CN102135782B - 电力控制系统及包含其的立式炉加热设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力控制系统及包含其的立式炉加热设备，该电力控制系统包括：成环形依次连接的功率检测模块、功率补偿控制模块、控制信号输出模块、可控硅模块和电力模块；功率检测模块，用于检测电力模块供给的电压值和电流值，计算功率值，判断上述三值是否正常，将功率值发送给功率补偿控制模块，或者触发相应异常报警并终止系统功率输出；功率补偿控制模块，用于发送功率补偿命令至控制信号输出模块；控制信号输出模块，用于生成新的控制信号，并将控制信号发送至可控硅模块；可控硅模块，驱动电力模块输出对应功率。本发明提供的功率自动补偿功能的闭环电力控制系统及包含其的立式炉加热设备，具有控制精度高的优点。

Description

电力控制系统及包含其的立式炉加热设备

技术领域

本发明涉及电力控制领域，特别涉及一种具有功率自动补偿功能的闭环电力控制系统及包括所述电力控制系统的立式炉加热设备。

背景技术

传统的电力控制系统，多采用开环的电力控制方式，对电力控制系统的实际的供给功率未进行有效的监控，控制精度不高。

以硅片氧化工艺为例，这是一种对温度控制要求非常高的工艺。目前国内设计的硅片氧化炉大多是卧式结构，而国际上已经普遍采用自动化程度更高的立式炉，完成此类工艺。随着立式炉自动化程度和工艺性能要求的提高，传统电力控制系统的安全性和可靠性的弊端日益暴露，严重影响了设备安全和工艺性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种针对性强、控制精度高、适用范围更广的电力控制系统及包括所述电力控制系统的立式炉加热设备，以克服现有电力控制系统对实际供给功率不能进行有效监控的不足。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种电力控制系统，所述电力控制系统4包括：成环形依次连接的功率检测模块4.3、功率补偿控制模块4.2、控制信号输出模块4.1、可控硅模块4.5和电力模块4.4；

所述功率检测模块4.3，用于检测所述电力模块4.4供给的电压值和电流值，计算功率值，判断所述电压值、电流值和功率值是否正常，并在电压值、电流值和功率值均正常时将检测数据发送给所述功率补偿控制模块4.2，否则触发相应异常报警并终止所述电力控制系统4功率输出；

所述功率补偿控制模块4.2，用于根据设定功率值以及所述功率检测模块4.3发送的检测数据，生成功率补偿命令，并将其发送至所述控制信号输出模块4.1；

所述控制信号输出模块4.1，用于根据所述设定功率值以及所述功率补偿控制模块4.2发送的功率补偿命令生成控制信号，并将其发送至所述可控硅模块4.5；

所述可控硅模块4.5，用于接收所述控制信号，并根据所述控制信号驱动所述电力模块4.4输出对应功率。

优选地，所述功率检测模块4.3包括：电压检测单元4.3.1、电流检测单元4.3.2、功率计算单元4.3.3和执行单元4.3.4；

所述电压检测单元4.3.1，用于实时采集所述电力模块4.4供给的电压值，并判断所述电压值是否正常；

所述电流检测单元4.3.2，用于实时采集所述电力模块4.4供给的电流值，并判断所述电流值是否正常；

所述功率计算单元4.3.3，用于利用所述电压值和电流值实时计算功率值；

执行单元4.3.4，用于判断所述电压值、电流值和功率值是否正常，并在所述电压值、电流值和功率值均正常时将检测数据发送给所述功率补偿控制模块4.2，否则触发相应异常报警并终止所述电力控制系统4功率输出。

