CN102354172B - 多温区电阻炉智能化综合温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多温区电阻炉智能化综合温度控制系统；多温区电阻炉智能化综合温度控制系统含有人机界面模块和N个温区控制单元，温区控制单元通过通讯总线与人机界面模块连接，每个温区控制单元含有PID温控模块、炉温传感器、可控硅触发器、可控硅模块、发热元件和综合保护模块，炉温传感器的输出端与PID温控模块连接，PID温控模块的电流模拟信号输出端通过可控硅触发器、可控硅模块控制发热元件的发热功率，综合保护模块对发热元件的三相供电电源、可控硅外表温度进行检测，综合保护模块的加热控制信号输出端与PID温控模块连接；本发明提供了一种既能准确控温又能保证电炉安全可靠运行的多温区电阻炉智能化综合温度控制系统。
Description
（一）、技术领域：本发明涉及一种温度控制系统，特别涉及一种多温区电阻炉智能化综合温度控制系统。
（二）、背景技术：多温区电阻炉是靠炉体内部设有的专用电阻材料作发热元件，在电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使炉膛中的炉料被加热。其温度控制系统主要由温度传感器、温控仪表、电加热执行器（如可控硅）和发热元件四个部分组成。现有的温度控制技术是温控仪表依靠温度传感器采集炉温信号，来比较实际炉温和需要炉温后得到偏差值，再通过对偏差值的处理获得控制信号，去调节电阻炉的加热功率。随着计算机技术的发展，目前先进的人工智能化PID控制、模糊控制及PID自整定控制等技术已开始应用于温控仪表，已达到了良好的温控效果。但是在现实工业生产中，电炉大都是大电流长时间连续运行，往往现场各种变量的情况复杂多变，如：对作为温控系统信号采集渠道的热电偶来说，在工业现场长时间使用情况下的绝缘性变差、外界干扰信号的进入、热电极变质等因素引入的误差都会造成测温不正确，导致温控仪表控制发热元件不正常加热，就会给加热回路带来事故隐患，并影响产品质量；加热回路的三相电源线路缺相时，三相电流就会不均衡或过大，这就需要及时发现并马上停止温控仪表的运行，避免造成大的事故；再如，作为发热元件的电阻材料，在长期加热工作时会出现变软、膨胀、下坠，造成搭接现象，此时工作电流会异常波动，由于电阻炉温度的大滞后的特点，并不能带来温度的突变，温控仪表不能及时做出反映，仍会控制发热元件继续加热，此时如不能及时发现和判断事故隐患、采取应变措施，则会出现发热元件的熔断（熔融），造成加热回路断路（短路）的重大事故。多温区电阻炉作为高耗能设备，每次事故后的停炉检修、烘炉过程都会造成大量惊人的能源消耗。
由此可见要确保多温区电阻炉设备的良好运行，就要求电炉控制系统不但要实时检测和控制炉温参数，同时还要实时检测各加热回路的电参数，即做到将温度控制和电参数的检测控制相互关联，以判断整个系统的温度参数和加热回路的电参数是否匹配正常，从而发现事故隐患，及时采取应对措施。目前现有技术仅采用温控仪表的单一手段，难以保障电阻炉在复杂工业生产环境下设备的良好运行。
（三）、发明内容：
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术不足，提供一种既能准确控温又能保证电炉安全可靠运行的多温区电阻炉智能化综合温度控制系统。
本发明的技术方案：
一种多温区电阻炉智能化综合温度控制系统，含有人机界面模块和N个温区控制单元，N个温区控制单元通过通讯总线与人机界面模块连接，人机界面模块通过其以太网通讯口连接互联网，每个温区控制单元含有PID温控模块、炉温传感器、可控硅触发器、可控硅模块、发热元件和综合保护模块，炉温传感器的输出端与PID温控模块连接，PID温控模块的电流模拟信号输出端与可控硅触发器连接，可控硅触发器对可控硅模块进行触发，可控硅模块控制发热元件的发热功率，综合保护模块对发热元件的三相供电电源进行检测，可控硅模块的外部设有可控硅外表温度传感器，可控硅外表温度传感器的输出端与综合保护模块连接，综合保护模块的加热控制信号输出端与PID温控模块连接，用于向PID温控模块输出暂停或停止加热信号，PID温控模块和综合保护模块各自采用一个通讯总线与人机界面模块连接，人机界面模块可设置各温区控制单元的综合保护模块和PID温控模块的参数，并以图表的方式记录、显示相关数据，有助于系统日常管理和事故分析；N为大于等于1的自然数。
