐爐溫控制也是這樣一個反饋調(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)馬弗爐的熱功率，從而實現(xiàn)對爐溫的控制。按照偏差的比例、積分和微分產(chǎn)生控制作用（PID控制），是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式?，F(xiàn)在很多廠家都采用的是PID控制儀表實現(xiàn)溫度的精確控制。

當(dāng)馬弗爐開始升溫時，爐內(nèi)保溫體大量地吸收熱量，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。一臺先進的電爐應(yīng)具有低的空爐損失及高的有效功率?？諣t損失的大小是衡量馬弗爐效率好壞的重要指標，空爐損失小的電爐，可以得到高的技術(shù)生產(chǎn)率及低的單位電能消耗比。

從馬弗爐的工作原理可看出，馬弗爐的控溫采用閉環(huán)比較控制系統(tǒng)方式進行工作。在工作時將設(shè)定溫度SV與工作檢測溫度PV進行比較，其差值EV送入PID控制系統(tǒng)得到加熱參數(shù)去控制加熱元件，控制發(fā)熱元件的發(fā)熱能量，從而實現(xiàn)溫度的控制，如圖一所示。

這種控制在穩(wěn)定工作狀態(tài)時有較好的控溫效果，但在實際工作中我們的工作系統(tǒng)狀態(tài)是需要隨時改變的，系統(tǒng)不是每時每刻都處于穩(wěn)定狀態(tài)，例如工作中途打開爐門，取出或查看工件狀況，然后關(guān)閉爐門，這樣一來就會出現(xiàn)爐溫沖溫的現(xiàn)象，有時候沖溫的幅度會遠遠的高于我們的設(shè)定控制溫度。這樣就可能造成一些工件損壞和損失。這種情況是我們不希望出現(xiàn)的，但卻是當(dāng)前很多馬弗爐在工作過程中會遇到的問題。怎樣解決這個問題呢？

通過分析發(fā)現(xiàn)馬弗爐沖溫的原因是因為控制系統(tǒng)是一個實時的閉環(huán)控制系統(tǒng)，而在工作過程中由于馬弗爐的保溫層儲存有較高的熱能，熱能的釋放是一個滯后的過程。當(dāng)在工作過程中打開爐門，爐內(nèi)熱能與外界的空氣進行熱交換使爐內(nèi)的溫度會降低，傳感器檢測的溫度也會降低。雖然這個時候加熱元件可以不發(fā)熱，但當(dāng)關(guān)上爐門的時候，傳感器檢查的溫度低于設(shè)定溫度，控制系統(tǒng)會根據(jù)計算出加熱控制量進行加熱，這個時候爐內(nèi)保溫層存儲的熱能釋放出來的同時，發(fā)熱元件通電已會釋放更多的熱能。熱能的釋放量和控制加熱不是同步進行的，進而形成沖溫。

如果能使控制系統(tǒng)加熱的時間推遲，使爐堂內(nèi)的熱能溫度與爐內(nèi)壁存儲的熱能達到平衡的時候，控制系統(tǒng)再實時檢測控制加熱，使檢測與控制加熱同步進行，這樣沖溫的可能性就會大大減少或沖溫的幅度大大降低。

基于成本和實用考慮采用機電一體辦法進行系統(tǒng)改造，如圖二所示。

在系統(tǒng)中加上一只斷電延時繼電器KT，利用門控行程開關(guān)常閉觸點控制斷電延時繼電器，再利用斷電延時繼電器的常閉觸點控制儀表的加熱輸出控制信號。當(dāng)爐門打開時門控行程開關(guān)常閉觸點閉合，斷電延時繼電器通電工作，當(dāng)斷電延時繼電器工作時常閉觸點斷開，切斷加熱控制信號。爐門閉合時門限行程開關(guān)斷開，斷電延時繼電器斷電停止工作。常閉觸點延時一段時間后閉合，連通加熱控制信號進行加熱控制。在繼電器延時的這段時間爐內(nèi)的溫度與爐內(nèi)存儲的熱能達到平衡，這樣使加熱與檢測同步進行，沖溫的可能性就會大大減少或沖溫的幅度大大降低。延時時間的長短可根據(jù)實際情況進行相應(yīng)調(diào)整。

參考文獻：

[1]翟長宏.機電一體化中的馬弗爐溫度控制器設(shè)計“華東科技：學(xué)術(shù)版”，2013（1）.

[2]王玉，陳立敏.馬弗爐溫度控制器的改進“燃料與化工”，2004，35（3）.