（电气工程专业论文）铸造砂型微波烘干设备的研究.pdf

沈l ：业人学颤忸学位论文 摘要 机械加工行业中铸造劳动强度大，工作环境差，随着市场经济同趋激烈的竞争， 其利润空间也在不断缩小，众所周知，砂型成型是一道重要工序，直接影响铸造产品 的质量。目前，根据我们的市场调研，东北的机械行业中对铸造砂型普遍采用电炉烘 干、燃料烘干等烘干工艺，其控制为简单的电控系统，采用很多中附继电器控制，体 积大、可靠性差、故障率高。在烘干过程中，用户不能根据砂型的特点进行运行参数 的设定，这样不仅浪费能源，而且烘干时间长、砂型易变形。此外，整个烘干系统还 存在噪声大、污染环境的弊端。上述弊端不仅增加了成本，而且影响了铸造产品的质 量。 因此，对目前现有的铸造工艺进行技术改造，以成为当代铸造行业共同追求的目 标。尤其是砂型烘干工艺，采用能耗小、烘干速度快、占地小、无变形、无环境污染 的新工艺技术，是铸造工艺改造的必要环节之一。所以研究利用微波烘干技术对铸造 砂型进行烘干，取代传统的电阻炉或碳火炉烘干技术就具有实际意义。 本文针对目前工厂的实际需求，利用微波的致热特性、反射性和可透射性研制成 功了高效、节能、无污染的新型微波烘干设备。对微波烘干设备的机械、电气和系统 控制进行了设计。众所周知，在模糊控制技术应用领域中，模糊控制器一般都是在单片 机或p c 机上实现的。在工控领域更多是利用模糊控制芯片来实现。本文运用可编程控 制器( p l c ) 和模糊控制技术，以s t l 软件编程的方式实现了对微波烘干设备的有效模 糊控制。 设备预期达到的标准( 主要技术参数) 及要求：额定功率为1 8 k w ，微波频率 2 4 5 0 m h z ，误差1 2 5 m h z ，烘干炉膛体积l m l ，实现铸造砂型的烘干。由于参数要求， 本设计只能对一个标准的砂型进行烘干，但在铸造砂型烘干工艺的应用方面，是一个 新的尝试尤其是在北方，有很多铸造行业，正值中央提出振兴东北老工业基地，的 发展战略，所以本论文将会有很大的实际意义。 关键词：微波砂型p l cs t l 模糊控制器 沈| j i + 业人￥：硕十学忙论文 r e s e a r c ho nd r y i n ge q u i p m e n t o f f o u n d r y s a n dm o d e l b y m i c r o w a v e a b s t r a c t i n 血ei n d u s t r yo fm a c h i n ep r o c e s s i n g ，f o u n d r yi s a l l i n t e n s i t yw o r kp r o c e d u r ea n d w o r k i n ge n v i r o n m e n ti sb a d w i t hg r a d u a l l yv i g o r o u sc o m p e t i t i o ni nm a r k e te c o n o m y ，i t s p r o f i ts p a c ei sb e c o m i n gm o r ea n d m o r es m a l l e r a sw e l lk n o w ，s a n dm o d e ld r y i n gi sa l l i m p o r t a n t w o r k s t e p ，a n dd i r e c t l y i n f l u a n c e st h e p r o d u c tq u a l i t y a tp r e s e n t ，m o s t c o m p a n i e sa r eu s i n ge l e c t r i c s t o v ed r y i n ga n dt h ef u e ld r y i n g ，t h e i rc o n t r o la r es i m p l e e l e c t r i cs y s t e m ，a n dt h e i rv o l u m ei sb i g ，d e p e n d e n c ei sb a d ，t h er a t eo f h r e a l ( d o w ni sh i g h i nm e d r yp r o c e s s c u s t o m e r c a n ts e tu pt h ep a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f s a n dm o d e l t h i sn o to n l yw a s t e se n e r g yb u ta l s om a k e ss a n dm o d e lt m n s m o g r i f ya n d d r y i n gt i m ei sl o n g b e s i d e s t h e s es h o r t c o m i n g s ，t h es y s t e ma l s oh a ss u c ha sp o l l u