CN107702551A - 一种加热炉的计算机控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加热炉的计算机控制系统，以8051单片机为核心,电加热炉炉内的实际温度由热电偶测量并转换成毫伏级的电压信号,经运算放大器放大到0～5V,再经有源低通滤波器滤波后,由第一A/D转换器成数字量，显示在计算机上，此数字量经数字滤波、标度变换后,将该温度值与被控温度值进行比较,如果差值较大报警器将进行报警提醒,控制人员可通过计算机输入指令通过第二A/D转换器将数字信号转换成电压信号经驱动执行机构执行控制对加热炉进行控温，本发明中在PID控制电路中加入的运算放大器，从而避免了在信号传输因为电信号的波动而导致数据传输错误的问题，同时本发明在加热炉中加入了气体循环装置，避免了热电偶测量温度的不准确。

Description

一种加热炉的计算机控制系统
技术领域
本发明涉及计算机控制系统技术领域，具体为一种加热炉的计算机控制系统。
背景技术
温度是工业对象中的很重要参数的之一。广泛应用在冶金、化工、机械各类加热炉热、处理炉和反应炉等工业中。电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。
而现今的加热炉电控基本都采取PID控制方法，这种控制方式由于加热炉炉内部温度不统一这样导致电热偶在测量温度上极其不准确，同时原有的控制方式在传输中经常会因为电路的波动而导致信号在传输过程中出现错误，为此我们提出了一种加热炉的计算机控制系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加热炉的计算机控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种加热炉的计算机控制系统，包括加热炉，所述加热炉包括壳体，所述壳体的内腔套接有加热电阻，所述加热电阻的内腔缠绕有导热腔，所述壳体的左侧壁和右侧壁均固定连接有气体循环装置，所述壳体的底面固定连接有脚垫，所述壳体的前侧壁铰接有炉盖，所述壳体的上表面固定连接有温度变送器，所述温度变送器的下端固定连接有电热偶，所述电热偶的下端贯穿导热腔的上侧壁，所述壳体的上端固定连接有控制箱，所述控制箱的右侧壁设有计算机，所述控制箱与计算机电连接；
所述气体循环装置包括循环装置壳，所述循环装置壳贯穿壳体的外侧壁固定连接在导热腔的外侧壁上，所述循环装置壳的底面固定连接有电机，所述电机的输出端固定连接有循环风扇，所述循环风扇延伸至导热腔内；
所述控制箱的内腔从左到右依次固定连接有8051单片机、报警器、运算放大器、第一A/D转换器、第二A/D转换器、驱动执行机构和温度变送器；
所述计算机与8051单片机电连接，所述8051单片机分别与第一A/D转换器、第二A/D转换器、报警器和外电源电连接，所述第一A/D转换器与运算放大器电连接，运算放大器与温度变送器电连接，所述温度变送器与热电偶电连接，所述第二A/D转换器与驱动执行机构电连接，所述驱动执行机构与加热电阻电连接；
以8051单片机为核心,电加热炉炉内的实际温度由热电偶测量并转换成毫伏级的电压信号,经运算放大器放大到0～5V,再经有源低通滤波器滤波后,由第一A/D转换器成数字量。显示在计算机上，此数字量经数字滤波、标度变换后,将该温度值与被控温度值进行比较,如果差值较大报警器将进行报警提醒,控制人员可通过计算机输入指令通过第二A/D转换器将数字信号转换成电压信号经驱动执行机构执行控制对加热炉进行控温。
优选的，所述第一A/D转换器选用AD574AA/D转换器，AD574AA/D转换器是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25us，线性误差为+-1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装，它是由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存器，10伏基准电压源四部分构成。
优选的，所述第二A/D转换器选用ADC0809A/D转换器，ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的(总线型输出)，可以直接与单片机数据总线连接。ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为500KHz时，转换时间约为128us。
优选的，所述驱动执行机构选用光耦MOC3061驱动执行机构在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰，影响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，因此必须要加入抗干扰措施，将强弱电隔离。光耦合器是靠光传送信号，切断了各部件之间地线的联系，从根本上对强弱电进行隔离，从而可以有效地抑制掉干扰信号。此外，光耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温度系数。因此，能够较好地满足信号传输速度的要求，且光耦合器非常容易得到触发脉冲，具有可靠、体积小、等特点。所以在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器MOC3061，用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。MOC3061是一片把过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片。其输出端的额定电压是400V，最大重复浪涌电流为1.2A，最大电压上升率dv/dt为1000v/us,输入输出隔离电压为7500V，输入控制电流为15mA。
