0805070221许峰 计控炉温设计.doc

Hefei University电子炉温控制系统专 业 班 级 08级自动化（2）班 姓 名 许 峰 学 号 0805070221 授 课 老 师 丁 健 完 成 时 间 2011年6月10日 摘要：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。具有结构简单、操作简便、价格低廉等特点，广泛用于淬火、正火、回火和退火等常规热处理生产，是机械制造企业最常用的热处理加热设备之一。电阻炉炉温控制系统控温性能的优劣以及智能化程度的高低，不仅直接影响机械产品质量的高低，而且还直接影响热处理生产劳动强度的大小。在冶金、化工、电力、造纸、机械制造和食品加工等许多生产过程中，人们需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行检测和控制。因此，温度是工业控制对象中一个比较常见的被控参数。本系统以在工业领域中应用较为广泛的电阻炉为被控对象，采用MCS51单片机实现电阻炉温度计算机控制系统的设计，介绍电阻炉温度计算机控制系统的组成，并完成系统总体控制方案和大林算法控制器的设计，给出系统硬件原理框图和软件设计流程图等。 关键词：电子炉 单片机 接口设计 大林算法目 录一、电阻炉及其控制要求31.1 电阻炉组成及其加热方式31.2 控制要求3二、系统总体方案设计42.1 控制系统组成42.2 控制系统工作原理4三、系统硬件设计53.1 温度检测电路及功率放大电路53.2 AD574A模/数转换电路63.3 执行机构73.4 键盘/显示电路73.5 报警电路83.6 模拟量输入通道AI及接口设计9四、系统软件设计114.1 数字控制器的设计114.2 控制器参数整定124.3 系统程序设计12五、总结15六、参考文献15一、电阻炉及其控制要求1.1 电阻炉组成及其加热方式电阻炉是工业炉的一种，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元件或物料的热加工设备。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。炉子的种类有很多，因为使用的燃料和加热方法不同;工艺不同，其温度高低不同，采用的测温元件和测温方法也不同，因而控制系统的组成也不相同。电气控制系统包括主机与外围电路、仪表显示等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，因炉种的不同而各异。 电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件，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，是将电源直接接在所需加热的材料上，让强大的电流直接流过所需加热的材料，使材料本身发热从而达到加热的效果。工业电阻炉，大部分采用间接加热式，只有一小部分采用直接加热式。由于电阻炉具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场分布 均匀、环保等优点，应用十分广泛。 1.2 控制要求本系统中所选用的加热炉为间接加热式电阻炉，控制要求为：（1）采用一台主机控制8个同样规格的电阻炉温度； （2）电炉额定功率为20kW； （3）恒温正常工作温度为1000，控温精度为1%；（4）电阻炉温度按预定的规律变化，超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性； （5）具有温度、曲线自动显示和打功印能，显示精度为1；（6）具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。（7）具有接口电路与模拟量输入通道。二、系统总体方案设计2.1 控制系统组成电阻炉温度计算机控制系统主要由主机、温度检测装置、A/D转换器、执行机构及辅助电路组成。系统中主机可以选用工业控制计算机、单片微型计算机或可编程序控制器中的一种作为控制器，再根据系统控制要求，选择一种合理的控制算法对电阻炉温度进行控制。采用热电偶作为测温元件，经变送器及A/D转换电路对测得的温度信号进行处理，送入主机与给定值比较，按控制算法计算后输出控制量，通过固态继电器实现对电阻炉加热功率的调节，使炉温按设定温度曲线变化。本系统还具有报警、键盘输入、接口通道及显示等功能。 2.2 控制系统工作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。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，达林计算，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。