鹽爐溫控柜的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
[導(dǎo)讀]研制鹽爐溫控柜實(shí)現(xiàn)鹽爐的自動(dòng)化控制，使老產(chǎn)品通過改造達(dá)到目前同行業(yè)的先進(jìn)水平，是鹽爐控制柜設(shè)計(jì)總的目標(biāo)和要求。
引言
表面處理是機(jī)械加工、儀器儀表生產(chǎn)、電子產(chǎn)品制造等多種行業(yè)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它不僅使生產(chǎn)的產(chǎn)品美觀、好看，而且更重要是可以起到對(duì)產(chǎn)品的防腐、防銹、防侵蝕等保護(hù)作用。因此表面處理的好與壞，直接影響到產(chǎn)品可靠性和使用壽命。我廠用于表面處理的鹽爐是80年代初的產(chǎn)品，只能靠手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，且溫度顯示不直觀，控制過程緩慢，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到當(dāng)前相應(yīng)要求。研制鹽爐溫控柜實(shí)現(xiàn)鹽爐的自動(dòng)化控制，使老產(chǎn)品通過改造達(dá)到目前同行業(yè)的先進(jìn)水平，是鹽爐控制柜設(shè)計(jì)總的目標(biāo)和要求。
技術(shù)性能及要求
分別控制鹽爐的化爐和升溫過程。變壓器觸點(diǎn)固定，在化爐過程中采用逐漸提高電流的方法控制化爐的時(shí)間。設(shè)計(jì)、測(cè)量、顯示溫度范圍：400℃_1200℃；溫度控制精度：±5℃；測(cè)量誤差：3℃；熱電偶：鎳鉻—鎳鋁(硅)熱電偶；功率：380V/3相，165KW(每相電流250A)。具有設(shè)定溫度及測(cè)量溫度顯示功能，具有工作電壓及工作電流顯示功能。數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度和測(cè)量溫度，電壓表和電流表顯示工作電壓和工作電流。具有緊急斷電、漏電保護(hù)、過流保護(hù)等安全措施。
總體設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)組成
圖1 鹽爐溫控柜原理方框圖
鹽爐溫控柜原理方框圖如圖1所示，主要包括以下幾個(gè)部分：
1、溫度調(diào)節(jié)部分：溫度調(diào)節(jié)由溫度調(diào)節(jié)儀(溫度檢測(cè)及控制電路)完成，鹽爐的溫度信號(hào)由熱電偶輸入到溫度調(diào)節(jié)儀，溫度調(diào)節(jié)儀對(duì)輸入的溫度信號(hào)進(jìn)行采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換，顯示測(cè)量結(jié)果并與設(shè)定溫度比較，輸出溫度控制信號(hào)。
2、化爐控制部分：主要由電位器組成，通過調(diào)整電位器改變化爐手控電壓值控制脈沖產(chǎn)生的時(shí)間，進(jìn)而控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通，以達(dá)到控制化爐電流的目的。
3、脈沖產(chǎn)生及延時(shí)電路部分：由變壓器、整流器、運(yùn)算放大器、定時(shí)器等組成電路，產(chǎn)生與50Hz交流電同步的觸發(fā)信號(hào)，控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通。觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間受溫度調(diào)節(jié)儀和化爐信號(hào)的控制。
4、主控部分：包括控制按鈕、空氣開關(guān)、電磁繼電器、固態(tài)繼電器、保險(xiǎn)絲、變壓器及電流電壓顯示，其中控制按鈕具有啟動(dòng)、緊急斷電等功能，保險(xiǎn)絲起到過流保護(hù)等功能。
具體電路設(shè)計(jì)
溫度檢測(cè)及控制電路
溫度檢測(cè)及控制電路原理框圖如圖2所示，它主要由熱電耦、放大調(diào)整、A/D變換及接口、8031單片機(jī)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路組成。其工作過程是，根據(jù)表面處理對(duì)鹽爐的溫度要求通過鍵盤對(duì)控制過程進(jìn)行設(shè)定之后，單片機(jī)系統(tǒng)首先對(duì)六路鎳鉻—鎳鋁熱電偶對(duì)爐內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，最后單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)值的差值大小輸出控制信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出，送給固態(tài)繼電器控制電路，并通過繼電器電路控制鹽爐加熱電壓、電流的大小和時(shí)間來對(duì)鹽爐的溫度進(jìn)行控制。
圖2 溫度檢測(cè)及控制電路方框圖
固態(tài)繼電器控制電路
