电阻炉温度控制系统的毕业设计－－电气设计论文

电 阻 炉温度控制系统的设计 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。 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，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片 及控制算法是非常有必要的。 本设计要求用单片机设计一个 能在多种领域得到广泛应用的 电 阻 炉温度控制系统 。 2 目录 第 1 章 前言 . 3 1.1 电阻炉简介 . 3 1.2 电阻炉的优点 . 3 第 2 章 电阻炉温度控制系统的特性 . 8 第 3 章 电阻炉加热原理及加热方式的分类 . 7 3.1 电阻炉电加热原理 . 7 3.2 电阻炉加热方式的分类 . 7 第 4 章 电阻炉控制系统的硬件部分 . 8 4.1 8031 芯片概 述 . 8 4.2 8255A 芯片概述 . 8 4.3 74LS373 芯片概述 . 10 4.4 6116 芯片概述 . 10 4.5 2764 芯片概述 . 11 4.6 ADC0809 转换器 . 11 4.7 温度检测元件及变送器、 ADC 的选择 . 11 4.8 接口芯片的扩展 . 12 4.9 温度控制电路 . 12 第 5 章 电阻炉控制系统的软件部分 . 13 第 6 章 炉温自动控制原理 . 15 第 7 章 主要的技术特性 . 17 第 8 章 电阻加热炉基本结构及型式 . 18 第 9 章 用途 . 20 参考文献 . 21 致谢 . 22 3 第 1 章 前言 电阻炉是工农业生产中常用的电加热设备 ,广泛应用于冶金、机械 、建材等行业 ，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，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。 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。本设计要求采 用单片机设计一个电 阻 炉温度控制系统。 1.1 电阻炉简介 电阻 炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工 设备。 电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，虽炉种的不同而已。 电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等 1.2 电阻炉 的 优点 .热效率高 。电阻炉不需要燃烧气体，没有派出因燃烧气体而产生的废气造成的热损失。炉膛室内热强度高，能达到较高的温度，是高熔点 4 金属得熔化。 .能满足工件在各种工艺樊为中的要求，并使之成为可控。能用质量流量计对所控气氛进行检测。 由保护气氛来保证炉内气氛的清洁。比如保护气氛改为真空，可以将炉内的残余气体抽走，保护气氛改为氢气，各种可随之运出。高纯度的氢气，气含氧量可小于 0.1ppm，气露点小于 70 .能够满足工作空间温度场均匀分布和恒温的精度要求。比如在 48小时内温度漂移 0.5 。 整个工艺过程能用 微机和智能化程序控制。有利于连锁保护，报警、防爆、数显、曲线记录 操作简单，寿命长，安全有保障。 场所利用率大，噪声较稳定。 5 第 2 章 电 阻 炉温度控制系统的特性 电阻炉温度控制系统是闭合的反馈系统。 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 2-1 所示。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 2-2 所示。 图 2-1 执行器的特性：电 阻 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 Tb 与断开时间 Tk 的比值 ,=Tb/Tk。 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 Tc 内导通的电压周波。如图 2-3 所示，设周期 Tc 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=nTPn/Tc， Pn 为设定周期 Tc 内 电 6 压全通过时装置的输出功率。 图 2-2 图 2-3 7 第 3 章 电 阻 炉加热原理 及 加热方式的分类 3.1 电 阻 炉 电 加热原理 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 2412 Rt Q热能，卡； I 一电流，安 培 , R 一电阻，欧姆， t 一时间，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 24100036000) 1000=864 千卡。 在电热技术上按 l 千瓦小时 860 千卡计算。电 阻 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。 