电阻炉炉温自动控制系统(3)

第二章 炉温自动控制系统的总体设计

2.1 中厚板厂工作流程

图2.1中厚板厂流程图

中厚板厂的生产流程图如图2.1所示，先进行原料准备，由于原料表面存在缺陷，除了在加热过程中被氧化掉，不会影响钢板的质量不需要清理外，尺寸超过一定限度的缺陷都要采取某种清理方法，将其清除掉。以免影响钢板质量或造成废品，然后用推钢机装入炉内加热，加热是为了将钢板软化，对下一环节对钢板的轧制做准备，然后对出来的钢板进行轧制，轧制过程分为除磷、粗轧和精轧几个阶段，然后对钢板进行冷却，再用矫正机进行钢板形状矫正，最后在根据需对钢板进行裁剪，裁剪出所需要的型号的钢板，本系统主要是对钢板加热的电阻炉炉温的控制。

2.2 炉温控制系统存在的缺点

温控系统是保证环境控制系统中某部位或空间的介质温度或壁面温度在规定的范围内，以满足座舱或设备舱热力要求的成套调控设备。随着微电子制造技术和现代控制技术的发展，采用以功能强、体积小、价格低的单片机为核心、以先进PID控制为算法构建智能化电阻炉温度控制系统已成为现实。以前炉温控制系统存在的缺点：

（1）温度的记录精度较低，并经常需要更换记录纸，造成不必要的纸张浪费和人力消耗。

（2）采用模拟调节器，使原设备的控制电路控制精度低，故障率高，炉温波 动大，影响产品的常量和质量。

（3）系统出现故障时，无法为工作人员及时指示故障准确位置，不能进行故障自诊断。

（4）没有友好的人机界面及显示功能，不便于生产中的灵活操作。 正是由于存在以上的问题，他直接影响到产品的产量、质量和生产成本。所以，国内的许多工厂提出改造原电阻炉的控制系统，降低生产故障率，并提高炉温的控制精度，使控制系统能更加可靠，稳定的运行，提高生产效率，更好的满足生产技术要求。 2.3 炉温控制系统的指标

中厚板主要应用于建筑工程、机械制造、容器制造、造船、桥梁建造等，钢材加工时需要电阻炉加热，使钢软化，然后才能对其进行加工生产我们所需要的产品钢。本系统对电阻炉进行控制，要求炉内的温度如图2.2的规律变化。从室温T0开始到a点为自由升温段，温度一旦到达Ta，就进入系统调节；从b点到c点为保温段，要始终在系统的控制之下，以保证所需的炉内温度的精度，保温的时间按工作需求设定；加工结束后由c点到d点为自然降温段。

图2.2 炉温控制曲线图

本论文介绍的温度控制系统的主要技术指标有：温度控制范围：300-1000摄氏度，保温值为800摄氏度；实时显示温度，越限报警。恒温时间：0-24小时；控制精度：+1摄氏度；超调量<1%。 2.4 温度控制系统的目的和功能

(1)温度控制系统的目的

本设计的内容是温度测试控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如室温、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往的温度控制是由人工完成的，而且不够重视，其实在很多场所温度都需要 监控以防止发生意外。尤其是在工业上如果温度检测不当，造成的后果更是不堪设想。针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可稳定高精度温度控制系统，能更准确及时的检测电阻炉的温度，以便生产的正常运行。

(2)温度控制系统的功能及工作原理

本设计是对温度进行实时检测与控制，设计温度控制系统实现了基本的温度控制功能：键盘录入设定温度，系统温度开始上升，上升到一定温度值是系统开始自动调节，直至到达设定的生产的指定温度，停止加热，显示器显示当前温度，系统进入保温状态。如果电阻炉的温度上升超过上限温度，系统自动触发报警装置告警，系统开始调温，调到正常范围内，当生产工作结束后，系统停止工作，电阻炉自动降温到常温。温度在上下限之间时，执行机构不执行。

