CN1155110A - 电加热工艺参数控制仪 - Google Patents

Abstract

电加热工艺参数控制仪，是一种由计算机控制的集对加热状态、温度、时间、均温过程、保温计时和降温过程等工艺参数进行检测、计算、判断、数显、控制、报警和记录于一体的自动化仪表。其特征是：对被加热物件的均温过程进行检测、计算、判断与控制。弥补了现行控温仪表的不足。仪表的计算机系统可按照给定的控制规律，根据调整加热功率的调功器，输出方式为触点、过零或移相触发脉冲等三种不同的信号。适用于各种类型电阻加热炉的控制。具有控制效果好，精度高，寿命长，产品质量优化，生产效率高，节约能源和原材料，降低成本等优点，并为实施“零保温热处理新工艺”提供了强有力的手段。

Description

电加热工艺参数控制仪

本发明是一种属于由计算机控制的电加热工艺参数控制仪器，适用于各种电阻加热炉的控制。

目前，国内外电阻加热炉，广泛使用的控制仪器，都是控温仪表，无论是接触器式的，还是可控硅式的控温仪表，均系只能测量、显示、控制、报警和记录加热温度的控温仪表。其技术的发展，也只是在高精度、多功能、控制规律(如双位、三位、时间比例、PID等)和微机智能化等方面。对于被加热物件的透烧(或称均温或称零保温)过程的检测与控制，均是根据被加热物件的导热系数、尺寸、形状、数量、装炉方式和加热功率以及试验数据、安全保证系数、操作者的实践经验等等内外因素，经过计算，最后人为地加以确定的。究竟透没透烧？是否“过热或过烧”？根本无法判断，是很不科学的。而加热状态、保温时间的控制功能，该仪表不具备这种功能。这些仪表的缺点是产品质量、生产效率、节约能源等均无法控制与保证。

近些年来，随着科学技术的进步与发展，如“控制轧制”、“控制锻造”、“形变快速球化”、“形变热处理”、“控制热变形”、“锻造余热热处理”、“热变形与热处理相结合”以及“零保温热处理”等等具有现代先进技术水平的新工艺、新技术的出现，都要求对被加热物件的“透烧”或称“均温”或称“零保温”过程的测试与控制。否则，是无法正确实施这些新工艺、新技术的。由此可见，现行控温仪表、无论其技术如何先进，都由于没有测试与控制“透烧”过程的功能，而远远满足不了工程技术的需求，因此，急待开发具有这种功能的更新换代的电加热工艺参数控制仪。

本发明的目的是，在现行的具有双位、三位、时间比例、PID控制规律以及温度检测、数显、控制、报警、多通道、微机智能化等功能的控温仪表的基础上，开发制造一种还具有对加热状态、均温过程、加热时间等加热工艺参数直接进行检测与控制功能的电阻加热炉用的加热工艺参数控制仪。称做电加热工艺参数控制仪。这样，就弥补和克服了现行控温仪表的缺点。具有对加热全过程控制效果好、精确度高、优化被加热物件质量，缩短加热时间，提高生产效率，节约能源和原材料、降低废品率和成本，更重要的是为实施上述那些新工艺、新技术提供了强有力的手段、等等优点。

本发明所述的电加热工艺参数控制仪，是一种由计算机控制的对电阻加热炉加热工艺中的加热状态(升温、均温、保温和降温)，加热温度、时可、均温过程，保温计时等加热工艺参数，根据调整功率的调功器(是接触器式的还是可控硅式的)的不同，按照给定的控制规律(双位、三位、时间比例、PID等)进行检测、计算、判断、数显、报警、控制和记录的自动化仪表。

图1是电阻加热炉的典型加热工艺曲线。

T为加热温度；V为加热速度；t为加热时间。全部加热过程分为四个阶段(也称四种状态)：①升温状态，t₁为升温时间；②均温(透烧或零保温)状态，t₂为均温时间；③保温状态，t₃为保温时间；④降温状态，t₄为降温时间。

图2是发明的电加热工艺参数控制仪的结构原理图，由输入通道(1)、计算机系统(2)、定值器(3)、状态显示器(4)、温度显示器(5)、时间显示器(6)、输出通道(7)、报警器(8)、打印记录器(9)等组成。

输入通道(1)，接收由热电偶传感器送来的检测信号，经过桥路补偿、放大和线性化后，转送至计算机系统(2)进行处理。

定值器(3)，根据加热工艺的技术要求，设定加热温度T.，由温度设定单元完成；校准时钟走时的实时值t.由时间校准单元完成；设定均温过程的工程技术判据K.，由均温设定单元完成；设定保温时间值M.，由保温设定单元完成；设定降温冷却方式Q。，由降温冷却设定单元完成。完成初始化任务。初始化值T.、t.、K.、M.和Q。的设定，要以通过硬件数码开关、电位器、键盘等等来完成。

