電阻加熱爐

一、前言

自動控制系統(tǒng)在各個領(lǐng)域尤其是工業(yè)領(lǐng)域中有著及其廣泛的應(yīng)用，溫度控制是控制系統(tǒng)中最為常見的控制類型之一。隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，通過單片機對被控對象進行控制日益成為今后自動控制領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。本設(shè)計要求用單片機設(shè)計一個電爐溫度控制系統(tǒng)。

二、電爐溫度控制系統(tǒng)的特性

溫控系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)儀、執(zhí)行裝置、被控對象四個部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。被控制對象是大容量、大慣性的電熱爐溫度對象，是典型的多階容積遲后特性，在工程上往往近似為包含有純滯后的二階容積遲后；由于被控對象電容量大，通常采用可控硅作調(diào)節(jié)器的執(zhí)行器，其具體的電路圖如圖2所示。

執(zhí)行器的特性：電爐的溫度調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)劑(供電能源)的斷續(xù)作用，改變電爐絲閉合時間Tb與斷開時間Tk的比值α,α=Tb/Tk。

調(diào)節(jié)加熱爐的溫度，在工業(yè)上是通過在設(shè)定周期范圍內(nèi)，將電路接通幾個周波，然后斷開幾個周波，改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通斷時間的比例，來調(diào)節(jié)負載兩端交流平均電壓即負載功率，這就是通常所說的調(diào)功器或周波控制器；調(diào)功器是在電源電壓過零時觸發(fā)晶閘管導通的，所以負載上得到的是完整的正弦波，調(diào)節(jié)的只是設(shè)定周期Tc內(nèi)導通的電壓周波。如圖3所示，設(shè)周期Tc內(nèi)導通的周期的波數(shù)為n，每個周波的周期為T，則調(diào)功器的輸出功率為P=n×T×Pn/Tc，Pn為設(shè)定周期Tc內(nèi)電壓全通過時裝置的輸出功率。

三、電爐的電加熱原理

當電流在導體中流過時，因為任何導體均存在電阻，電能即在導體中形成損耗，轉(zhuǎn)換為熱能，按焦耳楞次定律：

Q＝0．2412 Rt Q—熱能，卡；

I一電流，安9

R一電阻，歐姆，

t一時間，秒。

按上式推算，當1千瓦小時的電能，全部轉(zhuǎn)換為熱能時Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。

在電熱技術(shù)上按l千瓦小時＝860千卡計算。電爐在結(jié)構(gòu)上是使電能轉(zhuǎn)換為熱能的設(shè)備，它能有效地

用來加熱指定的工件，并保持高的效率。

四、電爐加熱方式的分類

電阻爐按熱量產(chǎn)生的方法不同，可分為間接加熱式和直接加熱式二大類。間接加熱式電阻爐、就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料做的發(fā)熱元件。電流通過加熱元件時產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，電源直接接在所需加熱的材料上，使強

大的電流直接流過所需加熱的材料而使材料自己發(fā)熱達到加熱效果。工業(yè)電阻爐，大部分是采

用間接加熱式的，只有一部分因加熱工藝人的特殊需要而采用直接加熱式。

五、電爐控制系統(tǒng)的硬件部分

溫度調(diào)節(jié)儀是控溫系統(tǒng)的核心部分，采用單片機控制，實現(xiàn)智能化，它主要由輸入通道、輸出通道、人機對話通道以及一些外圍電路組成，原理框圖如圖4所示。具體是由8031單片機、16K電擦寫程序存貯器、鍵盤及顯示器接口電路以及并形I/O芯片8255等組成。它把傳感器送來的溫度信號進行放大、比較、運算后，輸出控制信號，觸發(fā)執(zhí)行裝置，實現(xiàn)溫度的自動控制，同時還實現(xiàn)多種溫度傳感器的轉(zhuǎn)換、調(diào)零、調(diào)幅的軟調(diào)整等功能。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，溫度傳感器信號應(yīng)采用屏蔽線單獨接地，此外，對主機亦采用電磁屏蔽措施，以防止其它的電磁干擾。