优选地，所述功率补偿控制模块4.2包括：功率偏差计算单元4.2.1和功率补偿计算单元4.2.2；

所述功率偏差计算单元4.2.1，用于计算所述设定功率和所述功率值之间的功率偏差；

所述功率补偿计算单元4.2.2，用于根据所述功率偏差，生成所7述功率补偿命令。

优选地，所述电力模块4.4的供电电源为单相交流电。

优选地，所述电力模块4.4包括存储单元4.4.1和通讯接口4.4.2；

所述存储单元4.4.1，用于记录日志数据；

所述通讯接口4.4.2，用于输出所述日志数据。

优选地，所述电力模块4.4包括继电器，所述功率检测模块4.通过控制所述继电器，使所述电力模块4.4停止输出功率。

优选地，所述控制信号输出模块4.1发送的控制信号为4～20mA电流信号。

本发明还提供一种包含所述电力控制系统4的立式炉加热设备，所述立式炉加热设备还包括：感温系统1、信号采集系统2以及温度控制系统3；

所述感温系统1、信号采集系统2、温度控制系统3、电力控制系统4和立式炉5依次连接成环形；

所述感温系统1，用于检测立式炉5的温度，并将检测到的电压信号发送给所述信号采集系统2；

所述信号采集系统2，用于接收所述感温系统1发送的电压信号，并将所述电压信号转换成温度值后发送给所述温度控制系统3；

所述温度控制系统3，用于根据设定温度值以及所述信号采集系统2发送的温度值，计算得到设定功率值，并将其发送给所述电力控制系统4；

所述电力控制系统4，用于接收所述温度控制系统3发送的设定功率值，并结合所述电力控制系统4的当前供给功率值，输出对应功率至所述立式炉5。

优选地，所述电力控制系统4还包括：

温度监测模块，其与所述感温系统1相连；在所述感温系统1检测到所述立式炉5的温度超过设定的极限温度时，所述温度监测模块用于中断所述电力控制系统4的电力模块4.4的供电电源。

优选地，所述电力控制系统4还包括：

显示模块，用于显示所述极限温度值、所述电力控制系统4工作时的电压值、电流值，以及所述电力控制系统4的异常报警信息。

(三)有益效果

本发明提供了一种具有功率自动补偿功能的闭环电力控制系统，以及包含所述电力控制系统的立式炉加热设备，该电力控制系统及包含其的立式炉加热设备具有针对性强、控制精度高和适用范围广的优点。

附图说明

图1是本发明实施例所述立式炉加热设备的结构图；

图2是本发明实施例所述电力控制系统的结构图；

下面是对图1和图2中的附图标记的说明：

1--感温系统；2--信号采集系统；3--温度控制系统；4--电力控制系统；5--立式炉；4.1--控制信号输出模块；4.2--功率补偿控制模块；4.2.1--功率偏差计算单元；4.2.2--功率补偿计算单元；4.3--功率检测模块；4.3.1--电压检测单元；4.3.2--电流检测单元；4.3.3--功率计算单元；4.3.4--执行单元；4.4--电力模块；4.4.1--存储单元；4.4.2--通讯接口；4.5--可控硅模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明实施例所述立式炉加热设备的结构图，如图1所示，该立式炉加热设备包括：感温系统1，用于检测立式炉5上测温点的温度，并将检测到的电压信号发送给信号采集系统2。信号采集系统2，用于接收所述电压信号，并将所述电压信号转换成温度值(本发明采用热电偶测量特定测温点的温度，测得值为毫伏电压值，对照热电偶标准数据表进行换算后可以转换为实际温度值)后发送给温度控制系统3。温度控制系统3，根据所述信号采集系统2发送的温度值T_i和该立式炉加热系统所需的目标温度T_SetPoint(i)，利用PID(Proportion-Integral-Differential，比例积分微分)算法，计算得到当前立式炉加热设备所需的功率值，即电力控制系统4的设定功率值P_SetPoint(j)，具体计算公式如下：

$P_{\mathrm{SetPoint}\left(j\right)}={\mathrm{KTemp}}_p{e}_N+{\mathrm{KTemp}}_I\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i+{\mathrm{KTemp}}_D{e}_N$

其中，e_i＝T_SetPoint(i)-T_i，KTemp_p为温度控制比例系数，KTemp_I为温度控制积分系数，KTemp_D为温度控制微分系数，N为当前控制运算次数，i为整数变量，取值范围为0≤i≤N，然后将该设定功率值发送给所述电力控制系统4。电力控制系统4，用于接收所述设定功率值，并结合该立式炉加热系统的实际输出功率，生成控制信号，驱动所述电力控制系统4的电力模块4.4输出对应功率至所述立式炉5；另外，当电力控制系统4出现异常报警时，其会将相关报警信息反馈给所述温度控制系统3。

