试谈电阻炉温度控制系统的改进

【摘要】在科学技术飞速发展的今天，我国电阻炉温度控制设备的现状况依然堪忧。本文主要研究的是电阻炉的温度控制问题，要实现对电阻炉的温度控制，就必须了解电阻炉的特性，炉温控制的基本原理，有关温度控制的设计，以实现对电阻炉温度的精确控制，满足热处理工艺对温度的控制精度和控制规律的需要。

【关键字】电阻炉；温度控制；设计；

随着社会经济和科学的迅速发展，越来越多的技术工艺都用于制造加工当中，其中热处理工艺越来越多的被用于加工过程，在热处理工艺中应用最多的就是电阻炉，但现阶段我国电阻炉温度控制设备的状况是很少一部分比较先进的设备和绝大多数比较落后设备并存。其中仪表控制占据主导地位，其控制精度不高，且在一定程度上依赖人工调试，PID调节是目前技术最成熟的、应用最广泛的一种控制方法，但仍不能满足复杂的工作状况，给质量和工作效益带来了很大的负面影响。因此对电阻炉温度控制系统的改进尤为重要。

目前有很多关于电阻炉温度控制系统改进的设计，本文介绍一种新型的控制方法，通过它来说明炉温控制的改进，这种方法结合上下机位，设计出来的对温度实时监控的系统，即集散式热处理电阻炉温度控制系统。其核心是使用一台计算机监控多台热处理炉，实现集散型的炉温控制效果。

1 系统工作原理

这种控制方法是由一台上位机工作站、打印机、Rs 485接口、以及多台下位机（从机）组成。为了实现分散性控制、集中式管理即集散式控制的目标，系统将Pc机与多台单片机（从机）共同组成集散式智能温度控制系统。

操作人员可在Pc上位机上进行操作，通过Pc机的图形显示屏，进行对整个系统及下位机的监控，上位机对下位机发出控制命令，同时下位机想上位机报各数据，上位机对数据再做出适当的处理，通过这种沟通模式，实现了分散控制和集中管理的最佳效果。

下位机主要包括主CPU部分、输入通道、输出通道、键盘和显示部分。他们主要的工作是完成对温度的检测、显示、计算、输送以及与上位机之间的联系，且每一个下位机在自身的工作模式下，能够通过使用面板上面的键盘进行工艺参数的设置，工艺曲线的完善等操作，而在远程工作模式下，下位机无论是设置工艺参数还是操作工艺运行的状态和情况都完全受控于PC上位机，在控温的整个过程中，系统将会在显示屏上以图形的形式表示工艺曲线，且描绘当前的实际温度和运行状况，人机处于十分有好的合作状态。

上位机利用串行接口与各个下位机之间相互通信，进行各种参数和命令的发送与接收，在下位机运行过程中，上位机收到下位机发送的工艺参数，同时对工艺数据进行记录与保存，显示工艺曲线和反映下位机的工作状况，这样提供了分析控温工艺的有效手段，同时上位机通过发送和读写命令对下位机实现远程监控。

2 温度控制原理

系统中每台下位机都是独立的温度控制系统，这种温度控制系统的原理框架图如下图所示。

此控制系统为一封闭环。系统的输出量y经采样放大电路、模数转换电路转变为数字量Y，与设定温度R进行比较，得到温差e=R—Y。把e送入控制器，运用控制算法，求出控制量u，输出通道将控制量转换为开关量，控制继电器的动作，从而控制加热阀开关时间的长短，使温度达到设定的数值。

3 系统技术指标

整个控制系统最终达到的技术指标是在系统中的各个环节共同作用下完成的。每一个环节都是不容忽视的，在一般的情况下，技术指标达到某个限度后，即使要提高一点点都是非常不容易的，为此可能要付出多达几倍的时间和经费。经分析温度控制系统的实际应用，得到该系统精确的技术指标如下：

从机数量：小于20 测温范围：0-1100摄氏度

测温误差：上下浮动不超过0.4摄氏度控温误差：上下浮动不超过3摄氏度

通讯距离：小于1500米

4 系统下位机硬件设计

系统中的各下位机需要完成温度的收集、数据的处理、保存及显示、控制输出、与上位机互相通信等功能。其硬件电路主要设计了主CPU模块、输入通道、输出通道、键盘、显示和串行通信等几个模块。

下位机以89C52单片机为工作核心。一方面，单片机把实时温度测定值与原本设定的期望温度值进行比较分析，得出偏差信号，然后根据设定及时切断或连通加热设备，从而使温度准确的控制在设定值上。避免发生不必要的差错。另一方面单片机把测定得到的相关数据送去液晶显示接口显示，并判断是否有报警提醒的需要。与此同时单片机又把测定得到的有关数据，通过通信接口传输给上位机，上位机则会进行显示、分析和处理。

5 下位机软件设计

下位机软件功能：（1）定时采集电阻炉内部的温度值；（2）可通过串行接口给上位机发送运行参数；（3）接收上位机发送的PID参数，计算控制输出，精确控制电阻炉内温度：（4）显示器显示实测及理论温度；（5）本地工作模式下，由下位机完成工艺参数的设置；（6）远程工作模式下，按接收到的上位机命令进行工作。

工作模块是下位机的核心部分，其中控制算法部分应用了纯滞后补偿的增量式PID实现温度控制，PID的三个参数都是由上位机在线整定，下位机在控制和检测温度的同时向上位机实时发送工艺数据，以保证上位机能够实时记录和分析。在远程工作模式下，软件采用查询的方式访问串行接口，按照上位机发送的各种有效的命令来运行操作。由于系统采用集散式控制，由上位机分别联络各下位机，因而各下位机每接收到上位机发送来的命令都要首先判断出是否是发给自己的命令，如果是则可以作出相应的处理，若不是则将信息清除，不予理会。远程工作模式下下位机的本地键盘起不到任何作用，各工艺数据的设置与修改由上位机发送，保存并由上位机发送控制命令。

6 上位机软件设计

上位机的主要功能是对下位机进行监控，以及在监控过程中通过接受下位机发来的数据对工艺运行过程进行分析处理，确保下位机的正常运行。从而保证自己数据来源和命令的下达，主要功能如下：（1）接收下位机传输来的运行数据：（2）实时整定PID参数；（3）监控所有下位机的工作状态；（4）需要的时候给下位机发送控制命令；（5）及时保存下位机的各项数据。

7 结语：

集散式热处理电阻炉温度控制系统是一种新型的温度控制方法，结合上位机和下位机，创建了一套对温度实时控制的集散式系统。系统结合智能控制技术、串行通信技术以及热处理工艺技术于一体，具备良好的控制和跟踪性能，控温准确度高，在确保其它工艺的条件正常的情况下，提高了工件的质量，降低了能源消耗，具有一定的社会经济效益。此系统实现了本地和远程两种工作模式，实现了人机的良好互动，操作简单方便，温控数据可以实时进行处理和保存，从而大大提高了控制精度。