（1）8031芯片：MCS-51系列單片機是美國Intel公司開發(fā)的8位單片機，又可以分為多個子系列。MCS-51系列單片機共有40條引腳，包括32條I/O接口引腳、4條控制引腳、2條電源引腳、2條時鐘引腳。引腳說明： P0.0～P0.7：P0口8位口線，第一功能作為通用I/O接口，第二功能作為存儲器擴展時的地址/數(shù)據(jù)復用口P1.0～P1.7：P1口8位口線，通用I/O接口無第二功能。P2.0～P2.7：P2口8位口線，第一功能作為通用I/O接口，第二功能作為存儲器擴展時傳送高8位地址。 P3.0～P3.7：P3口8位口線，第一功能作為通用I/O接口，第二功能作為為單片機的控制信號。ALE/ PROG：地址鎖存允許/編程脈沖輸入信號線（輸出信號）PSEN：片外程序存儲器開發(fā)信號引腳（輸出信號）>。EA/Vpp：片外程序存儲器使用信號引腳/編程電源輸入引腳。RST/VPD：復位/備用電源引腳。

（2）8255A芯片是Intel公司生產(chǎn)的可編程輸入輸出接口芯片,它具有3個8位的并行I/O口,具有三種工作方式,可通過程序改變其功能,因而使用靈活,通用性強,可作為單片機與多種外圍設(shè)備連接時的中間接口電路。8255有三種基本工作方式，三種工作方式由工作方式控制字決定,方式控制字由CPU通過輸入/輸出指令來提供.三個端口中PC口被分為兩個部分,上半部分隨PA口稱為A組,下半部分隨PB口稱為B組.其中PA口可工作與方式0、1和2，而PB口只能工作在方式0和1。8255共有40個引腳,采用雙列直插式封裝,各引腳功能如下：D0--D7：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線,與單片機數(shù)據(jù)總線連接,用來傳送數(shù)據(jù)信息。CS：片選信號線，低電平有效，表示芯片被選中。RD：讀出信號線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的讀出。WR：寫入信號線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的寫入。Vcc：+5V電源。A0--PA7：A口輸入/輸出線。PB0--PB7：B口輸入/輸出線。PC0--PC7：C口輸入/輸出線。RESET：復位信號線。A1、A0：地址線，用來選

擇8255內(nèi)部端口。GND：地線。

（3）74LS373芯片

74LS373是帶有三態(tài)門的八D鎖存器，當使能信號線OE為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許1Q-8Q輸出到OUT1-OUT8，當OE端為高電平時，輸出三態(tài)門斷開，輸出線OUT1-OUT8處于浮空狀態(tài)。G稱為數(shù)據(jù)打入線，當74LS373用作地址鎖存器時，首先應(yīng)使三態(tài)門的使能信號OE為低電平，這時，當G端輸入端為高電平時，鎖存器輸出（1Q-8Q）狀態(tài)和輸入端（1D-8D）狀態(tài)相同；當G端從高電平返回到低電平（下降沿）時，輸入端（1D-8D）的數(shù)據(jù)鎖入1Q-8Q的八位鎖存器中。當用74LS373作為地址鎖存器時，它們的G端可直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進行地址鎖存。

引腳說明如下： D0～D7：鎖存器8位數(shù)據(jù)輸入線 Q0～Q7：鎖存器8位數(shù)據(jù)輸出線 GND：接地引腳 Vcc：電源引腳，＋5V有效 OE ：片選信號引腳 G：鎖存控制信號輸入引腳。