本发明实施例所述立式炉加热系统的温度控制方法包括以下步骤：

S1.启动温度控制；

S2.感温系统1检测立式炉5上测温点温度，并将感测到的电压信号发送至信号采集系统2；

S3.信号采集系统2将所述电压信号转换成温度值后发送至温度控制系统3；

S4.温度控制系统3根据立式炉加热设备目标温度值T_SetPoint(i)，计算得到当前立式炉加热设备所需的功率值，即电力控制系统4的设定功率值P_SetPoint(j)，并将该设定功率值P_SetPoint(j)发送至电力控制系统4；

S5.所述电力控制系统4根据该设定功率值P_SetPoint(j)，结合实时检测到的电力模块4.4供给的电压和电流值，计算得到该立式炉加热设备的实际输出功率，利用闭环电力控制方法，自动调整输出电流，驱动电力模块4.4供给相应的功率至立式炉5；

S6.循环运行步骤S2至S5，直至立式炉5上测温点的温度达到目标温度值T_SetPoint(i)，结束温度控制。

优选地，所述电力控制系统4还包括温度监测模块，与所述感温系统1的极限温度测温热偶相连，当所述极限温度测温热偶感测到所述立式炉5的温度超过设定的极限温度时，该温度监测模块自动切断所述电力控制系统4的电力模块4.4的供电电源。

优选地，所述电力控制系统4还包括显示模块，用于显示所述极限温度和所述电力控制系统正常工作时的电压值、电流值，以及所述电力控制系统的异常报警信息。

图2是本发明实施例所述电力控制系统4的结构图，如图2所示，所述电力控制系统4包括：成环形依次连接的功率检测模块4.3、功率补偿控制模块4.2、控制信号输出模块4.1、可控硅模块4.5和电力模块4.4；

所述功率检测模块4.3，用于检测所述电力模块4.4供给的电压值和电流值，计算功率值，判断所述电压值、电流值和功率值是否正常，并在电压值、电流值和功率值均正常时将检测数据发送给所述功率补偿控制模块4.2，否则触发相应异常报警并终止所述电力控制系统4的功率输出；所述检测数据包括所述功率值；

所述功率补偿控制模块4.2，用于根据设定功率值以及所述功率检测模块4.3发送的检测数据，生成功率补偿命令，并将其发送至所述控制信号输出模块4.1；

所述控制信号输出模块4.1，用于根据所述设定功率值以及所述功率补偿控制模块4.2发送的功率补偿命令生成控制信号，并将其发送至所述可控硅模块4.5；

所述可控硅模块4.5，用于接收所述控制信号，并根据所述控制信号驱动所述电力模块4.4输出对应功率。所述可控硅模块，根据所述控制信号，调整自身的导通角，进而控制所述电力模块4.4输出对应功率；所述导通角为使所述可控硅模块4.5导电的起始角度。可控硅模块4.5通过控制其自身的导通角大小，来控制电力模块4.4的电流有效值的大小，导通角越小，电流有效值越大，导通角越大，电流有效值越小。

本发明实施例所述电力控制系统4的控制方法包括以下步骤：

S5.1：启动电力控制方法。

S5.2：所述功率检测模块4.3实时检测电压信号，并判断电压信号是否在设备正常工作范围，如不在正常范围，触发电压异常报警信号，电力控制系统4转为保护状态，终止其功率输出。

S5.3：所述功率检测模块4.3实时检测电流信号，并判断电流信号是否在设备正常工作范围，如不在正常范围，触发电流异常报警信号，电力控制系统4转为保护状态，终止其功率输出。

S5.4：所述功率检测模块4.3实时计算电力模块4.4输出功率值，并判断该功率值是否在设备正常工作范围，如不在正常范围，触发功率异常报警信号，电力控制系统4转为保护状态，终止其功率输出；否则，将该功率值发送给功率补偿控制模块4.2。

S5.5：所述功率补偿控制模块4.2接收所述功率检测模块4.3发送的功率值与温度控制系统3要求的设定功率值，计算得到功率偏差，利用功率补偿控制算法生成功率补偿命令，并将所述功率补偿命令发送至控制信号输出模块4.1。

S5.6：所述控制信号输出模块4.1，合成温度控制系统3发送的设定功率值和功率补偿控制模块4.2发送的功率补偿命令，生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述可控硅模块4.5。

