退火炉自动控制系统设计.docx

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退火炉自动控制系统设计

摘要

退火炉是金属热处理中的重要设备，而温度是退火炉的主要被控变量，是保证其产品质量的一个重要因素。

因此，退火炉温度控制的稳定性和控制精度直接影响产品的质量。

所以，本次毕业设计设计了基于单片机的退火炉温度自动控制系统，实现了温度的自动控制。

本控制系统是采用AT89S52单片机为核心，对退火炉温度和燃料流量进行实时监控。

由按键设定温度初值，通过温度和流量传感器进行信号的采集，由AD574对其电压信号转换数字信号。

通过AT89S52单片机和LCD1602液晶显示屏处理和实时显示相应的数据。

当所有设定值设定结束后，通过DAC8420将数字信号转换成模拟信号驱动电动调节阀进行阀门大小的调节即流量调节，进而改变炉内温度，实现温度的自动控制。

软件部分采用一种新型的智能控制方法，大林算法来控制系统的温度、流量。

其最突出的优点是具有专门针对大滞后系统设计的算法。

此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点，能够达到良好控制效果。

本系统实现了对退火炉的温度、燃料的流量进行实时监控。

它不但工程造价较低、运行维护简单、运行费用低，而且是一种简便、可靠、经济、快速的退火方法。

关键词：

退火炉；数据采集；大林算法；单片机

Abstract

Annealingisanimportantmetalheattreatmentequipment,andannealingtemperatureisthemaincontrolledvariabletoensurethequalityoftheirproducts.Therefore,thefurnacetemperaturecontrolstabilityandcontrolaccuracydirectlyaffectsthequalityofproducts.So,thisgraduationprojectisdesignedbasedonsingle-chipfurnacetemperaturecontrolsystemtoachieveautomaticcontroloftemperature.

TheMCUAT89S52isusedtothecenterofthecontrolsystem,theannealingfurnacetemperatureandfuelflowisreal-timelymonitered.Initialtemperatureissettedbythekey.Itisusedthetemperaturetransducerandflowtransducertoaquirethesignal.ItischangedfromthevoltagesignalstothedigitalsignalbyuseingtheAD574.Processingandreal-timedisplaythecorrespondingdatabyuseingtheMCUAT89S52andLCD1602display.Whenthesettingiscompletedallsettings,thedigitalsignalisconvertedbyDAC8420intoananalogsignaltodrivetheelectriccontrolvalveisthevalveflowcontrolregulationofthesize,therebychangingthefurnacetemperature,automatictemperaturecontrol.SoftwarepartusesanewtypeofintelligentcontrolmethodtocontrolthesystemDahlintemperature,flow.Itsmostprominentadvantageisasystemdesignedspecificallyforlargedelayalgorithms.Thisalgorithmhastoeliminateresidualerror,thereiscompensationforpurelageffectandothercharacteristics,canachievegoodcontroleffect.

Theannealingtemperature,fuelflowrateforreal-timemonitoringisrealizedinthesystem.Itisnotonlylowercostproject,simpleoperationandmaintenance,lowoperatingcosts,butalsoitisasimple,reliable,economical,rapidannealingmethod.

Keywords：

annealer；dateacquisition；computingcontrol；MCU

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

退火炉是冶金和机械行业经常会用到的热处理工业设备。

一般说来，退火处理是生产冶金和机械产品的最后处理工序，它的处理效果将直接影响产品的质量。

因此，对于退火炉的基本要求就是根据退火处理工艺曲线，提供准确的升温，保温及降温操作，同时保证退火炉内各处的温度均匀。

在目前实际生产中，退火炉的种类很多，按燃料分有燃油炉、燃气炉、电炉等。

电炉按台数计算占80%，燃油炉和燃气炉占20%。

研究退火炉的意义在于退火是金属热处理中的重要工序，它的处理效果将直接影响产品的质量。

退火是将金属缓慢加热到一定温度并保持足够时间，然后以适宜速度冷却（通常是缓慢冷却，有时是控制冷却）的一种金属热处理工艺。

目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或者工件软化，使其化学成分均匀化，改善其塑性和韧性，并去除其参与应力，或者得到预期的物理性能。

