電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（發(fā)布日期:2013-6-10）電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類(lèi)工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。對(duì)于這樣一個(gè)具有非線(xiàn)性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對(duì)象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到好的控制效果。單片機(jī)以其高可靠性、高性能價(jià)格比、控制方便簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，可以提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平。1前言在人類(lèi)的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。無(wú)論你生活在哪里，從事什么工作，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在與溫度打著交道。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，工業(yè)發(fā)展對(duì)是否能掌握溫度有著絕對(duì)的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說(shuō)幾乎80%的工業(yè)部門(mén)都不得不考慮著溫度的因素。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類(lèi)加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。從市場(chǎng)角度看[1],如果我國(guó)的大中型企業(yè)將溫度控制系統(tǒng)引入生產(chǎn)，可以降低消耗，控制成本，從而提高生產(chǎn)效率。嵌入式溫度控制系統(tǒng)符合國(guó)家提出的“節(jié)能減排”的要求，符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景?，F(xiàn)今，應(yīng)用比較成熟的如電力脫硫設(shè)備中，主控制器在主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，已經(jīng)達(dá)到了世界前進(jìn)水平。如今，在微電子行業(yè)中。溫度控制系統(tǒng)也越來(lái)越重要，如單晶爐、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制。因此。溫度控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)前景非常廣泛，我國(guó)的高新精尖行業(yè)研究其應(yīng)用的意義更是更加重大。單片微型計(jì)算機(jī)(singlechipmicrocomputer)被稱(chēng)為單片機(jī)⑵，它是各類(lèi)專(zhuān)用控制器而設(shè)計(jì)的通用或?qū)Ｓ梦⑿陀?jì)算機(jī)系統(tǒng)，高密度集成了普通微機(jī)的微處理器、一定容量的RAM和ROM以及輸入/輸出接口，定時(shí)器等電路于一塊芯片上構(gòu)成的。單片微型計(jì)算機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、軍事裝置、機(jī)器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化、智能化,既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。采用MCS-51單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。2爐溫控制系統(tǒng)的背景與研究現(xiàn)狀隨著新技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，近年來(lái)單片機(jī)發(fā)展十分迅速，一個(gè)以微機(jī)應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各個(gè)行業(yè)。單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用，在冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各類(lèi)工業(yè)中，廣泛使用于加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。溫度是工業(yè)對(duì)象中的一個(gè)重要的被控參數(shù)。由于爐子的種類(lèi)不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同，例如煤氣、天然氣、油、電等；由于工藝不同，所需要的溫度高低不同，因而所采用的測(cè)溫元件和測(cè)溫方法也不同;產(chǎn)品工藝不同，控制溫度的精度也不同，因而對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和所采用的控制算法也不同。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力⑶，而且精度差，單片機(jī)的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問(wèn)題能夠得到很好的解決。不僅如此，傳統(tǒng)的控制方式不能滿(mǎn)足高精度，高速度的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大，由于它主要通過(guò)控制接觸器的通斷時(shí)間比例來(lái)達(dá)到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來(lái)快速發(fā)展了多種先進(jìn)的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡(jiǎn)便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。隨著單片微型計(jì)算機(jī)的功能不斷的增強(qiáng)，為先進(jìn)的控制算法提供的載體，許多高性能的新型機(jī)種應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速⑶，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。目前社會(huì)上溫度控制大多采用智能調(diào)節(jié)器，國(guó)產(chǎn)調(diào)節(jié)器分辨率和精度較低，溫度控制效果不是很理想，但價(jià)格便宜，國(guó)外調(diào)節(jié)器分辨率和精度較高，價(jià)格較貴。日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表。