电炉温度过程控制系统的研究设计说明.docx
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电炉温度过程控制系统的研究设计说明
工业高等专科学校毕业设计
电炉温度过程控制系统的研究
系别：
电气与信息工程系
专业班级：
自动化08-37
（1）班
指导教师：
庞晓虹
完成日期：
2011年6月10日
工业高等专科学校
毕业设计（论文）任务书
一、题目：
电炉温度过程控制系统
二、指导思想和目的：
通过毕业设计，培养学生综合运用所学的知识和技能解决问题的本领，巩固和加深对所学知识的理解；培养学生调查研究的习惯和工作能力；培养学生建立正确的设计和科学研究的思想，树立实事、严肃认真的科学工作态度。
三、设计任务或主要技术指标：
1）额定电压:
380V±10%
2）电源频率:
50HZ±1HZ
3）电源相数：
三相
4）最大控制功率：
12KW
5）最高输出电流：
50A
6）最高输出电压：
不小于370V
7）最高控制温度：
1600℃
8）控制精度：
不大于设定值的±3℃
四、设计进度与要求：
1）：
布置设计任务，深入了解设计容，阅读参考资料，学习有关容。
2）：
调研该学校的实际情况，确定信息点数目及分布。
3）：
设计网络拓扑结构。
4）：
根据网络拓扑结构选择设备，估算工程造价。
5）：
根据网络拓扑结构选择设备，估算工程造价。
6）：
修改完善设计方案并绘制必须的图纸草图，编写设计说明书。
7）：
修改、打印设计说明书，画正式图纸。
总结，准备毕业答辩，完成答辩。
五、主要参考书及参考资料：
［1］复华.8098单片机及其应用系统设计[M].清华大学,1991.
［2］文忠,程启明.微机控制技术[M].:
机械工业,1993.
专业班级：
学生：
指导教师：
年月日
教研室主任（签名）：
系（部）主任（签名）：
年月
工业高等专科学校
毕业设计（论文）评定意见书
设计（论文）题目：
电炉温度控制系统的研究
专题：
电炉温度控制系统
设计者：
震佳专业电气自动化班级08-37
（1）班
设计时间：
2010年3月5日—2010年6月10日
指导教师：
职称单位
评阅人：
职称单位
评定意见：
评定成绩：
指导教师（签名）：
年月日
评阅人（签名）：
年月日
答辩委员会主任（签名）：
年月日
毕业设计评定意见参考提纲
1.学生完成的工作量与容是否符合任务书的要求。
2.设计或论文（说明书）的优缺点，包括：
学生理论水平、独立实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力、勤勉态度等。
3.设计或论文（说明书）中较成功的部分。
4.作毕业设计或论文（说明书）时遇到的困难和问题。
摘要
自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。
随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。
关键词：
电炉；温度过程控制系统；设计
1过程控制系统的简介1
1.1过程控制的基本概念1
1.1.1自动控制1
1.1.2过程控制1
1.1.3过程控制系统1
1.2过程控制的发展与趋势1
1.2.1基地式控制阶段（初级阶段）1
1.2.2单元组合仪表自动化阶段2
1.2.3计算机控制的初级阶段2
1．3综合自动化阶段2
1.4简单控制系统的结构组成2
1.5被控变量的选择4
1.5.1选择直接参数作为被控变量4
1.5.2选择间接参数作为被控变量4
1.6控制阀的选择5
1.7控制器正、反作用方式的选择5
2电炉温度过程控制系统6
2.1KSY-12-16（A）电炉温度控制系统6
2.1.1用途和适用围:
6
2.1.2型号的组成及代表意义：
6
2.1.3使用环境条件:
6
2.1.4结构特征:
6
2.2工作原理简介6
2.2.1系统控制原理7
2.2.2控制参数与被控制参数的选择8
2.2.3主要技术特性8
2.2.4产品特点9
2.2.5电炉加热方式的分类10
2.3电炉控制系统的硬件部分11
2.3.18031芯片12
2.3.28255A芯片12
2.3.3ADC0809转换器13
2.3.4ADC0809与MCS-51系列单片机的接口方法16
2.3.5温度检测元件及变送器、ADC的选择16
2.3.6IC集成温度传感器18
2.3.7接口芯片的扩展18
2.3.8温度控制电路18
2.2.9控制与显示方法分析19
2.4电炉控制系统的软件部分19
2.5电阻加热炉基本结构及型式19
2.6设备的安装21
2.7使用方法22
2.8面板示意图23
总结24
辞25
参考文献26
1过程控制系统的简介
1.1过程控制的基本概念
1.1.1自动控制
在没有人的直接参与下，利用控制装置操纵生产机器、设备或生产过程，使表征其工作状态的物理参数（状态变量）尽可能接近人们的期望值（即设定值）的过程，称为自动控制。