3.2 电阻炉 加热方式的分类 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。工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的，只有一部分因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热式。 按传热方式，电阻炉分为辐射式电阻炉和对流式电阻炉。辐射式电阻炉以辐射传热为主，对流传热作用较小；对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠热空气进行加热，炉温多低于 650 。 8 第 4 章 电 阻 炉控制系统的硬件部分 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，原理框图如图 4-1 所示。具体是由 8031 单片机、 16K 电擦写程序存贮器、键盘及显示器接口电路以及并形 I/O 芯片 8255 等组成。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。为了提高系统的抗干扰能力，温度传感器信号应采用屏蔽线单独接地，此外，对主机亦采用电磁屏蔽措施，以防止其它的 电磁干扰。 4.1 8031 芯片 概述 MCS-51 系列单片机是美国 Intel 公司开发的 8 位单片机，又可以分为多个子系列。 MCS-51 系列单片机共有 40 条引脚，包括 32 条 I/O 接口引脚、 4 条控制引脚、 2 条电源引脚、 2 条时钟引脚。引脚说明： P0.0P0.7： P0 口 8 位口线，第一功能作为通用 I/O 接口，第二功能作为存储器扩展时的地址 /数据复用口 P1.0 P1.7： P1 口 8 位口线，通用 I/O 接口无第二功能。 P2.0 P2.7： P2 口 8 位口线，第一功能作为通用 I/O 接口，第二功能作为存储器扩展时传送高 8 位地址。 P3.0 P3.7： P3 口 8 位口线，第一功能作为通用 I/O 接口，第二功能作为为单片机的控制信号。ALE/ PROG：地址锁存允许 /编程脉冲输入信号线（输出信号） PSEN：片外程序存储器开发信号引脚（输出信号） 。 EA/Vpp：片外程序存储器使用信号引脚 /编程电源输入引脚。 RST/VPD：复位 /备用电源引脚。 4.2 8255A 芯片 概述 9 是 Intel 公司生产的可编程输入输出接口芯片 ,它具有 3 个 8 位的并行I/O 口 ,具有三种工作方式 ,可通过程序改变其功能 ,因而使用灵活 ,通用性强 ,可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。 8255 有三种基本工作方式，三种工作方式由工作方式控制字决定 ,方式控制字由 CPU通过输入 /输出指令来提供 .三个端口中 PC 口被分为两个部分 ,上半部分随 PA 口称为 A 组 ,下半部分随 PB 口称为 B 组 .其中 PA 口可工作与方式0、 1 和 2，而 PB 口只能工作在方式 0 和 1。 8255 共有 40 个引脚 ,采用双列直插式封装 ,各引脚功能如下： D0-D7：三态双向数据线 ,与单片机数据总线连接 ,用来传送数据信息。 CS：片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。 RD：读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。 WR：写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。 Vcc： +5V 电源。 A0-PA7： A口输入 /输出线。 PB0-PB7： B 口输入 /输出线。 PC0-PC7： C 口输入 /输出线。 RESET：复位信号线。 A1、 A0：地址线，用来选择 8255 内部端口。 GND：地线。 10 图 4-1 4.3 74LS373 芯片 概述 74LS373 是带有三态门的八 D 锁存器，当使能信号线 OE 为低电平时，三态门处于导通状态，允许 1Q-8Q 输出到 OUT1-OUT8，当 OE 端为高电平时，输出三态门断开，输出线 OUT1-OUT8 处于浮空状态。 G称为数据打入线，当 74LS373 用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号 OE 为低电平，这时，当 G 端输入端为高电平时，锁存器输出（ 1Q-8Q）状态和输入端（ 1D-8D）状态相同；当 G 端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输入端（ 1D-8D）的数据锁入 1Q-8Q 的八位锁存器中。当用 74LS373 作为地址锁存器时，它们的 G 端可直接与单片机的锁存控制信号端 ALE 相连，在 ALE 下降沿进行地址锁存。 引脚说明如下： D0 D7：锁存器 8 位数据输入线 Q0 Q7：锁存器 8 位数据输出线 GND：接地引脚 Vcc：电源引脚， 5V 有效 OE ：片选信号引脚 G：锁存控制信号输入引脚。 