在项目设计中主要有以下几部分。控制系统主机：考虑到MCS-51系列单片机已经过长期的应用，性能比较稳定，其功能完全可以满足本系统控制要求，人们对它又比较熟悉，因此主机采用AT89C51单片机。检测装置： 系统选用镍铬-镍硅热电偶作为测温元件检测炉膛中的温度。镍铬-镍硅热电偶测温范围为-200+1200（分度号为k）。它线性度较好，价格便宜，输出热电动势较大（40A/），便于测量放大器的选配。热电偶冷端温度补偿采用集成温度传感器AD590。变送器采用两级放大，第一级选用高稳定性运放ICL7650，第二级由通用型集成运算放大器A741构成。执行机构： 采用交流过零触发型固态继电器控制电路。这种控制方式与传统的采用移相触发电路改变晶闸管导通角的双向晶闸管（SCR）控制方式相比，具有稳定、可靠、先进等优点。 模/数转换器（A/D转换器）： 选用AD574A模/数转换器实现对温度信号的转换。AD574A是12位逐次逼近型A/D转换器，转换时间为25s，转换精度为0.05%。模拟量输入通道AI及接口设计：过程通道是在微机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括数字量输入通道、模拟量输入通道、数字量输出通道和模拟量输出通道。开关量输出通道的设计包括：通道结构、光电耦合器的选择，输出驱动的设计等。三、系统硬件设计3.1 温度检测电路及功率放大电路本系统采用镍铬-镍硅热电偶检测电阻炉中的温度，热电偶测温是基于物体的热电效应，它由两种不同的金属或合金组成，其优点是结构简单，可将温度信号转换成电压信号，测温范围广、精度高，可实现远距离测量和传送，使用稳定、可靠，因此被广泛应用。其不足之处是测温精度受冷端温度（即环境温度）的影响，为了提高热电偶测温精度，需要在热电偶冷端进行温度补偿。温度检测电路及功率放大电路如图1所示。 热电偶冷端温度补偿采用的是集成温度传感器AD590，流过AD590的电流Iu=273A+ T01A/式中，T0为室温。负载电阻R3上输出电压UOUT= Iu R3，选择电阻R3使UOUT在AD590允许输入电压范围内。本系统选择R3=10k。这种测量方法冷端温度准确，克服了常规方法补偿误差大和不方便的缺点。 热电偶传感器输出的电压信号较为微弱（只有几毫伏到几十毫伏），因此在进行A/D转换之前必须进行信号变送，由高放大倍数的电路将它放大到A/D转换器通常所要求的电压范围，热电偶的输出热电势为056 mV。本系统前级选用自稳态高精度斩波运放 ICL7650，输入信号为差动信号，放大倍数为15倍。后级运放选用较廉价的A741，放大倍数可调，最大可达100倍，主要完成反相功能。ICL7650输入端的钳位二极管起保护作用，避免输入线路发生故障时的瞬态尖峰干扰损坏运放，输入电压可直接送入AD574A进行转换。 图1温度检测电路及功率放大电路3.2 AD574A模/数转换电路A/D转换器的选择应满足其分辨率要高于系统的精度要求，且有一定的裕量。AD574A内部有时钟脉冲源和基准电压源，无需外加时钟信号。通过改变AD574A引脚8、10、12的外接电路可使其进行单极性和双极性模拟信号的转换。本设计采用单极外输入方式，AD574A的分辨率为1/2120.00024414，本系统允许控制误差为1/1000=0.0010.00024414，故选择AD574A符合设计要求。如图2所示，AD574A工作在12位状态，转换值分两次输出，高8位从DB4DB11输出，低4位从DB0DB3输出，并直接和单片机的数据线相连，AD574A的片选端接锁存器的Q7端，低电平有效;CE为片选使能端，高电平有效;CS 和CE共同用于片选控制，只有当两个信号同时有效时，才能选中本芯片工作。A0端接锁存器74LS373的Q1端。A0=0时启动A/D转换。R/接锁存器74LS373的Q0端。R/=0时，启动A/D转换;R/=1时，允许读出转换后的数据。AT89C51的和经“与非”门74LS00与AD574A的CE端相接。12/8接地表示AT89C51要分两次从AD574A读出A/D转换的12位数字量。图2 AD574A模/数转换电路3.3 执行机构传统的SSR控制采用移相触发电路，通过改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，从而达到自动控温的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输给电力系统造成“公害”。本系统采用单片机控制的固态继电器控温电路，其波形为完整的正弦波，对电阻炉这样的惯性较大的被控对象，是一种稳定、可靠、较合理的控制方法。 调功原理为:设电网连续 N个完整的周波为一个控制周期TC，则 TC=式中，f为电网频率。 若在设定的控制周期TC内控制主回路导通 n（nN）个完整的周波，则负载功率为 P= 式中，U为电网电压有效值；为负载的有效电阻。