电气自动化设计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) 电炉温度控制系统设计闫骄梅 系 别： 电气与信息工程系 专业班级： 电气自动化09-40(3)班 指导教师： 黄卉 完成日期： 2012年4月10日 校新疆工业高等专科学毕业设计（论文）任务书一、题目：电炉温度控制系统设计二、指导思想和目的：通过电炉温度控制系统毕业设计，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：主要用单片机、温度检测电路、报警电路、时钟电路、温度控制电路等对电炉温度

2、进行检测、控制及报警。主要技术指标：温控范围：01000；恒温时间：24小时；控制精度：；超调量1%。四、设计进度与要求：第1周：分析设计题目，查找资料，阅读参考资料，搜集有关电炉种类及其性能的资料。第2周：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。第3周：进行单片机选型，提出电炉温度系统的控制策略及简述电阻炉温度特性。第4周：修改完善设计方案并完成控制系统的硬件部分。第5-6周：完成控制系统的软件编程。第7-8周：修改、打印设计说明书。毕业答辩。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

3、，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。4 刘志远 主编可编程序控制器原理及在电厂中的应用，中国电力出版社，1999。5 崔国会 主编燃料设备运行与维护技术，化学工业出版社，2009。专业班级：09-40（3）班 学生：闫骄梅 指导教师：黄卉 2012年2月20日教研室主任（签名）： 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： 电炉温度控制系统设计 专 题： 电炉温度控制系统设计 设 计 者：姓名 闫骄梅 专业 电气自动化 班级 09-40（3）班 设计时间： 年 月 日

4、年 月 日指导教师：姓名 黄卉 职称 讲师 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闫骄梅班 级09-40（3）专 业电气自动化设计题目电

5、炉温度控制系统设计指导老师黄卉答辩日期答辩时间时 分 时 分自述回答问题小结 答辩组长： 年 月 日摘 要本次设计主要以控制电炉的温度系统作为研究对象。本系统由单片机AT89C52、温度检测电路、键盘显示及报警电路、时钟电路、温度控制电路等部分组成。主要由温度检测电路对电炉温度进行检测，将检测到的结果传送到单片机内进行处理由液晶显示显示出来，根据检测结果单片机对电炉温度进行控制。系统中采用热电偶信号处理集成芯片，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。其工作稳定性强

6、、精度高、实用性强、控制效果好、应用前景广。关键词：单片机 ；温度检测电路；时钟电路 目录1电炉的简介11.1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21.4.1电阻炉21.4.2感应炉71.4.3电弧炉81.4.4真空电弧炉91.4.5等离子炉91.4.6电子束炉91.4.7电热炉102电阻炉温度控制系统112.1设计目的112.2电阻炉电加热原理112.3炉温自动控制原理112.4电阻炉温度控制系统的特性123电阻炉控制系统的硬件部分153.1AT89C52主要性能参数153.1.1 功能引脚说明153.2温度检测电路173.3时钟电路193.3.1 DS12887

7、主要功能简介193.3.2原理及引脚说明203.3.3 DS12887内部寄存器的功能213.3.4 DS12887/DS12C887的中断和更新周期243.3.5 DS12887/DS12C887的编程方法253.4 键盘显示和报警电路263.4.1 TC1602概述263.4.2 8255芯片概述273.5控温电路284软件设计295主要的技术特性326电阻炉修理维护336.1围绕炉体的修理336.2加热元件的日常修理356.3故障修理356.4焊接工作中的注意事项366.5其他37总 结39致 谢40参考文献41电炉温度控制系统设计1电炉的简介1.1电炉的构造图1.1台式电阻炉电炉设备通

8、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。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，由石英砂打实烧结而成，炉体的倾动由倾炉减速箱直接转动。倾炉减速

9、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长和电费随电力工业的发展而下降，电炉在冶金炉设备

10、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。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。 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

11、（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等。采用这种炉子加热时应注意：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。

12、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1.2 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。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

13、）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。 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作炉。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、粉末冶炼烧结、和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等。 自从发现电流的热效应(即楞茨-焦耳定律)以后，电热法首先用于家用电器，后来又用于实验室小电炉。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

