加热炉生产过程进行计算机控制技术.doc

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1、吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1章 绪论1.1炉温控制的发展现状电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。随着镍铬合金的发明，到20世纪20年代，电阻炉已在工业上得到广泛应用。工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。工作温度在 650以下的为低温炉；6501000为中温炉;1000以上为高温炉。在高温和中温炉内主要以辐射方式加热。在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热。电阻炉有室式、井式、台车式、推杆式、步进式、马

2、弗式和隧道式等类型。可控气氛炉、真空炉、流动粒子炉等也都是电阻炉。50年代，由于计算机的出现，人们开始在实验室、工厂或其它条件中使用用计算机进行数据采集和处理。此时的计算机只起到 “离线”的应用，功能较单一，且过程装置和微机之间没有任何物理上的连接。随着计算机技术的进一步发展，提供了过程装置与计算机之间的接口，人们开始用直接连接方法，使计算机与变送器和执行部件之间的信号双向传递无需人工干涉。1962年，英国帝国工业公司安装了Ferranti Argus计算机控制系统，使用计算机自动控制系统代替模拟仪表控制，即模拟技术由数字技术代替，而系统功能保持不变，计算机控制系统应用真正开始，历经多年的发展

3、，到70年代中期，集散控制系统的发展进入快车道，炉温控制在工矿企业中逐步兴起，控制方式也不断改进，算法不断深入 ，整体技术趋于成熟。 我国对加热炉生产过程进行计算机控制技术的研究从80年代开始。随着计算机技术、检测设备、电器仪表的提高，90年代初开始我国钢铁企业使用计算机控制温控炉逐渐增多，自动化控制程度不断提高，由于各自使用条件和生产过程的不同，所取得的成效各不相同。目前我国在自动化控制理论方面同外国同行业水平相差不大，但在实际应用上与日本、欧美等计算机技术发达的国家相比较还有很大的差距。从20世纪90年代末国内许多老企业，都对加热炉进行了计算机燃烧控制方面的升级，从国外进口先进的计算机设备

4、，仪表部分采用国产的，整套的进口自动控制设备开始出现在一些大型企业中。 1.2炉温控制技术发展趋势 随着人工智能概念的提出，炉温控制领域出现了另一条理想的途径就是人工智能化直接监测火焰性能控制燃烧的方法，类似人工烧钢通过观察火焰颜色判断燃烧情况。但是由于钢厂的加热炉非常大，长30、40m以上，宽5m以上，是一个非线性、大惯性延迟的控制系统，钢锭、炉汽、墙壁之间的传热过程是非线性的，非常复杂，影响燃烧控制的不确定因素在诸多方面都存在，到目前还没有理想的解决方案。近年来，随着人工智能理论的不断发展和实用化，以及计算机技术的进步和检测设备、仪表性能的提高，模糊控制、专家系统等技术正在这一领域得到越来

5、越多的应用。量子物理浮点思想以及蒙特卡洛随机思想在自动控制方面也吸引了国内外研究者的目光。第2章控制系统设计2.1系统设计本系统结构框如图2-1所示，系统由8051单片机、温度检测电路、模数转换电路、温度控制电路、8279键盘显示器等组成。炉内温度由热电阻测温元件和电阻元件构成的桥式电路测量并转换成电压信号送给放大器的输入端，使信号变成0-5V电压信号，再经多路转换开关CD4051将信号送入A/D转换器，将此数字量经过数字滤波，标度转换后，一方面通过LED将炉温显示出来；另一方面，将该温度值与被测温度值比较，根据其偏差值的大小，采用比例微分控制（PID控制），通过固态继电器控温电路控制电炉丝的