t i o n ，b i g v o i c ea n ds oo n t h ep o i n t sa b o v en o to n l yi n c r e a s et h ec o s t ，b u ta l s oa f f e c tt h eq u a n t i t yo f t h e p r o d u c t t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt or e f o r mt h et e c h n i q u eo f t h ef o u n d r yc r a f ti nt h ei n d u s t r yo f m a c h i n ep r o c e s s i n g ，e s p e c i a l l yt h ec r a f to fs a n dm o d e li nt h ep r o c e s so fd r y i n g i t i s n e c e s s a r yt oa d o p tn e w c r a f to fe n e r g y s a v i n g ，p o l l u t i o n f r e e ，q u i c ks p e e do f d r y i n ga n d n od i s t o r t i o n g ow er e s e a r c ht h et e c h n i q u eo fm i c r o w a v et od r yt h em a dm o d e l sa n du s ei t t or e p l a c et h et r a d i t i o n a le l e c t r i cc o o k e r t h i si sp o s s i b l e t h e p a p e ra i m s a tt h ea c t u a ln e e do ft h ef a c t o r i e s ，b yu s eo f t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e m i c r o w a v ed e v e l o p san e wt y p em i c r o w a r ed r y i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi sh i 【g he f f i c i e n t ， e n e r g y - s a v i n ga n dp o l l u t i o n - f r e e t h em e c h a n i c a le l e c t r i c a la n ds y s t e mc o n t r o lp a r t so f t h em i c r o w a v e d r y i n ge q u i p m e n t a r ed e s i g n e d a sw e l lk n o w i nt h ef i e l do f f u z z yc o n t r o l a p p l i c a t i o n ，f u z z yc o n t r o l l e ri su s u a l l yr e a l i z e di np c o rs c ma n dm o s t l yb yu s eo ff u z z y c o n t r o lc h i pi ni n d u s t r yc o n t r o lf i e l d t h ep a p e ru s e sp l ca n df u z z yc o n t r o lt e c h n i q u et o r e a l i z et h ee f f e c t i v ef u z z yc o n t r o lo nm i c r o w a v ed r y i n ge q u i p m e n tb yu s eo fs t ls o f t w a r e p r o g r a m m i n g t h em a i nt e c h n i c a l p a r a m e t e r s o ft h en e w e q u i p m e n t ：r a t i n gp o w e r l8 k w ， m i c r o w a v ef r e q u e n c y2 4 5 0m h z ，e r r o rm a r g i n 1 2 5m h z ，h e a r t hv o l u m el m 3 a st h e r e q u e s t so f t h ep a r a m e t e r s ，t h ee q u i p m e n tc a no n l yd r ys t a n d a r ds a n dm o d e l s b u ti ti sa n e wa t t e m p ti nt h