14、、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。 电热元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的电阻温度系数和良好的化学稳定性。常用的材料有金属和非金属两大类。金属电热元件材料有镍铬合金、铬铝合金、钨、钼、钽等，一般制成螺旋线、波形线、波形带和波形板。非金

15、属电热元件材料有碳化硅、二硅化钼、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、带等形状。电热元件的分布和线路接法，依炉子功率大小和炉温要求而定。 电阻炉与火焰炉相比，具有结构简单、炉温均匀、便于控制、加热质量好、无烟尘、无噪声等优点，但使用费较高。 电阻炉分类： （1）工业电阻炉的分类：工业电阻炉分二类，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、铸链板式炉等电阻炉是随着机械工业的发展而发

16、展起来的，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

17、。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。通保护气体的炉子应设有保证安全运行的必要装置及良好曲密封性。井式电炉一般均为园筒形炉膛，内径一般最小为600毫米，大小了，安装维修时不方便；炉壳用型钢作为骨架再焊上钢板，小型炉盖可用手动机构

18、开闭，大型及中型的可用电动或液压等机构开闭，高度与直径好比在1一1.5的电炉工件一般放管在炉膛底部，高度与直径比在2以上时。工件大部用吊挂方式，吊于炉口内或炉上外部的专用吊架上，控制区的设置一般以直径的115倍为一个。在温度控制要求不高时有时一个控制区长度达到直径的2倍。可控气氛箱形多用炉。一般在结构上是分为前室及炉膛、冷却槽，前室由型钢及钢板焊成的密封空间下边与冷知槽相连，上边为设有水冷壁的空气冷却室。中间有通过工件的轨道及上下升降的料架，由顶上的气缸来操作(可电气动或液动)下降时工件进入冷却槽，进行快速冷却或等温淬火、上升时工件在上边气氛中缓冷。炉膛在前室后边，中间有一个炉门隔开，进料出料

19、时。炉门由上部气缸打开。炉膛由抗渗碳砌成。电加热器两种形式，一种是由高电阻合金板材制成；为了消除表面积炭形成短路，加热器面涂上专用的高温绝缘釉；另一种为辐射管式的，水平或垂直的插入炉赌中，管中用大切面园形电阻线组成金属发热器。炉内具有强通的风扇，炉子前面为一个推料装置，用以向炉内进出料，电炉附有气体发生器或直接向护内滴注有机液及碳势控制设备。（2）电阻炉的加热机理:电阻炉以电为热源，通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。电阻炉和火焰比，热效率高，可达5080，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。（3）电阻炉加热方式的分类：电阻炉按热

20、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。按传热方式，电阻炉分为辐射式电阻炉和对流式电阻炉。辐射式电阻炉以辐射传热为主，对流传热作用较小；对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠热空气进行加热，炉温多低于650。（4）电阻炉的功率

21、:电阻炉的功率是根据电阻炉的热平衡原则确定的，通过热平衡计算，可以比较精确地算出电阻炉的功率。电炉所需的功率应包括炉子蓄热，工件加热需要热量、工件保温需要的热量、气氛裂解所需的热量，热损失等。其中炉子蓄热由电炉的规格、构造和主要尺寸、炉衬厚度，材料导热系数决定。一般地说，炉子越大，炉子蓄热越大，反之亦然。工件加热需要热量、工件保温需要的热量由炉子的产量、工件的性质和规格尺寸、工作温度、时间决定。炉子的产量越大，功率越大，反之亦然。气氛裂解所需的热量，由气氛的性质决定。热损失的热量，包括进料口部位、落料口部位的散热和其它部位的辐射损失等。炉子功率计算有利用热平衡原则确下的理论计算法、经验计算法。

