黑风:AI温度控制器与电炉的配合应用

AI温度控制器与电炉的配合应用

一、电炉温度控制系统的特性

电炉温度控制系统在温度自动控制领域是最为常见的控制类型之一。温度控制器主要由温度传感器、温度调节仪、电加热器执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图1所示。被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器。其具体的电路图如        图1

根据炉温对给定温度的偏差，自动接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定有给定温度范围，以满足热处理工艺的需要。温度自动控制常用调节规律有二位式、三位式、比例、比例积分和比例积分微分等几种。电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。

1）按照偏差的比例、积分和微分产生控制作用（PID控制），是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。

2）二位式调节－－它只有开、关两种状态，当炉温低于限给定值时执行器全开；当炉温高于给定值时执行器全闭。（执行器一般选用接触器）

  3）三位式调节－－它有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时接触器全开；当炉温在上、下限给定值之间时执行器部分开启；当炉温超过上限给定值时执行器全闭。（如管状加热器为加热元件时，可采用三位式调节实现加热与保温功率的不同

三、电加热器执行器的特性：

电炉的温度调节是通过调节器(供电能源)的断续作用，改变电炉丝闭合时间T_b与断开时间T_k的比值α,α=T_b/T_k。控制电路图如                  图2

调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期T_c内导通的电压周波。如图3所示，设周期T_c内导通的周期的波数为n，每个周波的周期为T，则调功器的输出功率为P=n×T×P_n/T_c，P_n为设定周期T_c内电压全通过时装置的输出功率。

四、电炉的电加热原理

　　当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律：

　　 Q＝0．2412 Rt Q—热能，卡；

　　 I一电流，安9

　　 R一电阻，欧姆，

　　 t一时间，秒。

　　 按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。

　　在电热技术上按l千瓦小时＝860千卡计算。电炉在结构上是使电能转换为热能的设备，它能有效地用来加热指定的工件，并保持高的效率。

五、加热方式及电炉种类

电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发热元件。电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，使强大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热达到加热效果。工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的，只有一部分因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热式。

电阻加热炉基本结构及型式电阻炉是随着机械工业的发展而发展起来的，由于各种加热工艺及冶炼工艺上的需要，电阻炉是一个品种很多的产品。电阻炉炉体结构，分周期式及连续式二个型式来分别介绍。周期式作业炉。如箱式电炉，台车式电炉、井式电炉等箱式电炉，外壳一般是用型钢、钢板焊接而成的，小型电炉由于需保持工作面的一定高度，一般均做成带支架的，在箱型壳体下边，有支持炉体的腿或支架。中型电炉因本身重量大及加入炉内的工件重量也大，所以一般均直接在底盘上焊接炉体及砌砖。大型电炉可以在特定的专用的地基上设计成无钢性底盘的结构，而就地焊接砌砖，但这种电炉在安装后不能吊运及移动。

中小型电炉的炉门可用配重及手动装置来开闭，下部一般均有砂封槽，有些炉门上边也设有砂封槽，以保证良好的密封性，炉门关闭时，用压紧装置使炉门紧密的与门框接触，减少漏气。大型电炉可以用电动或气动、液压开闭炉门，电加热元件一般可以在炉膛内左右侧墙上及底面上布置，为了得到良好的热场，最好在护顶上也布置电加热元件，因为炉内工件一般堆放高度不会超过宽度，所以以上下两个方面加热比左右两个方面加更为有效。大型及中型电炉可以在护门上及后墙上适当的布置一些电加热元件，以减少炉内的温差，为了保证炉门口的热损失能得到更好的平衡，可以在较大的箱型电炉上靠炉门口的炉膛长度1/3处作为一个控制区。