ea p p l i c a t i o no fd r y i n gc r a f t ，p a r t i c u l a r l yi nn o r t h e a s ta r e at h e r ea r es o 沈盯l 业大学硕士学位论文 m a n yf o u n d r yf a c t o r i e s ，a n dn o wg o v e r n m e n ti sp u t t i n gf o r w a r d d e v e l o p i n go l di n d u s t r y i nn o r t h e a s t ”s t r a t e g y ，s ot h i sp a p e rw i l lh a v eav e r y b i ga n d a c t u a lm e a n i n g ， k e yw o r d ：m i c r o w a v e s a n d - m o d e lp l cs t l f u z z yc o n t r o l l e r 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阗l 学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：导师签名：日期： 沈目业人学硕十学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源及微波技术概述 随着党中央提出的“振兴东北老工业基地”的发展战略，在东北越来越多的工厂 实现了改制不仅在管理理念有了大的转变，在实际的生产技术上也是紧跟时代酊沿， 对一些陈旧的工业设备进行了改造和再利用，以便能够使大多国有大中型企业扭亏为 盈，从而带动整个东北经济的第二次腾飞。众所周知，东北作为我国的老工业基地有 许多机械加工行业，这些行业大多是建国之初创立的，很多加工设备都是从前苏联引 进的，至今还有一大部分在使用，由于设备老旧，效率低下，使得本来就利润不大的 机械加工：f 亍业面临倒闭的境况。国有企业倒闭会有一大批职工下岗。孰而间接带来了 很多社会阀题，所以重新振兴东北经济追在眉睫。铸造在机械加工行业中劳动强度大、 劳动环境差以及利润空间小，作为一项劳动密集型产业急需对其原有的加工设备进行 技术改造或是设备更新，只有这样才能使得铸造行业提高效率，提升产品质量，从而 走出目前的糟糕的境况。 目前，我国大部分铸造行业在砂型成型这项关键技术中仍然采用泪有的技术手段 和烘干设备，即普遍采用电炉烘干、燃料烘干等烘干工艺，其控制为简单电控系统， 由于采用了传统的中阳_ j 继电器控制，体积庞大、可靠性差、故障率高。在烘干过程中， 用户不能根据砂型的特点进行温度控制，这样不仅浪费能源，而且烘干时间长、砂型 易变形。此外，整个烘干系统还存在噪声大、污染环境的弊端。上述| 弊端不仅增加了 成本，而且影响了铸造产品的质量。砂型烘干过程中要求温度上升快，并保持在最高 温度一段时间，但实际中温度受很多因素影响，如炉内砂型的体积和水分含量、发热 量的控制等i 外部的温度、湿度、气压的变化。此外，由于砂型大小、体积的不同 这就很难在温控过程中建立精确的数学模型，从而不能运用传统的p i d 控制，对模型 很难确立的系统进行控制，最佳选择就是模糊控制。 因此。对现有的控制系统和烘干工艺进行技术改造，已经成为铸造行业共同追求 的目标a 本文采用西门予公司性价比很高的s 7 ，2 0 0p l c 作为核心控制部件，配以 t d 2 0 0 作为参数的设定和显示窗口，而且采用软件编程实现模糊控制器，降低了模糊 控制系统的成本，用户可根据砂型特点对烘干时间、烘干温度进行选择。同时采用微 波作为加热源，它具有节能、烘干快、无变形、无污染等优点。 沈刚f 业人1 # 硕十宁傅论文 从原理上况，造砂型烘干工艺过程的目的是对砂型进行脱水固化的过程。微波的 致热特性剐好是对水分子会产生是好的致热发挥作用；其反射性一方面保证了其屏蔽 技术的简单性，另一方面也提高了其电功率的利用效率；可透射性保证了不对砂型本 身产生任何破坏性结果。因此，微波的三大基本特性完全可以保证实施微波烘干技术 在原理上的可行性。 在技术上，微波技术问世于2 0 世纪3 0 年代，在通讯领域中率先得到应用。微波 技术早在二战结束不久就在工业上得到应用，1 9 4 5 年美国发布了利用微波加热的第 一个专利，1 9 4 7 年美国雷声公司研制出世界上第一台微波炉，当时仅限于工业应用。 1 9 5 5 年家用微波炉诞生于西欧，6 0 年代进入家庭。目前，微波炉在发达国家的普及率 已达到8 0 9 6 以上“1 。我国，1 9 8 0 年研制出第一批家用微波炉，可以说无论从关键技术 到整体技术、制造的技术水平已经达到或部分超过国际发达国家的水平。从微波加 热技术的自身说已经不存在任何技术问题，对本项目实施微波烘干工艺来说，在技术 上应该具有充分的可行性。 微波是指电磁波谱中位于红外线与无线电之间频率介于3 0 0 - - 3 0 0 0 0 0 m h z 的电 磁波。”。是一种特殊的能源。