固態(tài)繼電器控制電路如圖3所示，主要由檢零電路、鋸齒波形成電路和脈沖形成電路組成。固態(tài)繼電器控制電路的作用是將溫度調(diào)節(jié)儀輸出信號(hào)或化爐手控信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制脈沖，通過固態(tài)繼電器控制三相交流電的導(dǎo)通時(shí)間，完成對(duì)輸入功率的控制。其工作過程是檢零電路對(duì)50Hz、220V電源相位進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)生與電源相位相一致的鋸齒波，此鋸齒波在同步脈沖形成電路中與來自溫控儀的直流信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)鋸齒波電壓小于直流控制電壓時(shí)，同步脈沖形成電路輸出正脈沖，使固態(tài)繼電器導(dǎo)通，電源給負(fù)載供電。
圖3 固態(tài)繼電器控制模塊方框圖
直流控制電壓變化將控制同步脈沖的寬度，寬度大則導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，從而控制加到鹽爐輸入功率的大小。
其它電路
其它電路主要由電流開關(guān)、交流接觸器、數(shù)碼顯示工作狀態(tài)指示電路等組成。
軟件設(shè)計(jì)
* 輸入?yún)?shù)：設(shè)定溫度、保溫溫度、報(bào)警溫度、保溫時(shí)間。
* 自動(dòng)記錄保溫溫度的開始時(shí)間，并在保溫時(shí)間結(jié)束時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
* 完成數(shù)據(jù)的采集(應(yīng)可同時(shí)完成多個(gè)對(duì)象的數(shù)據(jù)采集)，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，及輸出相應(yīng)對(duì)象的控制信號(hào)。
* 當(dāng)任務(wù)結(jié)束時(shí)，可打印出測(cè)量溫度及相應(yīng)時(shí)間(每5分鐘保存一次)，表示溫度和時(shí)間關(guān)系的曲線。
軟件流程如圖4所示。
圖4 軟件流程圖
結(jié)語
鹽爐溫控柜的研制成功和使用，使原來的鹽爐增加了自動(dòng)控制功能，且操作簡(jiǎn)單，可靠性高。目前此產(chǎn)品已應(yīng)用于不同車間3臺(tái)鹽爐，產(chǎn)品達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
參考文獻(xiàn)：
1. 張是勉等，《自動(dòng)檢測(cè)》，科學(xué)出版社
2. 劉惠彬等，《測(cè)試技術(shù)》，北京航天航空大學(xué)出版社
3. 王廣雄，《自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，宇航出版社
4. 《MCS-51、96原理及應(yīng)用》，北京航空航天大學(xué)出版社
5. 李行善，《計(jì)算機(jī)測(cè)試與控制》，北京航空航天大學(xué)出版社
表面處理是機(jī)械加工、儀器儀表生產(chǎn)、電子產(chǎn)品制造等多種行業(yè)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它不僅使生產(chǎn)的產(chǎn)品美觀、好看，而且更重要是可以起到對(duì)產(chǎn)品的防腐、防銹、防侵蝕等保護(hù)作用。因此表面處理的好與壞，直接影響到產(chǎn)品可靠性和使用壽命。我廠用于表面處理的鹽爐是80年代初的產(chǎn)品，只能靠手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，且溫度顯示不直觀，控制過程緩慢，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到當(dāng)前相應(yīng)要求。研制鹽爐溫控柜實(shí)現(xiàn)鹽爐的自動(dòng)化控制，使老產(chǎn)品通過改造達(dá)到目前同行業(yè)的先進(jìn)水平，是鹽爐控制柜設(shè)計(jì)總的目標(biāo)和要求。
技術(shù)性能及要求
分別控制鹽爐的化爐和升溫過程。變壓器觸點(diǎn)固定，在化爐過程中采用逐漸提高電流的方法控制化爐的時(shí)間。設(shè)計(jì)、測(cè)量、顯示溫度范圍：400℃_1200℃；溫度控制精度：±5℃；測(cè)量誤差：3℃；熱電偶：鎳鉻—鎳鋁(硅)熱電偶；功率：380V/3相，165KW(每相電流250A)。具有設(shè)定溫度及測(cè)量溫度顯示功能，具有工作電壓及工作電流顯示功能。數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度和測(cè)量溫度，電壓表和電流表顯示工作電壓和工作電流。具有緊急斷電、漏電保護(hù)、過流保護(hù)等安全措施。
總體設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)組成
圖1 鹽爐溫控柜原理方框圖
鹽爐溫控柜原理方框圖如圖1所示，主要包括以下幾個(gè)部分：
1、溫度調(diào)節(jié)部分：溫度調(diào)節(jié)由溫度調(diào)節(jié)儀(溫度檢測(cè)及控制電路)完成，鹽爐的溫度信號(hào)由熱電偶輸入到溫度調(diào)節(jié)儀，溫度調(diào)節(jié)儀對(duì)輸入的溫度信號(hào)進(jìn)行采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換，顯示測(cè)量結(jié)果并與設(shè)定溫度比較，輸出溫度控制信號(hào)。