6、加热功率大小，从而控制电炉的温度，使其逐渐趋于给定值且达到平衡。 设计一个基于闭环直接数字控制算法的电阻炉温度控制系统。具体化技术指标如下：1.电阻炉温度控制在0-500；2.加热过程中恒温控制，误差为2；3.LED实时显示系统温度，用键盘输入温度，精度为1；4.采用直接数字控制算法，要求误差小，平稳性好；5.温度超出预置温度5时发出报警。图2-1系统结构框图2.2 设计方案选择根据题目要求，温度控制器是由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成，所以本设计要考虑这些模块器件的选型以及所设计出来的温度控制器的可行性，其主要有以下几种设计方案。方案一：采用8051作为控制核

7、心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用对电阻丝加电使其升温。此方案在理论上是可行的，所选器件的价格便宜，但8031内部没有程序存储器,需要内存扩展，增加了电路的复杂性，且ADC0809是8位的模数转换,转换的精度很低，一般不能满足控制的要求。方案二：采用比较流行的AT89C51作为电路的控制核心,AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。数据的采集部分采用镍铬/镍铝热电偶传感器，数据转换部分采用ADC0832，它改变传统温度测试方法,能在现场采集温度数据,并直接将温度物理量变换为数字信号传送到计算机进行数据处理,测试温度范围为-270+1300。可应用于各种

8、领域、各种环境的自动化测试和控制系统,使用方便灵活,测试精度高,优于任何传统的温度数字化、自动化测控设备。控制电路部分采用固态继电器以实行对被控温度的控制,此方案电路简单并且可以满足一般的控制要求。方案三：采用PLC作为控制电路的核心，其他部分的电路采用和方案二同样的设计。这种方案不仅具有和方案二同样的控制精度，而且整个电路的稳定性比方案二更高，但是PLC的价格远远高于单片机，其不适合大批量的生产，所以考虑到价格因素，此种方案不宜选择。第3章 系统硬件设计3.1电阻炉温度控制系统在系统中，利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号。该电压信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号

9、进入单片机，单片机进行数据处理后，通过显示器显示温度并判断是否报警，同时将温度与设定温度比较，根据设定的算法计算出控制量，根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。电阻炉温控制系统设计框图如图3-1所示：图3-1 系统设计总框图3.2 工作原理整个系统由四部分组成，即：8031单片机系统；温度检测通道；输出控制通道及报警显示系统。工作时，温度由集成温度传感器AD590转换成电流信号，经运放放大至0-5v的电压信号，由ADC0809转换成单片机所能接受的数字信号，此信号与温度的给定值比较得到温度的偏差，通过PID控制器运算，此控制量经可控硅控制加在电阻

10、炉上的电压的通断时间，以达到控温目的。系统的给定值、PID参数由键盘输入，并可以随时修改，给温度和采样温度同时显示在LED上。图3-2 电阻炉温度控制系统原理框图3.3 单片机电路设计在众多单片机成员中，MCS-51系列单片机以其优越的性能，成熟的技术及高可靠性和高性能价格比。迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。8051是由8个部件组成，即CPU，时钟电路，数据存储器，并行口（P0P3）串行口，定时计数器和中断系统，它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上，即组成了单片微型计算机。1、CPU中央处理器中央处理器是8051的核心，它的功能是产生控制

11、信号，把数据从存储器输出口或输入口送到CPU或CPU数据写入存储器或送到输出端口。还可以对数据进行逻辑和算术的运算。 2、时钟电路8051内部有一个频率最大为12MHZ的时钟电路，它为单片机产生时钟序列但需要外接石英晶体做震荡器和微调电容。3、内存内部存储器可分做程序存储器和数据存储器，但在8051中无片内程序存储器 。4、定时/计数器8051有两个16位的定时计数器，每个定时器和计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式，但只能用其中的一个功能，以定时或计数结果对计算机进行控制。5、并行I/O口MCS-51有四个8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以实现数据的并行输出。6、串行口它有一

