毕业设计（论文）-基于KMM控制器的电阻炉恒功率控制系统设计

西安理工大学 存档编号 存档编号 西安航空技术高等专科学校西安航空技术高等专科学校 毕业 课程 设计说明书毕业 课程 设计说明书 设计题目 设计题目 基于基于 KMMKMM 控制器的电阻炉恒功率控制系统设计控制器的电阻炉恒功率控制系统设计 系别 系别 电气工程系电气工程系 专业 专业 电气自动化电气自动化 班级 班级 电气电气 1131 姓名 姓名 共 共 页 页 西安理工大学 1 2011 年年 05 月月 30 日日 西安理工大学 2 基于基于 KMMKMM 控制器的电阻炉恒功率控制系统设计控制器的电阻炉恒功率控制系统设计 摘要摘要 本文主要完成了运用 KMM 控制器实现硅酸铝耐火纤维生产电阻炉的熔穴功率控制硬件 系统的设计 文章分为三部分 分别是对硅酸铝耐火纤维知识背景的介绍 控制器的简单 介绍 硬件各部分电路设计 其目的就是设计一种电阻炉恒功率控制系统 使其投入费用 低 操作简单 实现方便 控制精确 能有效解决电阻炉恒功率控制问题 整个系统由 KMM 控制器 移相触发电路 双向可控硅 整流桥 熔炼变压器 功率测量单元组成 通过本文 读者将对工业过程控制系统有一定的认识 同时了解一些重要的电路与元 件 最重要的是掌握 KMM 控制器在生产过程中的应用 关键词 控制器 硅酸铝耐火纤维 电阻炉恒功率控制 西安理工大学 3 The resistance furnace KMM controller based on constant power and control system design A bstract This paper mainly done using KMM controller realize guisuanlu refractory fiber production resistance furnace of melting point power control hardware system design The article is divided into three parts it is respectively for guisuanlu refractory fiber knowledge background introduction the simple introduction of KMM controller hardware parts circuit design Its purpose is to design a kind of resistance furnace constant power control system make its investment simple operation low cost convenient and accurate realization can effectively solve the resistance furnace constant power control problem The whole system consists of KMM controller phase shifting trigger circuit bidirectional thyristor rectifier bridge smelting transformer power measurement unit Through this paper readers will to industrial process control system has a certain understanding and understand some important circuit and components the most important is master in production process