智能温控器在真空电阻炉中的应用
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【摘 要】真空电阻炉是一种非线性、时变性和滞后性的大惯性系统，传统的炉温控制方法具有控制精度低等缺陷，为此，介绍了一种适用于真空电阻炉温度控制的智能温控器。首先阐述了智能温控器的控制原理，然后详细阐述了智能温控器的硬件构成和软件构成。为真空电阻炉的温度控制提供了一定的参考。
【关键词】智能温控器;真空电阻炉;控制
中图分类号： TP273.5;TU855 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）05-0101-003
0 引言
真空电阻炉是进行热处理工艺的工业炉，可实现淬火、烧结、融化、预热、干燥等热处理工艺。温控器是真空电阻炉的控制核心，其控制效果直接关系着真空电阻炉的热处理效率与工艺水平，因此，真空电阻炉对温控器有着很高的要求。真空电阻炉是一种非线性、时变性和滞后性的大惯性系统[1]。在进行炉温控制的过程中存在着诸多影响因素，如添加物料、环境温度变化、电压波动等因素，这些因素的存在又会对炉温的控制产生一定的影响。当前，通常采用两种控制方式对真空电阻炉的温度进行控制，第一种为手动调压的方式，第二种为非智能的调压方式。第一种控制方式对于操作人员的技术水平和经验的要求较高，并且控制误差比较大;第二种控制方式主要采用可控硅等开关元件进行控制，虽然减少了人员的干扰，但是仍然达不到控制精度的要求。
针对上述传统控制方式在真空电阻炉中的缺陷，介绍了一种适用于真空电阻炉温度控制的智能温控器，以期为真空电阻炉的温度控制提供一定的参考。
1 智能温控器的控制原理
真空电阻炉对于控制精度有着较高的要求，因此，智能控制器除了具备温度检测、温度数值记录与显示、控制参数的调整之外，还要满足精度、稳定性与可靠性的控制要求。智能温控器的结构主要包括由AT89S51CPU电路、温度检测电路、可控硅触发电路、显示输出电路、保护电路、通信电路等。温控器在工作时，温度检测电路中的测温元件直接测量炉内的实时温度，并将采集到信号发送到A/D芯片，A/D芯片受到AT89S51单片机控制，它能将模拟的电压信号转换为对应的数字信号。A/D芯片在采样之前，需要通过运算放大器对模拟的电压信号进行放大，使电压信号达到A/D电路的有效工作区间[2]。在采集炉内温度数据的过程中，由于受到电磁干扰等因素的影响，会对采集到的数据造成一定的误差，这时，就需要利用滤波算法进行滤波，经过滤波后才能在LED显示屏中实时显示当前的炉内温度，同时单片机会将检测到的温度值与目标温度值进行比较和运算，并根据运算结果通过I/O接口及时调整脉冲宽度，从而实现可控硅在一个固定周期内的导通次数，即调整了真空电阻炉的平均输入功率，从而实现了真空电阻炉的温度控制。
2 智能温控器的结构
2.1 智能温控器的硬件构成
（1）CPU。CPU采用AT89S51，该CPU为一个高性能、低功耗的8位单片机，内置8位中央处理器和ISP Flash存储单元，兼容MCS-51指令系统，它拥有独立的输入输出和控制端口，可通过A/D转换或者D/A转换电路，配合运放电路实现对传感器的控制与信号采集，可通过点阵或者LCD液晶显示输出，并通过外接按键实现人机交互。
AT89S51单片机的接口电路主要有MCM2814芯片和AD574芯片，其中MCM2814芯片主要的作用是提供掉电数据保护，AD574芯片的作用是提供A/D转换。
（2）温度检测电路。温度检测电路是智能温控器的核心部件，它的作用是检测炉内温度并将检测值实时传输至单片机。测温元件采用镍铬—镍硅热电偶，它的工作范围为50～1372℃，在1000℃以上其实际误差不会超过分度值的土1%[3]。具有极高的稳定性，并且热电势与温度呈线性的关系。热电偶是由两种不同种类的金属导体组成的闭合回路，当两端存在温度差，在电路中就会产生电流，从而在两端之间形成热电动势。其中，直接测量炉温温度的一端叫做热端（测量端），另一端叫做冷端（补偿端）。热电动势的大小是由热电偶的材料及两端的温度差决定的。