（4）6116芯片

6116是2K*8位靜態(tài)隨機存儲器芯片,采用CMOS工藝制造,單一+5V供電,額定功耗160mW,典型存取時間200ns,24線雙列直插式封裝，其引腳功能說明如下：A0～A10：地址輸入線 O0～O7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線，有時用D0～D7表示 ：片選信號輸入端，低電平有效 ：讀選通信號輸入線，低電平有效

：寫選通信號輸入線， 低電平有效

Vcc：工作電源輸入引腳，＋5V GND：線路地

（5）2746芯片

2764是8K*8字節(jié)的紫外線镲除、電可編程只讀存儲器，單一+5V供電，工作電流為75mA，維持電流為35mA，讀出時間最大為250nS，28腳雙列直插式封裝。各引腳的 含義為：A0～A12：13根地址線，可尋址8K字節(jié)；

：片選線；O0-O7：數(shù)據(jù)輸出線；：為數(shù)據(jù)輸出選通線；PGM：編程脈沖輸入端；Vpp：編程電源；Vcc：主電源，一般為＋5V。GND：接地引腳

（6）ADC0809轉(zhuǎn)換器

ADC0809是一種比較典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，CMOS工藝，可實現(xiàn)8路模擬信號的分時采集，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為100μs左右，采用雙排28引腳封裝，其引腳說明如下：IN0～IN7：8路模擬量輸入通；ADDA～ADDC：地址線用于選擇模擬量輸入通道；ALE：地址鎖存允許信號；START：轉(zhuǎn)換啟動信號；D0～D7：數(shù)據(jù)輸出線；OE：輸出允許信號，低電平允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出；CLOCK：時鐘信號輸入引腳，通常使用500KHz；EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，為0代表正在轉(zhuǎn)換，1代表轉(zhuǎn)換結(jié)束；Vcc：＋5V電壓；VREF（＋）、VREF（－）：參考電壓。

（7）溫度檢測元件及變送器、ADC的選擇

溫度檢測元件及變送器的選擇要考慮溫度控制范圍及精度要求。對于0~1000℃的測量

范圍，采用熱電偶，如鎳鉻熱電偶，分度號為EU，其輸出信號為0~41.32mV，經(jīng)毫伏變送器，輸出0~10mA，然后再經(jīng)過電流——電壓變換電路轉(zhuǎn)換為0~5V電壓信號。為了提高測量精度，可將變送器進行零點遷移，例如溫度測量范圍改為400~1000℃，熱電偶給出16.4~41.32mV時，使變送器輸出0~10mV，這樣使用8位A/D轉(zhuǎn)換器，能使量化誤差達到±2.34℃。

（8）接口芯片的擴展

由于本系統(tǒng)既要顯示、報警、鍵盤輸入，又要進行控制，所以系統(tǒng)在8031系統(tǒng)中擴展了一片8155，它有三個8位I/O口，256字節(jié)的RAM，可以作為外部數(shù)據(jù)存儲器供系統(tǒng)使用，8031的P2.1接8155的CE，P2.0接8155的IO/M，當P2.1＝0，P2.0＝1時，選中8155片內(nèi)的三個I/O端口，其口地址如下：0100H〖〗命令狀態(tài)寄存器0101H〖A〗口0102H〖B〗口0103H〖C〗口或控制口寄存器0104H，計數(shù)值低八位0105H，計數(shù)值高八位和方式寄存器。當P2.2＝0時，選中ADC0809（允許啟動各通道轉(zhuǎn)換與讀取相應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果）。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC經(jīng)倒相后接至單片機的外部中斷INT1（P3.3），當P3.3＝0時，說明轉(zhuǎn)換結(jié)束。我們選用0通道作為輸入，把0809視為一個地址為03F8H的外部數(shù)據(jù)存儲單元，對其寫數(shù)據(jù)時，8031的WR信號使ALE和START有效，將74LS373鎖存的地址低三位存入0809，并啟動ADC0809，D 9EOC為低電平時，A/D轉(zhuǎn)換正在進行，當EOC為高電平時，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，8031可以讀如轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。

