電阻爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第1頁(yè)共44頁(yè)1緒論1.1研究的目的及意義自從發(fā)現(xiàn)電流的熱效應(yīng)(即楞次-焦耳定律)以后，電熱法首先用于家用電器，后來(lái)又用于實(shí)驗(yàn)室小電爐1。隨著鎳鉻合金的發(fā)明，到20世紀(jì)20年代，電阻爐已在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)上用的電阻爐一般由電熱元件、砌體、金屬殼體、爐門(mén)、爐用機(jī)械和電氣控制系統(tǒng)等組成。加熱功率從不足一千瓦到數(shù)千千瓦。工作溫度在650以下的為低溫爐；6501000為中溫爐；1000以上為高溫爐。在高溫和中溫爐內(nèi)主要以輻射方式加熱。在低溫爐內(nèi)則以對(duì)流傳熱方式加熱，電熱元件裝在風(fēng)道內(nèi)，通過(guò)風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫爐內(nèi)氣體循環(huán)流動(dòng)，以加強(qiáng)對(duì)流傳熱。電阻爐有室式、井式、臺(tái)車(chē)式、推桿式、步進(jìn)式、馬弗式和隧道式等類(lèi)型?？煽貧夥諣t、真空爐、流動(dòng)粒子爐等也都是電阻爐2。電阻爐與火焰爐相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、爐溫均勻、便于控制、加熱質(zhì)量好、無(wú)煙塵、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但使用費(fèi)較高3。電熱元件具有很高的耐熱性和高溫強(qiáng)度，很低的電阻溫度系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。常用的材料有金屬和非金屬兩大類(lèi)。金屬電熱元件材料有鎳鉻合金、鉻鋁合金、鎢、鉬、鉭等，一般制成螺旋線、波形線、波形帶和波形板。非金屬電熱元件材料有碳化硅、二硅化鉬、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、帶等形狀。電熱元件的分布和線路接法，依爐子功率大小和爐溫要求而定4。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，溫度是極為普遍的又極為重要的熱工參數(shù)之一。為了保證生產(chǎn)過(guò)程正常安全地進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量以及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約能源，對(duì)加熱用的各種電爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波動(dòng)或爐內(nèi)物體而變化，也有的電爐的爐溫根據(jù)工藝要求按照某個(gè)指定的升溫或保溫規(guī)律而變化等。因此，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)中常常要求不斷地測(cè)量溫度，同時(shí)還進(jìn)行控制5。電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，通過(guò)布置在爐內(nèi)的電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能并借助輻射與對(duì)流的傳熱方式加熱工件。熱處理是提高金屬材料及其制品性能的工藝6。根據(jù)不同的目的，將材料及其制件加熱到適宜的溫度，保溫，隨后用不同的方法冷卻，改變其內(nèi)部組織，以獲得所要求的力學(xué)性能，通過(guò)熱處理中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第2頁(yè)共44頁(yè)可以提高制件的使用效能或壽命7。1.2溫度控制研究目前，我國(guó)電阻熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段。近年來(lái)隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無(wú)公害方向發(fā)展8。電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，這樣加熱時(shí)均溫過(guò)程的測(cè)量與控制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)，促使人們更加積極地研究控制熱加工工藝過(guò)程的方法9。爐控制設(shè)備的現(xiàn)狀是一小部分比較先進(jìn)的設(shè)備和大部分比較落后的設(shè)備并存。整體上，我國(guó)的電阻爐控制系統(tǒng)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較落后。占主導(dǎo)地位的是儀表控制，這種系統(tǒng)的控制參數(shù)由人工選擇，需要配置專(zhuān)門(mén)的儀表調(diào)試人員，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且不準(zhǔn)確?？刂凭纫蕾囉谠囼?yàn)者的調(diào)節(jié)，控制精度不高，一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要重新設(shè)置。操作不方便，控制數(shù)據(jù)無(wú)法保存。因而，對(duì)生產(chǎn)工藝的研究很困難，因此造成產(chǎn)品質(zhì)量低、廢品率高、工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)效率低，這些都影響了企業(yè)的效益。近年來(lái)，雖然引進(jìn)了國(guó)外的一些控制器，如日本島電的R四3型40段(步)可編程PID調(diào)節(jié)器，全部操作窗口按功能分為6個(gè)窗口群，共95個(gè)子窗口，其設(shè)置仍然繁雜10。