机电一体化中的马弗炉温度控制器设计

时间:2022-08-27 06:51:09

机电一体化中的马弗炉温度控制器设计

【摘 要】机电一体化技术是指在系统层面综合利用机械技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、电力电子技术及软件编程技术等群体性技术,通过合理配置与布局实现目标功能优化组织结构的技术。而马弗炉是高性能机电一体化中的智能产品,在冶金行业中有着广泛的应用。本文就如何利用机电一体化技术实现马弗炉的温度控制进行了讨论和分析。

【关键字】机电一体化;马弗炉;温度控制

引言

在工业控制中应用机电一体化技术有如下几方面意义:(1)面对现行的机械技术必须进行性能改善、质量减轻和精度提高的情况,必须使用机电一体化技术实现控制的快速响应,减小能耗,优化运行性能;(2)机电一体化技术能够实现纯机械技术手段所无法达到的工作目的和控制精度;(3)微电子技术中的大规模集成电路、微型处理器等装置可以帮助提高对产品的控制力;(4)计算机技术等的应用可以改进设备的自动化程度,简化操作机构和操作流程;(5)软件技术可以使机械工作实现程序化,提升其工作灵敏度,实现设备的多功能化。(6)机电一体化技术还具有其他多种复合功能,利用这些功能能够实现产品和系统的自动检测与控制,以及实现智能分析等功能,进而实现产品制造的智能化。

马弗炉又称为箱式电阻炉,是一种通用加热设备,被广泛应用于冶金、机械、建材、化工等行业。当前的冶金工业对自动化、智能化程度的要求越来越高,本文就目前情况下的冶金工业现状对传统马弗炉进行改进,利用机电一体化技术实现了马弗炉的温度控制功能。

1 系统控制要求

本马弗炉的机电一体化控制希望通过电子器件的控制实现慢灰、快灰、挥发分和通用四个功能,要求选择相应的功能按键可以实现相应的功能并对应的指示灯变亮。该系统当进入测试或者测试程序后,如果想装入另一测试程序,需要通过复位或者重新上电进行重新初始化才能进行新的功能选择。由于每个功能的每个阶段需要达到的温度和时间都不相同,如慢灰功能要求温度从室温升到500℃所需时间不低于30min,在500℃恒温30min,再从500℃升至815℃,然后保持恒温。可以看到,若采用人工控制方法,不仅很难控制温度和时间以达到要求,还限制了操作人员进行其他工作。此时机电一体化技术的控制性能优势就体现出来了。

2 系统工作原理设计

实际使用中需要马弗炉实现在规定时间内进行加热或者保温等功能,如果利用机电一体化技术实现该功能可以保证温度控制的准确性和灵敏性,还能节省一定的人力成本。

本系统硬件由以下几部分电路组成:AT89C52单片机、温度检测和控制电路、温度-电压转换电路、显示及报警电路、时钟电路、键盘电路等,如图1所示:

图1 马弗炉温度控制系统硬件实现框图

本系统利用K型热电偶构成的温度检测电路能够将马弗炉的温度通过高精度的集成芯片MAX6675转换为相应的电压信号,实现信号数字化,然后将数字信号与单片机的I/O接口直接进行对接,这种数据传输方式减少了电路的成本,并且由于是信号的直接传递,故可以保证较高的控制精度。在单片机接收到输入信号后,按程序对信号进行数据处理,然后将结果显示在液晶屏上并判断温度是否达到要求,确定是否进行报警。而键盘电路的主要作用是,根据实际操作需要进行特定功能的选择或者特定温度的输入,然后通过单片机将信号传输到马弗炉温度控制电路中,在规定时间内完成规定操作。利用该方法,还可以实现实际温度与设定温度的比较,通过软件控制算法进行控制量计算,进而控制固态继电器的导通与切断,达到温度调节的目的。

3 温度控制电路设计

本系统中的温度控制模块主要由两片CD4527,一片74LS221和一片MC1413相互连接构成。鉴于过零固态继电器具有光电隔离功能,故可以将其直接与数字电路进行对接。

本系统采用Z型SSR实现功率的控制。该方案的优点在于其输出电压中所包含的高次谐波成分较传统可控硅移相式调压调节方式低,可以减少电磁污染。Z型SSR中还加入了过零控制电路。该电路是指,当加入控制信号,交流电压过零时,SSR表现为通路;当断开控制信号后,直到等待交流电出现正半轴与负半周的交界,也就是出现零电位时,SSR表现为断态。这种设计方式可以防止高次谐波的干扰,减少对电网的污染。而利用RC串联构成的吸收电路的引入还可以防止从电源中传来的尖峰、浪涌电压对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰。

根据Z型SSR的工作原理可以知道,当Z型SSR在1s内全导通时,其触发频率为100Hz,输出交流电压波头数为100;当Z型SSR在1s内全关断时,其触发频率为0Hz,输出交流电压波头数为0。利用该系统使用的控制算法获得1s内出现的波头数,然后将波头数的十位和个位分别传递给P2口的高4位和低4位,也就是利用CD4527的BCD输入数来控制电路的交流输出,利用输出波形控制Z型SSR的开与断,最终实现改变马弗炉的输入功率的目的,使马弗炉温度达到预设值。

部分程序代码如下:

4总结

鉴于机电一体化在控制方面具有很强的优势,如不需要过多的人力成本,控制的准确度和灵敏度均具有非常高的水平等,本文提出了一种基于单片机和温度传感器的机电一体化控制方案,实现了对马弗炉温度的自动化、智能化控制。该方案以单片机为核心,具有很多功能扩展模块,结构简单,操作方便,功能齐全,具有良好的应用前景。

参考文献:

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[2]张葆青,闫石,陈爽.机电一体化技术的现状与发展趋势[J].机床与液压,2011,39(24).

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[4]向凤琴.基于单片机的马弗炉温度控制系统[J].电子测量技术,2009,32(10).

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