（9）溫度控制電路

溫度控制電路采用晶閘管調(diào)功方式。雙向晶閘管串在50Hz交流電源和加熱絲電路中，只要在給定周期里改變晶閘管開關(guān)的接通時間的脈沖信號即可。這可以用一條I/O線，通過程序輸出控制脈沖。為了達到過零觸發(fā)的目的，需要交流電過零檢測電路。此電路輸出對應(yīng)于50Hz交流電壓過零時刻的脈沖，作為觸發(fā)雙向晶閘管的同步脈沖，使晶閘管，在交流電壓過零時刻導通。電壓比較器LM311將50HZ正弦交流電壓變成方波。方波上升沿和下降沿分別作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號，單穩(wěn)觸發(fā)器輸出的窄脈沖經(jīng)二極管或門混合，就得到對應(yīng)于220V市電過零時刻的.同步脈沖。此脈沖一路作為觸發(fā)同步脈沖加到溫控電路，一路作為計數(shù)脈沖加到單片機8031的P3.4和P3.5輸入端。

六、電爐控制系統(tǒng)的軟件部分

系統(tǒng)軟件采用中斷方式編程，主要部分是時鐘中斷程序，主要由輸入處理程序、控制算法程序、顯示處理、輸出處理和自診斷程序等組成，其流程圖如圖5所示。儀表通電啟動后，初始化程序進行時間給定，每隔500ms時鐘中斷一次，中斷后進入時鐘中斷處理。對于純滯后，大慣性環(huán)節(jié)控制對象，一般采用積分分離PID控制算法。在一般的PID控制中

，當系統(tǒng)有較大的擾動或設(shè)定值較大幅度提降時，由于偏差較大及系統(tǒng)存在慣性和滯后，在積分項的作用下，會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間波動，在溫度緩慢變化過程中這一現(xiàn)象尤為嚴重，為此采用積分分離措施，即在偏差較大時，取消積分作用，偏差較小時，才將積分作用投入。積分分離PID控制算法如下：

七、爐溫自動控制原理

根據(jù)爐溫對給定溫度的偏差，自動接通或斷開供給爐子的熱源能量，或連續(xù)改變熱源能量的大小，使爐溫穩(wěn)定有給定溫度范圍，以滿足熱處理工藝的需要。溫度自動控制常用調(diào)節(jié)規(guī)律有二位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。電阻爐爐溫控制是這樣一個反饋調(diào)節(jié)過程，比較實際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，去調(diào)節(jié)電阻爐的熱功率，從而實現(xiàn)對爐溫的控制。按照偏差的比例、積分和微分產(chǎn)生控制作用（PID控制），是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式。

系統(tǒng)控制程序采用兩重中斷嵌套方式設(shè)計。首先使T0計數(shù)器產(chǎn)生定時中斷，作為本系統(tǒng)的采樣周期。在中斷服務(wù)程序中啟動A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進行數(shù)字濾波、上下限報警處理，PID計算，然后輸出控制脈沖信號。脈沖寬度由T1計數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時，將本次采樣值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度值放入顯示緩沖區(qū)，然后調(diào)用顯示子程序。從T1中斷返回后，再從T0中斷返回主程序并且、繼續(xù)顯示本次采樣溫度，等待下次T0中斷。

1)二位式調(diào)節(jié)--它只有開、關(guān)兩種狀態(tài)，當爐溫低于限給定值時執(zhí)行器全開；當爐溫高于給定值時執(zhí)行器全閉。（執(zhí)行器一般選用接觸器）

2）三位式調(diào)節(jié)--它有上下限兩個給定值，當爐溫低于下限給定值時招待器全開；當爐溫在上、下限給定值之間時執(zhí)行器部分開啟；當爐溫超過上限給定值時執(zhí)行器全閉。（如管狀加熱器為加熱元件時，可采用三位式調(diào)節(jié)實現(xiàn)加熱與保溫功率的不同）

