工业加热炉温度控制系统设计

0引 言在科学技术日新月异的今天，工艺精度、产品质量的提高对于工业加热炉温度控制系统的要求日益增强。对工业加热炉的工作进行监视及报警，温度值是加热炉随着加热的需要随时变化进行控制的重要参数。但目前国内绝大多数工业还是采用加湿机等设备通过人工来控制加热炉的温度，很难达到最佳控制效果的，同时也无法进行温度数据的自动记录与时事管理。因此，工业加热炉的温度自动控制系统取代人工完成成为了一种刻不容缓的需要，工业加热炉的温度自动控制系统也是在这种需求的驱动下被开发和实现的，并且达到了温度控制、声音报警的要求。由于工业加热炉的温度控制系统和报警自动监控器系统均采用电能作能源，因而可以通过对输入功率的控制，达到对温度、声音报警的控制。利用简单的单片机芯片组实现系统的控制功能，能够实现并满足系统的需要，又在经济上节约了支出，避免了系统小功能浪费的现象。经过深入调查和认真分析本系统是一个二级计算机测控系统。现场计算机承担各个加热炉的温度实时检测与控制以及报警监视和报警的任务。控制中心位于中央控制室，负责对现场计算机的工作进行管理，完成实时数据收集、显示系统、打印报表以及对现场计算机的工作状态和温度给定值的设置等工作。位于车间的工作人员值班室的值班机上，平时作为电子表运行。当报警发生时，值班机能以声、显示数据等报警形势指示出报警的加热炉。且当控制总台关机时，值班机能自动上升为主机代替上位机接管通讯系统向控制器发出报警查询控制字。由于单片机的使用，现场计算机的任务也由单片机控制系统的人机接口部分来完成，再通过模数转换通道部分实现对系统的精确控制，最后采用8051单片机为主处理芯片实现对系统进行控制处理。1 工业加热炉温度控制系统1.1 温度控制系统简介1.1.1 选题的背景温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式、燃料、控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC）、推断控制、预测控制、模糊控制、专家控制、鲁棒控制、推理控制等。温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，并且控制简单方便、测量范围广、精度较高。工业加热炉的特点有：1） 炉热惯性大2） 温度变化迟缓3） 滞后情况严重4） 时变性所以当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数，应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制效果，所以这就迫切要求我们的工业加热炉的温度控制技术得到提高。1.1.2 选题的意义随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。同样我们在这次设计中也利用了计算机软件的作用。在第二章将详细介绍硬件的选择和特性，在第三章里将介绍控制器的设计的原理，在第四章里介绍工业加热炉的软件设计过程，并用汇编语言将其编制。1.2 温度控制系统的功能介绍1.2.1 系统模块在工业生产中, 对温度控制系统的要求主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变化、超调小或者无超调、稳定性好、 不振荡, 但对系统的快速性要求不高。所以在本次设计中将有以下主要模块：1） 温度检测模块2） 温度信号变换模块3） 温度显示模块4） 温度控制模块5） 报警装置在通常情况下，CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等），可以组成一台能够工作的计算机。有些单片机中除了上述部份外，还集成了其它部份如A/D、D/A等。例如在本设计系统中，采用了许多附加控制驱动电路芯片来达到上述模块功能。1.2.2温度控制系统原理分析在工业生产中, 对温度控制系统的要求主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变化、 超调小或者无超调、 稳定性好、不振荡， 至于系统的快速性要求则不高。以下浅析温度控制系统设计过程及其实现方法。热电偶将炉温变换为模拟电压信号, 经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器, 信号放大为05 V 后送模/ 数转换器转换为数字量送往单片机。同时, 热电偶的冷端温度也由温度传感器变为电压信号, 经放大和转换后送给单片机。标度变换程度根据温度检测值求得实际炉温。数字调节器程序根据恒温给定值的偏差, 按预定的PID 控制算法得到输出控制量。数字触发器程序根据控制电阻炉子的导通时间, 从而调节炉温的变化使之与给定恒温值一致。显示与恒温判断程序完成炉温与恒温时间显示、恒温开始与恒温完成判别、恒温完成时给出声光指示信号。断偶判断程序根据温度检测值判断温度传感是否开路；若开路, 则给出断偶报警信号。本次设计的工业炉温控制系统是采用单片机8051为核心的自动控制系统，其控制原理如下图：图1-1 温度控制系统控制原理图Fig 1 - 1 temperature control system control scheme1.3 温度控制系统设计要求在工业生产过程中，稳定性是保证控制系统正常工作的的先决条件。一个稳定性好的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小并趋于零。为了很好的完成控制任务，控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求。因此，对控制系统过渡过程的时间（即快速性）一般都有具体要求。