1.1.2过程控制
对生产过程所进行的自动控制，称为过程控制。
也可采用前面的表述方法：
凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。
1.1.3过程控制系统
随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。
在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。
在本世纪30年代就已有应用。
过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。
在自动控制时期，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是：
分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。
几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统（CIMS）：
以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。
为了实现过程控制，以控制理论和生产要求为依据，采用模拟仪表、数字仪表或微型计算机等构成的控制总体，称为过程控制系统。
1.2过程控制的发展与趋势
从系统结构来看，过程控制已经经历了四个阶段。
1.2.1基地式控制阶段（初级阶段）
20世纪50年代，生产过程自动化主要是凭生产实践经验，局限于一般的控制元件及机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表（如自力式温度控制器、就地式液位控制器等），实现生产设备就地分散的局部自动控制。
1.2.2单元组合仪表自动化阶段
20世纪60年代出现了单元组合仪表组成的控制系统，单元组合仪表有电动和气动两大类。
所谓单元组合，就是把自动控制系统仪表按功能分成若干单元，依据实际控制系统结构的需要进行适当的组合。
因此单元组合仪表使用方便、灵活。
单元组合仪表已延续30多年，目前国还广泛应用。
由单元组合仪表组成的控制系统，其控制策略主要是PID控制和常用的复杂控制系统（如串级、均匀、比值、前馈、分程和选择性控制等）。
1.2.3计算机控制的初级阶段
20世纪70年代出现了计算机控制系统，最初是直接数字控制（DDC）实现集中控制，代替常规的控制仪表。
但由于集中控制的固有缺陷，未能普及与推广就被集散控制系统（DCS）所代替。
DCS在硬件上将控制回路分散化，数据显示、实时监督等功能集中化，有利于安全平稳生产。
就控制策略而言，DCS仍以简单PID控制为主，再加上一些复杂的控制算法，并没有充分发挥计算机的功能和控制水平。
1．3综合自动化阶段
20世纪80年代以后出现二级优化控制，在DCS的基础上实现先进控制和优化控制。
在硬件上采用上位机和DCS（或电动单元组合仪表）相结合，构成二级计算机优化控制。
当前自动控制系统发展的一些主要特点是：
生产装置实施先进控制成为发展主流；过程优化受到普遍关注；传统的DCS正在走向国际统一标准的开放式系统；综合自动化系统（DIPS）是发展方向
综合自动化系统，就是包括生产计划和调度、操作优化、先进控制和基层控制等容的递阶控制系统，亦称管理控制一体化系统（简称管控一体化系统）。
这类自动化及其网络来实现的，因此也称为计算机集成过程系统（CIPS）。
这里“计算机集成”指出了它的组成特性，“过程系统”指明了它的工作对象，正好与计算机集成制造系统（CIMS）相对应，有人也称为过程工业的CIMS。
可以认为，综合自动化是当代工业自动化为主要潮流。
它以整体优化为目标，以计算机为主要技术工具，以生产过程的管理和控制的自动化为主要容，将各个自动化“孤岛”综合集成为一个整体的系统。
1.4简单控制系统的结构组成
所谓简单控制系统，通常是指一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象所构成的闭环系统，也称为单回路控制系统。
单回路控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，操作维护也比较方便，因此在化工自动化中使用很普遍，这类系统占控制回路的绝大多数。
简单、可靠、经济与保证效果是方案设计的基本准则。
单回路控制系统是复杂控制系统的基础，学会了单回路控制系统的工程分析、设计的处理方法，认识到系统中各个环节对控制质量的影响，并了解系统设计的一般原则后，就可以联系实际，处理其他更复杂的系统设计问题。
单回路过程控制系统的原理结构
如图1-1所示温度控制系统是单回路过程控制系统。
此图为蒸汽换热器的温度控制系统，T表示被加热物料的出口温度，是该控制系统的被控变量。
