ATC20A 微機(jī)自動(dòng)溫度控制器的工作原理與應(yīng)用研究

傅光彩

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖）

引言

在火電廠中，為了防止電除塵器灰斗中收集的灰不受潮板結(jié)而堵塞灰斗，使灰斗的外壁溫度保持在處理煙氣的露點(diǎn)以上，除了保證灰斗的氣密性外，還需在灰斗的外表面設(shè)置可靠加熱[1]。由于灰的溫度降低及灰中吸附大量的SO3，導(dǎo)致灰的濕度和黏度提高，增加了灰斗及輸灰管堵塞風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。因此，溫控系統(tǒng)是除塵器必不可少的一個(gè)重要裝置。ATC20A 是一種微機(jī)自動(dòng)溫度控制器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確檢測(cè)與穩(wěn)定控制，在電加熱控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。為了加深對(duì)ATC20A 工作原理的理解，指導(dǎo)設(shè)備的正確使用與維護(hù)，本文對(duì)ATC20A 微機(jī)自動(dòng)溫度控制器的工作原理與應(yīng)用進(jìn)行了介紹。其系統(tǒng)具備以下功能：（1） 控制回路多，具有16 個(gè)恒溫控制回路和4 個(gè)測(cè)溫回路；（2） 功能強(qiáng)大，具備多種故障報(bào)警與保護(hù)功能；技術(shù)先進(jìn)，集成度高、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)；（3） 網(wǎng)絡(luò)化，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)ATC20A之間的連接與集中監(jiān)控；（4） 操作簡(jiǎn)單，大部分參數(shù)設(shè)置可在上位機(jī)完成。

1 系統(tǒng)回路工作原理

1.1 回路工作原理

ATC20A 系統(tǒng)由主控板、輸出板和外接端子板三部分組成。工作原理如圖1 所示，輸出板與手動(dòng)/自動(dòng)/停止轉(zhuǎn)換開關(guān)相連，可對(duì)各通道實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制開關(guān)操作。根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)，控制器運(yùn)行時(shí)就對(duì)相應(yīng)的通道進(jìn)行測(cè)溫或恒溫控制，控制輸出來啟停相應(yīng)的接觸器，最后控制加熱器，接觸器再返回一個(gè)實(shí)際的狀態(tài)給控制器（如圖1 中J1 的輔助觸點(diǎn)就是返回點(diǎn)）。

圖1 ATC20A 回路工作原理

1.2 溫度控制原理

ATC20A 具有16 通道恒溫控制功能，并采用上、下限區(qū)間控制的形式實(shí)現(xiàn)恒溫控制；具有自動(dòng)、強(qiáng)制開、強(qiáng)制關(guān)或取消每一通道的功能。

每一溫度控制通道由以下3 部分組成：（1） 測(cè)溫輸入端1 個(gè)；（2） 控制I/O 輸出端1 個(gè)；（3） 返回I/O 輸入端1個(gè)。其控制邏輯如圖2 所示，當(dāng)被測(cè)對(duì)象的溫度達(dá)到控制區(qū)間上限時(shí)，控制I/O 輸出使雙向可控硅斷開，從而使交流接觸器斷開，避免被測(cè)對(duì)象繼續(xù)加熱。當(dāng)溫度達(dá)到控制區(qū)間下限時(shí)，控制I/O 輸出使雙向可控硅接通，從而使交流接觸器吸合通電加熱，讓被測(cè)對(duì)象進(jìn)行加熱。其中的返回I/O 輸入邏輯來自交流接觸器的輔助觸點(diǎn)，用于進(jìn)行閉環(huán)檢測(cè)。當(dāng)輔助觸點(diǎn)與控制輸出的邏輯不相符時(shí)，產(chǎn)生不對(duì)應(yīng)報(bào)警。

圖2 溫度控制邏輯

為了保證系統(tǒng)可靠工作，當(dāng)溫度失靈，溫度超過/低于報(bào)警上限（設(shè)定溫度+溫控區(qū)間）/下限溫度（設(shè)定溫度-溫控區(qū)間）時(shí)，也進(jìn)行報(bào)警。

2 ATC20A 工作原理

ATC20A 使用AT89C52 單片機(jī)[4]作為控制核心，采用PT-100 鉑熱電阻傳感器為測(cè)溫元件，溫度的變化引起電阻的變化，通以恒流源后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?。變化的電壓信?hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后，送到CPU 進(jìn)行相關(guān)處理得到相應(yīng)的溫度值。主控板由單片機(jī)（AT89C52[5]）、串行EEPROM、單相雙向功率/能量芯片（CS5460A[6]）、擴(kuò)展IO 和RAM 芯片（MSM81C55）、多路模擬開關(guān)（4067）、雙通道通用運(yùn)放（LM358）、光耦隔離器（TLP521-4）等其他外圍器件組成。根據(jù)采集回來的溫度和設(shè)定的參數(shù)，CPU 保存相關(guān)的參數(shù)，并作輸出、輸入、報(bào)警等相關(guān)處理。工作原理如圖3 所示，體現(xiàn)了控制各部分單元電路之間的連接關(guān)系。

圖3 ATC20A 工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

ATC20A 系統(tǒng)包含主控板、輸出板和外接端子板。主控板實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集、控制判斷及數(shù)據(jù)通信功能，輸出板完成數(shù)模轉(zhuǎn)換后對(duì)加熱器的驅(qū)動(dòng)控制。