随着科学技术的发展对微波的热效应和微波能的应用 同益广泛。出于微波加热效果与分子极性有关，而表面活性剂即精细化工产品的重要 成份为同一分子中存在不同极性的两端的物质，所以这或许能让微波起到某种特别的 作用。在微波波段，材料的介质损耗增大，特别是含水分的材料对微波能的吸收非常 有效，从而使微波成为很好的加热手段。它具有效率商、透热深度大、加热迅速等一 系列优点。因此，微波加热和微波烘干f 广泛的应用于粮食、茶叶、卷烟、木材、纸 张、皮革、蚕丝、纺织、食品等工农业生产领域中。但在铸造砂型的烘干炉这方面， 大多铸造厂家应用传统的方法；用烧煤、烧油、烧液化气的热具，或是现代化的电气 热具，通过热传导和热辐射，由被加热物体的外部向里逐渐加热的。用微波对此烘干 还是初级阶段用微波代替煤、煤气或蒸汽进行加热或烘烤可以节约能源，提高生产 质量，改善劳动条件，便于实现生产自动化。所以在此方面应该有很大的发展空间和 市场潜力。采用高新技术改造传统的铸造砂型工业，加以用微波对其进行较彻底的烘 干，相信铸造工业的质量会有很大的提高。然而，微波作用原理的独特性和高效性以 及这种独特作用在实际应用中的有效性，已被各领域的研究者重视。但我们知道，至今 微波的高效和独特性还没有一个统一的理论解释”1 。尽管应用面广，但不能深入。特 沈h 业人学硕士学位论文 别在我国，理论研究几乎空白。要深入地应用和”发微波技术一l 确的理论指导是很重 要的，因此，理论研究非常必要。这在我国应浚引起关注。预计理论研究的突破性进展 将会带来真j 下意义上的微波技术应用的时代。 微波的加热原理。”：微波加热的物质又称介质。从分子结构米看分为两大类：一 类叫无极性分子，在无外加电场时，其内部的正负电荷中心重合：另一类叫极性分子， 电偶极子或偶极子，这种分子即使在外加电场时，内部的正负电荷中心也不重合。极 性分子在未加外电场时，排列是杂乱无章的，对外不显极性，如图1 1 所示。在有外 加电场时极性分子带正电的一端趋向电场负极，带负电的一端趋向电场正极。从而形 成一定程序的排列，如图1 2 所示；当外加电场消失后，极性分子又变得杂乱无章， 如图1 3 所示。在加反向电场时，极性分子则按相反方向有序排列。如图l 。3 所示。 若外加电场的极性反复变化。极性分子便跟着进行上述摆动，在摆动过程中，各相邻 极性分子闯将发生摩擦而产生热量，使得介质发热。 圈1 1 分子杂乱无章的捧列图1 2 分子有次序的捧列 图1 3 分子杂乱无章的捧列 图1 4 分子反向有次序韵排列 极性分予放到频率为2 4 5 0 m h z 的交变电场中，电场方向每秒变化2 4 5 亿次，则 极性分子也随之摆动2 4 5 亿次。摆动中极性分子之间互相摩擦，很短的时间内产 沈r l ? 业人1 ；：硕p 学能沦义 生足够的热量，从而加热烘干物。本系统就是利用了微波良好的致热特性，从而在铸 造砂型烘干过程中充分利用了这一点。 1 2 课题的目的和意义 目前。在我国的大部分铸造行业中，关键工序砂型烘干仍采用传统的烘于设备和 工艺，即电阻炉烘干，甚至在些中小型铸造行业中采用了窑烘干。在我们的市场调 研过程中走访了几家小型铸造厂，他们的砂型烘干就是采用了窑烘干，这种烘干方 法严重污染环境，工人的操作环境非常恶劣，这也间接影响了工人的工作积极性，而 且用这种方法烘干出来的铸造砂型次品率高，这是在我们的调研过程中工人师傅最头 疼的一个问题。有时候一窑砂型烘干出来，次品率达到7 0 ，最好的时候也才5 0 左右，铸造行业的人都知道，在砂型烘十过程中如果没有将砂型彻底烘干，那么砂型 中将含有气泡，在后续的工序中即注入铁水时将产生气隙，而这是绝对不允许的。所 以一旦出现气泡就等同于砂型变为次品，这也是烘干这道工序成为铸造行业中关键一 环的原因。 根据太多数铸造行业的反映，在南方一些微波研究机构和厂家合作已经研制成功 了微波烘干设备，用在了制药、食品和木材等烘干过程中，从使用上效果显著，效率 大幅提高。但用在机械行业中，尤其是铸造砂型烘干过程中的基本没有，而且南方一- 些厂家研制的微波烘干设备价格很高，一般在1 5 3 0 万元之间，这对大部分铸造行业 来说这显然不是一个合理的投资。由于他们研制的微波设备中。微波发生装雹直接采 用了研究机构的已成品，而且是采用了军用等级的元器件产品这无疑大大增加了成 本，从而使微波烘干设备价格居高不下。 本文研制的微波烘干设备中微波发生装霄是出我们自己没汁的，冗器件直接从厂 家买，而且是民用等级价格相对便宜，所以我们研制的产品有很高的性价比，大多数 铸造厂家可以接受。根据我们的市场调研， 普遍不是很好。所以这迫切需要技术改造。 到小型厂家的实际需求，炉膛设计为lm i ， 目前东北的铸造行业由于设备老旧，效益 由于是第一台设备，在研制过程中，考虑 同时也作为一台试验设备，在调试过程中 取得大量技术参数为以后研制做准备。我们采用西门予公司的2 0 0 系列p l c 作为核心 控制部件，并通过软件实现了模糊控制器，这就为砂型的烘干提供了最佳的控制方式。 在设备交付厂家试使用的过程中，砂型烘干效果理想，一炉砂型彻底烘干只需2 0 分 沈刚业人学硕+ 学位论文 钟左右，而之前j 家用的窑烘卜则需_ 【 j 几个小时的时川，在烘干后砂型的强度硬度都 达到了厂家要求，其中硬度项超过了传统的烘干工艺。