電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)爐門(mén)、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)程，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求11。電阻爐在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著廣泛的應(yīng)用，而大功率的電阻爐則應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。然而，大多數(shù)電阻爐存在著各種干擾因素，將會(huì)給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)極大的不便。因此，在電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量考慮到如何有效地避免各種干擾因素而采用一個(gè)較好的控制方案，選擇合適的芯片及控制算法是非常有必要的12。一直以來(lái)，人們采用了各種方法來(lái)進(jìn)行溫度控制，都沒(méi)有取得很好的控制效果。起先由于電阻爐的發(fā)熱體為電阻絲，傳統(tǒng)方法大多采用儀表測(cè)量溫度，并通過(guò)控制交流接觸器的通斷時(shí)間比例來(lái)控制加熱功率。由于模擬儀表本身的測(cè)量精度差，加上交流接觸器的壽命短，通斷比例低，故溫度控制精度低，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)按程序設(shè)定的升溫曲線升溫和故障自診斷功能，因此要對(duì)傳統(tǒng)的溫度控制方法進(jìn)行改造13。如中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第3頁(yè)共44頁(yè)今,隨著以微機(jī)為核心的溫度控制技術(shù)不斷發(fā)展,用微機(jī)取代常規(guī)控制已成必然，因?yàn)樗_保了生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行，提高了產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度以及節(jié)約了能源，并且能夠使加熱對(duì)象的溫度按照某種指定規(guī)律變化，而且微型計(jì)算機(jī)在智能溫度測(cè)量和控制電器中的控制作用是一種智能行為，所以，它在能量消耗上是比較少的，和普通儀表溫度測(cè)量相比，智能溫度測(cè)量與控制電器是一種節(jié)能電器。這不但對(duì)用戶來(lái)說(shuō)具有很大的意義，而且對(duì)整個(gè)社會(huì)來(lái)說(shuō)都是有重大意義的14。1.3工作內(nèi)容系統(tǒng)要求電阻爐爐內(nèi)的溫度按圖1.1的規(guī)律變化。從室溫OT開(kāi)始到a點(diǎn)為自由升溫段，溫度一旦達(dá)到aT，就進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)節(jié)；從b點(diǎn)到c點(diǎn)為保溫段，要始終在系統(tǒng)的控制之下，以保證所需的爐內(nèi)溫度的精度，保溫的時(shí)間為75min；加工結(jié)束后，由c點(diǎn)到d點(diǎn)為自然降溫段。圖1.1爐溫控制要求爐溫變化曲線要求參數(shù)：過(guò)渡時(shí)間0t100min；超調(diào)量p10；靜態(tài)誤差ve2。溫度的變化范圍為20220，保溫值為200。本次設(shè)計(jì)主要做的是硬件電路的設(shè)計(jì)及軟件的編程，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度的控制，同時(shí)采用PID算法使系統(tǒng)獲得較好的性能指標(biāo)。系統(tǒng)分為四個(gè)部分：A/D轉(zhuǎn)換、PID控制、外部中斷、單片機(jī)控制。中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第4頁(yè)共44頁(yè)2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1控制方法常見(jiàn)電阻爐的溫度控制方法：串級(jí)控制；前饋-反饋控制；比值控制；Smith預(yù)估控制。2.2工作原理一個(gè)反饋系統(tǒng)，在干擾的作用下，被控量偏離給定值，即出現(xiàn)系統(tǒng)偏差時(shí)，通過(guò)控制器的控制作用來(lái)抵消干擾的影響。大多被控制對(duì)象有純滯后現(xiàn)象，因此采用反饋控制提高精度，提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。2.3爐溫控制系統(tǒng)工作原理電阻爐溫度自動(dòng)控制體統(tǒng)采用了AT89S52單片機(jī)作為控制器，擴(kuò)展了數(shù)碼管顯示、鍵盤(pán)、報(bào)警及A/D轉(zhuǎn)換電路等，其系統(tǒng)框圖如圖2.1所示?？刂葡到y(tǒng)采用鉑電阻測(cè)量加熱電阻的入口溫度和出口溫度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)與給定溫度比較，其偏差經(jīng)PID運(yùn)算后輸出，控制晶閘管三相調(diào)功模塊導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)間的不同來(lái)控制電熱元件的通斷時(shí)間，并由此來(lái)控制加熱電阻的加熱溫度。控制系統(tǒng)控制固態(tài)繼電器（SSR）的通斷控制循環(huán)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，循環(huán)泵不運(yùn)轉(zhuǎn)，加熱爐不能通電加熱。