12、个全双工的串行口，它可以实现计算机间或单片机同其它外设之间的通信，该并行口功能较强，可以作为全双工异步通讯的收发器也可以作为同步移位器用。7、中断控制系统8051有五个中断源，即外部中断两个，定时计数中断两个，串行中断一个，全部的中断分为高和低的两个输出级。3.4放大器的选择为方便输入通道中A/D转换所需电平，需要对模拟传感器输出的弱信号加以放大，将信号中的干扰噪声抑制在最低的限度，所以需用低漂移、高增益、低噪声、高输入阻抗和具有很大共模抑制比的直流放大器。此类放大器经常使用的有隔离放大器、测量放大器、可编程放大器。A/D转换器的功能是将模拟量电信号转换成数字量。1、A/D转换器的主要参数(1

13、)分辨率：是指A/D转换器可转换成二进制数的位数。例：若一个10位A/D转换器，去转换一个满量程为5V的电压，则它能分辨的最小电压为5000mV/2105mV。(2)转换时间指从输入启动转换信号开始到转换结束，得到稳定的数字输出量为止的时间。其他参数与D/A转换器类似。2、A/D转换器与CPU的接口方法(1)A/D转换器与CPU连接应注意以下几点：ADC转换好的数据必须经过三态缓冲器件与CPU数据总线相连接（在芯片内部没有三态输出缓冲器时）； 为了输入正确的转换结果，必须解决好A/D转换器和CPU取数之间的时间配合问题。 图3-3 A/D转换电路3.4.1 传感器的选择传感器为检测元件，对于所

14、感应对象的变化输出相应的信号。然后根据输出信号的不同，传感器大致可分成两类：一类为开关量，如各种感应开关。现已有成品的工业标准集成电路功能模块，如精密温度传感器LM135/LM235/LM335。一类为模拟量输出，如应变片、流量计、热电偶、热电阻及各种气敏元件等；根据在选择传感器时所要注意的事项，如工作范围、环境条件、灵敏度与精度和可靠性。本设计选用高温测量传感器热电偶作为检测元件。3.4.2双向可控硅双向可控硅具有导通截止特性，利用它的这一特性可以调节输出有效功率，从而使炉温达到理想设定值，实现恒温控制。双向晶闸管也叫三端双向可控硅。双向可控硅在功能上相当于两个单向可控硅反向连接。这种可控硅

15、具有双向导通功能，其通断状态由控制极G决定。在控制极G上加正脉冲（或负脉冲）可使其正向或反向导通。优点是控制电路简单，不存在反向耐压问题，所以更适合于作为交流无触点开关使用。和大功率场效应管一样，可控硅在与微型机接口时也需要加光电隔离器，触发脉冲电压应大于 4V,脉冲宽度应大于20us。在单片机控制系统中，常用I/O接口和某一位产生触发脉冲。为了提高效率，要求触发脉冲与交流同步。3.5显示器、键盘接口电路 3.5.1显示器接口电路LED显示器是单片机应用系统中常用的输出器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字

16、符。常用的LED显示器有7段和米字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极相连接在一起，通常公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应得段被显示。图3-4 数码管显示器 3.5.2键盘接口电路 键盘在本系统中是一个关键的部件，能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要功能。按键设置在行和列交点初，行和列线分别连接到按键开关的两端。当行线通过上拉电阻接+5V时，被钳位在高

17、电平状态。键盘中无按键按下是由列线送入全扫描字。行线读入行线状态来判断的。其方法是：给列线的所有I/O线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器A中，如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全为1。键盘中哪一个键按下是由列线逐列置低电平后，检查行输入状态，其方法是：依次给列线送低电平，然后检查所有行线状态，如果不全为1，则所按下的键一定在此列。而且是与0电平行线相交的交点上的那个键。 行列式键盘又叫矩阵式键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。用矩阵式键盘可以直接往控制器里输入数据，所以根据该设计的需要，键盘选择矩阵式键盘。本系统具有参数输入功能，因此采

