智能溫控器在真空電阻爐中的應(yīng)用

許濤

【摘 要】真空電阻爐是一種非線性、時(shí)變性和滯后性的大慣性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的爐溫控制方法具有控制精度低等缺陷，為此，介紹了一種適用于真空電阻爐溫度控制的智能溫控器。首先闡述了智能溫控器的控制原理，然后詳細(xì)闡述了智能溫控器的硬件構(gòu)成和軟件構(gòu)成。為真空電阻爐的溫度控制提供了一定的參考。

【關(guān)鍵詞】智能溫控器;真空電阻爐;控制

中圖分類號(hào)： TP273.5;TU855文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）05-0101-003

0 引言

真空電阻爐是進(jìn)行熱處理工藝的工業(yè)爐，可實(shí)現(xiàn)淬火、燒結(jié)、融化、預(yù)熱、干燥等熱處理工藝。溫控器是真空電阻爐的控制核心，其控制效果直接關(guān)系著真空電阻爐的熱處理效率與工藝水平，因此，真空電阻爐對(duì)溫控器有著很高的要求。真空電阻爐是一種非線性、時(shí)變性和滯后性的大慣性系統(tǒng)[1]。在進(jìn)行爐溫控制的過(guò)程中存在著諸多影響因素，如添加物料、環(huán)境溫度變化、電壓波動(dòng)等因素，這些因素的存在又會(huì)對(duì)爐溫的控制產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)前，通常采用兩種控制方式對(duì)真空電阻爐的溫度進(jìn)行控制，第一種為手動(dòng)調(diào)壓的方式，第二種為非智能的調(diào)壓方式。第一種控制方式對(duì)于操作人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)的要求較高，并且控制誤差比較大;第二種控制方式主要采用可控硅等開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行控制，雖然減少了人員的干擾，但是仍然達(dá)不到控制精度的要求。

針對(duì)上述傳統(tǒng)控制方式在真空電阻爐中的缺陷，介紹了一種適用于真空電阻爐溫度控制的智能溫控器，以期為真空電阻爐的溫度控制提供一定的參考。

1 智能溫控器的控制原理

真空電阻爐對(duì)于控制精度有著較高的要求，因此，智能控制器除了具備溫度檢測(cè)、溫度數(shù)值記錄與顯示、控制參數(shù)的調(diào)整之外，還要滿足精度、穩(wěn)定性與可靠性的控制要求。智能溫控器的結(jié)構(gòu)主要包括由AT89S51CPU電路、溫度檢測(cè)電路、可控硅觸發(fā)電路、顯示輸出電路、保護(hù)電路、通信電路等。溫控器在工作時(shí)，溫度檢測(cè)電路中的測(cè)溫元件直接測(cè)量爐內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度，并將采集到信號(hào)發(fā)送到A/D芯片，A/D芯片受到AT89S51單片機(jī)控制，它能將模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。A/D芯片在采樣之前，需要通過(guò)運(yùn)算放大器對(duì)模擬的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，使電壓信號(hào)達(dá)到A/D電路的有效工作區(qū)間[2]。在采集爐內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的過(guò)程中，由于受到電磁干擾等因素的影響，會(huì)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)造成一定的誤差，這時(shí)，就需要利用濾波算法進(jìn)行濾波，經(jīng)過(guò)濾波后才能在LED顯示屏中實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的爐內(nèi)溫度，同時(shí)單片機(jī)會(huì)將檢測(cè)到的溫度值與目標(biāo)溫度值進(jìn)行比較和運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果通過(guò)I/O接口及時(shí)調(diào)整脈沖寬度，從而實(shí)現(xiàn)可控硅在一個(gè)固定周期內(nèi)的導(dǎo)通次數(shù)，即調(diào)整了真空電阻爐的平均輸入功率，從而實(shí)現(xiàn)了真空電阻爐的溫度控制。

2 智能溫控器的結(jié)構(gòu)

2.1 智能溫控器的硬件構(gòu)成

（1）CPU。CPU采用AT89S51，該CPU為一個(gè)高性能、低功耗的8位單片機(jī)，內(nèi)置8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，兼容MCS-51指令系統(tǒng)，它擁有獨(dú)立的輸入輸出和控制端口，可通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換或者D/A轉(zhuǎn)換電路，配合運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的控制與信號(hào)采集，可通過(guò)點(diǎn)陣或者LCD液晶顯示輸出，并通過(guò)外接按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

AT89S51單片機(jī)的接口電路主要有MCM2814芯片和AD574芯片，其中MCM2814芯片主要的作用是提供掉電數(shù)據(jù)保護(hù)，AD574芯片的作用是提供A/D轉(zhuǎn)換。

（2）溫度檢測(cè)電路。溫度檢測(cè)電路是智能溫控器的核心部件，它的作用是檢測(cè)爐內(nèi)溫度并將檢測(cè)值實(shí)時(shí)傳輸至單片機(jī)。測(cè)溫元件采用鎳鉻—鎳硅熱電偶，它的工作范圍為50～1372℃，在1000℃以上其實(shí)際誤差不會(huì)超過(guò)分度值的土1%[3]。具有極高的穩(wěn)定性，并且熱電勢(shì)與溫度呈線性的關(guān)系。熱電偶是由兩種不同種類的金屬導(dǎo)體組成的閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度差，在電路中就會(huì)產(chǎn)生電流，從而在兩端之間形成熱電動(dòng)勢(shì)。其中，直接測(cè)量爐溫溫度的一端叫做熱端（測(cè)量端），另一端叫做冷端（補(bǔ)償端）。熱電動(dòng)勢(shì)的大小是由熱電偶的材料及兩端的溫度差決定的。