计算机系统(2)具有如下的功能：

指令状态显示器(4)显示加热升温、均温、保温和降温等四种加热状态的数字1、2、3和4或其他字母代号。

通过标度变换指令温度显示器(5)显示加热温度的实时值T_i；

指令时间显示器(6)显示与温度显示同步的时间t_i；

在均温阶段测试控制周期t_i的能量P_i并计算能量变化率K_i；

在保温阶段延时累计保温时间值M_i；

完成T_i与T.，K_i与K.，M_i与M。的比较，且当T_i＝T.，K_i≤K.并重复n次，M_i＝M.时，通过报警器(8)分别进行到温(控温)、均温、保温等三个加热阶段的报警任务；

按照给定的控制规律(双位、三位、时间比例、PID等)，根据调整加热功率的调功器(是接触器式的还是可控硅式的)的不同，输出通道(7)输出方式为触点、过零与移相触发脉冲等三种不同的控制输出信号；

完成对加热温度T_i和加热时间ti的实时值存储，并通过打印记录器(9)进行随机的、定时的、阶段的和全过程的打印记录。

计算机系统(2)的各种功能单元，都是独立进行工作的，互不影响。

发明的电加热工艺参数控制仪，是集对加热状态、温度、时间、均温过程、保温计时和降温过程等工艺参数的检测、计算、判断、数显、控制、报警、存储打印于一体。发明的要点是对被加热物件均温过程的检测、计算、判断与控制以及均温过程的工程技术判据K。的设计。发明点的理论依据是电阻加热炉，在设定温度下，当被加热物件透烧时，电热体给出的加热能量或热量与炉体外表面散失的能量或热量，处于动态能量或热量平衡的状态。其物理模型如图3、4所示。如设W₁和Q₁为电热体(1)产生的能量和热量；W₂和Q₂为炉体外表面(2)散失的能量和热量：W₃和Q₃为炉膛(3)吸收的能量和热量；W₄和Q₄为炉体(4)吸收的能量和热量；W₅和Q₅为被加热物件(5)吸收的能量和热量。则加热过程的计算公式是：

W₁＝W₂+W₃+W₄+W₅……(1)

Q₁＝Q₂+Q₃+Q₄+Q₅……(2)

当被加热物件透烧时，即炉膛温度T₁＝物件表面温度T₂＝物件心部温度T₃时，就处于动态能量或热量平衡状态。则有：

W₁＝W₂＝常数………(3)

Q₁＝Q₂＝常数………(4)

均温过程的检测信号是控制周期的能量。在均温阶段的初期，被加热物件吸收的能量或热量是较多的，随着均温过程的延续，这个能量或热量是逐渐减少的，当到达或者说完成了均温过程时，则被加热物件不再吸收能量或热量了，或者说被加热物件吸收的与散失的能量或热量是相等的，是处于一种动态能量或热量平衡状态。如果设τ_i为某个控制周期i(i＝1、2、3……)，τ_3i为该周期内的通电时间，P为加热炉的功率。则第i个控制周期内供给的能量W_i为：

W_i＝P×τ_3i…………(5)

在第三个周期τ₃内单位时间消耗的能量P_i为：

P_i＝W_i/τ_i…………(6)

任意两个控制周期之间的能量变化率K_i为：

K_i＝(P_i-P_i+1)/τ_i+1＝dp_i/dτ_i………(7)

当被加热物件已经透烧或者均温结束时，即达到了能量或热量动态平衡的状态时，则有：

W_i-W_i+1＝0………(8)

P_i-P_i+1＝0…………(9)

dp_i/dτ_i＝0…………(10)

可简化为： $\frac{\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ai}}}{\mathrm{\τi}}-\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ai}+1}}{{\mathrm{\τ}}_{i+1}}}{{\mathrm{\τ}}_{i+1}}=0----\left(11\right)$

综上所述，当被加热物件透烧或均温过程结束时，理论上的判据定公式(B)、(9)、(10)、(11)。然而，这在工程技术上，由于影响因素的变化，是不可能实现的，也是不必要的。因此，在保证均温温差ΔT＝T₁-T₃＜10℃，工程技术上允许的前提下，设计了均温过程的工程技术判据为K.＝0～9×10^-5，描述均温过程的计算公式为： $K_i=\left|\frac{\mathrm{d\ρi}}{\mathrm{d\τi}}\right|----\left(12\right)$ $K_i=\left|\frac{\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ai}}}{\mathrm{\τi}}-\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ai}+1}}{\mathrm{\τi}+1}}{\mathrm{\τi}+1}\right|----\left(13\right)$

当K_i≤K.，并重复出现n(n＝1、2、3……)次时，则判定为已经透烧或均温过程结束。立即通过报警器(8)进行均温报警。

图5是发明的电加热工艺参数控制仪的计算机控制的程序流程图。

1、开始启动

打开仪表电源开关，启动计算机系统(2)的程序，此时绿灯亮。

2、初始化

程序启动后，首先进行初始化。将“测量-设定”开关拨向“设定”位置，然后通过定值器的硬件或者是键盘输入所需要的T。、t。、K.、M.和Q.。

3、判断是否进入工作状态

初始化后，将“测量-设定”开关拨向“测量”位置，判断仪表和计算机程序是否正常。若正常，则进入工作状态，有状态1，温度T_i，时间t_i的显示(显示程序包含在定时中断程序之中)，同时绿灯亮。否则为不正常，未进入工作状态，应查明原因，使之正常化。

