計算機控制在溫度中應用

計算機控制在溫度控制中應用計算機控制在溫度控制中應用在冶金、化工、電力、造紙、機械制造和食品加工等許多生產過程中，人們需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐的溫度進行檢測和控制，因此，溫度是工業(yè)控制對象中一個比較常見的被控參數。以在工業(yè)領域中應用較為廣泛的電阻爐為被控對象，采用MCS—51單片機實現(xiàn)電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的設計，介紹電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的組成。1.電阻爐組成及其加熱方式電阻爐是工業(yè)爐的一種，是利用電流通過電熱體元件將電能轉化為熱能來加熱或者熔化元件或物料的熱加工設備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同;由于工藝不同，所要求的溫度高低不同，因而所采用的測溫元件和測溫方法也不同;產品工藝不同，對控溫精度要求不同，因而控制系統(tǒng)的組成也不相同。電氣控制系統(tǒng)包括主機與外圍電路、儀表顯示等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，因爐種的不同而各異。電阻爐的類型根據其熱量產生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時產生熱量，再通過熱的傳導、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發(fā)熱從而達到加熱的效果。工業(yè)電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡單、溫度場分布均勻、環(huán)保等優(yōu)點，應用十分廣泛。控制系統(tǒng)組成電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)主要由主機、溫度檢測裝置、A/D轉換器、執(zhí)行機構及輔助電路組成。系統(tǒng)中主機可以選用工業(yè)控制計算機、單片微型計算機或可編程序控制器中的一種作為控制器，再根據系統(tǒng)控制要求，選擇一種合理的控制算法對電阻爐溫度進行控制。采用熱電偶作為測溫元件，經變送器及A/D轉換電路對測得的溫度信號進行處理，送入主機與給定值比較，按控制算法計算后輸出控制量，通過固態(tài)繼電器實現(xiàn)對電阻爐加熱功率的調節(jié)，使爐溫按設定溫度曲線變化。本系統(tǒng)還具有報警、鍵盤輸入及顯示等功能。控制系統(tǒng)工作原理（1）控制系統(tǒng)主機考慮到MCS-51系列單片機已經過長期的應用，性能比較穩(wěn)定，其功能完全可以滿足本系統(tǒng)控制要求，人們對它又比較熟悉，因此主機采用AT89C51單片機。（2）檢測裝置系統(tǒng)選用鎳鉻-鎳硅熱電偶作為測溫元件檢測爐膛中的溫度。鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫范圍為-200～+1200℃（分度號為k）。它線性度較好，價格便宜，輸出熱電動勢較大（40μA/℃），便于測量放大器的選配。熱電偶冷端溫度補償采用集成溫度傳感器AD590。變送器采用兩級放大，第一級選用高穩(wěn)定性運放ICL7650，第二級由通用型集成運算放大器μA741構成。（3）執(zhí)行機構采用交流過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器控制電路。這種控制方式與傳統(tǒng)的采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導通角的雙向晶閘管（SCR）控制方式相比，具有穩(wěn)定、可靠、先進等優(yōu)點。（4）模/數轉換器（A/D轉換器）選用AD574A模/數轉換器實現(xiàn)對溫度信號的轉換。AD574A是12位逐次逼近型A/D轉換器，轉換時間為25μs，轉換精度為0.05%。2.系統(tǒng)的模型參數測試理論分析和實驗結果表明，電阻爐是一個具有自平衡能力的對象，可以近似為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。被控對象的數學模型為

G（s）=

系統(tǒng)硬件設計（1）溫度檢測電路及功率放大電路（2）AD574A模/數轉換電路（3）執(zhí)行機構（4）鍵盤/顯示電路（5）存儲器擴展電路（6）報警電路（1）溫度檢測電路及功率放大電路本系統(tǒng)采用鎳鉻-鎳硅熱電偶檢測電阻爐中的溫度，熱電偶測溫是基于物體的熱電效應，它由兩種不同的金屬或合金組成，其優(yōu)點是結構簡單，可將溫度信號轉換成電壓信號，測溫范圍廣、精度高，可實現(xiàn)遠距離測量和傳送，使用穩(wěn)定、可靠，因此被廣泛應用。其不足之處是測溫精度受冷端溫度（即環(huán)境溫度）的影響，為了提高熱電偶測溫精度，需要在熱電偶冷端進行溫度補償。熱電偶冷端溫度補償采用的是集成溫度傳感器AD590，流過AD590的電流Iu=273μA+T0×1μA/℃

溫度檢測電路及功率放大電路（2）AD574A模/數轉換電路A/D轉換器的選擇應滿足其分辨率要高于系統(tǒng)的精度要求，且有一定的裕量。AD574A內部有時鐘脈沖源和基準電壓源，無需外加時鐘信號。通過改變AD574A引腳8、10、12的外接電路可使其進行單極性和雙極性模擬信號的轉換。AD574A轉換電路（3）執(zhí)行機構本系統(tǒng)采用單片機控制的固態(tài)繼電器控溫電路，其波形為完整的正弦波，對電阻爐這樣的慣性較大的被控對象，是一種穩(wěn)定、可靠、較合理的控制方法。傳統(tǒng)控制采用移相觸發(fā)電路，通過改變晶閘管導通角的大小來調節(jié)輸出功率，從而達到自動控溫的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實踐表明這種控制方式產生相當大的中頻干擾，并通過電網傳輸給電力系統(tǒng)造成“公害”。

交流過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器控制電路（4）鍵盤/顯示電路系統(tǒng)采用專用鍵盤/顯示接口芯片8279實現(xiàn)鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。8279既可以鍵盤掃描又可以輸出動態(tài)顯示，它可以減少CPU在掃描鍵盤或刷新顯示時的負擔，同時也簡化了應用軟件的編寫。系統(tǒng)配有6位LED顯示及24鍵小鍵盤，前兩位顯示爐子編號，后四位顯示溫度實測值，選擇75451作為LED的驅動。鍵盤上設有16個數字鍵、8個功能鍵。這樣控制器運行時既可以方便地在線修改各項參數，也可設置多個控制運行命令，操作方便。AT89C51與8279的接口電路（5）存儲器擴展電路AT89C51片內帶有4KB程序存儲器和128字節(jié)數據存儲器，如果系統(tǒng)需要存儲的程序和數據較多，那么需要進行存儲器擴展，本系統(tǒng)擴展了1片2716EPROM和1片6216RAM，使程序存儲器、數據存儲器容量各增加了2KB。EPROM中用來存放程序、表格及加溫曲線等，RAM中則存放上次輸入的曲線參數以及各寄存器的內容。（6）報警電路報警電路采用的是壓電式蜂鳴器，通過單片機的P2.7口經過驅動器驅動其發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需要10