3.4 键盘/显示电路如图3所示，系统采用专用键盘/显示接口芯片8279实现键盘输入和显示控制两种功能。8279既可以键盘扫描又可以输出动态显示，它可以减少CPU在扫描键盘或刷新显示时的负担，同时也简化了应用软件的编写。系统配有6位LED显示及24键小键盘，前两位显示炉子编号，后四位显示温度实测值，选择75451作为LED的驱动。键盘上设有16个数字键、8个功能键。这样控制器运行时既可以方便地在线修改各项参数，也可设置多个控制运行命令，操作方便。图3AT89C51与8279的接口电路3.5 报警电路报警电路采用的是压电式蜂鸣器，通过单片机的P2.7口经过驱动器驱动其发声。压电式蜂鸣器约需要10 mA的驱动电流，如图11-8所示，当电阻炉温度超出允许范围时，P2.7口输出高电平使8050晶体管导通，压电蜂鸣器获得电压而鸣叫，达到报警的目的。图4报警电路3.6 模拟量输入通道AI及接口设计过程通道是在微机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括数字量输入通道、模拟量输入通道、数字量输出通道和模拟量输出通道。生产过程的各种参数通过数字量输入或模拟量输入通道送入微机，微机经过计算和处理后，所得结果通过数字量输出或模拟量输出通道送到生产过程，从而实现对生产过程的控制。过程通道的一般结构如图5所示。在系统运行过程中，信息的交换是频繁的，这其中与微机联系最为密切的是输入/输出接口，因此输入/输出接口是过程通道中最重要的组成部分。输入/输出接口技术是微机与外设之间如何交换信息的技术。图5过程通道的一般结构模拟量输入通道硬件设计： 模拟量输入通道的设计包括：传感器或敏感元件选择、通道结构、信号调理、电源配置、抗干扰等。本设计中的模拟量输入通道,即单片机炉温控制系统温度检测和A/D转换电路，为8路输入（注图中只画出了2路），由热电偶、放大器、多路模拟开关、A/D转换器、及接口电路组成。模拟量输入通道硬件设计图如6所示。图6 模拟量输入通道硬件设计图开关量输出通道及接口设计：开关量输出通道的设计包括：通道结构、光电耦合器的选择，输出驱动的设计等。本设计的开关量输出通道，即单片机炉温控制系统温度控制电路为2路输出，由数字光电隔离电路和输出驱动电路组成。开关量输出通道硬件设计图如图7所示。 图7 开关量输出通道硬件设计图四、系统软件设计4.1 数字控制器的设计大林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数中相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联，即 式中， 由此可得到带有纯滞后一阶惯性对象的大林算法的基本形式：式中，k为广义的对象放大倍数；T为采样周期；TP为控制对象惯性时间常数；T0为闭环系统的时间常数。D(z)为电阻炉根据达林算法得出的数字控制器的数学模型。为了计算机实现方便，把D(z)进一步简化为根据得出差分方程： 式中，U(k)为数字控制器的输出；E(K)为偏差信号。4.2 控制器参数整定(1) 按照工程经验，一般控制周期为被控对象时间常数的10左右，取控制周期TC=10s，采用算术平均值滤波，采样10次进行一次滤波计算，所以采样周期T=1s(2) 由/T可确定出N=72。(3)对象放大倍数K=5。(4) T0按希望的闭环特性选取，并由调试确定其最佳值，不断调整T0值，观察系统的响应曲线，使得闭环系统的指标达到最佳。 4.3 系统程序设计本系统的软件采用结构化模块程序设计，主要由主程序、中断服务程序和子程序组成，中断服务程序主要有T0定时器中断服务程序，子程序主要有滤波子程序、温度采样子程序、显示子程序、标度变换子程序、大林算法子程序、报警子程序等。图5主程序流程图 图6 T0中断服务程序1、主程序流程图(1)主程序如图5所示。首先设置堆栈指针，然后进行初始化，包括设置有关开关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、8279初始化、T0初始化以及CPU开中断等，最后扫描键盘，若有键按下则转向键处理程序，若无键按下则继续扫描键盘。(2)控制系统采用T0定时器作为定时中断，工作方式为方式0。由工作方式0的最大定时时间为75.536ms，因此必须设置一个寄存器1作为计数装置，初值设为20，设置定时器定时时间为50ms，寄存器1与T0定时器共同完成1s采样周期的定时。控制系统每采样l0次，调数字滤波及大林算法子程序，完成一次滤波与控制运算。因此系统的滤波周期及控制周期均为10s。由寄存器2来存储采样次数，初值设为10，每采样一次，寄存器2的值减1，当寄存器2的值减为0时，调用数字滤波及大林算法子程序；寄存器3初值设为8，用作存贮电阻炉的路数。 2、T0中断服务程序T0定时器中断服务程序如图6所示。具体工作原理是：首先关中断、清除暂存单元，然后分别对寄存器1、寄存器2赋