基于AT89S52的新型可控燃?xì)鉅t

衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 濮陽檳

一、引言

用大型可控燃?xì)鉅t（爐膛長12m、寬3.6m、高4m）對設(shè)備進(jìn)行熱處理時，爐內(nèi)溫度、加熱速率、恒溫溫度和冷卻速率是決定熱處理效果的幾個重要參數(shù)。在熱處理過程中，工作人員要根據(jù)工藝要求始終關(guān)注著燃?xì)鉅t中溫度的變化，經(jīng)常調(diào)節(jié)燃?xì)鉅t進(jìn)氣量的大小以達(dá)到控制爐內(nèi)溫度的高低。由于燃?xì)鉅t的容積較大，且燃?xì)鉅t各進(jìn)氣點(diǎn)的進(jìn)氣大小也很難控制到一樣，故燃?xì)鉅t內(nèi)各部分的溫差也較大。在一次設(shè)備的熱處理過程中，工作人員往往要進(jìn)行數(shù)十次進(jìn)氣量的調(diào)整，這不僅增大了勞動強(qiáng)度，更重要的是由于燃?xì)鉅t進(jìn)氣量大小的調(diào)節(jié)幅度是工作人員手動進(jìn)行的，加上十幾個進(jìn)氣點(diǎn)操作的先后次序，溫度變化的滯后性，故常常會因?yàn)椴僮鞑划?dāng)而引起燃?xì)鉅t內(nèi)各處溫差較大或溫升速率偏離熱處理工藝要求過多（如去應(yīng)力退火工藝的溫升速率是100-150℃/h），使得被處理的設(shè)備可能會由于嚴(yán)重網(wǎng)狀而產(chǎn)生裂紋；有時也可能會因?yàn)榧訜岵蛔慊蜻^熱等現(xiàn)象，使得被處理的設(shè)備表現(xiàn)出硬度不足、球化不完全或晶粒粗大、碳化物粗厚等現(xiàn)象。

二、基于AT89S52的可控燃?xì)鉅t

基于AT89S52的新型可控燃?xì)鉅t的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)對燃?xì)鉅t進(jìn)氣量均勻的控制，將原來一個進(jìn)氣點(diǎn)上只有一個噴嘴設(shè)計為一個進(jìn)氣點(diǎn)上有三個噴嘴，這樣燃?xì)鉅t由原來的14個噴嘴增加至42個噴嘴。調(diào)整每個噴嘴的直徑使總的進(jìn)氣量保持不變?？刂葡到y(tǒng)在工作過程中視爐膛內(nèi)溫度的高低來決定打開幾個噴嘴。另外，為準(zhǔn)確反映爐內(nèi)溫度，溫度檢測點(diǎn)也由原來的爐膛左右各兩個變成左右各四個，再加頂部四個，總共設(shè)有12個溫度檢測點(diǎn)。由于單片機(jī)具有應(yīng)用靈活、可靠性好及性能/價格比高等特點(diǎn)，故系統(tǒng)選用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、邏輯控制及實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)的主控單元；選用ZCZG高溫電磁閥作為進(jìn)氣控制的執(zhí)行元件。

表1 臨界比例法確定調(diào)節(jié)器參數(shù)

圖1 可控燃?xì)鉅t系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

新型可控燃?xì)鉅t系統(tǒng)由單片機(jī)、鍵盤、顯示器、報警系統(tǒng)、ZCZG高溫電磁閥等模塊組成。鍵盤模塊用來完成給定溫度的設(shè)置、系統(tǒng)的啟動、復(fù)位、通道號的選擇和報警信號的取消等功能；通過鍵盤切換可顯示爐內(nèi)任一個檢測點(diǎn)的溫度；系統(tǒng)的控制信號是根據(jù)傳感器所檢測到的溫度值與給定溫度值進(jìn)行PID運(yùn)算后得到一個寬度可調(diào)的脈沖信號，該信號經(jīng)I/O接口輸出，通過光電耦合隔離后直接驅(qū)動可控硅對ZCZG高溫電磁閥進(jìn)行控制；電磁閥通電后，閥中的連桿被提升，之后轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動并作用于導(dǎo)閥從而打開主閥，斷電后，在銜鐵自重及返回彈簧作用下關(guān)上導(dǎo)閥，靠壓差關(guān)閉主閥；當(dāng)系統(tǒng)溫升速率大于給定溫升速率或恒溫時溫度偏離給定范圍，系統(tǒng)都會為發(fā)出聲光報警。為便于事后分析爐內(nèi)各點(diǎn)溫度對設(shè)備熱處理效果的影響，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片數(shù)據(jù)存儲器用于存放熱處理過程中爐內(nèi)各點(diǎn)的溫度值。

隨著面向控制的單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，PID調(diào)節(jié)器的控制已經(jīng)可以由軟件來實(shí)現(xiàn)。在由數(shù)字PID調(diào)節(jié)算法來實(shí)現(xiàn)控制的系統(tǒng)中，過程控制對象需要的是控制對象的絕對值，而不是其增量。目前常用的調(diào)節(jié)算法有位置式算法和增量式算法兩種。位置式算法每次輸出均與整個過去的狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去誤差的累加值，因此容易產(chǎn)生較大的積累誤差。而增量式PID算法只需要計算其增量，計算誤差或精度不足對控制量的影響相對較小。故系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)算時采用增量式算法，而輸出控制采用位置式算法。其運(yùn)算式為：