（3）掉電保護(hù)電路。掉電保護(hù)電路的主要作用是，防止突然系統(tǒng)突然失電、或者受到工作環(huán)境等因素的影響而丟失數(shù)據(jù)。MCM2814是一種價(jià)格低廉、性能可靠的掉電保護(hù)電路，完全滿足智能溫控器對(duì)掉電保護(hù)的要求。

（4）A/D轉(zhuǎn)換電路。測(cè)溫元件采集到的溫度值為模擬量信號(hào)，因此，需要利用A/D轉(zhuǎn)換電路及時(shí)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)。AD574是12位逐次逼近型的中速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換誤差較低，僅為0.05%左右。內(nèi)置三態(tài)電路，可以單片機(jī)直接相連。同時(shí)內(nèi)置參考電壓源和時(shí)鐘電路，因此，無(wú)需外接電壓源與時(shí)鐘信號(hào)就能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

（5）可控硅控溫?？煽毓杈哂许憫?yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)節(jié)范圍廣、驅(qū)動(dòng)功率大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類控制系統(tǒng)中?？煽毓杩販氐膶?shí)質(zhì)是，通過(guò)控制可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，不斷改變加熱元件的功率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)控溫度的目的。

（6）通訊模塊。通訊模塊主要的作用是與上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行通信。通信接口為RS484串行接口。通訊模塊采用MAX485芯片作為RS-485的收發(fā)器，每個(gè)器件中都包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，它采用半雙工的方式進(jìn)行通訊。

（7）保護(hù)電路。在真空電阻爐中，如果產(chǎn)生掉電將會(huì)造成嚴(yán)重的后果，因此，智能溫控器必須具備掉電保護(hù)功能。保護(hù)電路能夠及時(shí)檢測(cè)到電壓下降，在電源電容失電之前，系統(tǒng)重要的運(yùn)行數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)保存在RAM中。

2.2 智能溫控器的軟件構(gòu)成

由于智能溫控器的功能非常全面，因此系統(tǒng)的軟件也比較復(fù)雜，為了方便程序的編寫(xiě)、調(diào)試與修改，軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)。軟件由多個(gè)獨(dú)立的子程序塊構(gòu)成，按照功能形成模塊化結(jié)構(gòu)。主要分為主程序、PID控制程序、溫度采樣程序、溫度顯示程序、報(bào)警程序、通訊程序等。下面重點(diǎn)分析一下主程序及PID控制程序。

（1）主程序。主程序的功能是為系統(tǒng)提供初始化功能（如包括緩存清理）、定時(shí)器的初始化、其它子程序的調(diào)度、溫度采樣信號(hào)的顯示等，以便完成智能控制器的各項(xiàng)功能。智能溫控器通電或者復(fù)位后，首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，如端口的設(shè)置、緩存的清空、自整定運(yùn)算初始化、PID算法的初始化等。然后對(duì)軟、硬件進(jìn)行自診斷，結(jié)束自診斷后啟動(dòng)定時(shí)器與外部中斷，然后開(kāi)始循環(huán)檢測(cè)。如果發(fā)生中斷，就會(huì)立刻判斷中斷源，不論是涉及到哪種中斷源，都會(huì)調(diào)用相應(yīng)的模塊進(jìn)行處理，待處理結(jié)束后，就會(huì)返回到主程序。

（2）PID控制程序。PID控制程序的核心為PID控制算法。由于智能溫控器是大慣性、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的PID方法進(jìn)行控制，難以達(dá)到理想的控制效果。為此，采用模糊PID控制方法來(lái)進(jìn)行爐溫的控制，根據(jù)真空電阻爐的熱傳導(dǎo)函數(shù)特性，采用2輸入、3輸出的模糊控制結(jié)構(gòu)，模糊控制算法將爐溫的控制誤差e和誤差的變化率ec作為控制算法的輸入變量，將PID控制算法的3個(gè)參數(shù)作為模糊控制算法的調(diào)節(jié)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫控制的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高了智能控制器爐溫控制的智能性。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著加工制造技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)于真空電阻爐工藝水平的要求越來(lái)越高，如控制精度、超調(diào)量、升溫時(shí)間等，因此，將智能溫控器應(yīng)用到真空電阻爐的溫度控制中，具有廣闊的應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張?zhí)禊i.工業(yè)生產(chǎn)中智能儀表對(duì)電阻爐溫度控制的應(yīng)用[J].電子制作，2016（2）：96-96.

[2]張保龍，王清珍.一種大型電阻爐溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鑄造技術(shù)，2016（6）：1280-1282.

[3]李晗，張新剛.基于P87LPC767單片機(jī)的智能溫控器設(shè)計(jì)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2017（17）：81-83.