基于可控硅溫度控制器的電阻爐的設(shè)計(jì)應(yīng)用

介紹可控硅溫度控制器的組成和原理及實(shí)現(xiàn)方法，并著重介紹了pid功能的原理和實(shí)現(xiàn)，最后描述了系統(tǒng)的應(yīng)用情況.

  在化驗(yàn)分析中，試樣的溫度要控制在適當(dāng)?shù)臏囟确秶?，有時(shí)還要按規(guī)定的溫度曲線進(jìn)行升溫和降溫如果采用傳統(tǒng)的接觸器通斷控制方式不但溫度控制精度低，而且能耗高，甚至很多控制溫度無(wú)法滿足規(guī)定要求。隨著新產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)一步加快，試樣的分析對(duì)溫度的要求越來(lái)越高。尋找節(jié)能環(huán)保的加熱控溫設(shè)備，可控硅溫度控制器是目前行之有效的方法。

    1 可控硅溫度控制器的組成與原理

    溫度測(cè)量與控制是熱電偶采集信號(hào)通過pid溫度調(diào)節(jié)器測(cè)量和輸出0～10ma或4～20ma控制觸發(fā)板控制可控硅導(dǎo)通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設(shè)定的溫度工作狀態(tài)。可控硅溫度控制器由主回路和控制回路組成。主回路是由可控硅，過電流保護(hù)快速熔斷器、過電壓保護(hù)rc和電阻爐的加熱元件等部分組成。

    控制回路是由直流信號(hào)電源、直流工作電源、電流反饋環(huán)節(jié)、同步信號(hào)環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖產(chǎn)生器、溫度檢測(cè)器和pid溫度調(diào)節(jié)器等部分組成。

    2 可控硅溫度控制器的實(shí)現(xiàn)方法

    2．1溫度檢測(cè)和pid調(diào)節(jié)器構(gòu)成

    工業(yè)電阻爐是一類具有非線性、大滯后、大慣性的常見工業(yè)被控對(duì)象。電阻爐廣泛應(yīng)用于化驗(yàn)室樣品熔樣，熱處理中工件的分段加熱和冷卻等。根據(jù)工藝對(duì)溫度精度的不同要求可以選用不同類型的pid調(diào)節(jié)器控制溫度在適當(dāng)?shù)姆秶?

    對(duì)于要求保持恒溫控制而不要溫度記錄的電阻爐采用帶pid調(diào)節(jié)的數(shù)字式溫度顯示調(diào)節(jié)儀顯示和調(diào)節(jié)溫度，輸出0～10ma作為直流信號(hào)輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，完全可以滿足要求，投入成本低，操作方便直觀并且容易維護(hù)。

    對(duì)于要求溫度控制精度高，多點(diǎn)溫度控制和記錄的復(fù)雜控制系統(tǒng)采用小型計(jì)算機(jī)控制是比較理想的以普通pc機(jī)和以pci總線的輸入輸出模塊組成控制系統(tǒng)可以取代以往的多個(gè)數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀，不但實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的升級(jí)換代，而且與以往的設(shè)備完全兼容。

    系統(tǒng)采用普通的pc機(jī)和康拓工控的模擬量輸入和輸出板。模擬量輸入板采用pci總線dc／dc光隔32路12位a／d板（pci5413d），其量程設(shè)置為0～312．5mv，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶溫度信號(hào)的采集。模擬量輸出板采用pci總線dc／dc光隔8路12位d／a板（pci5416d），其量程設(shè)置為0～loma。

    系統(tǒng)軟件完成驅(qū)動(dòng)程序的安裝，板卡軟件安裝程序的初始化設(shè)置；熱電偶毫伏對(duì)照表根據(jù)熱電偶的型號(hào)將毫伏值轉(zhuǎn)換成溫度值，通過溫度設(shè)定值或程序給定曲線值比較的偏差作為數(shù)字pid的輸入。由于電阻爐純滯后特點(diǎn)，數(shù)字pid設(shè)計(jì)采用大林控制算法，使系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)具有帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，使要求純延遲時(shí)間等于被控對(duì)象的純延遲時(shí)間。然而pid參數(shù)的整定比較復(fù)雜，基于工藝過程對(duì)爐溫穩(wěn)定性和精確度的要求，選擇二維模糊控制器在軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試整定比較容易實(shí)現(xiàn)。模糊控制不需要建立控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只要求把人工操作的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)歸納成較完善的語(yǔ)言控制規(guī)則，典型的二維模糊控制器的設(shè)計(jì)通常包括以下四個(gè)組成部分：

    （1）模糊化：采用正態(tài)分布確定模糊變量的賦值表，將溫度誤差和誤差變化量的精確量轉(zhuǎn)化成模糊量。

    （2）模糊推理：按照語(yǔ)言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，求出系統(tǒng)全部模糊關(guān)系所對(duì)應(yīng)的控制規(guī)則并置于規(guī)則庫(kù)。

    （3）模糊判決：用“最大隸屬度法”、“加權(quán)平均判決法”等方法得到控制參數(shù)的模糊量。

    （4）去模糊化：把模糊判決后的結(jié)果由模糊量轉(zhuǎn)化成為可以用于實(shí)際控制的精確量。
2．2觸發(fā)電路

    可控硅觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證可控硅可靠導(dǎo)通；觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度；不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)；應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。采用單結(jié)晶體管或三極管電路比較簡(jiǎn)單可靠而且容易調(diào)整，也可以用專業(yè)廠家生產(chǎn)的集成電路實(shí)現(xiàn)。

    系統(tǒng)可以采用zk一1可控硅電壓調(diào)整器作為觸發(fā)電路，這樣可以方便地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)。

    2．3可控硅的選擇

    可控硅主要參數(shù)：

    （1）額定電壓

    斷態(tài)重復(fù)峰值電壓u。：在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓：在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通常取可控硅的和中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2～3倍。

    （2）額定電流

    可控硅在環(huán)境溫度為40～c和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取可控硅并非應(yīng)留一定的裕量，一般取1．5～2倍。

    2．4安裝和操作

    由于可控硅溫度控制器的主回路電流都比較大，因此選擇合適的線路電纜直徑線路是十分重要的，并且要確保線路的可靠連接，防止負(fù)載短路擊穿可控硅；考慮到可控硅電流突變時(shí)較易損壞，開爐時(shí)要手動(dòng)調(diào)節(jié)使電流緩慢上升，關(guān)爐時(shí)要關(guān)小電流。

    3 可控硅溫度控制器的應(yīng)用

    選擇優(yōu)良耐火材料如高級(jí)氧化鋁、耐火纖維和輕質(zhì)磚做成的爐體是關(guān)鍵的一環(huán)，以硅鉬棒、硅碳棒等電加熱元件提供熱源的溫度控制設(shè)備采用可控硅溫度控制器，爐況穩(wěn)定，爐溫控制效果在實(shí)時(shí)性和控制精度方面有顯著提高。而采用計(jì)算機(jī)和pci總線控制后，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以同時(shí)控制多臺(tái)電阻爐，不但實(shí)現(xiàn)了程序自動(dòng)控制，而且可以多點(diǎn)溫度顯示記錄貯存和報(bào)警等功能，系統(tǒng)使觸發(fā)電路等大部份部件互換，可以使傳統(tǒng)的設(shè)備得到升級(jí)。這樣設(shè)備管理工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，對(duì)設(shè)備的維護(hù)和維修比較簡(jiǎn)單。