4.4 6116 芯片 概述 6116 是 2K*8 位静态随机存储器芯片 ,采用 CMOS 工艺制造 ,单一 +5V供电 ,额定功耗 160mW,典型存取时间 200ns,24 线双列直插式封装，其引脚功能说明如下： A0 A10：地址输入线 O0 O7：双向三态数据线，有时用 D0 D7 表示 ：片选信号输入端，低电平有效：读选通信号输入线，低电平有效 ：写选通信号输入线， 低电平有效 Vcc：工作电源输入引脚， 5V GND：线路地 11 4.5 2764 芯片 概述 2764 是 8K*8 字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一 +5V供电 ，工作电流为 75mA，维持电流为 35mA，读出时间最大为 250nS，28 脚双列直插式封装。各引脚的 含义为： A0 A12： 13 根地址线，可寻址 8K 字节； ：片选线； O0-O7：数据输出线； ：为数据输出选通线； PGM：编程脉冲输入端； Vpp：编程电源； Vcc：主电源，一般为 5V。 GND：接地引脚 4.6 ADC0809 转换器 ADC0809 是一种比较典型的 8 位 8 通道逐次逼近式 A/D 转换器，CMOS 工艺，可实现 8 路模拟信号的分时采集，片内有 8 路模拟选通开关，以 及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为 100s 左右，采用双排 28 引脚封装，其引脚说明如下： IN0 IN7： 8 路模拟量输入通；ADDA ADDC：地址线用于选择模拟量输入通道； ALE：地址锁存允许信号； START：转换启动信号； D0 D7：数据输出线； OE：输出允许信号，低电平允许转换结果输出； CLOCK：时钟信号输入引脚，通常使用 500KHz； EOC：转换结束信号，为 0 代表正在转换， 1 代表转换结束；Vcc： 5V 电压； VREF（） 、 VREF（） ：参考电压。 4.7 温度检测元件及变送器、 ADC 的 选择 温度检测元件及变送器的选择要考虑温度控制范围及精度要求。对于 01000 的测量范围，采用热电偶，如镍铬热电偶，分度号为 EU，其输出信号为 041.32mV，经毫伏变送器，输出 010mA，然后再经过电流 电压变换电路转换为 05V 电压信号。为了提高测量精度，可 12 将变送器进行零点迁移，例如温度测量范围改为 4001000 ，热电偶给出 16.441.32mV 时，使变送器输出 010mV，这样使用 8 位 A/D 转换器，能使量化误差达到 2.34 。 4.8 接口芯片的扩展 由于本系统既要显示、报警 、键盘输入，又要进行控制，所以系统在 8031 系统中扩展了一片 8155，它有三个 8 位 I/O 口， 256 字节的 RAM，可以作为外部数据存储器供系统使用， 8031 的 P2.1 接 8155 的 CE， P2.0接 8155 的 IO/M，当 P2.1 0， P2.0 1 时，选中 8155 片内的三个 I/O 端口，其口地址如下： 0100H命令状态寄存器 0101H A口 0102H B口 0103H C口或控制口寄存器 0104H，计数值低八位 0105H，计数值高八位和方式寄存器。当 P2.2 0 时，选中 ADC0809（允许启动各通道转换与读取 相应的转换结 果）。转换结束信号 EOC 经倒相后接至单片机的外部中断 INT1（ P3.3），当 P3.3 0 时，说明转换结束。我们选用 0通道作为输入，把 0809 视为一个地址为 03F8H 的外部数据存储单元，对其写数据时， 8031 的 WR 信号使 ALE 和 START 有效，将 74LS373锁存的地址低三位存入 0809，并启动 ADC0809， D 9EOC 为低电平时，A/D 转换正在进行，当 EOC 为高电平时，表示转换结束， 8031 可以读如转换好的数据。 4.9 温度控制电路 温度控制电路采用晶闸管调功方式。双向晶闸管串在 50Hz 交流电源和加热丝电路中，只要在给定周期里改变晶闸管开关的接通时间的脉冲信号即可。这可以用一条 I/O 线，通过程序输出控制脉冲。为了达到过零触发的目的，需要交流电过零检测电路。此电路输出对应于 50Hz 交流电压过零时刻的脉冲，作为触发双向晶闸管的同步脉冲，使晶闸管，在 13 交流电压过零时刻导通。电压比较器 LM311 将 50HZ 正弦交流电压变成方波。方波上升沿和下降沿分别作为单稳态触发器的触发信号，单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合，就得到对应于 220V 市电过零时刻的同步脉冲。此脉冲一路作为触发同步脉冲加到 温控电路，一路作为计数脉冲加到单片机 8031 的 P3.4 和 P3.5 输入端。 第 5 章 电 阻 炉控制系统的软件部分 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，其流程图如图 5 所示。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。在一般的 PID 控制中，当系统有较大的扰动或设定值较大幅度提降时，由于偏差较大及系统存在惯性和滞后 ，在积分项的作用下，会产生较大的超调和长时间波动，在温度缓慢变化过程中这一现象尤为严重，为此采用积分分离措施，即在偏差较大时，取消积分作用，偏差较小时，才将积分作用投入。