18、用矩阵式键盘；利用8031的串行口P1.1、P1.2作为键入线，P1.4作为同步脉冲输出控制线。 键盘设定（09）数字键，Enter为确定键，Delete为取消键，Home为运行键，End为停止键。 图3-5键盘接口电路3.6报警接口电路在系统中设计报警电路是很重要的，在本系统中检测的温度信号高于100度或低于0度时发出警告信号，保证性能好、结构简单、适用，所以选择鸣音报警。鸣音报警接口由两种：一种是蜂鸣音报警接口，另一种是音乐报警。本系统选用蜂鸣音报警接口。压电式蜂鸣器需10mA的驱动电流，因此可以使TTL系列集成电路74LS244低电平驱动，驱动器的输入端接入8031的P2.6。当P2.6

19、输出高电平“1”时，74LS32输出为低电平为“0”时，使电压蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣音。当P2.6端输出低电压停止,而不产生蜂鸣音。图3-6蜂鸣音报警第4章 软件设计4,1程序总体结构设计系统程序设计采用模块化设计方法，程序由主程序、中断服务子程序和各功能模块程序等组成，各功能模块可直接调用。 主程序完成系统的初始化、温度预置及其合法性检测、预置温度的显示及定时器T0的初始化设置等。T0中断服务程序是温度控制体系的主体，用于温度检测、控制和报警（包括启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、输出可控硅的控制脉冲等）。中断由T0产生，根据需要每隔15S

20、中断一次，即每15S采样控制一次。由于系统采用6MHZ晶振，最大定时为130ms，为实现15S定时，另行设计了一个软件计数器。主程序和中断服务子程序如下：TEMP1EQU50H；当前检测温度（高位）TEMP2EQU51H；当前检测温度（低位）ST1 EQU52H ；预置温度（高位） ST1EQU53H；预置温度（低位）T100EQU54H；温度BCD码显示缓冲区（百位位） T10EQU55H；温度BCD码显示缓冲区（十位）T1EQU56H；温度BCD码显示缓冲区（个位）BT1EQU57H；温度二进制显示缓冲区（高位）BT2EQU58H；温度二进制显示缓冲区（低位）ADINOEQU7FF8H；A

21、DC0809通道IN0的端口地址F0BITPSW.5；报警允许标志TEMP1DB00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H；50H58H单元初始化（清零）ORG0000HAJMPMAIN；转主程序ORGOOOBHAJMPPT0；转PTO中断服务子程序ORG0030HMAIN:MOVSP,#59H；设堆栈指针 CLRF0；报警标志清零 MOVTMOD,#01H；定时器0初始化（方式1） MOVTL0,#0B0H；定时器100ms定时常数 MOVTH0,#3CH MOVR7,#150；置15s计数器初值 SETBETO；允许定时器0中断 SETBEA；开中断 SETBTR0；启

22、动定时器0 MAIN1:ACALLKIN；调键盘管理子程序 ACALLDISP；调显示子程序 SJMPMAIN1定时器中断服务子程序:PT0：PT0：MOVTL0,#0B0HMOVTH0,#3CH；重置定时器初值 DJNZR7,BACK；检测是否到达15S MOVR7,#150；重置计数器初值 ACALLTIN；温度检测 MOVBT1,TEMP1；当前温度送显示缓冲区 MOVBT0,TEMP2 ACALLDISP；显示当前温度 ACALLCONT；温度控制 ACALLALARM；温度越限报警BACK:RETI4.2 显示模块子程序显示子程序的功能是将显示缓冲区57H和58H的二进制数据先转换成

23、3个BCD码，分别存入百位、十位和个位显示缓冲区（54H、55H和56H）单元，然后通过串行口送出显示。显示子程序DISP：DISP:ACALLHTB;调用将显示数据转换成BCD码的子程序 MOVSCON,#00H;置串行口为方式0 MOVR2，#03H;显示位数送R2 MOVR0，#T100;显示缓冲区首地址送R0LD: MOVDPTR,#TAB;指向字符码表首地址 MOVA,R0;取显示数据 MOVCA,A+DPTR;查表 MOVSBUF,A;字符码送串行口WAIT:JBCTI,NEXT;发送结束转下一个数据并清中断标志 SJMPWAIT;发送未完等待NEXT:INCR0;修改显示缓冲区指