但由于是第一台设备，在研 制过程中由于时问紧，也未与厂家及时沟通，所以在1 家使用过程中。提出了炉膛设 计的过小一次只能烘f4 - 8 个砂型，而且必须由工人用手来匹 搬动砂型，比较费时 厂家提出改进成隧道式的、传送带运送方式效果会更好。但总体上厂家对研制的微波 烘干设备还是基本满意的，而正如厂家所随机械结构设计方面还有待改进。目前，东 北有很多铸造行业，由于我国时下机床行业市场需求很大，从而带动了铸造行业的复 苏，所以本文所研制的新型、高效、无污染的微波烘干设备必有r 。阈的市场前景。 1 3 本课艟的内容 本文采用西门子公司性价比很高的s 7 - 2 0 0p l c 作为核心控制部件，配以t d 2 0 0 作为参数的设定和显示窗口，而且采用软件编程实现模糊控制器。降低了模糊控制系 统的成本。用户可根据砂型特点对烘干时问、烘十温度进行选掸。同时采用微波作为 加热源，它具有节能、烘干快、无变形、无污染等优点。 微波发生电路采用升压变压器先将2 2 0 v 交流升至2 4 0 q o v ：再通过三相桥式整 流、高压二极管、高压电容组成的倍压整流电路，使之稳定的接到硪控管的阳极，保 证其可靠工作；高压电容一般规格为1pf 2 1 0 0 v ，它的作用是避兔变压器次级高压绕 组直接通过二极管短路。本设备磁控管连续波工作模式。 在低压电路中，即变压器初级绕组侧，由保险丝、热断路器保护开关、三级连锁 微动开蓑、炉灯、定时器及功率调节器、升降转电机、风扇电机等级成。 结构里为正多面体，外为矩形双层不锈钢：磁控管安放在多面体的面上，每个磁 控管旁有一个红外检测装置和小风扇，j j 者根据砂型在炉内的位震决定是否接通磁控 管，后者给磁控管降温。砂型放置在可升降的托盘上，以便使加热更均匀。炉壁采用 凸起的设计。以更好的反射微波。炉内温度t 1 、砂型温度t 2 、磁拧管温度t 3 需要检 测。t 2 用红外检测，其值并不定是一个上限值，即砂型温度在。个什么范围内烘干 效果最好。需根据实验和具体砂型综合考虑，r 3 用普通温度传感器当达到上限值就立 即关断磁控管，t l 的检测关键是安放位置，考虑强磁场中温度检涮会受到的影响。 炉门采用高强度双层钢化玻璃材料，抗冲击性好，耐高温，不会因炉内外大的温 差而形变一中间夹有令属网起屏蔽作用，它的网孔大小必须经过严格计算得出，炉门 沈l ? 业人学硕十学位沦文 四周有钩状扼流槽它具有引导微波反转位相的作用，微波会被它逆向的反射波抵消使 微量渗透的微波返回炉腔或消耗，遮掩扼流槽的门缝可考虑添加吸收微波的材质，以 防万一 炉门连接三级联动开关：初级、次级开关、短路丌关。只甍- 于丁丌炉门初级 开关就会立即切断电源，如初级开关有不良动作，次级开关会起作用。万一它也不灵， 则短路开关短接低压电路，保险丝熔断，电源切断。 传统的微波加热是从不同的方向发射，要经多次反射，这样会产牛死角，均匀性 和热效率得不到保证。可考虑控制磁控管使它们在不同时间、以不阁相位发射，这样 就会产生类似球体的微波场。如果同时接通所有的磁控管，则有的微波会被它的反向 反射波抵消。热效率不是很好。 排风、排湿口在炉体上方，旁边有抽气风扇，窗口要经过严格测试不能让微波泄 露。磁控管用轴向能量输出器，即通过天线输出能量，天线可做成条状圆棒也可为锥 体。整个天线被输出窗密封。输出窗常用低损耗特性的玻璃或陶瓷制成。 控制面板j 二s w i t c h 总玎关指示灯：炉门安全关上亮，否则不亮ls t a r t 启动按 钮；p o w e r 功率调节区域：功率调节用来调节磁控管的平均工作时间( 即磁控管工作 和停止时间的比例) ，从而达到调节微波炉平均输出功率的目的。可设调整档位。每 次调节完后，保持上一次的工作模式。钢化玻璃炉门可看见炉内砂型的大体烘干程度， 以此选择功率档和定时t 。h i g h 高档：工作周期6 0 s ，开关4 5 1 5s ，红色指示灯： m e d i u m 中档l 工作周期6 0 s ，丌关3 0 3 0 s ，红色指示灯；l o w 抵挡：工作周期 6 0 s ，红色指示灯：t i m e 定时器：当选完某一档后，可设定工作时阐t 自动切断磁 控管电源，红色指示灯：p l c 在线可编程功率调节，0 - - - l o o 连续可调：w a r n 炉内 有无砂型指示灯： 不允许炉内没有砂型就开启设备；w a r n 泄露指示灯：在炉周围， 特别是炉门检测，国际严格规定微波泄露量不得大于5 m w c m 3 1 w a r n 炉门温度超限警 报灯：l o s 后，热断路器会自动切断电源；w a r n 砂型温度超限报警灯热断路器：l o s 后，热断路器会自动切断电源：w a r n 磁棒管异常报警灯；l o s 后，热断路器会自动切 断电源l s h o w 微波功率显示；s h o w 炉内温度显示；s h o w 砂型温度显示。 本设计的实验步骤是： 1 对铸造砂型烘干炉进行基本电炉设计： 2 按照上述控制面板的叙述，编制可编程控制器( 西门予s 7 2 0 0 ) 的控制程序； 3 参与样机的设计、制造、调试。 