of KMM controller is applied Keywords KMM controller aluminum silicate refractory fiber resistance furnace the constant power control 西安理工大学 4 目录目录 1 绪论绪论 4 1 1 引言 4 1 2 控制方案的选择 4 2 KMM的简介的简介 5 2 1 KMM 的简单介绍 5 2 2 KMM 可编程控制器的硬件结构 5 2 3 KMM 控制器的接线 6 3 硬件系统的设计硬件系统的设计 9 3 1 熔穴功率控制框图电路框图和原理图 9 3 1 1 具体连接过程 9 3 1 2 电阻炉的具体工作过程 10 3 2 移项触发电路 10 3 2 1 芯片介绍 10 3 2 2 原理图 13 3 2 3 主要设计特点和参数限制 13 3 2 4 KJ006 的波形图 14 3 3 磁性调压电路及整流单元 14 3 3 1 双向可控硅 14 3 3 2 交流调压器 15 3 3 3 整流电路 16 3 4 磁性调压器 16 3 4 1 用途及型号含义 16 3 4 2 工作原理 17 3 4 3 型号选择 18 3 5 功率测量及 I V 转换电路 18 3 5 1 PWT 有功功率变换器 18 3 5 2 互感器的选择 19 3 5 3 I V 转换电路 20 结束语结束语 21 西安理工大学 5 1 1 绪论绪论 1 11 1 引言引言 硅酸铝耐火纤维是工业炉窑的主要保温材料 它有容量小 绝热性好 抗热震性能强 等特点 是工业炉节约能源的有效炉衬材料 因而在世界范围得到广泛应用和发展 近年来 我国对耐火纤维的生产和应用 科研各个方面都有较快的发展 耐火纤维在 我国的机械 冶金 石油化工 造纸等工业部门得到广泛推广和应用 目前其生产耐火纤维主要采用电弧炉和电阻炉两种方式 其中以电阻炉生产的纤维棉 质量较高 在耐火纤维生产中较多采用 两者相比 电阻炉法流股稳定 电耗低 连续运 转时间长 纤维质量好 噪声小 就负载特点而言 电阻炉的起弧过程比较复杂 冲击电 流大 功率调节到熔穴的变化 负载的改变 惯性时间常数大 其功率的控制品质对提高 产品产量和质量具有重要的意义 本论文主要就是设计一种电阻炉恒功率控制系统使其投入费用低 操作简单 实现方 便 控制精确 能有效解决电阻炉恒功率控制问题 1 21 2 控制方案的选择控制方案的选择 耐火纤维的生产主要原料是焦宝石 固体状态下的焦宝石是不导电的 而液态下的 焦宝石是导电的 因为存在大量的自由离子 利用这个特点 在电路中用三根端点互相靠 近的三相电极 几何位置成 120 端点之间可加一层薄的低熔点的金属片 通电后 电 极端头产生电弧放电 电极附近的焦宝石粉粒由于瞬间的高温而融化 从而形成导电熔穴 随着熔穴的面积渐渐增大 适当的将三电极向外拉 使熔穴范围随之扩大 当融化量与引 流量达到平衡时 熔穴不再扩大 从而形成一个熔化结合引流的连续生产过程 在此生产 过程中保持连续溶解和连续吹棉的先决条件 一是有足够的稳定的熔穴 二是电机单位时 间内熔融的料与流股流量的平衡 确保这两个条件的关键是流股流量的控制 保证熔融的 料与流股流量平衡 就是要保证电阻炉输出热量与输入热量平衡 于是选择电阻炉的功率作为被控参数 通过一个单回路定值控制系统对其进行自动 控制 整个系统由 KMM 控制器 移相触发电路 双向可控硅 整流桥 熔炼变压器 功率 测量单元组成 西安理工大学 6 2 2 KMMKMM 的简介的简介 2 12 1 K K 的简单介绍 的简单介绍 KMM 是 DK 系列可编程数字式控制仪表 它与模拟调节器相比有如下主要特点 与模拟仪表兼容 KMM 可编程控制器为盘装式仪表 其面板大体同模拟控制器相 似 既有模拟显示又有数字显示 其外形结构 电源 接线端子等均保留了模拟调节器的 特征 使用操作方法也同模拟仪表类似 