六、电炉控制柜的硬件结构

1）  AI智能温度调节器：

是控温系统的核心部分，AI仪表首创性地采用了平台概念，将非常专业化的数字调节仪表转为平台化设计的产品，能实现比以往封闭式设计产品更快的进步及更高的性能/价格比。它包含高通用性的硬件主板（包含I/O接口及模块插座、显示接口插座、A/D转换单元及电源单元），通过安装不同的软件及CPU、输入/输出模块及显示界面，即能适应多种不同功能的过程仪表控制要求，比如温控器、调节器、复杂回路调节器及双回路调节器。它主要由输入通道、输出通道、人机对话通道以及一些外围电路组成，原理框图（图3）所示。

采用的是AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。  具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。  图3

在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能，及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。

2）AI电炉控制柜电器回路：

具备优良的测量和控制性能，装配高性能的可控硅电炉温度控制柜，由于采用模块化结构，为电炉控制柜设计带来前所未有的方便。实现程序升降温控制；硅钼棒采用分段功率限制；多区温控外部控制同步启动/停止。其控制输出可选用具备“烧不坏”特性的可控硅触发模块。                其具体的接线电路图如                   图4

3）可控硅的选择：

根据负载接线方式的不同：星型三相四线制结构负载采用双向可控硅（只适合300A以下可控硅）或单相可控硅反并联电路（推荐采用MCC系列功率模块）；星型三相三线制或三角型三相三线制结构负载采用单相可控硅＋二极管电路（推荐采用MCD系列功率模块）；

根据加热元件的特性，合理选择可控硅功率的型号。功率的大小对保护可控硅有着很重要的作用。可控硅的电流简单计算方法：加热元件为电阻丝；三相功率18KW÷3＝每相6KW功率；每相6KW÷220V＝27A≈40A；加热元件为硅碳棒；安全过载电流要乘3倍 ；18KW÷3相＝6KW÷220V＝27A×3倍＝81A≈90A；对于大容量的负载建议乘3.5倍。

4）晶闸管交流开关模块的过流保护：

晶闸管元件的电压和电流过载能力极差，尤其是耐压能力，瞬时的过压就会造成元件永久性的损坏。为了使元件能长期可靠地运行，必须针对过压和过电流发生的原因采取保护措施。

过流保护可以采用外接S型快速熔断器 ，快速熔断器的动作时间要求在10ms以内，快速熔断器的选用原则：它的额定电压应略大于电路的正常工作电压，，如380V电压选500V的快熔；它的额定电流应按它所保护器件实际通过的电流（即根据负载的额定功率计算出模块交流 输入端每相的有效电流）来选配，而不是根据器件的标称额定电流值来选配快速熔断器。

5）模块过电压保护一般采用阻容吸收和压敏电阻两种方式并用，对于吸收时间短，电压不高的过压，一般采用在器件两端并联阻容吸收回路的方法，吸收电容把过电压的电磁能量变成静电能量存贮，吸收电阻除可防止回路振荡外，还可限制关断的晶闸管在再次导通时，电容向晶闸管放电产生开通损耗和较大di/dt值，对于持续时间较长，产生能量较大的过电压，如雷击引起的过电压，将采用压敏电阻来吸收过电压。

元器件选择：在选取压敏电阻时，首先要确定它的标称电压（ViMA ）值 ，这是指压敏电阻流过1mA电流时，它两端的电压。在感应到电网波动以及安全系数后，一般380V电源采用1000V；220V电源采用630V的压敏电阻。而压敏电阻的通流容量 应大于电路实际浪涌电流值，一般为3～15KA。常用规格：单相过零40A以上压敏电阻20D751K 750V；移相采用RC阻容模块压敏电阻20D751K,水泥电阻RX27-1/8W/6.8Ω，电容0.22uF/ 275V ～iv高压电容。

6）断偶超温报警缺相保护在超温报警时控制交流接触器切断加热器电源。即使万一可控硅被击穿也能保护电炉安全。对于缺相保护建议采用三相缺相保护器独立使用。AI系列控制柜与具备同等功能的电炉控制柜相比，AI系列具有最简单的线路及模块化的结构，从维护到扩充功能都十分方便。                             图5