沈1 业大学硕十学位论文 理论研究的数据模型同对样机实验数掘对比柬对样机进行进步的完善直至符 合厂家的要求，从实际效果出发对一些技术上的问题加以修正。 在设计中主要的困难t 一般工业上广泛采用的微波频率为2 4 5 g h z ，它不可能穿 透人体损伤内部器官，但它对人的没有血管散热的眼睛水晶体和睾丸这样对辐射敏感 的器官在常时间的微波辐射下也会造成伤害“1 。所以检验它的泄漏应该是个很重要 的步骤；另外对炉内温度r 1 1 的检测安放的位置是垒关重要的一点还是多点检测也给 我们提了一道难题；还要考虑强磁场中对温度检测所受到的影响等等问题都需要我们 在今后的一段时间幂去思考，去解决。 沈队i 业人学硕十学位论文 2 微波烘干系统结构组成及设计 2 1 概述 考虑到微波的传输特性，在炉体的设计上采用外形呈正四方体，炉内腔体呈正六 边形。在内腔体六面的每一个面上都安装有上下三排磁控管，共1 8 个。所发出的微 波经过矩形波导经谐振窗投射至炉膛内。由于微波遇到金属面时会反射，而遇到非金 属物体则会被吸收，所以炉膛壁采用不锈钢制作，这样可以更好的反射从对面炉壁卜 发射过来的微波。正对炉门的面七丌有排气门和进气门，同时在炉顶安装有温湿度传 感器，以便用户能及时了解炉内的工作状态，它们通过t d 2 0 0 来显示。系统的控制 部分被安装在炉体的后面板上，包括控制器s 7 2 0 0 。控制磁控管关断的继电器，报 警电炉，风扇以及直流电源。在炉体的右面板上安装控制面板，其上有各操作按钮和 指示灯。整个炉体分为内外两层，里面呈征六边形，外呈四方体型。 2 2 各缉成元器件的结构和原理 2 2 1 微波擞生装置磁控管 磁控管种类有脉冲磁控管和连续波磁控管两种”1 。前者在两极l l l j 加上脉冲高压， 可产生脉宽为几微秒，功率为一百千瓦的高频脉冲，工作时对它的振荡频率的稳定性 要求较高，且频率应可调，此种磁控管主要用于雷达发射机。后者在两极上加有直流 高压可连续输出微波，对此类管的频率稳定性要求低些但对效率要求较高( 百瓦级 6 0 7 0 ，千瓦级8 0 以上) 且要求抗过载能力强。 磁控管的外形如图2 1 所示，其结构示意如图2 2 所示，主要由管芯和磁铁组成。 1 天线2 垫圈3 冷却翅片4 底盘5 灯丝端子 图2 1 磁控管外形图 1 0 沈i 、【k 人。产琐i 。导， 硷史 电楹 阁2 2 磁控管结构示意图 管芯由灯丝、阴极和微波能量输出器缀成。 灯丝采用钨丝或纯钨丝烧制成螺旋状，其作用是用来加热阴极。灯丝在冷态时阻 值很小，采用限流措施将浪涌电流限制在规定数值之内。 阴极采用发射电子能力很强的材料制成。分为直热式( 阴极和灯丝合为一体， 需l o s 2 0 9 的延时就可以加阳极电压工作) 和间热式( 阴极做成圆管状，灯丝安装 在圆筒内。加热灯丝间接加热阴极而使其发射电子) 阳极采用孑l 檀式和扇形式，用无 氧铜制成。用以接收发射电子，阳极块上的腔1 ：3 对着阴极( 偶数) 。 微波能曩输出器( 高频能量输出器或天线) 其作用是将磁控管产生的微波能量藕 合出来，再通过波导输送到负载上。供给与阳极轴线平行的强磁场用永磁铁制成。 工作原理是在磁控管熊阳强与掰极之间加上一定的直流电压。阴极发射的电子受 阳极_ i f 电位的影响则飞向阳极，但因空问存在方向与电场垂直的磁场因而电子在磁 场力和电场力的作用下做轮摆运动，因阳极谐振腔内存在高频电场，因而就形成绕阳 极旋转的“电子云”。当“电子云”的旋转速度与高频磁场同步对，电予则会将所有 的能量交给高频磁场，从而维持高频振荡。 工作特性如强2 3 所示。 沈川一业人学硕十学位论文 主 三 董 哥 章 嚣 秘 u t 鬻 挥 兰 姆 霸 争 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 9 ， 9 0 8 0 0 。一 8 0 ，7 6 0 0 7 0 一 4 0 0 ， 6 0 z 2 0 0 5 0 r 均| j l _ | 扳也赫cl b ( m ad c ) 图2 3 工作特性曲线 2 4 4 0 菊 至 ： * 骚 2 2 2 激发毫路高压变压器 高压变压器又称高压稳压器、漏感变压器，主要出铁芯和绕组两大部分组成，其 结构和外形分别如图2 4 所示”。 1 初级绕组：2 磁分路插片：3 高压输出端；4 次级高压蛹鲷 5 次级铂丝绕组：6 电源输入端 图2 4 高压变压器的结构 高压变压器一般有3 个绕组：初级绕组、灯丝绕组和高压绕组。在此部分的初级、 次级和灯丝三个线圈分别绕在中间芯柱上，如图2 5 所示；当初级绕组加上2 2 0 v 交 流电压，灯丝绕组便产生3 4 v 左右的交流电压，供磁控管灯丝加热用，同时，高压 1吲1j吲|1o 沈叭i 业入学硕十学位论文 绕组产生2 0 0 0 v 左右的高压交流电，倍压整流后，) j l l 至, j 磁控管两极，提供个4 0 0 0 v 左右的直流负电压。 j 23456 1 、2 ，次级高压绕组；3 、4 灯丝绕组； 5 、6 初级绕组；7 ，铁芯；8 漏磁铁芯 圈2 5 高压变压器电气原理图 高压变压器体积小、容量大，其磁通密度很高，有的高达1 9 下。