具有极其丰富的运算 控制功能 KMM 控制器具有 30 个运算单元 运算模块 和 45 种运算式子 即 45 种子程序 其功能均依靠软件来实现 大部分程序固化于系统 ROM 中供用户选择 除 PID 控制外 能实现前馈控制 采样控制 选择性控制 时延控制和自 适应控制等 具有通信功能 KMM 可编程控制器可通过通信接口挂到数据通道上与个人计算机 PC 操作站 上位机或集散控制系统进行通信 以便实现中 大规模的分散控制 集中 监视 操作和现代管理 具有通用性强 可靠性高 使用维护方便的特点 输入输出采用国际标准信号 4 20mADC 1 5VDC 用户编程采用 POL 语言 这对不懂计算机语言的人来说 只要稍 加培训就可掌握编程方法 易于技术改造 使用十分方便 2 22 2 KMMKMM 可编程控制器的硬件结构可编程控制器的硬件结构 KMM 可编程控制器由硬件和软件两部分组成 这里着重介绍 KMM 硬件结构 图 2 1 所示为 KMM 可编程控制器硬件构成原理框图 它由 CPU RAM ROM 输入 输出 接口等硬件组成 下面就其作简要说明 CPU 是该仪表的核心 采用 8 位微处理器 它接受指令 完成数据传送 运算处理和 控制功能 他通过总线与其他部分连在一起构成一个系统 系统 ROM 存放制造厂家编制好的系统程序 一般用户是无法改变的 其容量为 10KB 用来管理用户程序 通信 子程序 人机接口等程序或文件 RAM 存放调节器运行中可以修改的参数 存放通信 显示数据及运算时的中间数据等 监视定时器 WDT 用来监视调节器的运行状态 一旦 CPU 异常立即用软件使其暂停 并发出报警信号 使调节器从自动转入手动操作 模拟量输入电路由缓冲器 A D 等组成 1 5VDC 的输入信号 共 5 点 经缓冲后在 西安理工大学 7 CPU 的控制下 由多路开关输入 A D 转换成数字量信号 模拟量输出电路由 D A 转换器 多路开关和保持器等组成 数字信号经 D A 转换输出 1 5V 3 点 和 4 20mA 点 模拟信号 同时还输出 PV SP 模拟电压至面板 供测量和给定值显示用 V I 转换器将 1 5V 信号转换成 4 20mA 信号 数字量输入电路将面板按钮及 5 点外部数字信号经晶体管阵列转换成能被 CPU 接受 的数字信号后 通过门控电路送至输入接口 数字量输出电路将来自输出接口的数字信号先送至锁存器 再经驱动送至外部开关 电路 输入 输出 I O 接口由软件设定其工作方式 可分别作为 D A 的输入口 数字信 号的输入口和输出口 还输入和输出各种逻辑信号 图 2 1 2 32 3 KMMKMM 控制器的接线控制器的接线 可编程序调节器 KMM 型 是在分散型数字控制系统中将功能的分散度分散到了一个 回路单位的一种数字调节器 它是在 PID 调节器的功能上再加上好几个辅助演算器的功能 并将它们都装到一台仪表中去的一种小型面板式控制仪表 这种控制器与以往传统的控制 器具有同样的操作性 且其控制参数等能以数字值进行高精度设定 西安理工大学 8 1 1 KMM 控制器的外部信号连接端子 如图所示 图 2 2 里面端子 2 KMM 的端子和信号表 端子符号 用途 1 24v 仪表主电源 端 2SM 24V 备用手动单元电源 端 3AO1 I 4 20mA 电流输出 4 AO1 I 4 20mA 电流输出 5AO1 V 1 5 V 电压输出 6AO1 V 1 5 V 电压输出 7AO2 1 5 V 电压输出 8 AO2 1 5 V 电压输出 9AO3 1 5 V 电压输出 10AO3 1 5 V 电压输出 0 V 120 V 电源公共端 DO1 3 S 13D O 2 数字输出 2 14D O 3 数字输出 3 西安理工大学 9 表 3 1 端子号 信号名称对照表 15D O 1 数字输出 1 16 S 备用工作方式 17SM PV 用于备用手动单元的 