电炉温度过程控制系统设计.doc
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1、新疆工业高等专科学校毕业设计(论文)电炉温度过程控制系统设计包晓倩系 别: 电气与信息工程 专业班级: 生产过程自动化08-23(2)班 指导教师: 魏 成 伟 完成日期: 2011 -09-11 校新疆工业高等专科学毕业设计(论文)任务书一、 题目:电炉温度过程控制系统设计二、 指导思想和目的:通过毕业设计,培养学生综合运用所学的知识和技能解决问题的本领,巩固和加深对所学知识的理解;培养学生调查研究的习惯和工作能力;培养学生建立正确的设计和科学研究的思想,树立实事求是、严肃认真的科学工作态度。三、 设计任务或主要技术指标:四、 设计进度与要求:1):布置设计任务,深入了解设计内容,阅读参考资
2、料,学习有关内容。2):调研与电炉温度控制有关的实际情况,确定芯片的型号数目及分布。3):进行单片机选型,提出电炉温度系统的控制策略。4):修改完善设计方案并绘制必须的图纸草图,编写设计说明书。5):修改、打印设计说明书。总结,准备毕业答辩,完成答辩。五、 主要参考书及参考资料: 1 刘夏华 主编单片机及其应用设计,清华大学出版社出版社,1998年第1版。2 赵文忠 主编微机控制技术,中国电力出版社,1987年第2版。3 陈福祥 主编预测控制及应用,华中理工大学出版社,1995年第 2 版。专业班级:生产过程自动化08-23(2)学生:包晓倩 指导教师:魏成伟 年 月 日教研室主任(签名):
3、系(部)主任(签名): 年 月 日新疆工业高等专科学校毕业设计(论文)评定意见书设计(论文)题目: 电炉温度过程控制系统设计 专 题: 单片机的应用 设 计 者:姓名 包晓倩 专业 生产过程自动化 班级 08-23(2) 设计时间: 2011年 06月15 日2011 年 9 月10日指导教师:姓名 魏成伟 职称 副教授 单位 新疆工业高等专科学校 评 阅 人:姓名 职称 单位 评定意见:评定成绩:指导教师(签名): 年 月 日评阅人(签名): 年 月 日答辩委员会主任(签名): 年 月 日(上页背面)毕业设计评定意见参考提纲1.学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。2.设计或论文(说明
4、书)的优缺点,包括:学生理论水平、独立实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力、勤勉态度等。3.设计或论文(说明书)中较成功的部分。4.作毕业设计或论文(说明书)时遇到的困难和问题。电气与信息工程系毕业答辩情况记录表答辩人姓名包晓倩班 级08-23(2)专 业生产过程自动化设计题目电炉温度过程控制系统设计指导老师魏成伟答辩日期2011年 09 月 13日答辩时间时 分 时 分自述回答问题小结 答辩组长: 年 月 日摘 要电炉设备通常是成套的,包括电炉炉体,电力设备(电炉变压器、整流器、变频器等),开闭器,附属辅助电器(阻流器、补偿电容等),真空设备,检测控制仪表(电工仪表、热工仪表等),自动
5、调节系统,炉用机械设备(进出料机械、炉体倾转装置等)。其优点:炉内气氛容易控制,甚至可抽成真空;物料加热快,加热温度高,温度容易控制;生产过程较易实现机械化和自动化;劳动卫生条件好;热效率高;产品质量好等。本次设计主要以电阻炉的温度过程控制系统设计为例。采用了K型热电偶信号处理集成芯片MAX6675,改变了传统测温电路电路复杂、程序复杂、精度低等问题;采用时钟芯片可以对时间准确计时;采用先进PID控制算法控制 、精度高、超调小;整个设计电路简单、设定功能多、操作简单。经反复实验证明:其工作稳定性强、精度高、实用性强、控制效果好、应用前景广。关键词:电炉设备 PID控制 芯片目 录1电炉的简介1