4、加热升温

在加热升温阶段，状态显示1，由热电偶传感器送来检测信号，经过输入通道(1)送入计算机系(2)进行处理，显示温度实时值T_i、时间实时值t_i。当T_i＝T.时，报警器(8)发出到温(或称控温)报警信号、表示升温阶段已经结束。

5、加热均温

到温报警后即开始进入加热均温阶段，状态显示2，温度显示T_i＝T.的控制被动范围，计算机系统的能量功能开始测试控制周期的能量值p_i，并按着公式(12)或(13)计算K_i值。再将K_i与K.加以比较。当K_i≤K.时，开始累计存储，重复出现n次时，则报警器(8)发出均温报警信号，表示均温阶段已经结束。

6、加热保温

均温报警后即开始进入保温阶段，状态显示3，温度与时间显示正常进行，同时进行保温时间值M_i的延时累计存储。当M_i＝M.时，报警器(8)发出保温结束的报警信号。

7、降温冷却

保温报警后即开始进入降温冷却阶段，状态显示4，温度显示降温实时值T.，时间显示正常值t_i，被加热物件按着初始化值Q。的冷却方式进行降温冷却。只要电阻炉断电停止工作时，则计算机的控制程序执行完毕。之后又回到程序的始端，准备继续重新开始工作，这样周而复始地执行。

8、存储打印记录

程序启动进入工作状态后，立即开始对加热温度和时间同步地进行累计、存储和显示。当需要打印记录时，可以进行随机的、定时的、阶段的和全程序的总结打印记录。

为了与现行的控温仪表(记录的和非记录的)配套使用，可将本技术单独制造成计算机控制的“均温过程和保温时间控制器”。

Claims (3)

1、一种包括有输入通道，定值器，状态、温度、时间显示器，输出通道，报警器和打印记录器所构成的电加热工艺参数控制仪进行计算机控制的方法，其特征是采用了如下的控制步骤：

启动仪表工作并由定值器置入所需的T.、t.、K。、M.和Q.等初始化数据；

判断仪表是否工作正常，正常时则显示状态1，表示进入加热升温状态，显示温度的实时值T_i和相对应的时间t_i，同时按照给定的控制规律输出调功器所需的控制信号；

判断加热过程是否进入均温状态，若进入，则有到温(T.＝T.)的报警信号发出，同时显示状态2，显示T_i＝T.控制波动范围的实时值和时间t_i，并且开始测量与计算均温过程中的实时控制周期的能量变化率K_i值，再将K_i与初始化值K.加以比较，当K_i≤K.时，则进行累计存储，在重复出现n(n＝1、2、3……)次时，则表示均温状态已经结束，报警器发出均温报警信号；

判断加热过程是否进入保温状态，若进入，则有均温报警信号发出，显示状态3，显示T_i＝T.控制范围的实时值和时间t_i，并且开始延时累计计算实时的保温时间值M_i，再将M_i与M。加以比较，当M_i＝M.时，则表示保温阶段已经结束，报警器发出保温报警信号；

判断加热过程是否进入降温状态，被加热物件在保温状态结束后，其降温冷却方式有二：其一是继续留在炉中，按照给定的控制规律进行等温降温冷却，此即表示加热过程进入降温状态，显示状态4，温度降低的实时值T_i及相应的时间t_i，直到物件出炉，仪表停止工作为止；其二是在保温阶段结束后，立即关闭加热炉电源，将物件从炉中取出，按照下一道工序要求进行冷却或者留在炉内随炉自然冷却，这时仪表也停止工作。在仪表停止工作后，表示加热过程全部结束，全部计算机程序执行完毕，之后又回到程序的始端，准备继续重新开始工作，这样周而复始的执行；

存储、记录程序，在计算机程序启动后，就已开始对加热温度T_i和时间t_i进行同步的存储。可以进行随机的、定时的、阶段的和最终全程序的打印记录。

2、根据权利要求1所述的计算机控制的电加热工艺参数控制仪，其特征在于：对被加热物件透烧或称均温过程或称零保温的测试、计算、判断和控制；

首先，测试均温过程的控制周期t_i的能量的实时值p_i；

其次，再按公式(12)或(13)计算实时的均温过程值K_i；

然后，再将K_i与初始化值K.加以比较，当K_i≤K.时，则进行累计存储，重复出现n次时，则判定为透烧或均温过程结束，由报警器发出均温报警信号，加以控制；

这里，在保证均温温差ΔT＝T₁-T₃＜10℃，工程上允许的前提下，设定透烧或称均温过程的工程技术判据K.＝0～9×10^-5。且K_i≤K，重复出现n次(n＝1、2、3……)。

3、根据权利要求1、2所述的计算机控制的电加热工艺参数控制仪，其特征在于：按照给定的控制规律(双位、三位、时间比例和PID规律)，根据调整加热功率的调功器(是接触器式的还是可控硅式的)的不同，输出方式为触点、过零、或移相触发脉冲等三种不同的控制信号。

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