电阻炉炉温自动控制系统(2)

热处理行业协会、中国机械工程学会会员单位，产品广泛应用于机械、冶金、模具、铸造、汽车、军工等各种工业领域。目前最受工业炉生产厂家青睐的有大型台车炉，深井炉，箱式电阻炉，退火炉，回火炉，井式氮化炉，井式渗碳炉，罩式退火炉，环件炉等。

电阻元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的温度系数和良好的化学稳定性。常用的材料有金属和非金属两大类。金属热点元件材料有镍铬合金、铬铝合金、钨、钼等，一般制成螺旋线、波形线、波形带和波形板。非金属电热元件材料有碳化硅、二硅化钼、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、带等形状。电热元件的分布和线路接法，依炉子功率大小和炉温要求而定。

电阻炉以电为热源，通过电热元件将能转化为热能，在炉内对金属进行加热。电阻炉和火焰比，热效率高，可达50%-80%，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，炉温均匀，适用于要求较严的工件加热。电阻炉的功率是根据电阻炉的热平衡原则确定的，通过热平衡计算，可以比较精确的计算出电炉的功率。电炉所需的功率应包括炉子蓄热，工件加热需要热量、工件保温需要的热量、气氛裂解所需的热量，热损失等。其中炉子蓄热由电炉的规格、构造和主要尺寸、炉衬厚度，材料导热系数决定。电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过不知在炉内的加热元件将电能转化为热能并记住辐射与对流的传热方式加热工件。

使用方面，在铸造车间，有熔炼金属的感应炉，电阻炉，电弧炉，真空炉，加热炉，坩埚炉等；有烘烤砂型的砂型干燥炉，铁合金烘炉，和铸件退火炉等；在焊接车间，有焊件的焊前预热炉和焊后回火炉；在锻压车间，有对钢锭或钢胚进行锻前加热的各种加热炉；在金属热处理车间，有改善工件机械性能的各种退火，正火，淬火和回火的热处理炉等。电炉还广泛应用于其他的工业，比如，石油工业的蒸馏炉和裂化炉，矿石烧结炉和炼焦炉，硅酸盐工业的水泥窑和玻璃熔化，冶金工业的金属熔炼炉，食品工业的烘烤炉，煤气工业的发生炉等。在工业生产中如：用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉、反应炉、锅炉等，在日常生活中如：热水器、电热毯等等，都用到了电阻加热的原理。在工业中，上述设备对温度的控制要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足了上述的要求，达到

自动控制品质的目的。科学技术的进步，特别是信息和网络技术的发展同科研和生产的密切结合，提供了巨大的技术可能性，提高工业电炉热处理的自动化智能化。利用电热效应供热的冶金炉，其电炉设备通常是成套的，包括电炉炉体，开闭器，真空设备，电力设备，自动调节系统，炉用机械设备附属辅助电器。同燃料炉比较，其电炉的特点有，炉内气易控制，甚至可抽成真空，加热温度高，温度易控制，生产过程实现机械化和自动化的可能性高。 1.2 电阻炉在国际和国内的发展

当前，随着电气信息技术在加热炉系统中的应用，发达国家如美国、德国、 日本、澳大利亚等成功开发了一系列用途广泛、功能极强的温度控制器，随着人力资源的日趋紧张及信息技术的发展，开发具有自主知识产权的炉温控制系统不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。国外在炉温自动控制技术和设备的研究上发展迅速，美国微型电子计算机普及和单片机的应用使自动化系统发生了根本的变化，因而达到了较高的自动化程度。现在已有许多由单片机控制的仪器设备，使电阻丝加热和温度控制完全自动连续的进行。德国是世界上炉温控制最先进的国家之一，加热炉系统实现了高度的自动化，都由单片机或PLC控制。

目前先进国家各种温度控制系统水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能获得较好的效果。随着生产的发展，对控制的要求也越来越高，随着发展处许多以计算机为基础的新型控制

在我国，解约电力资源的潜力非常大。据有关国际组织发表的资料显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国的4倍左右。由于我国人口基数大，所以人均占有资源量相对很少。在我国一方面电力供应紧张，而另一方面，点的浪费十分严重。特别是用于传统工业电热炉方面对电力资源的利用极为不合理。

纵观国际和国内炉温自动控制技术的发展状况，国外在炉温自动控制技术方面的研究比较深入，凭借雄厚的科技实力、先进的生产工艺、严格的质量控制和对产品质量的刻意追求和先进的技术、因地制宜的解决方案、丰富的工业知识，其产品遍布世界几十多个国家和地区。而我国柜内志在的加热设备，成本相对低廉，所控制的量比较少，能实现基本量的控制，但是由于绝大多采用的普通的继

电器控制系统，调试、维护困难，灵敏度不够高，不能实现定时精确控制，而且产品先天性不足，使用寿命短，其产品市场占有率很低。单片机自动化控制系统是将自动控制与电加热系统有机的结合起来，使加热系统在无人干预的情况下通过控制器按规定的程序或指令实现对电加热炉的自动控制。以单片机为核心的小型自动控制系统具有造价低廉，可靠性高，适用于各种环境下运行等优点，并且在系统硬件组成不变的情况下通过更改软件设置来适应多种运行方式的需要，是传统继电器控制的替代品。