蒸汽流量是操纵变量。
该控制系统由蒸汽转换器、温度检测元件及温度变送器TT、温度控制器TC和蒸汽流量控制阀组成。
控制的目标是通过改变进入换热器的载热体（蒸汽）的流量，将换热器出口物料的温度维持在工艺规定的数值上。
通过改变蒸汽流量以控制被加热物料的出口温度是工业生产中最为常见的换热器控制方案。
图1-1温度控制系统
如图2-2所示简单控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，投资低，操作维护也比较方便，而且在一般情况下，都能满足控制质量的要求。
因此，简单控制系统在工业生产过程中得到了广泛的应用，生产过程中70%以上的控制系统是简单控制系统。
图2-2简单控制系统方框图
1.5被控变量的选择
被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，被控变量选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键。
对于任何一个控制系统，总是希望其能够在稳定生产操作、增加产品产量、提高产品质量、保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用，如果被控变量选择不当，配备再好的自动化仪表，使用再复杂、先进的控制规律也是无用的，都不能达到预期的控制效果。
另一方面，对于一个具体的生产过程，影响其正常操作的因素往往有很多个，但并非所有的影响因素都有加以自动控制。
所以，设计人员必须深入实际，调查研究，分析工艺，从生产过程对控制系统的要求出发，找出影响生产的关键变量作为被控变量。
根据被控变量与成产过程的关系，可将其分为两种类型的控制型式：
直接参数控制与间接参数控制。
1.5.1选择直接参数作为被控变量
能直接反应生产过称中产品的产量和质量，以及安全运行的参数的称为直接参数。
大多数情况下，被控变量的选择往往是显而易见的。
对于温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，很明显被控变量就是温度、压力、流量、液位。
1.5.2选择间接参数作为被控变量
质量指标是产品质量的直接反应，因此，选择质量标准作为被控变量应是首先要进行考虑的。
如果工艺上是按质量指标进行操作的，理应以产品质量作为被控变量进行控制，但是，采用质量指标作为被控变量，必然要涉及产品成分或物性参数（如密度、黏度等）的测量问题，这就是需要用到成分分析仪表和物性参数测量仪表。
1.6控制阀的选择
气动薄膜控制阀选用得正确与否是很重要的。
选用控制阀的结构类型时，要根据操纵介质的工艺条件（如温度、压力、流量等）、介质的物理和化学性质（如黏度、腐蚀性、毒性、介质状态型式等）、控制系统的不同要求及安装地点等因素来选取。
1.7控制器正、反作用方式的选择
控制器正、反作用方式的选择原则是：
所选控制器的作用方式，应使控制系统构成闭环负反馈。
为保证构成负反馈的闭环控制系统，必须满足:
控制器、执行器、被控过程三者的作用符号相乘为负。
则控制器正、反作用方式的选择判别式为
（控制器±）×（执行器±）×（被控过程±）=“-”
控制系统投运，就是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态。
在系统投运之前必须要进行全面细致的检查和准备工作。
熟悉控制系统的投运次序和步骤，掌握控制系统故障原因的分析法，并能采取切实有效的方法排除系统或仪表故障，是仪表维护、维修人员的基本功。
2电炉温度过程控制系统
自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。
KSY型电炉温度控制电流输出为调控型，适用于以硅碳棒（管）加热型电炉。
2.1KSY-12-16（A）电炉温度控制系统
2.1.1用途和适用围:
KSY-12-16（A）控制器是1300℃电炉的配套设备，它可对电炉的温度进行测量、显示、控制，可使炉膛的温度自动保持恒温。
KSY-12-16（A）控制器主要与6-13、8-13、10-13等型号产品箱式电阻炉配套使用。
2.1.2型号的组成及代表意义：
KSY-12-16（A）控制器各符号的代表意义：
K—控制器
S—实验电阻炉
Y—可控硅移相控制
12—最大控制功率12KW
16—最高控制温度1600℃
A—智能温控仪表，PID控制
2.1.3使用环境条件:
1）环境温度:
5~40℃
2）相对湿度:
不大于80%
3）周围无导电尘埃、爆炸性气体及能严重破坏金属和绝缘的腐蚀性气体。
4）没有明显的震动和颠簸
5）垂直放置、倾斜度不大于5度。
2.1.4结构特征:
KSY-12-16（A）控制器为柜式结构,外壳由钢板冲压折制焊接成型。
外壳表面采用高强度的静电喷涂工艺，漆膜光滑牢固，控制面板采用PVC软面板，造型美观。