并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下的特點(diǎn)：一是適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制；一是能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制；三是能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過(guò)程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制；四是溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛；五是溫控器普遍具有參數(shù)自整定功能。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制對(duì)象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化；六是具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。3電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件由圖1所示各部件組成⑷，它以8051單片機(jī)為核心，外擴(kuò)鍵盤(pán)輸入和LED顯示溫度。電加熱爐爐內(nèi)的實(shí)際溫度由熱電偶測(cè)量并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，通過(guò)溫度變送器橋路實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)遷移和冷端補(bǔ)償，經(jīng)運(yùn)算放大器7650放大到0?5V，再經(jīng)過(guò)有源低通濾波器濾波后，由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。此數(shù)字量經(jīng)數(shù)字濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換后，一方面通過(guò)LED將爐溫顯示出來(lái)；另一方面，將該溫度值與被控溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用PID控制，通過(guò)PWM脈沖調(diào)寬功率放大器控制SSR固態(tài)繼電器來(lái)控制電加熱爐爐絲的導(dǎo)通時(shí)間，就可以控制電爐絲的加熱功率大小，從而控制電爐的溫度及升溫速度，使其逐漸趨于給定值且達(dá)到平衡。3.1熱電偶的選取熱電偶是溫度測(cè)量傳感器⑸，對(duì)它的選擇將直接影響檢測(cè)誤差的大小。目前多選K型或S型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶。兩者相比，K型有較好的溫度一熱電勢(shì)的線(xiàn)性度，但它不適宜于長(zhǎng)時(shí)間在高溫區(qū)適用；S型有高的精度，但溫度一熱電勢(shì)的線(xiàn)性度較差。3.2A/D轉(zhuǎn)換器圖1中A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809[“，其轉(zhuǎn)換精度是1/256。若電加熱爐工作溫度是256°C，這樣在（0?256）°C范圍A/D的轉(zhuǎn)換精度為256°C/256=1°C/bit,即一個(gè)數(shù)字量表示1°C,這顯然不能滿(mǎn)足控制精度為±0?5°C要求。為了提高控制精度，可以選用更高位的A/D轉(zhuǎn)換器，如10位、12位、16位A/D轉(zhuǎn)換器，其控值精度均能滿(mǎn)足要求。然而根據(jù)實(shí)際需要溫度控制情況，也可以通過(guò)具有零點(diǎn)遷移和冷端補(bǔ)償功能的溫度變送橋路，縮小測(cè)溫的范圍，如爐溫升到90C后要求溫度維持90C基本不變,那就可以將測(cè)溫范圍縮小為（0?128）°C、（128?256）°C，從而使理論設(shè)計(jì)控溫精度達(dá)到土0?5°C。3.3低漂移毫伏放大器低漂移毫伏放大器如圖2所示。A1采用性能優(yōu)良的斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器ICL7650，斬波電容C1和C2選用絕緣電阻高的聚脂薄膜電容器，由調(diào)零放大器在斬波振蕩器和時(shí)鐘電路控制下輪流為本身的主放大器調(diào)零。D1和D2選用低漏流型的硅開(kāi)關(guān)二極管，起保護(hù)ICL7650的作用。A1輸出信號(hào)經(jīng)二階有源低通濾波器濾波，使信噪比S/N提高,此有源濾低通濾波器的截止頻率約1?5Hz。A2的增益為1,A2可選用“A741，A2的輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后讀入單片機(jī)，然后由軟件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度顯示值。3.4固態(tài)繼電器控溫電路單片機(jī)通過(guò)PWM脈沖調(diào)寬功率放大器控制SSR固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)電爐絲的功率而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的⑺。調(diào)功的原理為：設(shè)電網(wǎng)連續(xù)N個(gè)完整的正弦波為一個(gè)控制周期幾則丁二“化若在設(shè)定的周期T內(nèi)控制主回路導(dǎo)通n（nWN）個(gè)完整的正弦波，則負(fù)載功率為P=n*U*U/（R*N）。因此，只要控制在設(shè)定的周器T內(nèi)主回路導(dǎo)通的周波數(shù)n的個(gè)數(shù)，就可調(diào)節(jié)負(fù)載的功率P。用Z型交流固態(tài)繼電器SSR，實(shí)現(xiàn)零觸發(fā)交流調(diào)功⑻。SSR內(nèi)設(shè)光電隔離電路，可減少與電網(wǎng)的相互干擾，這是一種較先進(jìn)的控制方法。8051單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器來(lái)組織，經(jīng)開(kāi)關(guān)量通道輸出隨時(shí)間值變化的PWM波，并經(jīng)脈沖調(diào)寬功率放大器控制每個(gè)調(diào)功周期固態(tài)繼電器導(dǎo)通的電壓正弦周波數(shù)，從而控制電加熱爐的溫度。3.5飛升曲線(xiàn)法實(shí)測(cè)電加熱爐參數(shù)電加熱爐是一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)⑻，傳遞函數(shù)為：G(s)=K*exp(-t)/(1+Ts)。輸出從起始值到達(dá)0.632倍穩(wěn)定值的時(shí)間，即為時(shí)間常數(shù)T，而滯后時(shí)間T可直接從圖中測(cè)量。有時(shí)實(shí)測(cè)的飛升曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)有彎曲⑼，左圖為一階純滯后的自平衡對(duì)象，圖中T為純滯后時(shí)間；右圖為一階純滯后的非自平衡對(duì)象，圖中T為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)放大系數(shù)，K為隨取溫度，室溫為T(mén)［i°］。