综合保护模块含有电压互感器、电流互感器、三相电流和电压采样电路、三相电测量电路、第一单片机和第一RS-485接口电路，电压互感器和电流互感器将发热元件的三相供电电源的强电信号转化为弱电信号，该弱电信号进入三相电流和电压采样电路的输入端，三相电流和电压采样电路对该弱电信号进行前期采样滤波处理，三相电流和电压采样电路的输出信号进入三相电测量电路的输入端，三相电测量电路对三相电流和电压采样电路的输出信号进行实时检测并完成实时功率的计算，三相电测量电路的输出信号进入第一单片机的SPI口，第一单片机读取三相电测量电路的实时电流值、电压值和功率值，并按要求完成相关处理运算，第一单片机的串行通讯口通过第一RS-485接口电路连接到第一RS-485总线上，人机界面模块的第一串行通讯口也连接在第一RS-485总线上，可控硅外表温度传感器为二脚温度传感开关元件，二脚温度传感开关元件的一个输出脚与第一单片机的开关量输入端连接，用于检测可控硅模块的超温信号；PID温控模块含有第二单片机、光电隔离器、第二RS-485接口电路和电流模拟量输出电路，炉温传感器为热电偶，热电偶的输出端与第二单片机的模拟信号输入端连接，所述综合保护模块的加热控制信号输出端为第一单片机的数字信号输出端，该数字信号输出端通过光电隔离器与第二单片机的数字信号输入端连接，第二单片机的DAC输出口的输出信号经电流模拟量输出电路驱动后进入可控硅触发器，第二单片机的串行通讯口通过第二RS-485接口电路连接到第二RS-485总线上，人机界面模块的第二串行通讯口也连接在第二RS-485总线上。
综合保护模块通过第一RS-485总线与人机界面模块通讯，PID温控模块通过第二RS-485总线与人机界面模块通讯。
综合保护模块还含有第一键盘、第一显示器和声光报警电路，第一键盘与第一单片机的键盘口连接，第一显示器与第一单片机的显示输出口连接，声光报警电路与第一单片机的报警信号输出口连接；所述PID温控模块还含有第二键盘和第二显示器，第二键盘与第二单片机的键盘口连接，第二显示器与第二单片机的显示输出口连接。第一键盘、第一显示器、第二键盘和第二显示器用于完成参数的设置和数据的显示。
第一单片机的型号为MSP430；第二单片机的型号为ADuC845；二脚温度传感开关元件的型号为67L070。
综合保护模块的三相电测量电路含有三相电计量器和外围电路，三相电计量器的型号为ADE7758。
PID温控模块的电流模拟量输出电路由运放、三极管和采样电阻构成V／I电路，将第二单片机DAC输出口的电压信号转换为电流信号。
人机界面模块通过其LAN以太网通讯口连接互联网。
PID温控模块通过热电偶采集炉温信号，然后比较实际炉温和需要炉温后得到偏差，运用先进的人工智能化PID控制、模糊控制及PID自整定控制等技术，再通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的发热元件的加热功率。
按照RS-485网络通讯协议，人机界面模块以一定时间周期和循序扫描每个温区控制单元的PID温控模块和综合保护模块，依次读取并存储各下位机的实时参数，并将PID温控模块采集的实时炉温数据转发给对应的综合保护模块。
综合保护模块对加热回路的每相电流、电压实时检测并计算出实时功率，结合接收到的最新炉温值，将每相实时功率值和在该温度下利用自适应模糊技术取得的经验功率值进行比较运算，根据比较结果判断加热功率值是否正常，如超出正常范围，则继续检测功率变化情况，并根据功率异常突变情况向PID温控模块输出暂停或停止加热信号，同时进行声光报警，并将报警信号按照RS-485网络通讯协议发送到人机界面模块。
综合保护模块还对可控硅模块表面温度进行检测，当检测到可控硅模块表面温度超温时，发送停止加热信号给PID温控模块，命令其停止加热，同时进行声光报警，并将报警信号通过RS-485网络通讯协议发送到人机界面模块。
本发明的有益效果：
1、本发明将电加热回路的综合保护和电阻炉的温度控制有机地结合起来，并将模糊技术应用于对电加热回路的综合保护，综合保护模块通过将每个温区电加热回路的实时功率和自适应取得的经验功率值进行比较运算，用模糊技术判断加热回路功率是否正常，如电加热回路功率超出正常范围，综合保护模块控制PID温控模块暂停或停止加热；因此，本发明在运用先进温控技术的同时保证了电炉的安全可靠运行、延长了电炉的工作寿命、节约了能源。
2、本发明具有安全预警保护功能：综合保护模块具有缺相保护、突发电流和功率异常检测报警功能，同时还具有可控硅超温报警功能，在报警的同时控制PID温控模块暂停或停止加热工作，提示操作人员及时采取应对措施，避免大的事故发生。
3、本发明的人机界面模块通过LAN以太网通讯口和互联网连接组成VPN虚拟专用网络，人机界面模块的控制中心可远程实时监控各温区的温度、电流、电压和功率等数据，并可进行电流、电压、功率和温度的超限报警，同时还可以通过远程网络进行综合保护模块和PID温控模块的参数设置，控制现场真正能实现无人值守的功能，真正降低了设备运营维护的成本，提高了生产效率。
