CN206946337U - 用于光学玻璃精密退火炉的区域间温度差控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及自动控制系统，公开了一种用于光学玻璃精密退火炉的区域间温度差控制系统，当向系统加载温控算法之后，能够提高精密退火炉的温场均匀性，获得稳定和均匀的控制效果，提高产品质量。包括人机交互装置、温度控制器、可控硅以及多个温度传感器；人机交互装置通过串口与温度控制器通信，温度控制器分别与温度传感器、可控硅连接，可控硅分别与高温退火炉的不同温度区域的加热器连接，各个温度传感器分别设置在高温退火炉的不同温度区域内。本实用新型适用于解决高硼硅玻璃、高碱土等高温玻璃的精密退火。

Description

用于光学玻璃精密退火炉的区域间温度差控制系统

技术领域

本实用新型涉及自动控制系统，尤其是涉及用于光学玻璃精密退火炉的区域间温度差控制系统。

背景技术

精密退火炉是光学玻璃热处理生产中应用最广的加热设备，退火炉的炉温动态特性直接影响产品的质量，温度及均温控制是退火炉加热最关键性的技术。传统控制系统一直沿用单回路PID温度控制模式，这种退火炉的性能及指标能够满足常规光学玻璃的工艺要求，但是随着新材料新技术的不断发展，高端光学玻璃的大量开发，其对退火炉的尺寸要求越来越大，对控温精度和均温性的要求也越来越高。而传统退火炉在加热处理过程通常呈现大滞后、非线性、时变性等特点，而且大型退火炉由于加热空间大，温度场存在强耦合、现场强干扰，给温度及均温控制带来极大的不确定性，严重影响了良品率。

目前在改善大型精密退火炉的温场均匀性方面采取了一定的技术措施，如对炉体结构、炉体形状、耐火材料的厚度与材质、炉膛均热装置、加热功率的分布、加热控制区的数量等方面的改进。这些都是影响大型退火炉控温精度及炉温均匀性的众多因素，但是从实际温场测试和使用效果来看，大型精密退火炉的有效工作区域内很难达到理想的炉温动态特性和温场均匀性。尤其在采用多温区控制方式后，由于多温区之间的相互影响和耦合，反而出现了温度超调失控和温场变差的情况。因此，为了满足高端光学玻璃热处理工艺要求，提高其产品质量，从根本上解决大型精密退火炉的温度及均温控制问题具有重要的现实意义。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种用于光学玻璃精密退火炉的区域间温度差控制系统，当向系统加载温控算法之后，能够提高精密退火炉的温场均匀性，获得稳定和均匀的控制效果，提高产品质量。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：用于光学玻璃精密退火炉的区域间温度差控制系统，包括人机交互装置、温度控制器、可控硅以及多个温度传感器；人机交互装置通过串口与温度控制器通信，温度控制器分别与温度传感器、可控硅连接，可控硅分别与高温退火炉的不同温度区域的加热器连接，各个温度传感器分别设置在高温退火炉的不同温度区域内。

进一步的，人机交互装置通过RS-485串口与温度控制器通信。

进一步的，所述温度传感器为热电偶。

进一步的，高温退火炉的区域包括上部、中部以及下部区域。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过搭建一个区域间温度差控制系统，当向系统中温度控制器加载了预定控制算法后，该系统的温度控制器可基于各个温区间温度进行综合控制，各个温区间不再是完全独立的控制回路，达到了对多温区的大型精密退火炉的精确控制，实现了系统自动跟踪设定曲线，无超调，无静差，无震荡，动态响应快等性能，使得系统运行可靠，温度控制精度高，温度均匀性一致，可操作性强。

需要说明的是，本申请在实施的时候，会向温度控制器加载ΔL控制算法程序，然而算法程序并不是本申请所要保护的内容，即：本实用新型提供一种硬件结构，而并非软件本身。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为传统多温区控制系统的控制原理图；

图3为本实用新型的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型进一步说明。

以三个温度区域为例，在传统控制模式中采用的是三个独立的控制回路进行温度控制，但是由于上、中、下三个温度区域温度耦合现象的存在，三个回路的温度控制效果会出现下列情况。所谓耦合是指两个或两个以上的电路元件或电网络等的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象。而我们要解决的均温性问题就是要解决三个温度场相互影响的叠加问题。

如图2所示，在传统多温区控制系统中，三个回路的设定值SP1、SP2、SP3通常是按同步的曲线执行，SP1＇、SP2＇、SP3＇之间是相互独立的，不存在任何的控制关系。最终的被控制量PV1、PV2、PV3不仅受到该PID回路的控制作用，同时也受到其它两个回路的耦合作用影响，而这种耦合作用的叠加是不确定和无法量化的，会造成被控制量远远超出或低于设定量的大小。