2、化爐控制部分：主要由電位器組成，通過調(diào)整電位器改變化爐手控電壓值控制脈沖產(chǎn)生的時(shí)間，進(jìn)而控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通，以達(dá)到控制化爐電流的目的。
3、脈沖產(chǎn)生及延時(shí)電路部分：由變壓器、整流器、運(yùn)算放大器、定時(shí)器等組成電路，產(chǎn)生與50Hz交流電同步的觸發(fā)信號(hào)，控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通。觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間受溫度調(diào)節(jié)儀和化爐信號(hào)的控制。
4、主控部分：包括控制按鈕、空氣開關(guān)、電磁繼電器、固態(tài)繼電器、保險(xiǎn)絲、變壓器及電流電壓顯示，其中控制按鈕具有啟動(dòng)、緊急斷電等功能，保險(xiǎn)絲起到過流保護(hù)等功能。
具體電路設(shè)計(jì)
溫度檢測(cè)及控制電路
溫度檢測(cè)及控制電路原理框圖如圖2所示，它主要由熱電耦、放大調(diào)整、A/D變換及接口、8031單片機(jī)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路組成。其工作過程是，根據(jù)表面處理對(duì)鹽爐的溫度要求通過鍵盤對(duì)控制過程進(jìn)行設(shè)定之后，單片機(jī)系統(tǒng)首先對(duì)六路鎳鉻—鎳鋁熱電偶對(duì)爐內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，最后單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)值的差值大小輸出控制信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出，送給固態(tài)繼電器控制電路，并通過繼電器電路控制鹽爐加熱電壓、電流的大小和時(shí)間來對(duì)鹽爐的溫度進(jìn)行控制。
圖2 溫度檢測(cè)及控制電路方框圖
固態(tài)繼電器控制電路
固態(tài)繼電器控制電路如圖3所示，主要由檢零電路、鋸齒波形成電路和脈沖形成電路組成。固態(tài)繼電器控制電路的作用是將溫度調(diào)節(jié)儀輸出信號(hào)或化爐手控信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制脈沖，通過固態(tài)繼電器控制三相交流電的導(dǎo)通時(shí)間，完成對(duì)輸入功率的控制。其工作過程是檢零電路對(duì)50Hz、220V電源相位進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)生與電源相位相一致的鋸齒波，此鋸齒波在同步脈沖形成電路中與來自溫控儀的直流信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)鋸齒波電壓小于直流控制電壓時(shí)，同步脈沖形成電路輸出正脈沖，使固態(tài)繼電器導(dǎo)通，電源給負(fù)載供電。
圖3 固態(tài)繼電器控制模塊方框圖
直流控制電壓變化將控制同步脈沖的寬度，寬度大則導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，從而控制加到鹽爐輸入功率的大小。
其它電路
其它電路主要由電流開關(guān)、交流接觸器、數(shù)碼顯示工作狀態(tài)指示電路等組成。
軟件設(shè)計(jì)
* 輸入?yún)?shù)：設(shè)定溫度、保溫溫度、報(bào)警溫度、保溫時(shí)間。
* 自動(dòng)記錄保溫溫度的開始時(shí)間，并在保溫時(shí)間結(jié)束時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
* 完成數(shù)據(jù)的采集(應(yīng)可同時(shí)完成多個(gè)對(duì)象的數(shù)據(jù)采集)，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，及輸出相應(yīng)對(duì)象的控制信號(hào)。
* 當(dāng)任務(wù)結(jié)束時(shí)，可打印出測(cè)量溫度及相應(yīng)時(shí)間(每5分鐘保存一次)，表示溫度和時(shí)間關(guān)系的曲線。
軟件流程如圖4所示。
圖4 軟件流程圖
結(jié)語
鹽爐溫控柜的研制成功和使用，使原來的鹽爐增加了自動(dòng)控制功能，且操作簡(jiǎn)單，可靠性高。目前此產(chǎn)品已應(yīng)用于不同車間3臺(tái)鹽爐，產(chǎn)品達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
參考文獻(xiàn)：
1. 張是勉等，《自動(dòng)檢測(cè)》，科學(xué)出版社
2. 劉惠彬等，《測(cè)試技術(shù)》，北京航天航空大學(xué)出版社
3. 王廣雄，《自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，宇航出版社
4. 《MCS-51、96原理及應(yīng)用》，北京航空航天大學(xué)出版社
5. 李行善，《計(jì)算機(jī)測(cè)試與控制》，北京航空航天大學(xué)出版社
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