（四）、附图说明：
图1为多温区电阻炉智能化综合温度控制系统的总原理框图；
图2为温区控制单元的原理框图；
图3为综合保护模块的原理框图；
图4为PID温控模块的原理框图。
（五）、具体实施方式：
参见图1～图4，图中，多温区电阻炉智能化综合温度控制系统含有人机界面模块和N个温区控制单元，N个温区控制单元通过通讯总线与人机界面模块连接，人机界面模块通过其以太网通讯口连接互联网，每个温区控制单元含有PID温控模块、炉温传感器、可控硅触发器、可控硅模块、发热元件和综合保护模块，炉温传感器的输出端与PID温控模块连接，PID温控模块的电流模拟信号输出端与可控硅触发器连接，可控硅触发器对可控硅模块进行触发，可控硅模块控制发热元件的发热功率，综合保护模块对发热元件的三相供电电源进行检测，可控硅模块的外部设有可控硅外表温度传感器，可控硅外表温度传感器的输出端与综合保护模块连接，综合保护模块的加热控制信号输出端与PID温控模块连接，用于向PID温控模块输出暂停或停止加热信号，PID温控模块和综合保护模块各自采用一个通讯总线与人机界面模块连接，人机界面模块可设置各温区控制单元的综合保护模块和PID温控模块的参数，并以图表的方式记录、显示相关数据，有助于系统日常管理和事故分析；N为大于等于1的自然数。
综合保护模块含有电压互感器PT1、PT2、PT3、电流互感器CT1、CT2、CT3、三相电流和电压采样电路、三相电测量电路、第一单片机和第一RS-485接口电路，电压互感器PT1、PT2、PT3和电流互感器CT1、CT2、CT3将发热元件的三相供电电源的强电信号Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic转化为弱电信号，该弱电信号进入三相电流和电压采样电路的输入端，三相电流和电压采样电路对该弱电信号进行前期采样滤波处理，三相电流和电压采样电路的输出信号进入三相电测量电路的输入端，三相电测量电路对三相电流和电压采样电路的输出信号进行实时检测并完成实时功率的计算，三相电测量电路的输出信号进入第一单片机的SPI口，第一单片机读取三相电测量电路的实时电流值、电压值和功率值，并按要求完成相关处理运算，第一单片机的串行通讯口通过第一RS-485接口电路连接到第一RS-485总线上，人机界面模块的第一串行通讯口COM1也连接在第一RS-485总线上，可控硅外表温度传感器为二脚温度传感开关元件，二脚温度传感开关元件的一个输出脚与第一单片机的开关量输入端连接，用于检测可控硅模块的超温信号；PID温控模块含有第二单片机、光电隔离器、第二RS-485接口电路和电流模拟量输出电路，炉温传感器为热电偶，热电偶的输出端与第二单片机的模拟信号输入端连接，综合保护模块的加热控制信号输出端为第一单片机的数字信号输出端，该数字信号输出端通过光电隔离器与第二单片机的数字信号输入端连接，第二单片机的DAC输出口的输出信号经电流模拟量输出电路驱动后进入可控硅触发器，第二单片机的串行通讯口通过第二RS-485接口电路连接到第二RS-485总线上，人机界面模块的第二串行通讯口COM2也连接在第二RS-485总线上。
综合保护模块通过第一RS-485总线与人机界面模块通讯，PID温控模块通过第二RS-485总线与人机界面模块通讯。
综合保护模块还含有第一键盘、第一显示器和声光报警电路，第一键盘与第一单片机的键盘口连接，第一显示器与第一单片机的显示输出口连接，声光报警电路与第一单片机的报警信号输出口连接；所述PID温控模块还含有第二键盘和第二显示器，第二键盘与第二单片机的键盘口连接，第二显示器与第二单片机的显示输出口连接。第一键盘、第一显示器、第二键盘和第二显示器用于完成参数的设置和数据的显示。
第一单片机的型号为MSP430；第二单片机的型号为ADuC845；二脚温度传感开关元件的型号为67L070，其封装为形式为TO-220。
MSP430单片机是一款16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器，它具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令，大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算，还有高效的查表处理指令，这些特点保证了其可编制出高效率的源程序。
ADuC845单片机是ADI公司推出的一款高性能的单片机，它与8051内核兼容，它集成了双路24位Σ-Δ型ADC、可编程增益放大器(PGA)、62kFlash/EE程序存储区、4k的Flash/EE数据存储区、2304字节的片内RAM、12位DAC、两路PWM输出、定时器，它还含有UART、SPI、I2C等串行I/O口。