按照退火工艺要求，最理想的效果是希望整个升温和保温过程中都具有高精度的均温性能。但是由于温度耦合现象的存在，作为传统控制的多温区退火炉，会存在两个问题：一是升温过程中的均温性较差，二是在结束升温进入保温过程中，起动快的通道比慢的通道要有较长的等待时间，并且有较大的超调量。在实际操作中，工艺人员会延长保温的时间，以尽量消除这两个问题对产品质量的影响，这会造成能源的浪费，降低工作效率。

为了解决以上传统多温区控制系统中出现的均温性差和超调的问题，实施例引入了一种新的控制理念——“区域间温度差控制”，如图1所示，实施例的硬件系统包括人机交互装置、温度控制器、可控硅以及多个温度传感器；人机交互装置通过串口与温度控制器通信，温度控制器分别与温度传感器、可控硅连接，可控硅分别与高温退火炉的上部、中部、下部区域的加热器连接，各个温度传感器分别设置在高温退火炉的上部、中部、下部区域内。

人机交互装置一般为计算机，用于显示操作界面、流程图以及控温参数、PID参数的设定、手自动、历史数据记录等功能。与温度控制器通过串口通讯连接，通过编程可对温度控制器内部参数进行直接读写。

温度传感器为热电偶，用于采集高温退火炉的上部、中部、下部区域内的实时温度信息，并将采集到的信息反馈给温度控制器。

温度控制器用于进行多回路温度控制回路的程序段控制、搭载△L算法、最优PID以及程序事件处理、温度报警联锁等自动逻辑控制。该温度控制器为多回路程序控制器，具有强大的控制功能和多种控制算法，控制算法见长于多温区间的温度差值控制，能有效地解决多区独立控制中，产生的耦合效应所带来的温度相应干扰的问题。温控器内部程序软件可在线设置参数，并可按不同的工艺需求进行自由编程，实现回路的PID控制功能以及IO的逻辑控制动作。因其具有精度高(±0.01％FS)、响应速度快(50Ms)的特点，再辅有多种控制算法，可以得到高品质的全程稳定的控制效果，该控制器与人机界面以RS-485串口通信连接。该温控器可对△L算法进行自由编程，以达到最理想的温度差控制效果。

可控硅即可控硅整流器，又称晶闸管，用于接受温度控制器输出的4-20mA输出信号，以改变相位角方式对输出电流进行比例控制。采用基于多处理器DSP的控制，具有短路保护、本地或远程(联网)操作、各种用户可定义的输入和输出，以及功率、电压、电流、温度或相角(负载循环)的精确调节等特性。

当温度控制器加载ΔL控制算法之后，这种算法可以消除多个控制回路相互间的干渉，升温时或干扰应答时把各控制回路的控制量之差(温度差)控制在一定值。加载ΔL控制算法之后的控制原理如图3所示，对2回路以上的控制系统，可以把各控制回路的控制量之差保持在一定值。ΔL控制算法具有以下特点：

特点1：由于区域间温度差控制算法与PID运算分离，各控制回路的PID调整可用传统的调整手法。

特点2：决定区域间温度差控制的调整参数有「调整系数」、「效果系数」二种。可以根据各回路耦合的强度和受到干扰的大小设定不同的调整系数和效果系数。

在系统中引入ΔL控制算法后，各个温区间不再是完全独立的控制回路，各回路的PV输出值反馈回ΔL算法模块后，进行特定的计算得出内部设定值SP1＇、SP2＇、SP3＇，内部设定值之间存在特定的控制关系，然后再进行各回路的PID闭环控制。三个回路之间这种特定的运算和关系，可以有效地抵消回路之间的耦合和叠加作用，使得被控制量处于可控的范围内，消除了升温过程中和出现超调时的温场不均匀性。

实施例可解决高硼硅玻璃、高碱土等高温玻璃的精密退火问题，其对温控精度、温场均匀性都提出了比传统退火炉更高的工艺要求。该系统在整个工艺过程中能够保持稳定一致的控制精度和温场均匀性，因此能缩短保温段的时间，提高了工作效率、降低能耗，产品良品率能得到较大的提升，对于高端光学玻璃的热处理手段是一个质的飞跃，能够创造良好的经济效益，是值得推广和研究的一项新技术。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.用于光学玻璃精密退火炉的区域间温度差控制系统，其特征在于，包括人机交互装置、温度控制器、可控硅以及多个温度传感器；人机交互装置通过串口与温度控制器通信，温度控制器分别与温度传感器、可控硅连接，可控硅分别与高温退火炉的不同温度区域的加热器连接，各个温度传感器分别设置在高温退火炉的不同温度区域内。

2.如权利要求1所述的用于光学玻璃精密退火炉的区域间温度差控制系统，其特征在于，人机交互装置通过RS-485串口与温度控制器通信。

3.如权利要求1所述的用于光学玻璃精密退火炉的区域间温度差控制系统，其特征在于，所述温度传感器为热电偶。

4.如权利要求1所述的用于光学玻璃精密退火炉的区域间温度差控制系统，其特征在于，高温退火炉的区域包括上部、中部以及下部区域。