這時(shí)可采用一階加純滯后的虛擬曲線(xiàn)來(lái)逼近，而起始部分則可定出一個(gè)等效的滯后時(shí)間T，可在曲線(xiàn)斜率的折點(diǎn)處作一切線(xiàn)，與時(shí)間軸的交點(diǎn)認(rèn)為是一階的起點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)到一階的起點(diǎn)即純滯后時(shí)間T，一階的起點(diǎn)到切線(xiàn)與穩(wěn)定值的交點(diǎn)的時(shí)間為時(shí)間常數(shù)To4爐溫控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望近年來(lái)，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問(wèn)題。溫度測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面［mo在溫度的測(cè)量技術(shù)中，接觸式測(cè)溫發(fā)展較早,這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是:簡(jiǎn)單、可靠、低廉、測(cè)量精度較高，一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度;但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于超高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。另外的非接觸式測(cè)溫方法是通過(guò)對(duì)輻射能量的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法，其優(yōu)點(diǎn)是:不破壞被測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體，適于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測(cè)量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀(guān)溫度，測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。因此，在實(shí)際的溫度測(cè)量中，要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿(mǎn)足測(cè)量精度要求的前提下盡量減少投入?，F(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集（即傳感器技術(shù)）、信息傳輸（通信技術(shù)）和信息處理（計(jì)算機(jī)技術(shù)）［1刀。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段；⑴傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件）；（2）模擬集成溫度傳感器/控制器；（3）智能溫度傳感器。國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展［12］。在20世紀(jì)90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測(cè)溫精度較低，分辨力只能達(dá)到1°C。國(guó)外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是9~12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達(dá)0.5~0.0625°Co由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0?03125°C，測(cè)溫精度為土0?2°C［13］o為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。目前，智能溫度傳感器的總線(xiàn)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線(xiàn)主要有單線(xiàn)（1-Wire）總線(xiàn)、I2C總線(xiàn)、SMBus總線(xiàn)和SPI總線(xiàn)。溫度傳感器作為從機(jī)可通過(guò)專(zhuān)用總線(xiàn)接口與主機(jī)進(jìn)行通信。以往在生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，要對(duì)溫度進(jìn)行控制，一般采用數(shù)字調(diào)節(jié)儀表或者模擬，但是它們卻存在一定的缺陷而采用單片機(jī)進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)與控制就大大提高了可靠性和靈敏度。目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的日漸普及，基于單片機(jī)所組成的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，已在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［14］。傳感器是信息產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)元件，應(yīng)用在航天、軍工、家電、汽車(chē)電子、IT、醫(yī)療和特種設(shè)備等方面。單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)是以MS-5l單片機(jī)為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動(dòng)電路，晶閘管主電路對(duì)電爐爐溫進(jìn)行控制的微機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單閉環(huán)形式，其基本控制原理為［15］:將溫度設(shè)定值（即輸入控制量）和溫度反饋值同時(shí)送入控制電路部分，然后經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器運(yùn)算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅(qū)動(dòng)電路得到控制電壓施加到被控對(duì)象上，電爐因此達(dá)到一定的溫度。傳統(tǒng)的以普通雙向晶閘管（SCR）控制的高溫電加熱爐采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，達(dá)到自動(dòng)控制電加熱爐溫度的目的[16]這種移相方式輸出一種非正弦波，實(shí)踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當(dāng)大的中頻干擾，并通過(guò)電網(wǎng)傳輸，給電力系統(tǒng)造成“公害”。釆用固