控制器的前后均设有可打开的门，方便维修。
前面板装有电压表、电流表、温控仪表、电源锁式开关、启动、停止按钮开关、功率调节电位器及三相电源相序显示器。
2.2工作原理简介
KSY-12-16（A）控制器控制系统的主回路采用了可控硅移相集成电路。
该电路的移相围大于170度。
它具有锯齿波线性好，控制调节方便，并有失交保护等优点，使用可靠性高。
其工作原理为：
热电偶将电炉部的毫伏电压值进行比较，使炉膛的温度保持恒温。
作为PID调节信号输出控制主回路的执行元件，输出功率的调节是经过脉冲触发电路板的移相集成电路的移相输入端输入移相电压，控制可控硅导通角的大小，导通角越大，输出到电阻炉两端的交流就会越高，电炉的输出功率也就增大，炉温上升；反之，导通角减小，电阻炉输入功率减小；炉温偏差为零时，可控硅保持在一定的导通角，电阻炉输入一定的功率，使电炉的加热元件加热，来控制输出电压和输出电流满足输出功率的要求，从而达到用户所需要的炉膛温度。
2.2.1系统控制原理
整个控制系统是由温度、电压和电流3个PID调节器组成的三环系统,控制原理如图2-1所示。
加热到所需的温度。
图2-1系统控制原理框图
温度自动调节器由温度误差PID调节器、功率与速度的匹配、负载的匹配、功率与电压的换算等4部分组成。
温度自动调节器如图2-2所示。
图2-2温度自动调节器
2.2.2控制参数与被控制参数的选择
1.被控制参数的选择
根据设计要求，生产工艺对温度控制系统设计的要被加热物料经加热器用三相调功器惊醒加热后，要求其出口温度为某一定值，故选择热物料出口温度为被控制参数。
2.控制参数的选择
影响加热器出口温度的因素有：
材料的加入、输送的电阻炉两端的交流电压的波动等，材料的加入变化不大，故可以近似认为不变，输送到电阻炉两端的交流电压变化的波动，若输送达到电阻炉两端的交流电流的波动不大，其电流对出口温度影响不大，因此，选择输送到电阻炉两端的交流电流作为控制参数。
2.2.3主要技术特性
1）额定电压:
380V±10%
2）电源频率:
50HZ±1HZ
3）电源相数：
三相
4）最大控制功率：
12KW
5）最高输出电流：
50A
6）最高输出电压：
不小于370V
7）最高控制温度：
1600℃
8）控制精度：
不大于设定值的±3℃
9）外形尺寸（mm），（宽×深×高）：
510×300×1000
10）重量：
Kg
2.2.4产品特点
由于电炉的加热元件以硅碳棒为主，其加热元件的冷态和热态时的电阻值相差较大，在长期使用中硅碳棒的电阻值将逐渐变大。
因此本控制器的输出功率可以调节以满足硅碳棒老化后电阻炉的正常使用。
温度的显示为数字式显示。
控制温度为自动控温。
因此本控制器具有温度控制和功率调节两种功能。
1.炉温自动控制原理
温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成。
被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器。
执行器的特性：
电炉的温度调节是通过调节剂（供电能源）的断续作用，改变电炉丝闭合时间Tb与断开时间Tk的比值α,α=Tb/Tk。
调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期围，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期Tc导通的电压周波。
根据炉温对给定温度的偏差，自动接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定有给定温度围，以满足热处理工艺的需要。
温度自动控制常用调节规律有二位式、三位式、比例、比例积分和比例积分微分等几种。
电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。
按照偏差的比例、积分和微分产生控制作用（PID控制），是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。
系统控制程序采用两重中断嵌套方式设计。
首先使T0计数器产生定时中断，作为本系统的采样周期。
在中断服务程序中启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波、上下限报警处理，PID计算，然后输出控制脉冲信号。
脉冲宽度由T1计数器溢出中断决定。
在等待T1中断时，将本次采样值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。
从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序并且、继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。