优选的，所述运算放大器选用7650运算放大器。
优选的，热电偶选用S型(铂铑—铂)热电偶热电偶，具有测量精度高的特性。
优选的，所述本发明提出的计算方程式为：PID控制的理想微分方程为：
(1)上式中e(t)＝r(t)-y(t)称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中的r(t)为给定值，y(t)为被测量值；kp比例系数，Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数，u(t)为调节器的输出控制电压信号。但计算机只能处理数字信号，故上述数学方程必须加以变换，若设温度的采样周期为T，第n次采样得到的输入偏差信号为en，调节器输出为un，则有：(微分用差分代替)(积分用求和代替)。这样式(1)便可改写为：
(2)写成递推形式则有：
根据PID算法设计出本温度控制系统的流程图un＝un-1+kp{E(n)-E(n-1)+ki.E(n)+kd[E(n)-2E(n-1)+E(n-2)]}＝un-1+Pp+PI+PD
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种加热炉的计算机控制系统，本发明中在PID控制电路中加入的运算放大器，从而避免了在信号传输因为电信号的波动而导致数据传输错误的问题，同时本发明在加热炉中加入了气体循环装置，避免了热电偶测量温度的不准确。
附图说明
图1为本发明加热炉结构示意图；
图2为本发明加热炉结构前视剖图；
图3为本发明加热炉结构左视剖图；
图4为本发明电连接示意图；
图5为本发明运算放大器与前端电路的连接。
图中：1加热炉、2壳体、3加热电阻、4导热腔、5气体循环装置、51循环装置壳、52电机、53循环风扇、6脚垫、7炉盖、8温度变送器、9电热偶、10控制箱、11计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种加热炉的计算机控制系统，包括加热炉1，所述加热炉1包括壳体2，所述壳体2的内腔套接有加热电阻3，所述加热电阻3的内腔缠绕有导热腔4，所述壳体2的左侧壁和右侧壁均固定连接有气体循环装置5，所述壳体2的底面固定连接有脚垫6，所述壳体2的前侧壁铰接有炉盖7，所述壳体2的上表面固定连接有温度变送器8，所述温度变送器8的下端固定连接有电热偶9，所述电热偶9的下端贯穿导热腔4的上侧壁，所述壳体1的上端固定连接有控制箱10，所述控制箱10的右侧壁设有计算机11，所述控制箱10与计算机11电连接；
所述气体循环装置5包括循环装置壳51，所述循环装置壳51贯穿壳体2的外侧壁固定连接在导热腔4的外侧壁上，所述循环装置壳51的底面固定连接有电机52，所述电机52的输出端固定连接有循环风扇53，所述循环风扇53延伸至导热腔4内，所述电机52与计算机11电连接；
所述控制箱10的内腔从左到右依次固定连接有8051单片机、报警器、运算放大器、第一A/D转换器、第二A/D转换器、驱动执行机构；
所述计算机11与8051单片机电连接，所述8051单片机分别与第一A/D转换器、第二A/D转换器、报警器和外电源电连接，所述第一A/D转换器与运算放大器电连接，运算放大器与温度变送器8电连接，所述温度变送器与热电偶9电连接，所述第二A/D转换器与驱动执行机构电连接，所述驱动执行机构与加热电阻3电连接；
以8051单片机为核心,电加热炉1炉内的实际温度由热电偶9测量并转换成毫伏级的电压信号,经运算放大器放大到0～5V,再经有源低通滤波器滤波后,由第一A/D转换器成数字量。显示在计算机上，此数字量经数字滤波、标度变换后,将该温度值与被控温度值进行比较,如果差值较大报警器将进行报警提醒,控制人员可通过计算机输入指令通过第二A/D转换器将数字信号转换成电压信号经驱动执行机构执行控制对加热炉1进行控温。
具体而言，所述第一A/D转换器选用AD574AA/D转换器，AD574AA/D转换器是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25us，线性误差为+-1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装，它是由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存器，10伏基准电压源四部分构成。
具体而言，所述第二A/D转换器选用ADC0809A/D转换器，ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的(总线型输出)，可以直接与单片机数据总线连接。ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为500KHz时，转换时间约为128us。
具体而言，所述驱动执行机构选用光耦MOC3061驱动执行机构在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰，影响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，因此必须要加入抗干扰措施，将强弱电隔离。光耦合器是靠光传送信号，切断了各部件之间地线的联系，从根本上对强弱电进行隔离，从而可以有效地抑制掉干扰信号。此外，光耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温度系数。因此，能够较好地满足信号传输速度的要求，且光耦合器非常容易得到触发脉冲，具有可靠、体积小、等特点。所以在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器MOC3061，用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。MOC3061是一片把过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片。其输出端的额定电压是400V，最大重复浪涌电流为1.2A，最大电压上升率dv/dt为1000v/us,输入输出隔离电压为7500V，输入控制电流为15mA。