圖2.1電阻爐溫度控制系統(tǒng)入口溫度出口溫度AT89S52固態(tài)繼電器晶閘管三相調(diào)功模塊A/D轉(zhuǎn)換鍵盤(pán)、顯示加熱爐EEPROM循環(huán)泵報(bào)警電路信號(hào)處理電路中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第5頁(yè)共44頁(yè)3硬件設(shè)計(jì)及器件選擇3.1單片機(jī)的選擇選擇AT89S52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，AT89S52內(nèi)部有8KB的程序儲(chǔ)存器，256B的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，因而無(wú)需再擴(kuò)展儲(chǔ)存器，使系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化。AT89S52主要完成溫度的采集、控制、顯示和報(bào)警等功能。AT89S52引腳說(shuō)明AT89S52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫(xiě)口線，AT89S52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。表3.1AT89S52的管腳功能特性主要功能特性：兼容MCS52指令系統(tǒng)8k可反復(fù)擦寫(xiě)(1000次）FlashROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫(xiě)中斷口線3級(jí)加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能3.2數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器擴(kuò)展設(shè)定的溫度曲線需要長(zhǎng)期保存，擴(kuò)展一片串行EEPROMAT24C256來(lái)保存設(shè)定的溫度曲線。3.2.1AT24C56引腳說(shuō)明其引腳排列如圖3.1所示，管腳配置如表3.2所示。中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第6頁(yè)共44頁(yè)表3.2AT24C256管腳配置管腳名管腳功能A0A1地址線SDA數(shù)據(jù)線SCL串口時(shí)鐘脈沖WP寫(xiě)保護(hù)NC未定義圖3.1AT24C256引腳圖A0、A1：地址選擇輸入端。在串行總線結(jié)構(gòu)中，可以連接4個(gè)AT24C256。用A0、A1來(lái)區(qū)分各IC。A0、A1懸空時(shí)為0。SCL：串行時(shí)鐘輸入。上升沿將SDA上的數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器，下降沿從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)送SDA上。SDA：雙向串行數(shù)據(jù)輸入輸出口。用于存儲(chǔ)器與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。WP：寫(xiě)保護(hù)輸入。此引腳與地相連時(shí)，允許寫(xiě)操作；與VCC相連時(shí)，所有的寫(xiě)存儲(chǔ)器操作被禁止。如果不連，芯片內(nèi)部下拉到地。VCC：電源。GND：地。NC：空。3.2.2AT24C256的工作原理AT24C256內(nèi)部有512頁(yè)，每一頁(yè)為64字節(jié)，任一單元的地址為15位。地址中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第7頁(yè)共44頁(yè)范圍0000H7FFFH。3.2.3芯片工作狀態(tài)1）時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳送一般情況下，SDA被外部的設(shè)備拉到高，只有當(dāng)SCL為低電平時(shí)，SDA上的數(shù)據(jù)變化，表示要傳送數(shù)據(jù)。SCL為高時(shí)SDA變化表示狀態(tài)變化。2）開(kāi)始狀態(tài)（START）當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA由高到低表示數(shù)據(jù)傳送開(kāi)始，這一狀態(tài)必須在所有命令之前。3）結(jié)束狀態(tài)（STOP）當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA由低到高表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束狀態(tài)。4）應(yīng)答狀態(tài)（ACK）所有的地址和數(shù)據(jù)都是以8位的形式串行傳送給存儲(chǔ)器或從存儲(chǔ)器讀出的。存儲(chǔ)器在第9個(gè)時(shí)鐘周期SDA發(fā)零信號(hào)表示已經(jīng)收到8位數(shù)據(jù)。3.3傳感器的選擇及設(shè)計(jì)目前在溫度測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)除了廣泛使用熱電偶外，電阻溫度計(jì)也得到了廣泛的應(yīng)用，尤其工業(yè)生產(chǎn)中-120+500范圍內(nèi)的溫度測(cè)量常常使用電阻溫度計(jì)。本設(shè)計(jì)中采用鉑電阻來(lái)測(cè)量溫度，由于鉑電阻有精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，且在氧化性氣氛中，甚至在高溫下的物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定，在1000的范圍內(nèi)，鉑電阻值與溫度變化曲線基本是線性的，因此選擇其作為電阻溫度計(jì)，其分度號(hào)為2，電