S5.7：所述可控硅模块4.5根据所述控制信号驱动所述电力模块4.4输出对应的加热功率。

S5.8：循环执行S5.2至S5.7，直至所述温度控制系统3发送指令，结束电力控制。

本发明实施例的电力控制系统4，通过多个功能模块的协调配合，实现了对功率输出的闭环控制，具有针对性强、控制精度高和适用范围广的优点。

优选地，所述功率检测模块4.3包括：电压检测单元4.3.1、电流检测单元4.3.2、功率计算单元4.3.3和执行单元4.3.4；

所述电压检测单元4.3.1，通过滤波降噪处理，实时采集所述电力模块4.4供给的电压值，并判断所述电压值是否正常；

所述电流检测单元4.3.2，通过滤波降噪处理，利用电流互感器，实时采集所述电力模块4.4供给的电流值，并判断所述电流值是否正常；

所述功率计算单元4.3.3，用于利用所述电压值和电流值实时计算功率值；

执行单元4.3.4，用于判断所述电压值、电流值和功率值是否正常，并在所述电压值、电流值和功率值均正常时将检测数据发送给所述功率补偿控制模块4.2，否则触发相应异常报警并终止所述电力控制系统4的功率输出。

功率检测模块4.3由上述四个独立的功能单元构成，这种模块化的设计，在出现故障时，便于查明故障原因，便于维修。

优选地，所述功率补偿控制模块4.2包括：功率偏差计算单元4.2.1和功率补偿计算单元4.2.2；

所述功率偏差计算单元4.2.1，用于计算所述设定功率和所述功率值之间的功率偏差；

所述功率补偿计算单元4.2.2，用于根据所述功率偏差，生成所述功率补偿命令。

温度控制系统3将设定功率值P_SetPoint(j)发送给功率补偿控制模块4.2，功率偏差计算单元用该设定功率值P_SetPoint(j)减去功率检测模块4.3提供的功率值P_j后，得到功率偏差e_j。

当所述功率偏差e_j大于或者等于控制精度要求时，功率补偿计算单元，利用所述功率偏差e_j，通过功率补偿控制算法得到所述功率补偿命令值Power_Add。具体公式如下：

${\mathrm{Power}}_{\mathrm{Add}}={\mathrm{KPower}}_p{e}_N+{\mathrm{KPower}}_I\underset{j=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_j+{\mathrm{KPower}}_D{e}_N$

其中，e_j＝P_SetPoint(j)-P_j，KPower_p为功率控制比例系数，KPower_I为功率控制积分系数，KPower_D为功率控制微分系数，N为当前的功率补偿控制运算次数，j为整数变量，取值范围为0≤j≤N。

当所述功率偏差e_j小于控制精度要求时，功率补偿计算单元直接设置所述功率补偿命令值Power_Add为0。

优选地，所述电力模块4.4的供电电源为单相交流电。

采用单相交流电对电力模块4.4供电，对电力系统的硬件要求不高，便于本发明方案的推广。

优选地，所述电力模块4.4包括存储单元4.4.1和通讯接口4.4.2；

所述存储单元4.4.1，用于记录日志数据；

所述通讯接口4.4.2，用于输出所述日志数据。

通过在电力模块4.4设置存储单元4.4.1和通讯接口4.4.2，是本发明的电力系统具备日志功能，便于对电力系统的管理和维护。

优选地，所述电力模块4.4包括继电器，所述功率检测模块通过控制所述继电器，使所述电力模块4.4停止输出功率。

当功率检测模块4.3检测到电压值、电流值以及计算得到的功率值中任一项不正常时，会触发相应异常报警，并通过控制电力模块4.4的继电器终止电力控制系统4的功率输出。

优选地，所述控制信号输出模块4.1发送的控制信号为4～20mA电流信号。

采用4～20mA电流信号作为控制信号，消耗功率低，有利于节能减排。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种电力控制系统（4），其特征在于，所述电力控制系统（4）包括：成环形依次连接的功率检测模块（4.3）、功率补偿控制模块（4.2）、控制信号输出模块（4.1）、可控硅模块（4.5）和电力模块（4.4）；

所述功率检测模块（4.3），用于检测所述电力模块（4.4）供给的电压值和电流值，计算功率值，判断所述电压值、电流值和功率值是否正常，并在电压值、电流值和功率值均正常时将检测数据发送给所述功率补偿控制模块（4.2），否则触发相应异常报警并终止所述电力控制系统（4）功率输出；