24、针 DJNZR2，LD;判断3位显示是否完成，未完继续 RETTAB:C0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H80H90HHTB:MOVA,57H;取二进制显示数据 MOVA,58H MOVB,#100;除以100，确定百位数 DIVA,B MOV54H,A;百位数送54H单元 MOVA,#10;除以10，确定十位数以及个位数 XCHA,B DIVA,B MOV55H,A;十位数送55H单元 MOV56H,B;个位数送56H单元 RET;返回4.3 报警模块报警上限温度值为预置温度500，即当前温度上升到高于预置温度500时报警，并停止加热；报警下限温度值设为预置温度500-，即在当前

25、温度下降到低于预置温度500，且允许报警，这是为了防止开始从较低温度加温时报警。报警的同时关闭电炉。程序如下：ALARM:MOVA,51H;读取当前温度 CLRC ;清零 SUBBA,#05H;温度差再减5 NBF0，ALARM2;相减结果5，判断是否允许报警，不允许则返回 CLRP1.6;启动报警 SETBP1.7;关电炉 ACALLDELAY;报警延时 SETBP1.6;关报警ALARM2： RET;返回结 论通过一段时间学习，最后完成了我的设计任务炉温控制系统的设计。此次设计使我对微型计算机控制技术有了全面的深刻的了解，对我以后深入学习这门技术有很大的帮助。在通过方案进行对比之后，我选择

26、用单片机设计的温度系统。因为用单片机来实现锅炉的温度控制有以下几点优点：（1）简单计算机控制能保证控制更精确；（2）控制电路的编程与修改都相对容易；（3）添加其他模块，实现更多功能的外加更方便。通过设计实验，使我了解了人机交互接口技术、微型机控制系统输入/输出接口的扩展方法，常用控制程序的设计方法，数据处理技术，以及数字控制器算法。，用热电偶作为测量元件，用固态继电器作为输出控制元件来实现对电阻炉温度自动控制。单片机控制镍铬-镍铝热电偶温度传感器，把温度信号通过A/D转换器采集到单片机里。本设计通过按键来进行人机交互和LED显示，进而使电阻炉的温度始终保持在要求范围内。致 谢本设计是在老师的精

27、心指导和严格要求下完成的，首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次设计的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把设计做得更加完善。同时感谢实验室的等老师，他们给我们提供了必要的实验器材，提供了很大的方便。其次要感谢我的同学，课程设计的完成，让我在其中学到了许多，尤其是学会了合作，懂得了合作造就的效益和成果。在这里再次感谢和我一起搭档的同学，还有对我们精心指导的老师。参考文献1于海生等编著、微型计算机控制技术、北京;清华大学出版社，199802高金源等编著、计算机控制系统、北京:北京航空航天大学出版社，200003邹伯敏编、自动

28、控制理论、北京:机械工业出版社，199804赵晓安主编、MCS-S 1单片机原理及应用、天津:天津大学出版社，200005曾庆波，孙国霞编著、微型计算机控制技术、四川:电子科技大学出版社，199906 吴宗宪编著、传感器、清华大学出版社、200107王亚刚，邵惠鹤、一种基于灵敏度的自整定最优PI控制器、自动化学报、2001a8赵建华，沈永良、一种自适应PID控制算法、自动化学报、200109周斌，吴刚，张志刚等、基于自适应法的PID自整定仪的开发及应用、仪器仪表与装置2001010吴晓帆、智能PID控制、自动化与仪表，2001a12陶永华著、新型PID控制及其应用、北京:机械工业出版社，1998a.忽略此处.第 15 页 共 16 页