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機(jī)電一體化的馬弗爐溫度控制器設(shè)計(jì)
機(jī)電一體化的馬弗爐溫度控制器設(shè)計(jì)
【摘 要】機(jī)電一體化技術(shù)是指在系統(tǒng)層面綜合利用機(jī)械技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、電力電子技術(shù)及軟件編程技術(shù)等群體性技術(shù)，通過(guò)合理配置與布局實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)的技術(shù)。
而馬弗爐是高性能機(jī)電一體化中的智能產(chǎn)品，在冶金行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。
本文就如何利用機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)馬弗爐的溫度控制進(jìn)行了討論和分析。
【關(guān)鍵字】機(jī)電一體化;馬弗爐;溫度控制
引言
在工業(yè)控制中應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)有如下幾方面意義：(1)面對(duì)現(xiàn)行的機(jī)械技術(shù)必須進(jìn)行性能改善、質(zhì)量減輕和精度提高的情況，必須使用機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制的快速響應(yīng)，減小能耗，優(yōu)化運(yùn)行性能;(2)機(jī)電一體化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)純機(jī)械技術(shù)手段所無(wú)法達(dá)到的工作目的和控制精度;
(3)微電子技術(shù)中的大規(guī)模集成電路、微型處理器等裝置可以幫助提高對(duì)產(chǎn)品的控制力;(4)計(jì)算機(jī)技術(shù)等的應(yīng)用可以改進(jìn)設(shè)備的自動(dòng)化程度，簡(jiǎn)化操作機(jī)構(gòu)和操作流程;(5)軟件技術(shù)可以使機(jī)械工作實(shí)現(xiàn)程序化，提升其工作靈敏度，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的多功能化。
(6)機(jī)電一體化技術(shù)還具有其他多種復(fù)合功能，利用這些功能能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品和系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)與控制，以及實(shí)現(xiàn)智能分析等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的智能化。
馬弗爐又稱為箱式電阻爐，是一種通用加熱設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、建材、化工等行業(yè)。
當(dāng)前的冶金工業(yè)對(duì)自動(dòng)化、智能化程度的要求越來(lái)越高，本文就目前情況下的冶金工業(yè)現(xiàn)狀對(duì)傳統(tǒng)馬弗爐進(jìn)行改進(jìn)，利用機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了馬弗爐的溫度控制功能。
1 系統(tǒng)控制要求
本馬弗爐的機(jī)電一體化控制希望通過(guò)電子器件的控制實(shí)現(xiàn)慢灰、快灰、揮發(fā)分和通用四個(gè)功能，要求選擇相應(yīng)的功能按鍵可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能并對(duì)應(yīng)的指示燈變亮。
該系統(tǒng)當(dāng)進(jìn)入測(cè)試或者測(cè)試程序后，如果想裝入另一測(cè)試程序，需要通過(guò)復(fù)位或者重新上電進(jìn)行重新初始化才能進(jìn)行新的功能選擇。
由于每個(gè)功能的每個(gè)階段需要達(dá)到的溫度和時(shí)間都不相同，如慢灰功能要求溫度從室溫升到500℃所需時(shí)間不低于30min，在500℃恒溫30min，再?gòu)?00℃升至815℃，然后保持恒溫。
可以看到，若采用人工控制方法，不僅很難控制溫度和時(shí)間以達(dá)到要求，還限制了操作人員進(jìn)行其他工作。
此時(shí)機(jī)電一體化技術(shù)的控制性能優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了。
2 系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)
實(shí)際使用中需要馬弗爐實(shí)現(xiàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行加熱或者保溫等功能，如果利用機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)該功能可以保證溫度控制的準(zhǔn)確性和靈敏性，還能節(jié)省一定的人力成本。