22、理论计算法，主要参数是产量、温度、升温时间。经验计算法常用三种：根据炉膛容积和工作温度计算功率或根据炉膛内表面积和工作温度计算功率或根据相同品种的炉子产量的类比推算功率。一般计算功率，经一种方法为主，以另一种或二种方法验算并进行修正。功率确定之后，根据电阻炉的分区情况，进行功率分配，选定加热元件的形式，选用材料，计算其参数，包括冷态电阻、电源电压、线径、长度。具体选材料要考虑材料的抗氧化性、抗高温性、抗渗碳性、加工艺性，表面负荷等。带状加热元件承受的表面负荷比丝状加热元件大一点，最高可增加50。 （5）电阻炉的优点:热效率高。电阻炉不需要燃烧气体，没有派出因燃烧气体而产生的废气造成的热损失。炉

23、膛室内热强度高，能达到较高的温度，是高熔点金属得熔化。能满足工件在各种工艺樊为中的要求，并使之成为可控。能用质量流量计对所控气氛进行检测。 由保护气氛来保证炉内气氛的清洁。比如保护气氛改为真空，可以将炉内的残余气体抽走，保护气氛改为氢气，各种可随之运出。高纯度的氢气，气含氧量可小于0.1ppm，气露点小于70能够满足工作空间温度场均匀分布和恒温的精度要求。比如在48小时内温度漂移0.5。整个工艺过程能用微机和智能化程序控制。有利于连锁保护，报警、防爆、数显、曲线记录操作简单，寿命长，安全有保障。场所利用率大，噪声较稳定。 电阻炉的缺点 a）功率较大，耗电量大 b）对电阻丝的均匀度要求很高，否则

24、会造成局部温度过高现象 c）不能工作在有易燃，易爆品的场合 d）工作中，遇水容易漏电 e）电阻丝的电阻随温度变化而变化电阻炉是工业炉的一种。它在机械、电子、航天、航空、兵工、冶金、化工、食品、轻工、建材、陶瓷、医药等多种工业领域，都有着广泛的应用。工业加热设备，即工业炉，按加热能源和能量转换方式，分为电加热于燃料加热的两种，亦即电炉与火焰炉。火焰炉主要应用于钢铁、冶金和汽车等工业部门；在电子工业中，对零件、材料的加热工艺规范，如除气、定形、退火、净化、提纯、烧结、被覆、黑化、封装等，则多采用电炉。在天然气能源充足的地区得到广泛的应用。工业电阻炉的主要用途是供机械工业对原材料、毛坯、机械另件加热

25、用。如板材轧制前的坯料加热，锻件的加热。机械另件及半成品的热处理以改善其机械性能，如进杆淬火、回火、退火、正火、气体渗碳、氮化等。亦有用于烧结、钎焊，部份电阻炉用于低熔点金属的熔炼及陶瓷玻璃工业的加热。本设计将以电阻炉为研究对象。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

26、，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。图1.3 感应炉炉体结构示意图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

27、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

28、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

29、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。图1.4几种工业用电弧炉示意图a-直接加热式三厢电弧炉；b-直接加热式真空自耗电弧炉；c-间接加热式电弧炉1-电极；2-电弧；3-熔池；4-水冷炉壳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

30、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

31、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。1.4.6电子束炉图1.5 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

32、阳极的高压电场的作用而加速运动，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

33、，可广泛应用於退火、正常化、淬火、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电阻炉温度控制系统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。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

34、果好等优点，对提高生产效率、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： Q02412 Rt Q热能，卡； I一电流，安培 ,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=(024100036000)1000=864千卡。 在电热技术上按l千瓦小时860千卡计算。电阻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

35、保持高的效率。 2.3炉温自动控制原理系统软件采用中断方式编程，主要部分是时钟中断程序，主要由输入处理程序、控制算法程序、显示处理、输出处理和自诊断程序等组成，仪表通电启动后，初始化程序进行时间给定，每隔0.5m时钟中断一次，中断后进入时钟中断处理。对于纯滞后，大惯性环节控制对象，一般采用积分分离PID控制算法。在一般的PID控制中，当系统有较大的扰动或设定值较大幅度提降时，由于偏差较大及系统存在惯性和滞后，在积分项的作用下，会产生较大的超调和长时间波动，在温度缓慢变化过程中这一现象尤为严重，为此采用积分分离措施，即在偏差较大时，取消积分作用，偏差较小时，才将积分作用投入。根据炉温对给定温度的