PV 18SM PV 用于备用手动单元的 PV 19 不用 20 不用 21GND 地 22 不用 23AIR1 1 5 V 电压输入 24AIR1 1 5 V 电压输入 25AIR2 1 5 V 电压输入 26AIR2 1 5 V 电压输入 27AIR3 1 5 V 电压输入 28AIR3 1 5 V 电压输入 29AIR4 1 5 V 电压输入 30AIR4 1 5 V 电压输入 31AIR5 1 5 V 电压输入 32AIR5 1 5 V 电压输入 330 V 公共端 INT K DI 1 4 34D I 1 数字输入 1 35D I 2 数字输入 2 36D I 3 数字输入 3 37INT K 外部连锁信号 38D I 4 数字输入 4 39 不用 40 不用 41 不用 42 不用 43 不用 44 不用 西安理工大学 10 3 3 硬件系统的设计硬件系统的设计 3 13 1 熔穴功率控制框图电路框图和原理图熔穴功率控制框图电路框图和原理图 图 3 1 熔穴功率控制电路结构框图 西安理工大学 11 图 3 2 熔穴功率控制电路的原理图框图 1 具体连接过程 图中熔炼变压器由三台调磁变压器构成三相变压器组 容量为 3 125 375KVA 由 10KV 电网供电 磁性调压器的三个输出端分别与电阻炉的三相电极相接 图中 CT PT 和 MORE 工业公司生产的交流电力变换器 PWT 构成功率测量电路 包括对磁性调压器和电阻炉 三相电极间所连接的供电短网中的电流和电压分别进行检测的电流检测单元和电压检测单 元以及 I V 转换电路 电流检测单元 电流互感器 CT1 和 CT2 对磁性调压器所输出的 a 相电流和 c 相电流进行实时检测 电压检测单元 电压互感器 PT1 和 PT2 对磁性调压器 所输出的 a 相线和 c 相线进行实时检测 KMM 控制器的输出经双向 SCR 移项触发电路 CF 产 生移项触发脉冲 作用于双向 SCR 的控制极 构成交流调压器电路 其中 UT UP 分别为 CF 的同步电压和偏移电压 移相触发器的一个输出端经电阻 R0 后接双向可控硅 SCR 的控 制极 G 双向可控硅 SCR 的交流调压 T1 极单相桥式整流电路的一个器输入端 T2 极和单相 桥式整流电路的另一个输入端分别接在 220V 单相交流电的两个输出端 I V 转换电路有运 算放大器和电阻 R4 和变阻器 R5 组成 PWT 型交流电力变换器的输出端经电阻 R4 后接运算 放大器 A 的正向输入端 运算放大器 A 的正向输入端经变阻器 R5 后接地 运算放大器 A 的 反向输入端 与其输出端相接 西安理工大学 12 2 电阻炉的具体工作过程 电流检测单元和电压检测单元将对磁性调压器和电阻炉三相电极间所连接的供电电网 中的电流和电压进行检测 并将检测到的信号同步传送至 PWT 型交流电力变换器 PWT 型 交流电力变换器将所接受的电流和电压信号转换为有功功率值并最终调整转换为 4 20mA 的 标准电流信号输出 之后通过 I V 转电路换将 PWT 型交流电力变换器所输出的 4 20mA 的标 准电流信号转换为 1 5V 的电压信号并送至 KMM 可编程控制器 KMM 可编程控制器 将功率 检测单元实时所检测的功率参数与预设恒功率控制参数值进行比较判断并相应对移向触发 器进行控制 之后通过移向触发器对双向可控硅进行一向控制控制且再相应通过双向可控 硅对整流电路进行控制最终达到通过调整所述直流激磁电流值大小相应对电阻炉三相电极 的输出功率进行控制调整的目的 3 23 2 移项触发电路移项触发电路 1 芯片介绍 图 3 3 芯片管脚图 主要适用于交流供电的双向可控硅或反并联可控硅线路的交流相位控制 能由交 流电 网直接供电并无需外加同步信号 输出变压器和直流工作电源 并且能直接与可控硅控制 极直接耦合触发 具有锯齿波线性好 移相范围宽 控制方式简单 有失交互保护 输出 