3）比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）--調(diào)節(jié)器的輸出信號（M）和偏差輸入（e）成比例。即：M=ke

式中：K-----比例系數(shù)

比例調(diào)節(jié)器的輸入、輸出量之間任何時刻都存在--對應(yīng)的比例關(guān)系，因此爐溫變化經(jīng)比例調(diào)節(jié)達到平衡時，爐溫不能加復到給定值時的偏差--稱“靜差”

4）比例積分（PI）調(diào)節(jié)--為了“靜差”，在比例調(diào)節(jié)中添加積分（I）調(diào)節(jié)積分，調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出信號與偏差存在隨時間的增長而增強，直到偏差消除才無輸出信號，故能消除“靜差”比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分調(diào)節(jié).

5) 比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)--比例積分調(diào)節(jié)會使調(diào)

節(jié)過程增長，溫度的波動幅值增大，為此再引入微分（D）調(diào)節(jié)。微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出與偏差對時間的微分成比例，微分調(diào)節(jié)器在溫度有變化“苗頭”時就有調(diào)節(jié)信號輸出，變化速度越快、輸出信號越強，故能加快調(diào)節(jié)速度，降低溫度波動幅度，比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分微分調(diào)節(jié)。（一般采用晶閘管調(diào)節(jié)器為執(zhí)行器）。

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的運行情況，這種控溫方法，精度比較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)的實際需要。主要設(shè)備:熱電偶或熱電阻,智能PID溫控儀,可控硅觸發(fā)調(diào)功器等。

八、主要的技術(shù)特性：

電阻爐消耗電能轉(zhuǎn)換來的熱能．一部分由電爐構(gòu)筑材料及傳熱的各種因素而散失到空間去了，另一部分則用于對爐內(nèi)工件的加熱，前面的一部分形成了電爐損失功率，后一部分形成了電爐有效功率。

當電爐開始升溫時，爐內(nèi)砌磚體大量地吸收熱量，以提高本身溫度，在停爐冷下來時又把這一部分熱量散失到空間去；這一部分形成爐體蓄熱損失。一臺先進的電爐應(yīng)具有低的空爐損失及高的有效功率。較少蓄熱相失。空爐損失的大小是衡量電爐效率好壞的重要指標，空爐損失小的電爐，可以得到高的技術(shù)生產(chǎn)率及低的單位電能消耗比。一般工業(yè)電阻爐的效率。小型電爐較低一些．大型電爐

較高一些，從10—100千瓦的箱式電爐效率約為65-85%，空爐損失約占總功率的35--15％。 電爐從室溫升到工作溫度的時間對電爐的經(jīng)濟指標是有明顯影響的，升溫時間短則爐子投入正常使用的時間就較長每天的生產(chǎn)率就較高，每公斤工件的電耗量就降低，所以要盡量采用熱慣性小的爐襯材料并降低爐體蓄熱量來加快電爐的升溫速度：爐體的蓄熱量對周期作業(yè)爐影響很大，尤其是每天一班或二班生產(chǎn)的電爐。

對連續(xù)作業(yè)爐其影響就不明顯。加熱能力是一臺電爐的主要技術(shù)指標，加熱能力是指電爐的有效功率，從理論計算上在一個小時內(nèi)能把指定的材料加熱到額定溫度的最大重量數(shù)，以公斤／小時計算。

(5)電阻加熱爐基本結(jié)構(gòu)及型式

電阻爐是隨著機械工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的，由于各種加熱工藝及冶煉工藝上的需要，電阻爐是一個品種很多的產(chǎn)品。電阻爐爐體結(jié)構(gòu)，分周期式及連續(xù)式二個型式來分別介紹。周期式作業(yè)爐。如箱式電爐，臺車式電爐、井式電爐等箱式電爐，外殼一般是用型鋼、鋼板焊接而成的，小型電爐由于需保持工作面的一定高度，一般均做成帶支架的，在箱型殼體下邊，有支持爐體的腿或支架。中型電爐因本身重量大及加入爐內(nèi)的工件重量也大，所以一般