在工业化生产中，需要有大量的加热设备，如用于熔化金属的坩埚炉、用于热处理的加热炉，以及各种不同用途的反映炉，加热炉，温度控制成为制约工业发展的重要环节。

随着计算机的技术不断发展，用于工业生产中炉温控制的微机控制系统更加成熟。实践证明，它具有功能强、精度高、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，能源环保，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。 总的来说，随着科技的进步与发展，用微机取代常规控制已成必然，因为它确保了生产过程的正常进行，提高了产品的数量与质量，减轻了工人的劳动强度以及节约了能源，并且能够使加热对象的温度按照某种指定规律变化，而且微型 计算机在智能温度测量和控制电器中的控制作用是一种智能行为，在智能控制 中，单片机起了智能控制部件的作用，它的错在提高的电器的品质增加了温度测量与控制功能；并在智能温度测量与控制电器中模拟了人类智能的进程，所以，它在能量消耗上是比较少的，和普通仪表温度测量相比，智能温度测量与控制电器是一种节能电器。这不但对用户来说具有很大的意义，而且对整个社会来说都是有重大意义的。

单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性能高，灵活性好，开发较为容易。由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备大灯各个方面。现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机，甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内

存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此告诉的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常合适的。随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能发面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易的做到对点的温度检测，如果我们对温度进行运城温度监控，将具有很大的实用价值。

随着人工智能概念的提出，炉温控制领域出现了另一条理想的途径就是人工智能化直接检测火焰性能控制燃烧的方法，类似人工烧钢通过观察颜色判断燃烧情况。但是由于钢厂的加热炉非常大，长30、40m以上，宽5m以上，是一个非线性、大惯性延迟的控制系统，钢锭、炉汽、墙壁之间的传热过程是非线性的，非常复杂，影响燃烧控制的不确定因素在诸多方面都存在，到目前还没有理想的解决方案。近年来，随着人工智能理论的不断发展和实用化，以及计算机技术的进步和检测设备、仪表性能的提高，模糊控制、专家系统等技术正在这一领域得到越来越多的应用。量子物理浮点思想以及蒙特卡洛随机思想在自控控制方面也吸引了国内外研究者的目光。

以前，人们是通过模拟仪表对炉温进行控制，采用人工手动操作，依据个人的工作经验和控制系统返回的数据来调节相应的设备，控制效果不太理想，生产也不稳定。从五十年代开始，随着计算机的出现，人们开始在工厂、实验室或其它测试环境中用计算机惊醒数据采集和处理。单片机凭借其集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价值低廉的优势，在数据采集、机电一体化、过程控制、智能化仪表、网络技术以及家用电器等方面得到广泛应用，本文采用的是单片机在炉温控制中的应用。

1.3 电阻炉发展趋势——绿色节能环保

进入21世纪，人们的关注范围也逐渐发生了转变，在追逐经济发展的同时，也更加注重节能环保，低碳生活已经成为人们的主题了，环保、绿色的话题成

为人们讨论的主题和关注的焦点。在“首届全国产学研联合网上成就展暨洽谈会”上就得知了一种即将面向国民经济主战场的新型环保产品——绿色工业电炉。

我们从四川工业学院工业炉节能中心的李治岷教授处了解到，这种以强辐射传热的工业节能新技术采用的是由红外物理的黑体理论而制成的集增大炉膛面积、提高炉膛发射率和增加辐照度三项功能于一体的空腔结构元件，能对原炉膛内呈漫射状的热线进行有效的调控。它不仅能有效缩短加热工件的升温时间，提高对能源的利用率，减少对资源的不必要损耗，还对改善炉温的均匀性及保持炉温的稳定性有着显著的节能效果。并且实施方便，无需对原炉体作任何改动，技改投资半年至十个月即可回收。能广泛的应用于电阻炉、燃气炉、燃煤炉和燃油炉等各种工业炉内。

谈到这项技术的社会效益和经济效益，李主任告诉我们：在成都工程技术机械总厂、四川石油局钻采设备制造厂、大连大山结晶器厂、河北冶金科技公司、东方汽轮机厂等多家企业的电阻炉和燃料炉的生产实践证明，在使用了该项技术后其节能率均在20％以上，炉膛垂直温差也减少了50％左右，提高加热炉生产率一般达到20％左右，延长了炉衬寿命一倍以上，减少了工业炉20％以上的废气排放量，利于环境的保护。

这项工程已经启动很多年了，现在的技术也日趋成熟。在这个世纪，很多的工业产品都在技术上逐渐创新，向着节能环保的方向发展，同时绿色节能也是未来工业的发展趋势。

1.4 本论文的主要内容及其任务

（1）根据电阻炉升温、保温及降温的实际要求，初步设计电阻炉炉温自动控制系统整体结构图；

（2）提炼数学模型，进行原理分析；

（3）控制系统部分展开设计，包括数据采集以及输出回路设计； （4）选择控制系统硬件电路电子元器件型号； （5）输入输出与单片机的接口程序设置； （6） 简单编写软件主要程序。

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