西安理工大学 13 电流大等优点 是交流调光 调压的理想器件 同样也适用于半控或全控桥式线路的相位 控制 也可直流供电使用 KJ006 是由同步检波 锯齿波形成电路 电流综合比较放大电 路 功率放大电路和失交保护电路等部分组成 外电路接线如图所示 锯齿波斜率决定于 R7 RP1 和 C1 的数值 对不同的电网电压 KJ006 电路同步限流电阻 R 的选择按下式计 算 下表是 KJ006 的引脚名称 功能及用法 引脚 号 符号名称功能或用法 1Vp 参考电压输出端 自生电 源 该端是工作电源经内部的两个稳压管稳压 后的输出 2Lj1 失交保护信号端与引脚 12 相连 3Nc 空脚悬空 4Ct 锯齿波电容连接端通过电容值为 0 47 f 的电容接地端 5Rt2 锯齿波斜率电位器连接端通过一可调电位器与一固定电阻的连接网 络接的工作电源 6Vk 移相电压输入端接移相电位器的中点或控制系统调节器输 出 7GND1 工作电源参考地端接用户电源地端 8GND2 脉冲输出功率放大晶体管 发射极端 接于用户系统地端 9Q0 脉冲输出端通过一电阻接晶闸管门极或脉冲变压器一 端 10Rw 脉宽电阻及微分电容连接 端 通过一电阻接工作电源 并通过一电容接 引脚 13 西安理工大学 14 表 3 1 KJ006 引脚名称及用法 2 原理图 KJ006 的内部结构和工作原理如图所示 由图可见 该电路有同步检测 锯齿波形成 电路 移相电压和锯齿波电压综合比较放大电路 功率放大电路及时交保护等部分构成 它的工作原理可简述为 锯齿波斜率决定于 R7 RP1 及 C 的数值 锯齿波的斜率由引脚 5 的外接电位器 RP1 来调节 锯齿波与引脚 6 引入的移相控制电压进行比较放大 由外接 R3 C2 微分 脉冲宽度由 R5 C2 的值决定 再经功率放大由引脚 9 输出 能够得到 200mA 的输出负载能力 当来自比较放大单微分触发脉冲给晶闸管时 从引脚 14 得到的检测信号 通过引脚 11 和引脚 12 的连接使引脚 9 又输出脉冲给晶闸管 这样对电感性负载是非常有 利的 此外也能起到锯齿波与移相控制电压失交的保护作用 如果单纯为了失交保护 从 引脚 2 也可输出失交脉冲 将引脚 2 和引脚 12 相联接也能起到失交保护作用 11M 失交保护信号输出端与引脚直接连接进行失交保护 此时引脚 2 悬空 12Cc 失交保护信号公共连接端使用中接引脚 11 和 2 13Cw 脉宽微分电容连接端通过电容连接到引脚 10 14Vw 失交保护测量电压输入端在使用交流电网直接供电时 接交流的电 网两分压电阻的中点 在使用直流电源时 悬空 15Rt1 同步信号输入端在使用交流电网直接供电时 通过一电阻 接电网 16Vdd 电源端提供工作的电源 在使用交流电网直接供 电时 接交流电网的一端 西安理工大学 15 161514139101112 87654321 KJ006 R3 100K R4 30K KS50A 220V R2 51K R1 3K VD1 2CZ82H C2 0 01 R8 12K R5 47K R6 47K RP1 22K R7 39K C4 100 C1 0 47 C3 0 1 图 3 4 KJ006 移相触发电路 3 主要设计特点和参数限制 主要设计特点 a 移相脉宽度好 对同步电压要求低 b 移相线度好 c 输出脉宽可人为调节 给使用带来极大的方便 主要参数和限制 a 电源电压 交流电网直接供电时 自生直流电源电压为 12 14V b 电源电流 12mA c 同步输入端允许最大电流 6mA d 移相范围 170 同步电压 同步输入电阻 e 同步电压幅值 10V 有效值 f 移相输入端偏置电流 10 A g 输出脉冲宽度 tw 100 s 200ms h 输出脉冲幅值 13V i 输出脉冲最大负载能力 200 m 4 KJ0064 KJ006 的波形图的波形图 西安理工大学 16 图 3 5 KJ006 