在系统中，利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号。该电压信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通过液晶显示器显示温度并判断是否报警，当测得温度比设定温度高时，单片机通过驱动芯片触发蜂鸣器报警。同时将温度与设定温度比较，根据设定的PID算法计算出控制量，根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。该系统中的时钟电路可以根据要求进行准确计时。 2.4 系统的总体设计 2.4.1 设计方案一

图2.3 方案一流程图

测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以利用单片机进行数据处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路有必要的时候还得要对单片机进行扩展，还得设计扩展电路，

滤波器，放大电路等，相对其来说比较麻烦一些，而且测量的结果误差相对也比较大，其工作流程如图2.3所示。 2.4.2 设计方案二

图2.4 方案二流程图

图2.4为方案二流程图，方案二的方法是热电偶测得电阻炉温度转换成低压信号，低压信号进入高度集成芯片后输出单片机能识别的数字信号，而节省了很多转换环节。考虑到在检测电阻炉炉温的过程中需要使用温度传感器，温度传感器感知温度后转化为数字信号，在结合单片机完成温度控制，但是由于这种检测电路在温度比较高的工业电阻炉炉温控制中可能需要外围电路以及扩展电路，使得电路复杂了很多，转换的过程也非常的多，同时检测温度的精度也大大的降低了，所以增加了很多的不变，而且在变换的过程中也相对比较繁琐，这样降低生产效率，并且出现的故障也会随之增多，间接的增加了维修费用，所以选择一种高精度的集成芯片来代替它，这样是不是就可以方便了很多。

在比较了方案一和方案二后，很容易就发现了选用一种集成度高的芯片来代替方案一中那些繁琐的变换过程，不仅提高了检测电路检测温度的精度，维修简单，还节省了很多维修经费，所以本设计选用方案二。系统中采用了新型元件功 能强、精度高、硬件电路简单。

图2.5 系统设计总图

本设计主要是硬件设计以及简单的编写系统的主要程序，用计算机进行温度控制，同时采用一种高精度的集成芯片来完成A/D转换以及一些辅助电路的功能，使系统获得较好的性能指标，系统分为时钟电路、键盘录入、单片机控制、温度检测电路、温度控制电路、显示电路、报警电路等。本设计以单片机为核心控制整体系统。采用单片机进行炉温控制具有电路设简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率刺进科技进步等方面具有重要意义。系统整体控制图如图2.5。

时钟电路：单片机时钟电路是用来配合外部晶体实现振荡的电路，这样可以为单片机提供运行时钟，如果运行时钟为0的话，单片机就不工作，当然超出单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作。所以也可以说是对单片机的一个保护，以免单片机可能在长时间在高频率工作的状态下，造成对单片机的损坏，进而减少单片机的使用寿命。

温度传感器：能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。。由于热电阻所能感受的物体温度一般都是温度比较低的，而工业生产（如机械制造、冶金）中电阻炉加热的上限温度非常高，所以一般不用于工业生产中。所以选传感器 来用热电偶来传达电阻炉的实时温度。

温度检测电路：温度检测系统在自动控制系统中的使用是相当广泛的，系统往往需要对控制系统内部或者外部的温度进行检测，并根据条件的变化进行处理，如补偿某些参数，实现某种控制和处理，进行超高温告警等。因此，对所监控的环境温度进行精确检测是非常必要的，尤其是一些对温度检测精度要求很高的控制系统更是如此。在工业上温度检测电路是非常重要的，他能及时的把温度反馈给单片机，在计算机的控制下把温度反馈给显示电路以便及时的显示当下的温度，在和设定的温度进行比较，如发现温度超过上限温度，则会触发报警电路，告警，便于值班人员进行检修，以保证生产的正常进行。

液晶显示：用于显示电阻炉的实时温度，便于人工和自动控制系统对温度的监控，当出现超出上限温度的时候及时反馈给系统或值班人员，也可显示设定时间，实际时间，使工作人员更能清楚和准确的了解电阻炉当前运行的状况。

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