7）接线方式与零线：

每台加热设备的负载的接线方式是不同若负载是加热炉，而且负载有可能不相等时（如硅碳棒炉），三相四线制要比三相三线制有更好的平恒度，并且当某相负载开路时，三相四线制能自动监测并报警(AIJK3)因此采用三线四线制要比三相三线制性能更好些，但必须注意正确选择零线。常规的应用中，若三相负载完全平衡，则零线相互抵消为0，所以习惯上零线用比相线要小得多的线径。但对于三相四线制调相触发，当相移角小于60度时，零线的电流是三条相线电流之和（三相负载轮流导通，电流全部流过零线，且相互完全无法抵消），移相角为60－120度时，零线的电流为相线的3至1倍变化，只有当可控硅完全导通时且三相负载平衡时，零线电流才为0。所以对于普通电阻丝为负载时，零线必须采用与相线相同的线径。而对于电阻会随温度或随老化程度会变的负载，如硅碳棒电炉等，由于常常工作在小移相角，零线应该采用比相线还粗的线，最好是相线安全载流量的2－3倍。不仅柜子到供电变压器的零线也要粗，以保证零线的安全，且避免将电能过多地损耗在零线上。

8）高频干扰：

9）柜体布置及散热器：

柜体的大小与通风关系到交流开关模块在通电运行过程中的正常运行，采用仪表配合可控硅设计的控制柜，设计简单、布线合理、使用方便、查验故障检修快速。整个柜体只有考虑散热的空间。在大电流经过使其晶闸管芯片的结温升高，为了使结温维持在最高额定值125℃以下，必须用散热器散热来实现。因此，散热条件的好坏，直接影响模块的安全、稳定和可靠运行。目前，散热方法有水冷、风冷（强迫和自然风冷）和热管冷却等。电加热控制柜一般是非标电控制柜，柜体的大小按内部的设备的合理布置来确定柜体的大小，采用自然通风与风机强制冷却柜体有所不同可根据实际情况来设计布置。电炉控制柜体图（图5）所示。

10）数据记录功能应用：

数据记录功能发展很快，从有纸记录到无纸记录；无纸记录模拟量输入到数字无纸记录仪；由于电炉控制柜是采用通讯功能的数字调节仪表来控制电炉可控硅，就需要记录电炉控温曲线。

AI控制柜安装数字式AI-2057无纸记录仪，通过RS485通讯接口，采用上下位机的方式，能方便地与AI智能程序型PID温度调节器配合使用。无纸记录仪架构图  图6

在电炉程序控温时在触摸屏上可显示双曲线运行图、屏内储存15段升降温程序、程序图形重显；可即时设置、读取，上下传升温、恒温、降温程序配方；无纸记录仪曲线图                                        图7

在屏上控制操作程序仪表【启动】【停止】【暂停】、在运行状态下切换【手动/自动】状态，手动控制输出量；即时修改【段号】，指定运行段；及修改仪表控制参数等多种功能；适用小型DCS系统及设备配套，电炉、深冷箱程序控温；追忆记录的温度曲线数据。

数据报表、报警报表的打印

在触摸屏的外插CF卡来保存数据；标配1G的电子硬盘。可扩展CF卡1～4G存储记录空间；数据可通过读卡器在PC上直接打开，也可通过10/100网口或者串口备份至上位控制计算机，用Excel电子表格打开CSV格式的数据文件；CF卡数据文件：AL报警报表；DL数据报表；按天/小时来保存数据源文件。

保存数据计算

AI2057型G/C触摸式智能化数字彩色无纸记录仪：支持多达4G byte的CF卡存储功能。以1G的CF卡为例，记录周期默认为每6秒钟；各通道类型的无纸记录仪可存储的天数为：数据保存按先进先出的原则。

 4通道：约1400天； 6通道：约1100天； 8通道：约900天；12通道：约650天；16通道：约500天； 32通道：约250天