本系統(tǒng)硬件由以下幾部分電路組成：AT89C52單片機(jī)、溫度檢測(cè)和控制電路、溫度-電壓轉(zhuǎn)換電路、顯示及報(bào)警電路、時(shí)鐘電路、鍵盤(pán)電路等，如圖1所示：
圖1 馬弗爐溫度控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖
本系統(tǒng)利用K型熱電偶構(gòu)成的溫度檢測(cè)電路能夠?qū)ⅠR弗爐的溫度通過(guò)高精度的集成芯片MAX6675轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)字化，然后將數(shù)字信號(hào)與單片機(jī)的I/O接口直接進(jìn)行對(duì)接，這種數(shù)據(jù)傳輸方式減少了外圍電路的成本，并且由于是信號(hào)的直接傳遞，故可以保證較高的控制精度。
在單片機(jī)接收到輸入信號(hào)后，按程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將結(jié)果顯示在液晶屏上并判斷溫度是否達(dá)到要求，確定是否進(jìn)行報(bào)警。
而鍵盤(pán)電路的主要作用是，根據(jù)實(shí)際操作需要進(jìn)行特定功能的選擇或者特定溫度的輸入，然后通過(guò)單片機(jī)將信號(hào)傳輸?shù)今R弗爐溫度控制電路中，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定操作。
利用該方法，還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的比較，通過(guò)軟件控制算法進(jìn)行控制量計(jì)算，進(jìn)而控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與切斷，達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的目的。
3 溫度控制電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中的溫度控制模塊主要由兩片CD4527，一片74LS221和一片MC1413相互連接構(gòu)成。
鑒于過(guò)零固態(tài)繼電器具有光電隔離功能，故可以將其直接與數(shù)字電路進(jìn)行對(duì)接。
本系統(tǒng)采用Z型SSR實(shí)現(xiàn)功率的控制。
該方案的優(yōu)點(diǎn)在于其輸出電壓中所包含的高次諧波成分較傳統(tǒng)可控硅移相式調(diào)壓調(diào)節(jié)方式低，可以減少電磁污染。
Z型SSR中還加入了過(guò)零控制電路。
該電路是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過(guò)零時(shí)，SSR表現(xiàn)為通路;當(dāng)斷開(kāi)控制信號(hào)后，直到等待交流電出現(xiàn)正半軸與負(fù)半周的交界，也就是出現(xiàn)零電位時(shí)，SSR表現(xiàn)為斷態(tài)。
這種設(shè)計(jì)方式可以防止高次諧波的干擾，減少對(duì)電網(wǎng)的污染。
而利用RC串聯(lián)構(gòu)成的吸收電路的引入還可以防止從電源中傳來(lái)的尖峰、浪涌電壓對(duì)開(kāi)關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾。
根據(jù)Z型SSR的工作原理可以知道，當(dāng)Z型SSR在1s內(nèi)全導(dǎo)通時(shí)，其觸發(fā)頻率為100Hz，輸出交流電壓波頭數(shù)為100;當(dāng)Z型SSR在1s內(nèi)全關(guān)斷時(shí)，其觸發(fā)頻率為0Hz，輸出交流電壓波頭數(shù)為0。
利用該系統(tǒng)使用的控制算法獲得1s內(nèi)出現(xiàn)的波頭數(shù)，然后將波頭數(shù)的十位和個(gè)位分別傳遞給P2口的高4位和低4位，也就是利用CD4527的BCD輸入數(shù)來(lái)控制電路的交流輸出，利用輸出波形控制Z型SSR的開(kāi)與斷，最終實(shí)現(xiàn)改變馬弗爐的輸入功率的目的，使馬弗爐溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值。
部分程序代碼如下：
4總結(jié)
鑒于機(jī)電一體化在控制方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，如不需要過(guò)多的人力成本，控制的準(zhǔn)確度和靈敏度均具有非常高的水平等，本文提出了一種基于單片機(jī)和溫度傳感器的機(jī)電一體化控制方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)馬弗爐溫度的自動(dòng)化、智能化控制。
該方案以單片機(jī)為核心，具有很多功能擴(kuò)展模塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，功能齊全，具有良好的應(yīng)用前景。
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