主控板采用AT89C52 單片機(jī)、CS5460A A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。MAX706 及周邊電路構(gòu)成看門狗獨(dú)立保護(hù)電路，MSM81C55 芯片擴(kuò)展了I/O 功能，TLP521-4 組成光耦隔離輸入單元，電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源。輸出板使用TLP181GB 光耦[7-8]和BTA12/600 雙向硅控制器驅(qū)動(dòng)220V 接觸器，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器的控制。三極管和跳線實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)切換功能。

2.2 產(chǎn)品的功能介紹

（1） 恒溫控制功能：具有16 通道可配置的恒溫控制功能，并采用上、下限區(qū)間控制的形式實(shí)現(xiàn)恒溫控制；具有自動(dòng)、強(qiáng)制開、強(qiáng)制關(guān)和禁止通道的功能。

（2） 測(cè)溫功能：具有20 通道測(cè)溫并顯示功能。

（3） 開關(guān)量輸入功能：可采集和顯示64 位的輸入開關(guān)量，根據(jù)工程實(shí)際需要，可作為狀態(tài)返回或普通開關(guān)量輸入。所有的輸入開關(guān)量還可配置使用或者不使用，使用時(shí)還有輸入閉合報(bào)警或閉合不報(bào)警的功能。

（4） 故障報(bào)警和保護(hù)功能：具有溫度超限（AH）報(bào)警，輸出狀態(tài)與接觸器返回狀態(tài)不相符報(bào)警，傳感器（探頭）故障（OP）報(bào)警，自檢（ER）報(bào)警，綜合（AL）報(bào)警等功能。

2.3 主要模塊電路分析

使用測(cè)溫元件鉑熱電阻進(jìn)行溫度采集，通過它把溫度變化的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電阻變化的信號(hào)。在電路設(shè)計(jì)中，鉑熱電阻通以恒定的電流，把電阻變化的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓變化的信號(hào)，最后經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器CS5460A把變化的電壓模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量，并送給單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的處理。測(cè)溫探頭Pt100 采用三線制接法，此信號(hào)經(jīng)端子板濾波處理后，通過多路模擬開關(guān)CD4067 選擇此通道信號(hào)進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換器，完成信號(hào)的采集，其電路如圖4 所示。

圖4 溫度信號(hào)采集電路

3 ATC20A 溫度控制器在電除塵器電加熱中的應(yīng)用

眾所周知，高溫?zé)煔馀c低溫部件的冷熱交界處，容易造成結(jié)露。在火力發(fā)電鍋爐煙氣配套的高壓靜電除塵器中，若高壓絕緣部件發(fā)生結(jié)露，則容易導(dǎo)致絕緣部件絕緣性能大幅下降，更有甚者，高壓靜電易在絕緣部件表面產(chǎn)生閃絡(luò)、拉弧，甚至短路現(xiàn)象，從而使絕緣部件擊穿或碎裂，影響電除塵系統(tǒng)的正常運(yùn)行。鑒于此，通常在電除塵設(shè)計(jì)時(shí)需要配套加熱裝置，以防絕緣部件結(jié)露，影響運(yùn)行電壓；同時(shí)在灰斗外壁設(shè)置輔助加熱裝置，防止因灰斗溫度過底產(chǎn)生結(jié)露，導(dǎo)致灰斗粉塵發(fā)生結(jié)塊、搭橋等現(xiàn)象，影響卸灰與輸灰。

ATC20A 微機(jī)自動(dòng)溫度控制器在電除塵灰斗電加熱或者絕緣子保溫箱電加熱等控制中，如圖5 所示，控制主回路輸出采用交流接觸器KM1，并設(shè)有斷路器QF2 作為短路保護(hù)。電加熱回路自動(dòng)控制采用ATC20A 系統(tǒng)，為了便于檢修操作，另在控制箱中設(shè)有停機(jī)、自動(dòng)、手動(dòng)等三個(gè)控制開關(guān)。在自動(dòng)控制工作模式下，可通過上位機(jī)或者手操終端修改設(shè)定加熱系統(tǒng)所需要的溫控范圍，使得加熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒溫工作。

圖5 電加熱控制回路原理

電除塵器恒溫電加熱系統(tǒng)通常采用上、下限區(qū)間設(shè)定來控制加熱器的啟停動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)恒溫控制。如圖6 所示，常規(guī)工礦條件除塵器絕緣子和灰斗的加熱溫度設(shè)置為:110～120 ℃，溫度上、下區(qū)間波動(dòng)控制在±5 ℃，下限溫度: 90 ℃，上限溫度:140 ℃，測(cè)量溫度范圍:-35～360 ℃，測(cè)量分辨率0.1 ℃。當(dāng)測(cè)量溫度低于設(shè)定溫度的下限時(shí)，加熱器開始工作；當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度的上限時(shí)，加熱器停止工作，如此在自動(dòng)控制系統(tǒng)循環(huán)工作。當(dāng)測(cè)量溫度超過上限設(shè)置值或低于下限設(shè)置時(shí)，反饋超溫報(bào)警故障。

圖6 恒溫控制工作原理

4 結(jié)論

ATC20A 集成了微機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行等模塊，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的溫度檢測(cè)與控制，利用程度高。通過對(duì)其工作原理的詳細(xì)描述，并介紹了該溫度控制器在電除塵器保溫箱和灰斗加熱的應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與故障分析實(shí)例，可更好地指導(dǎo)ATC20A 在工業(yè)自動(dòng)電加熱行業(yè)上的應(yīng)用，提高系統(tǒng)的整體可靠性。