的波形图 3 33 3 磁性调压电路及整流单元磁性调压电路及整流单元 1 双向可控硅 双向可控硅元件 又称双向晶闸管 它是可控硅的主要派生元件之一 可控硅本质 上是一种直流电力元件 在用于交流电力控制时 需要用一对反并联的可控硅 而双向可 控硅具有正反两个方向都能控制导通的特性 而且又有触发电路简单 工作稳定可靠等优 点 在灯光调节 温度控制 交流电机调速 各种交流调压和无触点交流开关电路中得到 广泛的应用 2 交流调压器 交流调压器是通过改变双向可控硅的导通角 来改变输送到负载上的平均电压和平 均功率 亦称相位控制电路 相位控制方法是利用双向晶闸管来控制交流电源每个周期加 到负载上时间的比例系数 在导通条件下 回路电流仅仅由负载决定 也就是全部电压加 到负载上 西安理工大学 17 图 3 相位控制正弦波原理 图 3 7 示出电阻负载上的交流有效电压 半波平均电压 峰值电压及平均功率与触 发导通角的关系 负载上交流有效值电压为 负载上的平均功率为 式中 Ui 交流电源有效值电压 Pm 全导通时的最大负载平均功率 触发延迟角 它与导通角 互为补角 西安理工大学 18 图 3 正弦全波相控电路输出与导通角的关系 从计算或图表可知当导通角在 30 150 之间变化时 负载上相对应的平均功率的 变化为 3 97 这对一般用户要求已足够了 3 整流电路 本系统选用单相桥式不可控整流 如图所示 图 整流电路 3 43 4 磁性调压器磁性调压器 1 用途及型号含义 磁性调压器是一种没有机械传动 无触点的调压器 可以开环手控 也可以按不同的 控制讯号实行闭环自控 广泛适用自动控制的热加工 热处理系统 目前真空 机床 工 具 冶金 化工 医药 轻工 钨钼以及玻璃硅酸铝行业等各种加热电炉已广泛选用了本 产品 西安理工大学 19 图 3 9 磁性调压器型号含义 2 工作原理 磁性调压器又称可控变压器 显著特点之一就是可带负载进行无级调压 其工作原 理是利用磁性材料的交流有效磁导率随直流控制电流的磁化作用而变化的原理 来改变交 流有效电抗值 他的直流电流由可控硅供给 磁性调压器的结构类似一般的变压器 基本是由变压器和饱和电抗器两部分组成而 合为一体的结构 其中饱和电抗器的磁路是一个闭合的铁心 无间隙 除交流工作组外还 有直流工作组 原理图见图 3 7 所示 当直流激磁时 饱和电抗器工作绕组和直流控制绕 组也逐渐被控制电流磁化而饱和 交流磁导率变小 饱和电抗器工作绕组的电抗值减小 绕组 B1 和 B2 点亚升高 其中控制电流 Ik 由整流桥将交流电整流后供给 图 3 9 磁性调压器原理图 西安理工大学 20 3 型号选择 本系统利用三台单相此行变压器构成三相变压器组 容量为 3 125 325KVA 由 10KV 电网供电 选用苏州市姑苏调压变压器厂生产的 TDH2 型磁性调压器 损耗 W 型号 额定 容量 KVA 额定输 入电压 V 输出电 压范围 V 空载负载 空载电 流 直流控 制功率 W 直流控 制电流 A TDH2 125 0 5 1253807 7037055002 0165020 表 3 3 磁性调压器选用表 3 53 5 功率测量及功率测量及 I VI V 转换电路转换电路 1 PWT 有功功率变换器 功率变换器是将被测量功率转换成与其线性比成比例输出的直流电压或电流 并能 反映被测量功率在线路中传输方向的仪器 它们配以适当的仪表或装置 可广泛应用于电 站等遥测或监控装置 实现巡回检测和自动化测量功率 基本原理是 输入信号经电压互 感器 用三角波调制成脉冲调宽信号 驱动集成电路的模拟开关 控制与输入电流成正比 的信号的通断 调宽 调幅后的信号 经低通滤波器输出与输入功率成正比的直流信号 图 3 10 PWT 引脚图 西安理工大学 21 下表为关键词缩写说明 表3 4 PWT 引脚 表 2 互感器的选择 互感器是电力系统中用于 测量和保护的重 要设备 分为电 压 互感器