6、1.1电炉的构造11.2电炉的结构11.3电炉的优点11.4电炉的分类11.4.1电阻炉11.4.2感应炉21.4.3电弧炉31.4.4真空电弧炉41.4.5等离子炉41.4.6电子束炉41.4.7电热炉52电阻炉的温度过程控制系统62.1设计目的62.2电阻炉简介62.3电阻炉分类82.4电阻炉的加热机理82.5电阻炉的功率82.6电阻炉修理维护92.6.1围绕炉体的修理92.6.2加热元件的日常修理112.6.3故障修理112.6.4焊接工作中的注意事项122.6.5其他122.7电阻炉的优点142.8电阻炉的缺点143电阻炉温度控制系统的特性及设计方案153.1 电阻炉温度控制系统的特性
7、153.2 电路设计方案163.2.1主要性能参数163.2.2 功能引脚说明174电阻炉加热原理及加热方式的分类194.1电阻炉电加热原理194.2电阻炉加热方式的分类195电阻炉控制系统的硬件部分和软件部分205.1温度检测电路205.2时钟电路225.2.1 DS12887主要功能简介225.2.2原理及引脚说明225.3 键盘显示和报警电路245.3.1 TC1602概述245.3.2 8255芯片概述255.4控温电路255.5软件设计256炉温自动控制原理287主要的技术特性308电阻加热炉基本结构及型式319用途32总 结33致 谢34参考文献35电炉温度过程控制系统设计1电炉的
8、简介1.1电炉的构造电炉设备通常是成套的,包括电炉炉体,电力设备(电炉变压器、整流器、变频器等),开闭器,附属辅助电器(阻流器、补偿电容等),真空设备,检测控制仪表(电工仪表、热工仪表等),自动调节系统,炉用机械设备(进出料机械、炉体倾转装置等)。大型电炉的电力设备和检测控制仪表等一般集中在电炉供电室。 图1.1电炉构造1.2电炉的结构整套电炉设备包含中频电源柜,补偿电容,炉体(两个)及水冷电缆、减速机。炉体由炉壳、感应圈、炉衬、倾炉减速箱等四个部分组成,炉壳用非磁性材料制成,感应线圈是由矩形空心管制成的螺旋状筒体,熔炼时管内通冷却水。线圈引出铜排与水冷电缆连通,炉衬紧靠感应圈,由石英砂打实烧
9、结而成,炉体的倾动由倾炉减速箱直接转动。倾炉减速箱系二级涡轮变速,自锁性能好,转动平稳可靠,出现紧急断电时看收工倾炉,避免危险。可以通过选炉开关对两台炉体的倾炉减速箱电动机的控制进行选择,带有四芯橡皮线的开关盒能使操作者站在合适位置对炉体的倾动,复位进行点动控制。1.3电炉的优点同燃料炉比较,电炉的优点有:炉内气氛容易控制,甚至可抽成真空;物料加热快,加热温度高,温度容易控制;生产过程较易实现机械化和自动化;劳动卫生条件好;热效率高;产品质量好等。冶金工业上电炉主要用于钢铁、铁合金、有色金属等的熔炼、加热和热处理。19世纪末出现了工业规模的电炉,20世纪50年代以来,由于对高级冶金产品需求的增
10、长和电费随电力工业的发展而下降,电炉在冶金炉设备中的比额逐年上升。电炉可分为电阻炉、 感应炉(神光电炉)、 电弧炉、等离子炉、电子束炉等。1.4电炉的分类1.4.1电阻炉 以电流通过导体所产生的焦耳热为热源的电炉。按电热产生方式,电阻炉分为直接加热和间接加热两种。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬(包括隔热屏)等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等,虽炉种的不同而已。电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性
11、等。本设计将从第二部分开始重点介绍电阻炉。1.4.2感应炉利用物料的感应电热效应而使物料加热或熔化的电炉。感应炉的基本部件是用紫铜管绕制的感应圈。感应圈两端加交流电压,产生交变的电磁场,导电的物料放在感应圈中,因电磁感应在物料中产生涡流,受电阻作用而使电能转变成热能来加热物料;所以,也可认为感应电热是一种直接加热式电阻电热。 感应电热的特点是在被加热物料中转变的电热功率(电流分布)很不均匀,表面最大,中心最小,称为趋肤效应。为了提高感应加热的电热效率,供电频率要合宜,小型熔炼炉或对物料的表面加热采用高频电,大型熔炼炉或对物料深透加热采用中频或工频电。感应圈是电感量相当大的负载,其功率因数一般很