式中：△e(k)＝e(k)-e(k-1)；

△2e(k)＝△e(k)-△e(k-1)＝e(k)-2e(k-1)＋e(k-2)

PID調(diào)節(jié)算法中參數(shù)的選擇是關(guān)系到PID調(diào)節(jié)性能好壞的關(guān)鍵所在。簡單地用試湊法來整定PID的調(diào)節(jié)參數(shù)，需要進(jìn)行多次的模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)才能得到所需參數(shù)。若先將調(diào)節(jié)器設(shè)為純比例調(diào)節(jié)器，并使之形成閉環(huán)，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)對階躍輸入響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，這時的比例系數(shù)記為Kr，臨界振蕩的周期記為Tr。根據(jù)齊格勒-尼柯爾斯（Ziegle-Nichols）提供的經(jīng)驗(yàn)公式就可以由以上兩個基準(zhǔn)參數(shù)求得不同類型調(diào)節(jié)器的參數(shù)見表1?？紤]到控制對象是溫度，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)最后確定比例常數(shù)Kp＝4.5、積分常數(shù)Ti＝9.0、微分常數(shù)Td＝2.16。PID調(diào)節(jié)算法中還有一個重要的參數(shù)：系統(tǒng)的采樣周期T。從物理意義上看采樣周期的大小取決于被控參數(shù)的變化速率和被控過程對控制量的響應(yīng)快慢。理論上講采樣周期越短越好，但采樣周期過短，則有可能將高頻噪聲當(dāng)作有用信號引入系統(tǒng)，至使系統(tǒng)發(fā)生不必要的升階。系統(tǒng)實(shí)際選取的采樣周期T＝18(s),如表1所示。

系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)算法是采用三字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算的，每個浮點(diǎn)數(shù)占用三個字節(jié)的RAM單元。首字節(jié)存放的是階碼，其中第7位存放數(shù)符、第6位存放階符、剩下6位存放階碼；其余二個字節(jié)存放尾數(shù)。

為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)中除了在硬件方面采用濾波、屏蔽、光電隔離、設(shè)置了WatchDog電路外；在軟件方面也設(shè)立了軟件陷阱，用以克服可能的程序“跑飛”現(xiàn)象；在數(shù)據(jù)采集中則采用了適合溫度控制的中值濾波技術(shù)，以此來保證系統(tǒng)工作準(zhǔn)確性和可靠性。

三、單片機(jī)控制的可控燃?xì)鉅t控制系統(tǒng)的調(diào)試

系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)際調(diào)試之前，要先借助于仿真機(jī)對系統(tǒng)的硬、軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。可通過由電阻箱和直流電源構(gòu)成的電路來提供一個模擬溫度檢測輸出電壓變化的信號，并將該電壓送到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。若將電阻箱打到1250歐姆檔，對應(yīng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)整定為00H，相當(dāng)于燃?xì)鉅t剛開始加溫，于是單片機(jī)送出打開全部噴嘴進(jìn)氣的命令；若把電阻箱打到2000歐姆檔，相當(dāng)于燃?xì)鉅t已達(dá)到給定的最高工作溫度，對應(yīng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)為0FFH，于是單片機(jī)送出關(guān)閉全部噴嘴進(jìn)氣的命令；若使電阻箱的阻值在1250-2000歐姆之間變化，對應(yīng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)在00H-0FFH之間變化，單片機(jī)會根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)出關(guān)閉部分燃?xì)鈬娮爝M(jìn)氣的命令，保證燃?xì)鉅t中的溫度變化符合熱處理工藝的要求。

系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)際調(diào)試時首先要注意選擇性能良好的溫度檢測元件，它是決定燃?xì)鉅t控制系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵因素這一；另外，要利用軟件做好對非線性的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理的工作；A/D轉(zhuǎn)換器件的選擇也是影響系統(tǒng)性能的重要因素；為確保數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)不丟失，應(yīng)在數(shù)據(jù)存儲器上設(shè)計掉電保護(hù)電路；在實(shí)際調(diào)試時還要注意溫升速率和冷卻速率相關(guān)參數(shù)的整定，以使有關(guān)算法能符合實(shí)際系統(tǒng)的要求。

四、結(jié)束語

單片機(jī)控制的可控燃?xì)鉅t投入使用后，工作人員只需在設(shè)備進(jìn)行熱處理前通過鍵盤輸入符合工藝要求的相關(guān)參數(shù)，之后系統(tǒng)就能自動地完成整個熱處理過程。這不僅大大降低了工作人員的勞動強(qiáng)度，更重要的是由于采用了自動控制使得燃?xì)鉅t內(nèi)的溫差由原來的65-80度左右降低至50度以內(nèi)（一般對這種容積較大的燃?xì)鉅t，爐內(nèi)溫差在65度以內(nèi)就屬于允許范圍），從而保證設(shè)備的熱處理效果更符合熱處理工藝的要求，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

[1]中國熱處理行業(yè)協(xié)會.當(dāng)代熱處理技術(shù)與工藝裝備精品集[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.3.

[2]夏國華.現(xiàn)代熱處理實(shí)技術(shù)數(shù)據(jù)手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,1999.1

[3]王保保.傳感器簡明手冊及應(yīng)用電路[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

[4]唐俊翟.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

[5]國家機(jī)械工業(yè)局.鋼制壓力容器焊接規(guī)程[C].北京:國家石油和化學(xué)工業(yè)局,2000.8.15.