电炉温度控制系统

引言
前言：电阻炉在国民经济中有着广泛的应用，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。

然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素。

一直以来，人们采用了各种方法来进行温度控制，都没有取得很好的控制效果。

起先由于电阻炉的发热体为电阻丝，传统方法大多采用仪表测量温度，并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率。

电阻炉微机自动程序温度控制系统就是通过单片机对加热炉的升、降温速率和保温时间进行严格控制的装置，它将温度变送、显示和数字控制集于一体，以微机控制为基础，以A/D转换器为核心，并配以适当的外围接口电路，实现对电阻炉温度自动控制。

摘要：自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。

随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。

1.电加热炉温度控制系统的特性
温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图1.1所示。

图1.1
被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器，其具体的电路图如图1.2所示。

如图
1.3所示，设周期T
c
内导通的周期的波数为n，每个周波的周期为T，则调
功器的输出功率为P=n×T×P
n /T
c
，P
n
为设定周期T
c
内电压全通过时候装置
的输出功率。

图1.2 图1.3 执行器的特性：电炉的温度调节是通过调节剂(供电能源)的断续作用，改变
电炉丝闭合时间T
b 与断开时间T
k
的比值α,α=T
b
/T
k。

调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管是导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期T
c
内导通的电压周波。

2.电炉的电加热原理及方式
当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律：Q＝0．2412Rt，Q代表热能，单位卡；I代表电流，单位安9；R代表电阻，单位欧姆；t代表时间，单位秒。

按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。

在电热技术上按l千瓦小时＝860千卡计算。

电炉在结构上是使电能转换为热能的设备，它能有效地用来加热指定的工件，并保持高的效率。

电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。

间接加热式电阻炉、就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发热元件。

电流通过加
热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。

直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，使强大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热达到加热效果。

3.温度控制系统组成
3.1硬件部分
一般电路有元件如：8031芯片、8255A芯片、74LS373芯片、6116芯片、2764芯片、ADC0809转换器、温度检测元件及变送器.
温度调节仪是控温系统的核心部分，采用单片机控制，实现智能化，它主要由输入通道、输出通道、人机对话通道以及一些外围电路组成。

它把传感器送来的温度信号进行放大、比较、运算后，输出控制信号，触发执行装置，实现温度的自动控制，同时还实现多种温度传感器的转换、调零、调幅的软调整等功能。

主要设备:热电偶或热电阻,智能PID温控仪,可控硅触发调功器等。

图1.4 系统硬件组成
3.2软件部分
系统软件采用中断方式编程，主要部分是时钟中断程序，主要由输入处理程序、控制算法程序、显示处理、输出处理和自诊断程序等组成。

仪表通电启动后，初始化程序进行时间给定，每隔500ms时钟中断一次，中断后进入时钟中断处理。

对于纯滞后，大惯性环节控制对象，一般采用积分分离PID控制算法。

4.炉温自动控制原理
根据炉温对给定温度的偏差，自动接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定有给定温度范围，以满足热处理工艺的需要。

温度自动控制常用调节规律有二位式、三位式、比例、比例积分和比例积分微分等几种。

电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。

系统控制程序采用两重中断嵌套方式设计。

首先使T0计数器产生定时中断，作为本系统的采样周期。

在中断服务程序中启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波、上下限报警处理，PID计算，然后输出控制脉冲信号。

脉冲宽度由T1计数器溢出中断决定。

在等待T1中断时，将本次采样值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。

从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序并且、继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。

其原理在实际中表现有：
1)二位式调节--它只有开、关两种状态，当炉温低于限给定值时执行器全开；当炉温高于给定值时执行器全闭。

（执行器一般选用接触器）
2）三位式调节--它有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时招待器全开；当炉温在上、下限给定值之间时执行器部分开启；当炉温超过上限给定值时执行器全闭。

（如管状加热器为加热元件时，可采用三位式调节实现加热与保温功率的不同）
3）比例调节（P调节）--调节器的输出信号（M）和偏差输入（e）成比例。

即：M=ke，式中：K-----比例系数
4）比例积分（PI）调节--为了“静差”，在比例调节中添加积分（I）调节积分，
直到偏差消除才无输出信号，故能消除“静差”比例调节和积分调节的组合称为比例积分调节. 5) 比例积分微分（PID）调节--比例积分调节会使调节过程增长，温度的波动幅值增大，为此再引入微分（D）调节。

微分调节能加快调节速度，降低温度波动幅度，比例调节、积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节。

（一般采用晶闸管调节器为执行器）。

根据生产现场的运行情况，这种控温方法，精度比较高，系统性能稳定，满足生产的实际需要。

5.控制算法原理
控制算法为分段式PID控制。

在系统工作的大多数时间内，仅为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。

在温度响应曲线的由初态向设定点的上升段过程中，大致采用三段控制。

首先置电源为满开度，以最大的功输出克服热惯性；接下来转入PID控制；接近设定点时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。

具体参数及处理可见源程序。

出于实际考虑，程序在温度升至距设定点6/8度时，恢复PID控制，以缩短上升时间，尽快达到设定点。

本模型是一个温度类型模拟量的控制系统。

温度信号由铂热阻采集，变换为电阻信号后，直接送人热电阻／电阻信号输入模块（1746-NR4）。

在此模块中产生对应的D/A数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，处理中直接使用NR4的转换值，无需在硬件级电路上作其他处理。

处理器为SLC-5/04，通过DH＋网同上位机（PC）通信；使用RS－view制作的人机界面中的数据上传和下传皆由此通道进行另外在Ethernet上，亦可将数据传送至局域网中的任一工作站。

执行机构由可控硅电压调整器（提供可控硅触发脉冲的控制下的输出移相触发方式）和一个双向可控硅构成。

调整器接受来自模拟量I/O模块的电压输出信号，以通过双向可控硅控制电源的开度，从而控制电源的输出功率。

6.系统仿真
图1.5
图1.6
7.主要的技术特性
电阻炉消耗电能转换来的热能．一部分由电炉构筑材料及传热的各种因素而散失到空间去了，另一部分则用于对炉内工件的加热，前面的一部分形成了电炉损失功率，后一部分形成了电炉有效功率。

当电炉开始升温时，炉内砌砖体大量地吸收热量，以提高本身温度，在停炉冷下来时又把这一部分热量散失到空间去；这一部分形成炉体蓄热损失。

一台先进的电炉应具有低的空炉损失及高的有效功率。

一般工业电阻炉的效率。

小型电炉较低一些．大型电炉较高一些，从10—100千瓦的箱式电炉效率约为
65-85%，空炉损失约占总功率的35--15％。

电炉从室温升到工作温度的时间对电炉的经济指标是有明显影响的，升温时间短则炉子投入正常使用的时间就较长每天的生产率就较高，每公斤工件的电耗量就降低，所以要尽量采用热惯性小的炉衬材料并降低炉体蓄热量来加快电炉的升温速度。

对连续作业炉其影响就不明显。

加热能力是一台电炉的主要技术指标，加热能力是指电炉的有效功率，从理论计算上在一个小时内能把指定的材料加热到额定温度的最大重量数，以公斤／小时计算。

8.用途
工业电阻炉的主要用途是供机械工业对原材料、毛坯、机械另件加热用。

如板材轧制前的坯料加热，锻件的加热。

机械另件及半成品的热处理以改善其机械性能，如进杆淬火、回火、退火、正火、气体渗碳、氮化等。

亦有用于烧结、钎焊，部份电阻炉用于低熔点金属的熔炼及陶瓷玻璃工业的加热。

9.参考文献
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[7]百度文库
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