在理想情况下，当过渡过程结束后，被控量达到的稳定值（即平衡状态）应与期望值一致。但实际上，由于系统结构，外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响，被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在，称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统精度的重要标志，在技术指标中一般都有具体要求。所以稳定性、快速性和准确性，即稳、准、快是工业加热炉温度控制系统必须满足的要求。结合工业加热炉的具体工艺要求即加热炉炉内温度从室温开始自由升温，当温度一旦到达正常工作的温度最低限值时，就进入系统调节；当温度到达正常工作的温度时就进入保温段。要始终保证在系统控制之下，保证所需炉内温度的精度。加工结束，要进行降温控制。保温阶段的时间由工艺要求来决定。在保温时间里，当温度高于正常工作的温度的最高限值或低于正常工作的温度最低限值时要及时报警，在升温和降温阶段也要进行控制，使炉内的温度按照预定的曲线斜率升降、保证系统有充足的时间过渡、确保设备和工作人员的安全。综上所述，此次设计的系统所要完成的功能如下：1）本系统所检测的温度范围为3001000摄氏度，当温度超过上限和低于下限时，发出报警，其连续鸣音30MS，并通过P1.4送出低电平，经光电耦合后通过晶闸管驱动自动喷洒水的设备并监测湿度值。为了保证数据的可靠性，定时启动ADC0809进行A/D转换，以检测温度值。 为了温度控制的实现，即根据温度给定值和采样值的大小决定驱动加热炉的加热过程的控制，即实现对温度控制。2）系统利用MCS-51系列单片机的片内定时器T0，对温度进行10S定时，以满足对温度采样周期的要求。在每次检测温度之后，进行一次温度显示更新，即将新的温度值经过标度变换后由键盘、显示器接口芯片8279输出给LED显示器。2 工业加热炉温度控制系统硬件设计本系统采用上下位控制，下位机采用工业控制计算机，即现场控制计算机，它主要用于过程测量、控制、数据采集等工作，同时它具有可靠性高、实时性好、环境适应性强等诸多优点；上位采用可编程控制器，它是一种以微处理器为核心，带有指令储存器和输入、输出接口，将自动化技术和计算机技术融为一体的新型工业控制装置，即总台控制中心。温度控制系统是利用下位机设置温度上下限、实时温度的采集再传输到上位机。以达到对温度的比较、控制。本设计采用MCS51单片机为主要硬件，并设计了相应的复位电路，振荡器和时钟电路。为实现设计目的此设计还设计了包括温度采集、温度显示、系统控制、串口通信等外围电路。而且对所设计电路给出了相应的软件设计，包括定时器初始化、串行口初始化和数据传输等程序。以简单说明了温度控制系统的工作原理。2.1 硬件功能根据本次设计的工业加热炉温度控制系统的工艺要求，将系统的硬件分为一下几个部分：1）温度检测电路，包括热电偶传感器、放大器等部分。热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽(通常从- 50 + 1600 ) 及反应快速的优点。热电偶传感器输出的电压信号较为微弱(只有几毫伏到几十毫伏) , 因此在进行A/ D 转换之前必须进行信号调理, 由高放大倍数的电路将它放大到A/ D 转换器通常所要求的伏特级电平。2）温度采集电路，对温度检测电路传送过来的温度进行时事采集，并传送给中央处理器。3）温度控制驱动电路，主要用于改变炉内的温度，使其达到控制的目的。从而符合工艺的要求。4）温度初始化电路，对系统进行初始化操作。主要包括控制键盘。5）温度显示电路，对温度值进行显示。6）报警电路，当炉内的温度低于最低限度温度或高于最高限度温度时进行报警。从而更好的控制炉内温度。2.2 系统硬件方框图根据工业加热炉工作工艺的要求本次设计采用常用的MCS-51系列单片机中的8051作为CPU，数据存储器为6264，其容量为8K8位。所采用的AD转换器选用ADC0809，温度、湿度显示采用LED显示。为了不间断监视程序循环动作时间，若发现时间超过设定时间，则系统陷入了“死循环”，所以采用了“看门狗”技术。加热炉的温度控制系统硬件结构，如图2-1所示：图2-1加热炉的温度控制系统硬件结构Fig 2-1 heating furnace temperature control system hardware architecture2.3 加热炉温度控制系统硬件电路设计随着电子计算机技术特别是微机技术的迅猛发展和现代控制系统理论的进步，以单片机为主芯片的广泛应用。工业加热炉温度控制系统的控制精度有了很大的提高，在软件的配合下，能自动准确的对加热炉内的温度进行监测与控制。这里简要的对各个芯片及其功能进行分析。2.3.1加热炉的温度控制系统的CPU及扩展电路设计CPU性能分析MCS-51系列单片机是Intel高档8位机，是在MCS-48系列基础上发展而成的，也是我国目前应用最广泛的一种单片机。它包括8031、8051和8751这几种芯片。它们之间的区别仅在于片内存储器，8031片内无程序存器，8051片4KB的ROM，8751片内有4KB的EPROM；其它结构性能相同。 8051内置1个8位微处理器CPU、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断源、2个优先级的中断嵌套结构，一个全双工串行通信端口，特殊功能寄存器以及一个钟振荡器和时钟电路。此外，8051还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU，而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。 8051的引脚图如下：图2-2 8051的引脚图Fig 2-2