12、低。为了提高功率因数,感应圈一般并联电容器,称为补偿电容。感应圈和物料之间的间隙要小,感应圈宜用方形紫铜管制作,管内通水冷却,感应圈的匝间间隙要尽量小,绝缘要好。感应加热装置,主要用于钢、铜、铝和锌等的熔铸,加热快,烧损少,机械化和自动化程度高,适合配置在自动作业线上。 a b A坩埚式无芯感应炉炉体 1感应圈 2熔池 3坩埚B熔沟式有芯感应炉炉体 1炉壳 2池热量 3熔池 4溶沟 6铁芯 图1.2 感应炉炉体结构示意图5感应圈工业上应用的感应熔化炉有坩埚炉(无芯感应炉)和熔沟炉(有芯感应炉),见图1.2感应炉炉体结构示意。坩埚用耐火材料或钢制成,容量从几公斤到几十吨。其熔炼特点是坩埚中熔体受
13、电动力作用,迫使熔池液面凸起,熔体自液面中心流向四周而引起循环流动。这种现象称为电动效应,可使熔体成分均匀,缺点是炉渣偏向周边,覆盖性差。与熔沟炉比较,坩埚炉操作灵活,熔炼温度高,但功率因数低,电耗较高。熔沟炉的感应器由铁芯、感应圈和熔沟炉衬组成,熔沟为一条或两条带状环形沟,其中充满与熔池相联通的熔体。在原理上,可以把熔沟炉看作是次级只有一匝线圈而且短路的铁芯变压器。感应电流在熔沟熔体中流动,而实现电热转变。 生产中,每炉金属熔炼完毕后,不能把熔池放空,不然容易干枯,一定要保留一部分熔体作为下一炉的起熔体。熔沟温度比熔池高,又承受熔体流动的冲刷,所以熔沟炉衬容易损坏,为便于维修,现代炉子的感应
14、器制成便于更换的装配件。熔沟炉的容量从几百公斤到百余吨。熔沟炉供工频电,由于有用硅钢片制作的铁芯作磁通路,电效率和功率因数都很高。熔沟炉主要用于铸铁、铜、锌、黄铜等的熔化,还可作为混熔沪,用来贮存和加热熔体。1.4.3电弧炉利用电弧热效应熔炼金属和其他物料的电炉(图1.3电弧炉类型)。按加热方式分为三种类型:间接加热电弧炉。电弧在两电极之间产生,不接触物料,靠热辐射加热物料。这种炉子噪声大,效率低,渐被淘汰。直接加热电弧炉。电弧在电极与物料之间产生,直接加热物料;炼钢三相电弧炉是最常用的直接加热电弧炉(见电弧炉炼钢)。埋弧电炉,亦称还原电炉或矿热电炉。电极一端埋入料层,在料层内形成电弧并利用料
15、层自身的电阻发热加热物料;常用于冶炼铁合金(见铁合金电炉),熔炼冰镍、冰铜(见镍、铜),以及生产电石(碳化钙)等。 间接加人电弧炉 直接加热电弧炉 埋弧电炉图1.3电弧炉类型1.4.4真空电弧炉是在抽真空的炉体中用电弧直接加热熔炼金属的电炉。炉内气体稀薄,主要靠被熔金属的蒸气发生电弧,为使电弧稳定,一般供直流电。按照熔炼特点,分为金属重熔炉和浇铸炉。按照熔炼过程中电极是否消耗(熔化),分为自耗炉和非自耗炉,工业上应用的大多数是自耗炉。真空电弧炉用于熔炼特殊钢、活泼的和难熔的金属如钛、钼、铌(见真空冶金)。 电弧电热可以认为是弧阻电热。电弧(弧阻)稳定是炉子正常生产的必要条件。交流电弧炉通常采用
16、工频电,为使电弧稳定,炉子供电电路中要有适当的感抗,但是存在感抗会降低功率因数和电效率。降低电流频率是发展交流电弧炉的途径。弧阻阻值相当小,为获得必要的热量,炉子需要相当大的工作电流,因此炉子短网的电阻要尽量小,以免电路损耗过大。对于三相电弧炉,要使三相的阻抗接近一致,以免三相负荷不平衡。1.4.5等离子炉利用工作气体被电离时产生的等离子体来进行加热或熔炼的电炉。产生等离子体的装置,通常叫作等离子枪,有电弧等离子枪和高频感应等离子枪两类。把工作气体通入等离子枪中,枪中有产生电弧或高频(520兆赫)电场的装置,工作气体受作用后电离,生成由电子、正离子以及气体原子和分子混合组成的等离子体。等离子体
17、从等离子枪喷口喷出后,形成高速高温的等离子弧焰,温度比一般电弧高得多。最常用的工作气体是氩,它是单原子气体,容易电离,而且是惰性气体,可以保护物料。工作温度可高达20000;用于熔炼特殊钢、钛和钛合金、超导材料等。炉型有配置水冷铜结晶器炉、 中空阴极式炉、 配置感应加热的等离子炉、有耐火材料炉衬的等离子炉等(见等离子冶金)。1.4.6电子束炉图1.4 电子束炉示意图1炉壳 2灯丝 3阴极 4加速阳极5电子束 6物料 7阳极(水冷铜坩埚)用高速电子轰击物料使之加热熔化的电炉(图1-4电子束炉示意)。在真空炉壳内,用通低压电的灯丝加热阴极,使之发射电子,电子束受加速阳极的高压电场的作用而加速运动,