1）二位式调节--它只有开、关两种状态，当炉温低于限给定值时执行器全开；当炉温高于给定值时执行器全闭。
（执行器一般选用接触器）
2）三位式调节--它有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时招待器全开；当炉温在上、下限给定值之间时执行器部分开启；当炉温超过上限给定值时执行器全闭。
（如管状加热器为加热元件时，可采用三位式调节实现加热与保温功率的不同）
3）比例调节（P调节）--调节器的输出信号（M）和偏差输入（e）成比例。
即：
M=ke
式中：
K-----比例系数
比例调节器的输入、输出量之间任何时刻都存在--对应的比例关系，因此炉温变化经比例调节达到平衡时，炉温不能加复到给定值时的偏差--称“静差”
4）比例积分（PI）调节--为了“静差”，在比例调节中添加积分（I）调节积分，调节是指调节器的输出信号与偏差存在随时间的增长而增强，直到偏差消除才无输出信号，故能消除“静差”比例调节和积分调节的组合称为比例积分调节.
5）比例积分微分（PID）调节--比例积分调节会使调节过程增长，温度的波动幅值增大，为此再引入微分（D）调节。
微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例，微分调节器在温度有变化“苗头”时就有调节信号输出，变化速度越快、输出信号越强，故能加快调节速度，降低温度波动幅度，比例调节、积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节。
（一般采用晶闸管调节器为执行器）。
根据生产现场的运行情况，这种控温方法，精度比较高，系统性能稳定，满足生产的实际需要。
主要设备:
热电偶或热电阻,智能PID温控仪,可控硅触发调功器等。
2.2.5电炉加热方式的分类
电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。
间接加热式电阻炉、就是在炉子部有专用的电阻材料做的发热元件。
电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。
直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，使强大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热达到加热效果。
工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的，只有一部分因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热式。
1.电炉的电加热原理
当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律：
Q＝0．2412RtQ—热能，卡；
I一电流，安9
R一电阻，欧姆，
t一时间，秒。
按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时Q＝（0．24×1000×36000）／1000=864千卡。
在电热技术上按l千瓦小时＝860千卡计算。
电炉在结构上是使电能转换为热能的设备，它能有效地用来加热指定的工件，并保持高的效率。
2.硅碳棒
碳棒是选用绿化优质碳化硅材料为主要原料，经轻加工制呸、高温硅化、在结晶而成的棒状的非金属高温电热元件。
该元件与金属电热元件相比，具有使用温度高、抗氧化、耐腐蚀、寿命长、变形微、安装维修方便等优点。
硅碳棒具有较大的比电阻，在空气中加热，发热部表面温度可以达到1450℃；从室温到800℃为负值，800℃以上为正值特性曲线。
硅碳棒具有良好的化学稳定性，酸对其无作用，但碱和碱土金属氧化物在一定的温度条件下对其有侵蚀作用。
高温下，水蒸气、氢气、卤素、硫等对其也有氧化和侵蚀作用。
为炉温和棒承受负荷均匀，安装前必须进行配阻，保持电阻一致±10%；电炉长期使用过程中，个别棒由于其它原因而损坏需要更换时，要根据当时阻值的增长情况，选补阻值适宜的棒，不可任取新棒更换。
若棒损坏的较多或阻值增长过大，无法达到达到所需的炉温时最好全部更换成新棒。
换下来的棒重新测量其电阻值，配阻低温区。
（1）硅碳棒在空气中被加热后，表面形成致密的氧化硅膜，变成抗氧化的保护膜，起到延长寿命的作用。
近年来，开发了各种涂层以防止硅碳棒裂化，用于有各种气体的炉。
（2）给硅碳棒加的电流量越大，硅碳棒的表面温度越高。
建议使用尽量小的表面负荷密度（功率）。
请注意硅碳棒冷端记载的数值为空气中1000℃的电流、电压，与实际使用不一定相符。
一般情况下，硅碳棒表面功率是由炉温度和硅碳棒表面温度的
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