基于ARM的電阻爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 飛

(無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 無(wú)錫 214206)

在科學(xué)進(jìn)步的背景下,工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平不斷提高。溫度控制在高精度的工業(yè)產(chǎn)品加工等場(chǎng)景中位置更為重要。作為一種通過(guò)電熱元件發(fā)熱實(shí)現(xiàn)對(duì)工料加熱的爐具,電阻爐在運(yùn)行中存在慣性大以及時(shí)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(zhì)量?；诖?本文在現(xiàn)有電阻爐控制問(wèn)題的基礎(chǔ)上,結(jié)合ARM微處理器以及模糊控制算法設(shè)計(jì)一種電阻爐的爐溫控制系統(tǒng),以盡可能減少電阻爐實(shí)際爐溫與設(shè)定溫度之間的誤差,提高電阻爐在工業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)行效率。

1 電阻爐溫度控制分析

1.1 電阻爐溫度控制難點(diǎn)分析

(1)控制回路設(shè)計(jì)和調(diào)試。電阻爐的控制回路需要精確的設(shè)計(jì)和調(diào)試,包括選用合適的控制器、投入運(yùn)行前進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整和校驗(yàn)等。如果控制回路設(shè)計(jì)不好,易出現(xiàn)控制精度不高、響應(yīng)遲鈍等問(wèn)題[1]。

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

(3)噪聲干擾。電阻爐工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲會(huì)對(duì)溫度傳感器的信號(hào)產(chǎn)生干擾,從而影響溫度測(cè)量精度[2]。為此,需要選用抗干擾能力強(qiáng)的傳感器,或者采用信號(hào)濾波技術(shù)來(lái)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(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)原則

電阻爐溫度控制受內(nèi)外多因素的影響。結(jié)合實(shí)際考量,電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則如下:

(1)精度要求。電阻爐溫度控制系統(tǒng)的精度決定控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。精度要求是電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要目標(biāo),因此,必須保證系統(tǒng)計(jì)算和控制的精度,以達(dá)到準(zhǔn)確控制溫度的目的[3-4]。

(2)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。電阻爐溫度控制系統(tǒng)需要具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,以快速適應(yīng)溫度變化,保證溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近,同時(shí)避免溫度超調(diào)等情況發(fā)生。

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

(4)可靠性。電阻爐溫度控制系統(tǒng)需要具有良好的可靠性,確保在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中不出現(xiàn)故障或失效。

(5)易用性。電阻爐溫度控制系統(tǒng)需要具備良好的易用性,操作簡(jiǎn)單、易懂,同時(shí)可以提供必要的報(bào)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(tǒng)需要優(yōu)化成本,通過(guò)對(duì)電阻爐本身以及控制器的設(shè)計(jì),盡量降低采購(gòu)、使用和維護(hù)成本,提高系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比,符合市場(chǎng)需求[6-7]。

2 電阻爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電阻爐溫度控制整體設(shè)計(jì)方案

電阻爐溫度控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示,電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括四部分:

圖1 電阻爐爐溫控制整體設(shè)計(jì)方案

(1)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì):系統(tǒng)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(kāi)關(guān)等。其中,ARM微處理器作為主控單元,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制和顯示。

(2)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì):系統(tǒng)軟件由模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序組成[8]。

(3)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì):系統(tǒng)主要具備如下功能:溫度采集和監(jiān)控、控制命令的輸出和執(zhí)行、故障檢測(cè)和處理、數(shù)據(jù)記錄和分析。

(4)系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化:主要包括硬件、軟件調(diào)試、溫度控制精度優(yōu)化以及系統(tǒng)性能評(píng)估等[9]。在實(shí)際使用中,需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

1)ARM微處理器

電阻爐溫度控制系統(tǒng)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(mǎn)足實(shí)時(shí)響應(yīng)性能要求以及與其他設(shè)備進(jìn)行通信的需要。其次是存儲(chǔ)容量。電阻爐溫度控制系統(tǒng)需要足夠的存儲(chǔ)容量來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件以及采集、存儲(chǔ)和處理傳感器數(shù)據(jù)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(shè)的整合,例如串口、SPI、I2C、以太網(wǎng)等。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇廣芯微電子生產(chǎn)的ARM Cortex-M0+內(nèi)核微電子處理器,如圖2所示。