具体而言，所述运算放大器选用7650运算放大器。
具体而言，热电偶选用S型(铂铑—铂)热电偶热电偶，具有测量精度高的特性。
具体而言，PID控制的理想微分方程为：
(1)上式中e(t)＝r(t)-y(t)称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中的r(t)为给定值，y(t)为被测量值；kp比例系数，Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数，u(t)为调节器的输出控制电压信号。但计算机只能处理数字信号，故上述数学方程必须加以变换，若设温度的采样周期为T，第n次采样得到的输入偏差信号为en，调节器输出为un，则有：(微分用差分代替)，(积分用求和代替)。这样式(1)便可改写为：
(2)写成递推形式则有：
根据PID算法设计出本温度控制系统的流程图
工作原理：本发明在使用时利用计算11机控制电机52带动循环风扇53转动促进加热炉1内的温度循环，同时以8051单片机为核心,电加热炉炉内的实际温度由热电偶测量并转换成毫伏级的电压信号,经运算放大器放大到0～5V,再经有源低通滤波器滤波后,由第一A/D转换器成数字量。显示在计算机上，此数字量经数字滤波、标度变换后,将该温度值与被控温度值进行比较,如果差值较大报警器将进行报警提醒,控制人员可通过计算机输入指令通过第二A/D转换器将数字信号转换成电压信号经驱动执行机构执行控制对加热炉进行控温。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种加热炉的计算机控制系统，其特征在于：包括加热炉(1)，所述加热炉(1)包括壳体(2)，所述壳体(2)的内腔套接有加热电阻(3)，所述加热电阻(3)的内腔缠绕有导热腔(4)，所述壳体(2)的左侧壁和右侧壁均固定连接有气体循环装置(5)，所述壳体(2)的底面固定连接有脚垫(6)，所述壳体(2)的前侧壁铰接有炉盖(7)，所述壳体(2)的上表面固定连接有温度变送器(8)，所述温度变送器(8)的下端固定连接有电热偶(9)，所述电热偶(9)的下端贯穿导热腔(4)的上侧壁，所述壳体(1)的上端固定连接有控制箱(10)，所述控制箱(10)的右侧壁设有计算机(11)，所述控制箱(10)与计算机(11)电连接；
所述气体循环装置(5)包括循环装置壳(51)，所述循环装置壳(51)贯穿壳体(2)的外侧壁固定连接在导热腔(4)的外侧壁上，所述循环装置壳(51)的底面固定连接有电机(52)，所述电机(52)的输出端固定连接有循环风扇(53)，所述循环风扇(53)延伸至导热腔(4)内，所述电机(52)与计算机(11)电连接；
所述控制箱(10)的内腔从左到右依次固定连接有8051单片机、报警器、运算放大器、第一A/D转换器、第二A/D转换器、驱动执行机构；
所述计算机(11)与8051单片机电连接，所述8051单片机分别与第一A/D转换器、第二A/D转换器、报警器和外电源电连接，所述第一A/D转换器与运算放大器电连接，运算放大器与温度变送器(8)电连接，所述温度变送器与热电偶(9)电连接，所述第二A/D转换器与驱动执行机构电连接，所述驱动执行机构与加热电阻(3)电连接；
以8051单片机为核心,电加热炉(1)炉内的实际温度由热电偶(9)测量并转换成毫伏级的电压信号，经运算放大器放大到0～5V,再经有源低通滤波器滤波后,由第一A/D转换器成数字量。显示在计算机上，此数字量经数字滤波、标度变换后，将该温度值与被控温度值进行比较，如果差值较大报警器将进行报警提醒,控制人员可通过计算机输入指令通过第二A/D转换器将数字信号转换成电压信号经驱动执行机构执行控制对加热炉(1)进行控温。
2.根据权利要求1所述的一种加热炉的计算机控制系统，其特征在于：所述第一A/D转换器选用AD574AA/D转换器，AD574AA/D转换器是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25us，线性误差为+-1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装，它是由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存器，10伏基准电压源四部分构成。
3.根据权利要求1所述的一种加热炉的计算机控制系统，其特征在于：所述第二A/D转换器选用ADC0809A/D转换器，ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器，它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成，它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的总线型输出，可以直接与单片机数据总线连接，ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟，当典型工作时钟为500KHz时，转换时间约为128us。
4.根据权利要求1所述的一种加热炉的计算机控制系统，其特征在于：所述运算放大器选用7650运算放大器。
5.根据权利要求1所述的一种加热炉的计算机控制系统，其特征在于：热电偶选用S型铂铑—铂热电偶，具有测量精度高的特性。
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