（3）掉电保护电路。掉电保护电路的主要作用是，防止突然系统突然失电、或者受到工作环境等因素的影响而丢失数据。MCM2814是一种价格低廉、性能可靠的掉电保护电路，完全满足智能温控器对掉电保护的要求。
（4）A/D转换电路。测温元件采集到的温度值为模拟量信号，因此，需要利用A/D转换电路及时转换为数字量信号。AD574是12位逐次逼近型的中速A/D转换器，转换误差较低，仅为0.05%左右。内置三态电路，可以单片机直接相连。同时内置参考电压源和时钟电路，因此，无需外接电压源与时钟信号就能进行A/D转换。
（5）可控硅控温。可控硅具有响应速度快、抗干扰能力强、调节范围广、驱动功率大等特点，被广泛应用于各类控制系统中。可控硅控温的实质是，通过控制可控硅的导通与关断，不断改变加热元件的功率，从而实现调控温度的目的。
（6）通讯模块。通讯模块主要的作用是与上位机和下位机进行通信。通信接口为RS484串行接口。通讯模块采用MAX485芯片作为RS-485的收发器，每个器件中都包含一个驱动器和一个接收器，它采用半双工的方式进行通讯。
（7）保护电路。在真空电阻炉中，如果产生掉电将会造成严重的后果，因此，智能温控器必须具备掉电保护功能。保护电路能够及时检测到电压下降，在电源电容失电之前，系统重要的运行数据和检测数据及时保存在RAM中。
2.2 智能温控器的软件构成
由于智能温控器的功能非常全面，因此系统的软件也比较复杂，为了方便程序的编写、调试与修改，软件部分采用模块化设计。软件由多个独立的子程序块构成，按照功能形成模块化结构。主要分为主程序、PID控制程序、温度采样程序、温度显示程序、报警程序、通讯程序等。下面重点分析一下主程序及PID控制程序。
（1）主程序。主程序的功能是為系统提供初始化功能（如包括缓存清理）、定时器的初始化、其它子程序的调度、温度采样信号的显示等，以便完成智能控制器的各项功能。智能温控器通电或者复位后，首先系统进行初始化，如端口的设置、缓存的清空、自整定运算初始化、PID算法的初始化等。然后对软、硬件进行自诊断，结束自诊断后启动定时器与外部中断，然后开始循环检测。如果发生中断，就会立刻判断中断源，不论是涉及到哪种中断源，都会调用相应的模块进行处理，待处理结束后，就会返回到主程序。
（2）PID控制程序。PID控制程序的核心为PID控制算法。由于智能温控器是大惯性、非线性的复杂系统，采用传统的PID方法进行控制，难以达到理想的控制效果。为此，采用模糊PID控制方法来进行炉温的控制，根据真空电阻炉的热传导函数特性，采用2输入、3输出的模糊控制结构，模糊控制算法将炉温的控制误差e和误差的变化率ec作为控制算法的输入变量，将PID控制算法的3个参数作为模糊控制算法的调节量，从而实现对炉温控制的自适应调节，提高了智能控制器炉温控制的智能性。
3 结语
随着加工制造技术的快速发展，人们对于真空电阻炉工艺水平的要求越来越高，如控制精度、超调量、升温时间等，因此，将智能温控器应用到真空电阻炉的温度控制中，具有广阔的应用前景和深远的现实意义。
【参考文献】
[1]张天鹏.工业生产中智能仪表对电阻炉温度控制的应用[J].电子制作，2016（2）：96-96.
[2]张保龙，王清珍.一种大型电阻炉温度智能控制系统设计[J].铸造技术，2016（6）：1280-1282.
[3]李晗，张新刚.基于P87LPC767单片机的智能温控器设计[J].电脑编程技巧与维护，2017（17）：81-83.
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