空载电流达到额 定电流的2 5 左右，不仅使铁芯材料得到充分利用，同时也大大减少了变压器的用铜 量。在风冷条件下，变压器的温升般要超过1 0 0 c ，为此变压器耐热等级一般采用 h 级设计( 耐热1 8 0 。c 以上) 初级、次级、线圈采用h 级绝缘的自牯性漆包线。 变压器的初级工作在磁非饱和区。在变压器磁通密度接近饱和磁通密度的情况 下。当初级线圈的电压高于额定电压时，增加的磁通大部分不与次绒线圈交链而通过 漏磁铁芯。初级线圈的电压越商，通过的漏磁铁芯的磁通越多。此蚌寸次缴线圈的磁通 无显著增加，感应电压也无显著增加：反之当初级线圈的电压低于额定电压时，次级 的感应电压也无显著减少。这就是变压器的稳压特性。 当变压器的输入电压在1 0 的额定电压范围内波动时，输出电压仅有跳范围的变 化，这种优寝的电压适应性为磁控管提供了稳定可靠的阳极电压( 2 1 0 0 v ) 和灯丝电 压( 3 2 v ) 。这种特性可以在相当宽的变化范围内保持磁控管的正常工作。 2 3 系统硬件组成原理 2 3 1 砂型传动装置 为了更好的烘干砂型。炉膛内设有四个小转盘，在一大转盘上分别以一定的转速 沈阿ii ：业人学硕十学位论文 旋转，这样砂型放上以后可以使微波全方位的烘干从而使砂型烘干更均匀，更彻底。 由于砂型大小长短不一，所以如果转盘转的过快那么砂型在烘干过程中将会不稳，在 调试过程中，我们采取了首先用一变频器控制转盘电机的转速，通过不断调整频率使 转速达到最理想的状态，即不管砂型大小如何在旋转过程中都能始终保持稳定，只有 这样才可以保证烘干效果。 考虑到成本问题，实际上我们采用了齿轮减速装箴来代替变频器，这是完全可 以的，通过试验转速在t s r m i n 左右。通过采用齿轮减速不仅降低了成本，而且简化 了系统的操作复杂性，利于实际工人的操作。 2 3 2 系统电路设计 系统的电路设计框图如图2 6 。 磁托管通断控制，i8 l l 冷却风崩，6 组 排气风扇 底盘电机1 5 5 0 w 报警铃，报警灯 状态指示灯 r s 4 8 5 c p u 2 2 4 + e m 2 2 2 x 2 i e m 2 3ik一1 ) ft d 2 0 0 启动开关翰入 j jl 踌强度接畏i 输入 停止开关输入 | | 2 路温度检测输入 强度选择开关输入，3 档l 炉门开关输入i 报警复位输入i 娥榨智温度榆涮输入，6 组i 图2 6 系统框图 在图2 6 中控制部件$ 7 - 2 0 0 扩展了一个模拟薰模块e m 2 3 1 ，系统的参数输出和 设定通过文本最示器t d 2 0 0 来实现，t d 2 0 0 与s 7 2 0 0 通过r s 4 8 5 连接。作为微波发 生器件磁控管的连接电路十分重要，因为电路中有高压变压器电压达到4 0 0 0 v 左右， 所咀在设计时要注意这一点。磁控管的连接电路如图2 8 所示。 沈日ii 业人学硕七学位论文 按钮 选择开关 限位开关 电垤 图2 7 可编程控制器硬件结构组成 接触毒 电磁阀 指i 啊 毫糖 在控制方面我们用的是可编程控制器( p l c ) 它是以计算机技术为核心的通用自 动控制装置。在工业生产中得到广泛的应用。对于我们的微波烘干炉的基本控制， 我们选用了西门子公司的s 7 2 0 0 系列小型可编程控制器。它的功能强、性能价格比 高，深受国内用户的欢迎。随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算 机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。在此之中可编程控制器是应用最广、功能强 大、使用方便的通用工业控制装置，它已经成为当代工业自动化2 _ - - ”3 。 本课题采用西门子公司的s 7 2 0 0 进行控制微波烘干设备，通过t i 雄0 0 适时的显示设 备的运行状态。便于操作人员根据炉内具体情况做出判断。 图2 8 磁控管连接电路 芎 i 完日l ：业人学硕十学位论文 可编程控制器主要由c p u 模块、输入模块、输出模块和编程装臀组成( 见图2 ，7 ) 。 对于本文所采用的c p u 2 2 4 主要技术指标特性如表2 2 ”1 。 用户选用具有不嗣i o 点数的数字量扩展模块，可满足不同的控制需要，= 节约投 资费用。s 7 - - 2 0 0 c p u 有一定数量的本机i o ，本机i o 有固定的地址。可用扩展i o 模块来增加i o 点数，扩展模块安装在c p u 模块的右边，其i o 点的地址出模块的类 型和模块在同类i o 模块链中的位置来决定。c p u 分配给数字量i o 模块保留字节中 的末位。可像内部存储器标志位那样来使用它们。对于输入模块，每次更新输入时部 将输入字节中未用的位清零，因此不能将它们用作内部存储器标志位。