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

2)溫度傳感器

電阻爐溫度控制系統(tǒng)需要高精度、穩(wěn)定可靠的溫度傳感器,以監(jiān)測(cè)電阻爐內(nèi)部的溫度,并將其反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中,通常需要考慮電阻爐的溫度范圍、精度要求、響應(yīng)速度以及抗干擾能力來(lái)設(shè)計(jì)和選擇溫度傳感器。常見(jiàn)的溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻、紅外線測(cè)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(chǎn)生電阻變化。通過(guò)將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號(hào),可以得到溫度的測(cè)量值。本系統(tǒng)選擇TH-22型號(hào)熱敏傳感器進(jìn)行溫度的測(cè)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(wěn)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(yīng)用。

3)繼電器模塊

繼電器是控制加熱元件的關(guān)鍵部件,需要根據(jù)加熱元件的電流和電壓等參數(shù)來(lái)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(shí)需要考慮布局的合理性以保證各部分連接穩(wěn)固可靠。繼電器開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)有電磁干擾的問(wèn)題,設(shè)計(jì)時(shí)在繼電器上使用炭化器或采取屏蔽措施等,以避免干擾產(chǎn)生的影響。除此之外,在繼電器的輸入端設(shè)置保險(xiǎn)絲或熔斷器等,以降低繼電器損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)—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(lèi)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來(lái)解決復(fù)雜的控制問(wèn)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(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理,建立模糊規(guī)則庫(kù),通過(guò)模糊綜合推理的方法進(jìn)行計(jì)算,輸出模糊控制量,最終得到控制結(jié)果。具體步驟如下:

(1)將實(shí)時(shí)的溫度進(jìn)行模糊量化,即將連續(xù)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(guī)則庫(kù),包含一系列輸入變量的模糊集合、變量之間的關(guān)系和變量之間的邏輯運(yùn)算和相應(yīng)的隸屬度函數(shù)。規(guī)則以自然語(yǔ)言的形式表達(dá),并表示了輸入數(shù)據(jù)和輸出控制量之間的關(guān)系。將模糊量化后的值映射到輸出控制信號(hào)。

(3)設(shè)計(jì)模糊推理機(jī)制,對(duì)模糊控制量進(jìn)行去模糊化處理,轉(zhuǎn)化為實(shí)際控制量,即控制器對(duì)電阻爐施加的加熱功率。模糊控制算法具有較好的適應(yīng)性和抗干擾能力,能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)溫度變化,且對(duì)噪聲和干擾具有較強(qiáng)的抑制能力。

2.4 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

電阻爐溫度控制系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 電阻爐溫度控制系統(tǒng)功能

(1)溫度采集和監(jiān)控:采用熱敏電阻傳感器對(duì)電阻爐的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控。同時(shí),還需要對(duì)采集的溫度信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、線性化處理,確保信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

(2)控制命令的輸出和執(zhí)行:根據(jù)溫度控制模糊算法計(jì)算出的控制命令,通過(guò)輸出模塊將控制信號(hào)傳遞給電阻爐的控制裝置,實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)[13]。

(3)故障檢測(cè)和處理:設(shè)計(jì)故障檢測(cè)和處理機(jī)制,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理可能出現(xiàn)的溫度控制故障,確保電阻爐的穩(wěn)定運(yùn)行和安全性能。

(4)數(shù)據(jù)記錄和分析:建立數(shù)據(jù)記錄和分析系統(tǒng),將電阻爐溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析,形成溫度曲線和統(tǒng)計(jì)圖表,為生產(chǎn)管理和調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。

2.5 系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化

(1)溫控系統(tǒng)布線檢查:檢查電阻爐的溫控系統(tǒng)布線是否正確、穩(wěn)定。如果布線不良或者接觸不良可能會(huì)導(dǎo)致溫度不穩(wěn)定或者溫度波動(dòng)過(guò)大。

(2)溫度傳感器校正:對(duì)溫度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn),確保溫度的測(cè)量準(zhǔn)確度。

(3)控制器參數(shù)設(shè)置:控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件,控制器參數(shù)的設(shè)置將影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。在調(diào)試和優(yōu)化系統(tǒng)時(shí),對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

(4)控制器輸出信號(hào)濾波:控制器的輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)濾波處理,以減少干擾和提高穩(wěn)定性。因此對(duì)控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

3 結(jié) 語(yǔ)

電阻爐是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的加熱設(shè)備,對(duì)其進(jìn)行溫度控制能夠保證生產(chǎn)過(guò)程中物體的溫度始終保持在設(shè)定值范圍內(nèi),從而保證加熱效果和加熱速度,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)由于電阻爐溫度的高低對(duì)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(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題滿(mǎn)足節(jié)能減排發(fā)展需要。