电热炉温度自动化控制设计

2022-09-11

在传统的电热炉温度控制系统中, 主电路大多采用交流接触器控制电热炉的电源通断, 炉温控制采甲温度仪表监视和人工调节相结合的方式。这种控制方式虽然结构简单, 但控制精度差, 控制速度慢, 费人力, 本身耗能多, 噪音大, 而且控温过程中接触器频繁通断, 经常发生触点电弧放电现象, 严重时造成短路, 使接触器损坏, 对操作人员和设备安全带来不利影响等。因此将微型计算机技术应用于热处理工艺控制是提高热处理产品质量, 降低生产成本的必然趋势。本文利用8031单片机构成的电热炉温度控制系统, 主电路采用双向晶闸管控制电热炉的电源通断, 炉温控制采用单片机自动控制, 其控制精度高, 可靠性好, 控制功能强, 性能价格比高, 得到了广泛的应用。

1 系统构成

电热炉温度单片机控制系统由8031单片机系、双向晶闸管触发及开关电路、和电热炉、温度检测及温度变送电路、A/D转换电路、温度显示电路、温度给定电路声光报警电路组成, 如图1所示。

2 主电路的设计

在传统的电热炉温度控制系统中, 主电路大多采用交流接触器控制电热炉的电源通断, 由于交流接触器频繁地启动与停止, 造成温度波动较大, 难以满足工件热处理的工艺要求。因此, 本系统的主电路采用双向闸管代替交流接触器来控制电热炉的电源通断, 它能连续调节加在炉丝上的电压, 从而使电热炉的温度满足工件热处理的工艺要求, 如图2所示。

3 控制电路的设计

3.1 系统的工作原理

本系统可以完成温度信号的采集与放大, 从而构成温度闭环控制。反映炉温的热电偶电势, 首先经冷端补偿后送入运算放大器放大, 再送入A/D转换电路, 然后进入8031单片机中, 获得与炉温相应的数字量。此数字量经数字滤波、线性化处理、标度变换后, 一方面通过LED显示炉温, 另一方面与设定的炉温值进行比较、运算和调节。根据运算结果, 8031单片机对双向晶闸的导通角进行控制, 从而实现三相交流调功, 以此来达到控温的目的。

3.2 温度检测与变送电

本系统选用镍铬——镍硅热电偶作为温度传感器, 其原因是它测温范围适中, 线性度较好, 价格较便宜, 输出热电势较大, 便于测量放大器选型。热电偶冷端补偿采用集成温度传感器, 流过的电流, 为室温。负载电阻上输出电压, 选择使在转换器的允许输入电压范围内。这种方法测量冷端温度准确, 克服了常规方法补偿误差大和不方便的缺点。

在本系统中, 热电偶的输出电势为, 信号需经运放放大倍左右。前级选用自稳零高精度斩波运放, 后级运放则用较廉价的, 主要完成反相功能。输入端的二极管起保护作用, 避免输入线路故障时或瞬态尖峰干扰损坏运放。

4 双向晶闸管触发电路

A、B、C三相电压、 (220V, 50Hz) 经分压得到较低的三相电压, 再经过光电耦合器组成的电源过零检测电路, 得到周期为10ms的脉冲信号, 作为定时器的开启信号, 经反相后送人8031单片机, 上升沿有效。发生中断后, 开启定时器定时, 定时时间由设定的炉温值与测得的炉温值的偏差决定。定时时间未到时P1.3口为逻辑0, 触发电路不通, 双向晶闸管关断;定时时间到时, 触发电路导通, 双向晶闸管导通。

对实时调功和8 0 3 1单片机的系统扩展, 采用中断和查询相结合方式, 三相过零脉冲信号CTA、CTB、CTC经3个集电极开路非门 (OC门) 组成线或关系送端, 查询次序为CrA、CTB、CTC, 以确定哪相申请中断。

4.1 过零脉冲检测电路

其工作原理是:交流电压经限流电阻直接加到两个反向并联的光电二极管上, 在交流电压的正, 负半周, 幅值达到以上时, 两个反向并联的二极管轮流导通, 从而使光敏三极管也轮流饱和导通, 经与门电路整形输出。在任一光敏三极管导通期间输出低电平, 在交流电源过的瞬时, 两个二极管都不导通, 与门电路输出高电平, 因此输出端得到周期为 (对交流电) 的脉冲信号, 脉宽由分压电阻、决定。在中断查询结合方式中, 脉宽要求不小于 (晶振频率) , 图中取, 将光电二极管电流限制在左右。A相过零脉冲检测电路如图3所示, 相与相过零脉冲检测电路与相相同。