模拟量扩展模 表2 2c p u 9 2 4 主要技术指标特性 外形冗寸m m1 2 0 5 x g o x 6 2 本机数字蛩i o1 4 入l o 出 最大数字鬣输入输出9 4 入7 4 出 晟火模拟螭输入输出2 8 入7 出或1 4 出 程序空间( 永久保留)4 0 9 6 字 用户数据存储器2 5 6 0 字 扩展模块7 个 数字晕i o 映像区2 5 6 模拟最i o 映像区3 2 a i 3 2 a 0 超级电容数据后备典型时间1 9 0 h 内置高速计数器6 个，每个3 0 k h z 高速脉冲输出2 个( 2 0k h z ) 模拟晕调节电位器2 个8 位分辨率 脉冲捕捉1 4 个 实时时钟有 r s 一4 9 f i 通信口i 2 4 vd c 电撵c p u 输入电流最大负载 1 2 0 m a 9 0 0 m a 2 4 v c 电源c p u 输入电流最大负载3 5 m a 2 2 0 m a 2 4 vd c 传感器电源擐火电流j ；扛流限制 2 8 0 m a 6 0 0 m a 为扩展模块提供的d c5 v 电源的输出电流最大6 6 0 m a 各组输 的点数8 ，6 各组输出的点数 5 ，5 ( d c 电源) 4 ，3 ，3 ( a c 电源) 5 5 ( 2 时公共端输出电流总和( 水平安装) 3 7 5 a ( d c 电源) 8 a ( a c 屯源) 块以2 字节递增的方式来分配地址。 微波烘干炉i o 分配如表2 3 。 c p u 2 2 4 的i o 地址分配如表2 4 。 沈刚 ：业人学硕十学位论文 塞! ：! 一! 唑型茎 一 一 一档i o 2 最底一层磁控管开 停l r 1 0 1停i r 按钮的常| ：d 触点 四档 1 05 烘干强度4 档常开触点 二档1 0 ，4 = 层全开 启动 1 0 0 启动按钮的常开触点 二档 1 0 3最底一层和中间层开 炉开关 1 0 6炉r j 限位开关，门关即合 报警复位 i o 7 笑闭报警铃，使之复位 管l 组 1 1 0磁控管1 缀温度控制常开触点 管2 组1 1 1磁控管2 组温度控制常开触点 管3 组i i 2磁控管3 组温度控制常开触点 管4 组 i i 3 磁控管4 组温度控制常开触点 管5 组1 1 4磁控管5 组温度控制常开触点 管6 组1 1 5磁控管6 组温度控制常开触点 k a i0 0 0控制磁控管i 的中间继电器 k a 2q o 1控制磁控管2 的中间继电器 k a 3 0 0 2控制磁控管3 的中间继电器 k a 40 0 3控制磁控管4 的中间继电器 k a 5 q o 4控制磁控管5 的中间继电器 k a 6q 0 5 控制磁控管6 的中间继电器 k a 7 q o 6控制磁控管7 的中间继电器 k a 8q o 7 控制磁控营8 的中间继电器 k a 9q 1 0 控制磁控管9 的中间继电器 k a i o q 1 1控制磁控管1 0 的中间继电器 k a l l 0 2 0控制磁控管l l 的中间继电器 k 1 2 0 2 1控制磁控管1 2 的中间继电器 k a l 3 q 2 2 _ 控制磁控管1 3 的中间继电器 k a l 4 0 2 3 控制磁控管1 4 的中间继电器 k a l 5 q 2 4控制磁控管1 5 的中间继电器 k a l 6 0 2 5 控制磁控管1 6 的中间继电器 沈i 业人学侦十学位论文 k a l 7 k a l 8 扇1 组 扇2 绲 扇3 组 扇4 组 扇5 组 扇6 组 ( 续) q 26 q 2 7 q 3 0 q 3 1 q 3 2 q 3 3 q 3 4 q 3 6 控制磁控管l7 的中间继电器 控制磁控管1 8 的中间继电器 冷却风扇l 组， 冷却风扇2 组， 冷却风扇3 组， 冷却风扇4 组， 玲却风扇5 组 冷却风扇6 绲， 给磁控管卜3 强制风冷 给磁控管4 6 强制风冷 给磁控管7 - 9 强制风冷 给磁控管1 0 - 1 2 强制风冷 给磁控管1 3 - 1 5 强制风冷 给磁控管1 6 1 8 强制风冷 排气扇q 3 5每次系统启动即开系统关闭后延时一段时间后关 报警铃q 3 7设定的参数超限拄口报警直至复位 模拟入l a i w 4四路温湿度模拟鼙输入 c p u 2 2 48 输出8 输出4 a i 1 0 0 q o 0 0 2 00 3 0a l w o 1 0 ，1q 0 ，1q 2 iq 3 a l w i 1 0 2q 0 2 q 2 2q 3 2 a l w 2 0 2 33a l w 3 q 2 4q 3 4 q 2 5 q 3 5 q 复5q 3 6 1 1 5 q 1 1 q 2 7q 3 7 2 3 3 系统保护电路 为了保证使用者用电安全和防止微波泄漏，在炉门上增加连锁开关。当炉门未关 好或处于丌启状态时，烘干炉不能启动工作。以确保使用者人身安全。其电路如图 2 9 所示。 高压电容的作用：高压电容又称高压谐振电容，耐压3 0 0 v 以上，容量一般取0 6 pf 1 2 “f 。高压电容器的高压端、高压电容器、高压二极管( 耐压万伏以上，额 定电流1 a ) 组成半波倍压电路，起整流作用。作用是将高压交流电变成高压直流电， 为磁控管提供直流电压。此外由于该电容的补偿作用，使微波炉整机功率因数高达 9 5 以上。 热继电器装在磁控管的外面，串接在变压器的初级电路中，以控制输入电路。主 沈刚f 业火学硕士学位论文 要由磁铁、绕组和触电组成，通过它来控制电源变压器、搅拌器电机和炉腔内