18、轰击位于阳极的金属物料,使电能转变成热能。因为电子束可经电磁聚焦装置高度密集,所以可在物料受轰击的部位产生很高的温度。电子束炉用于熔炼特殊钢、难熔和活泼金属。 工业上用的电炉分类为两类:周期式作业炉和连续式作业炉。 周期式作业炉分为:箱式炉、密封箱式炉,井式炉,钟罩炉,台车炉,倾倒式滚筒炉。 连续式作业炉分为:窑车式炉,推杆式炉,辊底炉,振底炉,转底炉,步进式炉,牵引式炉,连续式滚筒炉,传送带式炉等。其中传送带式炉可分为:有网带式炉、冲压链板式炉、铸链板式炉等。1.4.7电热炉电热炉可使用金属发热体或非金属发热体来产生热源,其构造简单,用途十分广泛是它的主要特色,可广泛应用於退火、正常化、淬火
19、、回火、渗碳及渗碳氮化等。主要的金属发热体包括Ni-Cr电热线(最常见,最高用至1200)、Mo-Si合金及W、Mo等纯金属;非金属发热体包括SiC(最常见,最高可加热至1600)、LaCrO3及石墨棒(真空或保护气氛下可加热至2000)。2电阻炉的温度过程控制系统2.1设计目的本次设计主要以电阻炉的温度过程控制系统设计为例。电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛,因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节,具有大惯性、纯滞后、非线性等特点,导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温控制,具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点,对提高生产
20、效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。本文介绍的温度控制系统的主要技术指标有:温控范围:01000;恒温时间:24小时;控制精度:;超调量1%。2.2电阻炉简介以电流通过导体所产生的焦耳热为热源的电炉。按电热产生方式,电阻炉分为直接加热和间接加热两种。在直接加热电阻炉中,电流直接通过物料,因电热功率集中在物料本身,所以物料加热很快,适用于要求快速加热的工艺,例如锻造坯料的加热。这种电阻炉可以把物料加热到很高的温度,例如碳素材料石墨化电炉,能把物料加热到超过2500。直接加热电阻炉可作成真空电阻加热炉或通保护气体电阻加热炉,在粉末冶金中,常用于烧结钨、钽、铌等制品。采用这种炉子加热时应注意
21、:为使物料加热均匀,要求物料各部位的导电截面和电导率一致;由于物料自身电阻相当小,为达到所需的电热功率,工作电流相当大,因此送电电极和物料接触要好,以免起电弧烧损物料,而且送电母线的电阻要小,以减少电路损失;在供交流电时,要合理配置短网,以免感抗过大而使功率因数过低。电阻炉热效益不高时他的一个缺点。 大部分电阻炉是间接加热电阻炉,其中装有专门用来实现电-热转变的电阻体,称为电热体,由它把热能传给炉中物料(图2.1 间接加热电阻炉)。 图2.1 间接加热电阻炉1电热体 2物料 3炉衬这种电炉炉壳用钢板制成,炉膛砌衬耐火材料,内放物料。最常用的电热体是铁铬铝电热体、镍铬电热体、碳化硅棒和二硅化钼棒
22、。根据需要,炉内气氛可以是普通气氛、保护气氛或真空。一般电源电压220伏或380伏,必要时配置可调节电压的中间变压器。小型炉(10千瓦)单相供电,大型炉三相供电。对于品种单一、批料量大的物料,宜采用连续式炉加热。炉温低于700的电阻炉,多数装置鼓风机,以强化炉内传热,保证均匀加热。用于熔化易熔金属(铅、铅铋合金、铝和镁及其合金等)的电阻炉,可做成坩埚炉;或做成有熔池的反射炉,在炉顶上装设电热体。电渣炉是由溶渣实现电热转变的电阻炉(见电渣重熔)。电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。 电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬
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