36、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。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。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。系统控制程序采用两重中断嵌套方式设计。首先使T0计数器产生定时中断，作为本系统的采样周期。在中断服务程序中启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波、上下限报警处理，PID计算，然

37、后输出控制脉冲信号。脉冲宽度由T1计数器溢出中断决定。在等待T1中断时，将本次采样值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序并且、继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。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）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招待器全开；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）比例调节（P调节）-调节器的输出信号（M

38、）和偏差输入（e）成比例。即：M=k式中：K-比例系数比例调节器的输入、输出量之间任何时刻都存在-对应的比例关系，因此炉温变化经比例调节达到平衡时，炉温不能加复到给定值时的偏差-称“静差”。比例积分（PI）调节-为了“静差”，在比例调节中添加积分（I）调节积分，调节是指调节器的输出信号与偏差存在随时间的增长而增强，直到偏差消除才无输出信号，故能消除“静差”比例调节和积分调节的组合称为比例积分调节。比例积分微分（PID）调节-比例积分调节会使调节过程增长，温度的波动幅值增大，为此再引入微分（D）调节。微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例，微分调节器在温度有变化“苗头”时就有调节信号输

39、出，变化速度越快、输出信号越强，故能加快调节速度，降低温度波动幅度，比例调节、积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节。（一般采用晶闸管调节器为执行器）。根据生产现场的运行情况，这种控温方法，精度比较高，系统性能稳定，满足生产的实际需要。主要设备:热电偶或热电阻,智能PID温控仪,可控硅触发调功器等。2.4电阻炉温度控制系统的特性电阻炉温度控制系统是闭合的反馈系统。温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图3.1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

40、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3.2所示。图2.1电阻炉温控系统结构图执行器的特性：电阻炉的温度调节是通过调节剂(供电能源)的断续调节加热炉的温度，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Tc内导通的电压周波。如图3.3所示，设周期Tc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=nTPn/Tc，Pn为设定周期Tc

41、内电压全通过时装置的输出功率。 图2.2电路图 图2.3 特性图 2.5电路设计方案本系统由单片机AT89C52、温度检测电路、键盘显示及报警电路、时钟电路、温度控制电路等部分组成。系统中采用了新型元件，功能强、精度高、硬件电路简单。其硬件原理图如图2.4所示。图2.4 硬件原理图在系统中，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进入单片机，单片机进行数据处理后，通过液晶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PID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

42、现对炉温的控制。该系统中的时钟电路可以根据要求进行准确计时。3电阻炉控制系统的硬件部分3.1AT89C52主要性能参数AT89C52 ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机片内含8K byTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 byTES 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用8位中央处理器（CPU ）和FLASH由存储单元，功能强大AT89C52单片适用于许多较为复杂控制应用场合。与Mcs-51产品指令和引脚完全兼容;8字节可重擦写FLASH闪速存储器;1000 次擦写周期;全静态操作：0HZ-24M

43、HZ;三级加密程序存储器;256X8字节内部RAM;32个可编程I/0口线;3个16 位定时计数器;8个中断源;可编程串行UART通道;低功耗空闲和掉电模式;同时AT89C52 提供以下标准功能：8字节FLASH闪速存储器，256字竹内部RAM , 32个I/O口线，3个16 位定时计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89c52可降至OHz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时计数器串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一

44、个硬件复位.3.1.1 功能引脚说明图3.1 AT89C52引脚图Vcc:电源电压GND:接地P0：P0口是一组8位漏极开路型双向1/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时每位能吸收电流的方式驱动8个TTL 逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部 上拉电阻。在FLASH由编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字 节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1 是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电

45、路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流11L。与AT89C51不同之处是，Pl.0 和P1.1还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（Pl.0/T2 ）和输入（P1.1/T2EX) 。 FLASH编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。表2.4是 P1.O 和P1.l 的第二功能表3.1 P1.O 和P1.l 的第二功能引脚号功能特性Pl.0T2 （定时计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出Pl.1TZEx 定时计数2捕获/重装载触发和方向控制）P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电路。对端口P2写“l，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（llt ）。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL) . P3口除了作为一般的I/0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如