综合保护模块的三相电测量电路含有三相电计量器和外围电路，三相电计量器的型号为ADE7758。
PID温控模块的电流模拟量输出电路由运放、三极管和采样电阻构成V／I电路，将第二单片机DAC输出口的电压信号转换为电流信号。
ADE7758是一款高精确度的三相电能计量芯片，集成了6路16位ADC模数转换器、数字积分器、高性能DSP、基准电路等，可测量有功、电压、电流有效值等数据，该芯片集成度高，可简化电路设计及减少软件开发工作量。
人机界面模块通过其LAN以太网通讯口连接互联网。
PID温控模块通过热电偶采集炉温信号，然后比较实际炉温和需要炉温后得到偏差，运用先进的人工智能化PID控制、模糊控制及PID自整定控制等技术，再通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的发热元件的加热功率。
按照RS-485网络通讯协议，人机界面模块以一定时间周期和循序扫描每个温区控制单元的PID温控模块和综合保护模块，依次读取并存储各下位机的实时参数，并将PID温控模块采集的实时炉温数据转发给综合保护模块。
综合保护模块对加热回路的每相电流、电压实时检测并计算出实时功率，结合接收到的最新炉温值，将每相实时功率值和在该温度下利用自适应模糊技术取得的经验功率值进行比较运算，根据比较结果判断加热功率值是否正常，如超出正常范围，则继续检测功率变化情况，并根据功率异常突变情况向PID温控模块输出暂停或停止加热信号，同时进行声光报警，并将报警信号按照RS-485网络通讯协议发送到人机界面模块。
综合保护模块还对可控硅模块表面温度进行检测，当检测到可控硅模块表面温度超温时，发送停止加热信号给PID温控模块，命令其停止加热，同时进行声光报警，并将报警信号通过RS-485网络通讯协议发送到人机界面模块。
Claims (3)
1.一种多温区电阻炉智能化综合温度控制系统，含有人机界面模块和N个温区控制单元，N个温区控制单元通过通讯总线与人机界面模块连接，人机界面模块通过其以太网通讯口连接互联网，其特征是：每个温区控制单元含有PID温控模块、炉温传感器、可控硅触发器、可控硅模块、发热元件和综合保护模块，炉温传感器的输出端与PID温控模块连接，PID温控模块的电流模拟信号输出端与可控硅触发器连接，可控硅触发器对可控硅模块进行触发，可控硅模块控制发热元件的发热功率，综合保护模块对发热元件的三相供电电源进行检测，可控硅模块的外部设有可控硅外表温度传感器，可控硅外表温度传感器的输出端与综合保护模块连接，综合保护模块的加热控制信号输出端与PID温控模块连接，PID温控模块和综合保护模块各自采用一个通讯总线与人机界面模块连接；N为大于等于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的多温区电阻炉智能化综合温度控制系统，其特征是：所述综合保护模块含有电压互感器、电流互感器、三相电流和电压采样电路、三相电测量电路、第一单片机和第一RS-485接口电路，电压互感器和电流互感器将发热元件的三相供电电源的强电信号转化为弱电信号，该弱电信号进入三相电流和电压采样电路的输入端，三相电流和电压采样电路的输出信号进入三相电测量电路的输入端，三相电测量电路的输出信号进入第一单片机的SPI口，第一单片机的串行通讯口通过第一RS-485接口电路连接到第一RS-485总线上，人机界面模块的第一串行通讯口也连接在第一RS-485总线上，可控硅外表温度传感器为二脚温度传感开关元件，二脚温度传感开关元件的一个输出脚与第一单片机的开关量输入端连接；所述PID温控模块含有第二单片机、光电隔离器、第二RS-485接口电路和电流模拟量输出电路，所述炉温传感器为热电偶，热电偶的输出端与第二单片机的模拟信号输入端连接，所述综合保护模块的加热控制信号输出端为第一单片机的数字信号输出端，该数字信号输出端通过光电隔离器与第二单片机的数字信号输入端连接，第二单片机的DAC输出口的输出信号经电流模拟量输出电路驱动后进入可控硅触发器，第二单片机的串行通讯口通过第二RS-485接口电路连接到第二RS-485总线上，人机界面模块的第二串行通讯口也连接在第二RS-485总线上。
3.根据权利要求2所述的多温区电阻炉智能化综合温度控制系统，其特征是：所述综合保护模块还含有第一键盘、第一显示器和声光报警电路，第一键盘与第一单片机的键盘口连接，第一显示器与第一单片机的显示输出口连接，声光报警电路与第一单片机的报警信号输出口连接；所述PID温控模块还含有第二键盘和第二显示器，第二键盘与第二单片机的键盘口连接，第二显示器与第二单片机的显示输出口连接。
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