所述功率补偿控制模块（4.2），用于根据设定功率值以及所述功率检测模块（4.3）发送的检测数据，生成功率补偿命令，并将其发送至所述控制信号输出模块（4.1）；

所述控制信号输出模块（4.1），用于根据所述设定功率值以及所述功率补偿控制模块（4.2）发送的功率补偿命令生成控制信号，并将其发送至所述可控硅模块（4.5）；

所述可控硅模块（4.5），用于接收所述控制信号，并根据所述控制信号驱动所述电力模块（4.4）输出对应功率；所述功率检测模块（4.3）包括：电压检测单元（4.3.1）、电流检测单元（4.3.2）、功率计算单元（4.3.3）和执行单元（4.3.4）；

所述电压检测单元（4.3.1），用于实时采集所述电力模块（4.4）供给的电压值，并判断所述电压值是否正常；

所述电流检测单元（4.3.2），用于实时采集所述电力模块（4.4）供给的电流值，并判断所述电流值是否正常；

所述功率计算单元（4.3.3），用于利用所述电压值和电流值实时计算功率值；

执行单元（4.3.4），用于判断所述电压值、电流值和功率值是否正常，并在所述电压值、电流值和功率值均正常时将检测数据发送给所述功率补偿控制模块（4.2），否则触发相应异常报警并终止所述电力控制系统（4）功率输出；

所述电力模块（4.4）包括存储单元（4.4.1）和通讯接口（4.4.2）；

所述存储单元（4.4.1），用于记录日志数据；

所述通讯接口（4.4.2），用于输出所述日志数据。

2.如权利要求1所述的电力控制系统（4），其特征在于，所述功率补偿控制模块（4.2）包括：功率偏差计算单元（4.2.1）和功率补偿计算单元（4.2.2）；

所述功率偏差计算单元（4.2.1），用于计算所述设定功率和所述功率值之间的功率偏差；

所述功率补偿计算单元（4.2.2），用于根据所述功率偏差，生成所述功率补偿命令。

3.如权利要求1所述的电力控制系统（4），其特征在于，所述电力模块（4.4）的供电电源为单相交流电。

4.如权利要求1所述的电力控制系统（4），其特征在于，所述电力模块（4.4）包括继电器，所述功率检测模块（4.3）通过控制所述继电器，使所述电力模块（4.4）停止输出功率。

5.如权利要求1所述的电力控制系统（4），其特征在于，所述控制信号输出模块（4.1）发送的控制信号为4~20mA电流信号。

6.一种包含权利要求1至5中任一项所述电力控制系统（4）的立式炉加热设备，其特征在于，所述立式炉加热设备还包括：感温系统(1)、信号采集系统(2)以及温度控制系统(3)；

所述感温系统(1)、信号采集系统(2)、温度控制系统(3)、电力控制系统（4）和立式炉（5）依次连接成环形；

所述感温系统(1)，用于检测立式炉(5)的温度，并将检测到的电压信号发送给所述信号采集系统(2)；

所述信号采集系统(2)，用于接收所述感温系统(1)发送的电压信号，并将所述电压信号转换成温度值后发送给所述温度控制系统(3)；

所述温度控制系统(3)，用于根据设定温度值以及所述信号采集系统(2)发送的温度值，计算得到设定功率值，并将其发送给所述电力控制系统(4)；

所述电力控制系统(4)，用于接收所述温度控制系统(3)发送的设定功率值，并结合所述电力控制系统(4)的当前供给功率值，输出对应功率至所述立式炉(5)。

7.如权利要求6所述的立式炉加热设备，其特征在于，所述电力控制系统(4)还包括：

温度监测模块，其与所述感温系统(1)相连；在所述感温系统(1)检测到所述立式炉(5)的温度超过设定的极限温度时，所述温度监测模块用于中断所述电力控制系统(4)的电力模块(4.4)的供电电源。

8.如权利要求7所述的立式炉加热设备，其特征在于，所述电力控制系统(4)还包括：

显示模块，用于显示所述极限温度值、所述电力控制系统(4)工作时的电压值、电流值，以及所述电力控制系统(4)的异常报警信息。

Images