均直接在底盤上焊接爐體及砌磚。大型電爐可以在特定的專用的地基上設(shè)計成無鋼性底盤的結(jié)構(gòu)，而就地焊接砌磚，但這種電爐在安裝后不能吊運及移動。

中小型電爐的爐門可用配重及手動裝置來開閉，下部一般均有砂封槽，有些爐門上邊也設(shè)有砂封槽，以保證良好的密封性，爐門關(guān)閉時，用壓緊裝置使爐門緊密的與門框接觸，減少漏氣。大型電爐可以用電動或氣動、液壓開閉爐門，電加熱元件一般可以在爐膛內(nèi)左右側(cè)墻上及底面上布置，為了得到良好的熱場，最好在護頂上也布置電加熱元件，因為爐內(nèi)工件一般堆放高度不會超過寬度，所以以上下兩個方面加熱比左右兩個方面加更為有效。大型及中型電爐可以在護門上及后墻上適當?shù)牟贾靡恍╇娂訜嵩�件，以減少爐內(nèi)的溫差，為了保證爐門口的熱損失能得到更好的平衡，可以在較大的箱型電爐上靠爐門口的爐膛長度1/3處作為一個控制區(qū)。

通保護氣體的爐子應(yīng)設(shè)有保證安全運行的必要裝置及良好曲密封性。井式電爐一般均為園筒形爐膛，內(nèi)徑一般最小為600毫米，大小了，安裝維修時不方便；爐殼用型鋼作為骨架再焊上鋼板，小型爐蓋可用手動機構(gòu)開閉，大型及中型的可用電動或液壓等機構(gòu)開閉，高度與直徑好比在1一1.5的電爐工件一般放管在爐膛底部，高度與直徑比在2以上時。工件大部用吊掛方式，吊于爐口內(nèi)或爐上外部的專用吊架上，控制區(qū)的設(shè)置一般以直徑的1—1．5倍為一個。在溫度控制要求不高時．有時一個控制區(qū)長度達到直徑的2倍。

可控氣氛箱形多用爐。一般在結(jié)構(gòu)上是分為前室及爐膛、冷卻槽，前室由型鋼及鋼板焊成的密封空間下邊與冷知槽相連，上邊為設(shè)有水冷壁的空氣冷卻室。中間有通過工件的軌道及上下升降的料架，由頂上的氣缸來操作(可電氣動或液動)下降時工件進入冷卻槽，進行快速冷卻或等溫淬火、上升時工件在上邊氣氛中緩冷。

爐膛在前室后邊，中間 有一個爐門隔開，進料出料時。爐門由上部氣缸打開。爐膛由抗?jié)B碳砌成。電加熱器兩種形式，一種是由高電阻合金板材制成；為了消除表面積炭形成短路，加熱器面涂上專用的高溫絕緣釉；另一種為輻射管式的，水平或垂直的插入爐賭中，管中用大切面園形電阻線組成金屬發(fā)熱器。爐內(nèi)具有強通的風扇，爐子前面為一個推料裝置，用以向爐內(nèi)進出料，電爐附有氣體發(fā)生器或直接向護內(nèi)滴注有機液及碳勢控制設(shè)備。

九、用途

工業(yè)電阻爐的主要用途是供機械工業(yè)對原材料、毛坯、機械另件加熱用。如板材軋制前的坯料加熱，鍛件的加熱。機械另件及半成品的熱處理

以改善其機械性能，如進桿淬火、回火、退火、正火、氣體滲碳、氮化等。亦有用于燒結(jié)、釬焊，部份電阻爐用于低熔點金屬的熔煉及陶瓷玻璃工業(yè)的加熱。