积分分离 PID 控制算法如下： 14 图 5-1 15 第 6 章 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。按照偏差的比例、积分和微分产生控制作用（ PID 控制），是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。 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。 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） 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） 比例调节（ P 调节） -调节器的输出信号（ M）和偏差输入（ e）成 16 比例。即： M=k 式中： K-比例系数 比例调节器的输入、输出量之间任何时刻都存在 -对应的比例关系，因此炉温变化经比例调节达到平衡时，炉温不能加复到给定值时的偏差-称 “静差 ” 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，调节是指调节器的输出信号与偏差存在随时间的增长而增强，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 . 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。微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例，微分调节器在温度有变化 “苗头 ”时就有调节信号输出，变化速度越快、输出信号越强，故能加快调节速度，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。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。 17 第 7 章 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 阻 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 阻 炉应具有低的空炉损失及高的有效功率。较少蓄热相失。空炉损失的大小是衡量电炉效率好坏的重要指标，空炉损失小的电炉，可以得到高的技术生产率及低的单位电能消耗比。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 10100 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：炉体的蓄热量对周期作业炉影响很大，尤其是每天一班或二班生产的电炉。 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。 18 第 8 章 电阻加热炉基本 结构 及型式 电阻炉是随着机械工业的发展而发展起来的，由于各种加热工艺及冶炼工艺上的需要，电阻炉是一个品种很多的产品。电阻炉炉体结构，分周期式及连续式二个型式来分别介绍。周期式作业炉。如箱式电炉，台车式电炉、井式电炉等箱式电炉，外壳一般是用型钢 、钢板焊接而成的，小型电炉由于需保持工作面的一定高度，一般均做成带支架的，在箱型壳体下边，有支持炉体的腿或支架。中型电炉因本身重量大及加入炉内的工件重量也大，所以一般均直接在底盘上焊接炉体及砌砖。大型电炉可以在特定的专用的地基上设计成无钢性底盘的结构，而就地焊接砌砖，但这种电炉在安装后不能吊运及移动。 中小型电炉的炉门可用配重及手动装置来开闭，下部一般均有砂封槽，有些炉门上边也设有砂封槽，以保证良好的密封性，炉门关闭时，用压紧装置使炉门紧密的与门框接触，减少漏气。大型电炉可以用电动或气动、液压开闭炉门，电加 热元件一般可以在炉膛内左右侧墙上及底面上布置，为了得到良好的热场，最好在护顶上也布置电加热元件，因为炉内工件一般堆放高度不会超过宽度，所以以上下两个方面加热比左右两个方面加更为有效。大型及中型电炉可以在护门上及后墙上适当的布置一些电加热元件，以减少炉内的温差，为了保证炉门口的热损失能得到更好的平衡，可以在较大的箱型电炉上靠炉门口的炉膛长度 1/3 处作为一个控制区。 通保护气体的炉子应设有保证安全运行的必要装置及良好曲密封性。井式电炉一般均为园筒形炉膛，内径一般最小为 600 毫米，大小了，安装维修时不方便；炉壳用 型钢作为骨架再焊上钢板，小型炉盖可用手 19 动机构开闭，大型及中型的可用电动或液压等机构开闭，高度与直径好比在 1 一 1.5 的电炉工件一般放管在炉膛底部，高度与直径比在 2 以上时。工件大部用吊挂方式，吊于炉口内或炉上外部的专用吊架上，控制区的设置一般以直径的 11 5 倍为一个。在温度控制要求不高时有时一个控制区长度达到直径的 2 倍。 可控气氛箱形多用炉。一般在结构上是分为前室及炉膛、冷却槽，前室由型钢及钢板焊成的密封空间下边与冷知槽相连，上边为设有水冷壁的空气冷却室。中间有通过工件的轨道及上下升降的料架，由顶 上的气缸来操作 (可 电气 动或液动 )下降时工