温度控制是热处理质量控制的重要技术措施，是退火控制的核心。

智能温度控制将大大提高热处理质量，消除人为的不稳定因素，提高温度控制的精确程度，满足特殊材料的热处理要求。

所以，本设计研究的单片机退火炉温度自动控制系统具有十分重要的意义。

退火炉采用自动化技术控制温度，对保护生态环境方面也具有重要意义。

退火炉的炉温动态特性直接影响产品的质量，生产过程中对钢材等退火原料的温升曲线有较高的要求，温度过低，达不到退火的预期目的；温度过高将导致过热，甚至过烧。

通过对退火炉中生产过程的优化控制和自动工艺管理控制，不但可以缩短生产周期，提高产量和质量，还可以减少人为因素造成的废品率。

热处理后产生的废气对自然环境的污染很大，退火炉的燃料如果是欠氧燃烧，燃料燃烧不充分，则会产生大量黑烟，而过氧燃烧又会产生氮氧化合物等有害气体。

若通过对燃烧过程进行有效控制，使燃烧在合理的空燃比下进行，则可以极大的减少退火炉对周边环境的污染，对构建科持续发展型社会就有积极的意义。

目前世界各国对能源消耗和大气环境的污染越来越重视，而我国既是钢铁大国又是能源大国，因此，研究高性能退火炉温度控制系统具有极为重要的意义。

1.2国内外研究现状和发展

随着工业技术的飞速发展，国内外退火产品的规格和产量都在不断地增加，在保证退火产品力学性能和组织结构符合产品标准要求的条件下，如何提高退火炉设备的性能指标，降低能耗引起了国内外工业行业广泛的重视。

近二三十年来，一些发达的工业国家从热处理炉结构、热源、温控系统以及退火工艺等方面进行了大量的研究工作，开发了许多新产品，如高温轴流通风机，卡口式加热元件等等。

在提高产品的加热速度、改善炉温的均匀性、提高退火产品的质量、降低能耗和提高退火炉的综合技术性能等方面取得了很好的效果。

在国内，退火炉的平均热效率为58%，比工业发达国家的80%约低22个百分点。

钢铁退火炉的容量一般为10~40吨。

通常，每年生产1kt钢铁需要配备15~20吨的退火炉1台。

退火炉用的能源有电力，柴油，天然气，煤气。

炉型有批量式的与连续式的，在板、带、箔材生产过程中退火工序是必不可少的，线材的拉制也必须经过退火，高强度铝合金管、棒、型材的生产也需要退火。

1998年国内约有860台退火炉，其中现代化的空气循环批量退火炉约180台，80%都集中在钢铁企业。

自1985年以后，全世界就没有建立连续式气垫退火炉，因为投资大，同时现代化的强气流循环的大型批量退火炉在技术上能完全能满足生产要求，而且单位产品的能耗也低一些。

所以，退火炉发展前景良好。

1.3本文研究的主要内容

本系统设计的是一个基于单片机的退火炉自动控制系统，根据需要选择单片机为系统的控制核心，对退火炉的温度、流量进行实时监控。

利用温度、流量传感器及信号处理单元将检测到的温度、流量信号进行处理后传到主控电路上，再经过主控电路处理之后送到显示单元显示，同时与给定的温度值进行比较。

当到达预定的设定退火温度，便停止供给燃料，既停止加热。

通过控制天然气与空气的混合气体的流量（即阀门开度）来实现退火炉的温度高低的控制。

本文提出的退火炉以天然气为燃料，炉温采集系统采用N型镍铬硅—镍硅热电偶为温度检测元件，利用热电偶测温电路及A/D转换器以获得较高的测温精度，利用AT89S52单片机实现控制，同时采用大林算法进行控制，控制精度高。

按键盘设定值、所测温度值，自动进行温度控制，按程序设定温度曲线升温，并具有键盘输入及LCD显示功能。

第2章方案设计及论证

2.1方案设计

本文设计的退火炉选用单片机进行控制。

以天然气为燃料，炉温控制系统采用N型镍铬硅—镍硅热电偶热电偶为温度检测元件，利用热电偶测温电路及A/D转换器以获得较高的测温精度，利用AT89S52单片机实现控制，按键盘设定值、所测温度值，自动进行温度控制，按程序设定温度曲线升温，并具有键盘输入及LCD显示功能。

系统所得的当前的输出控制量，则由D/A转换单元来完成数/模转换所得到的模拟量来控制阀门开度，从而实现了炉温的自动控制过程。

流量控制利用大林算法进行控制，具有控制精度高的特点。

本次设计基于单片机系统设计，退火炉控制系统系统包括10大部分，即核心控件（89S52主控模块），复位电路，晶振电路，温度检测电路，流量检测电路，键盘电路，LCD显示电路，报警电路，A/D转换电路，D/A转换电路。

主控模块，具有控制功能，主要由AT89S52单片机组成，是退火炉温度控制系统的核心。

复位开关连接控制器的RST端，实现复位控制。

其系统结构图如图2.1所示。

图2.1退火炉系统框图

本设计的退火炉以天然气、空气混合气为辅助燃料，天然气和空气的理想比例为3:

2，炉温的高低直接与混合气体的进给量有关，适当调节混合气体的进给量，即恰当地控制混合气的阀门的开启角度就可以控制退火炉的温度高低。

其工作原理是退火炉温度Tx经传感器、变送器检测、变换的T（t）值，与温度给定值R（t）比较后，两者的偏差值Et（t）经单片机D（z）分析、运算，输出相应的控制量，驱动执行机构C，调节流量控制阀门C的开启角度，改变混合气的进给量，进而来控制退火炉的温度。

同时，应该考虑天然气与空气比例不是理想状态，所以设计两个流量传感器对管道气体流量进行实时监测，通过大林算法进行调节，使其保持理想比例。

退火炉的结构框图如图2.2所示。

温度设定值-

R（t）+

图2.2退火炉的结构框图

本设计中由于天然气和空气的理想比例为3:

2，炉温的高低直接与混合气体的进给量，所以需要精确控制比例。

而由于天然气为不可控变量，受上一工序影响比较大，比较危险；而空气比较稳定，本方案使用单闭环比值控制方案，它不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响，因此主副流量的比值较为准确；另外，该方案结构形式简单，实施起来也很容易，其具体示意图和方块图如图2.3所示。

图2.3调节气体比例的单闭环控制系统图

在稳定情况下，主流量满足工艺要求的比值，即Q2/Q1=K；当主流量发生改变时，经变送器送至主控制器F1C，F1C按预先设置好的比值使输出成比例变化，也就是成比例地改变副流量控制F2C的给定值，此时副流量闭环系统为一个随动控制系统，从而Q2跟随Q1变化，使得在新工况下，流量比值K保持不变；当主流量没有变化而Q2由于自身干扰发生变化时，此副流量闭环系统相当于一个定值控制系统，通过控制克服干扰，使工艺要求的流量比值仍保持不变。

最后达到天然气与空气比例为3:

2。

控制过程方框图如图2.4所示。

图2.4调节气体比例的单闭环控制系统框图

2.2方案论证

方案一：

采用最少拍控制原理：

在采样控制系统中，通常把一个采样周期称作一拍。

在典型输入信号作用下，经过最少拍，使输出量采样时刻的数值能完全跟踪参考输入量的数值，跟踪误差为零的系统称为最少拍系。

系统控制原理框图如图2.5所示。

图2.5系统控制原理图

“温度”的表现，可以用纯滞后一阶惯性环节来描述，即

（2-1）

式中：

——煤气退火炉的传递函数；

D（s）——比例环节取1；

K——比例系数；

——纯滞后时间；

——时间常数。

设传递函数为

（2-2）

采样周期T=0.1s，零阶保持器为

（2-3）

系统广义对象的脉冲传递函数为：

（2-4）

方案二：

采用大林算法进行控制。

大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即通常认为对象与一个零阶保持器相串联。

系统控制框图如图2.6所示。

--T（c）T（c）T（x）

温度设定值+

R（t）

图2.6系统控制原理图

采用“温度”的表现，可以用纯滞后一阶惯性环节来描述，即

（2-5）

式中：

Gc（s）——煤气退火炉的传递函数；

D（s）——比例环节取1；

K——比例系数；

——纯滞后时间；

τ1——时间常数。

与一个零阶保持器串联时，系统广义被控对象的脉冲传递函数为：

（2-6）

含纯滞后的一阶惯性环节的大林计算式为：

（2-7）

若令：

（2-8）

（2-9）

（2-10）

（2-11）

D（z）的简化表达式便为：

（2-12）

式中：

T——采样周期；

τ1——被控对象时间常数；

τ——闭环系统时间常数；

设K＝1，T＝1s，τ＝3，τ1＝1s，N=1。

最后求得：

（2-13）

当

对表达式中各项求Z变换后，可求出混合气流量调节器输出量

的计算公式为：

（2-14）

退火炉的温度控制具有升温速度快，惯性大，时变等特点。

其升温，保温是依靠其炉内的天然气空气混合燃烧来达到工艺要求的，降温则是依靠环境自然冷却。

炉温温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，因此对于各个温度段控制的主要控制目标就是超调量，超调量的失调会导致炉温控制不稳定，产品废品率高。

安全隐患大，所以对于此类的工业控制对象采用普通的PID控制很难保证小超调或无超调，系统的振荡会严重影响产品质量。

通过方案比较，本设计采用方案二的大林控制算法进行控制。

因为大林算法是具有专门针对大滞后系统设计的算法，是运用于自动控制领域中的一种算法，是一种先设计好闭环系统的响应再反过来综合调节器的方法。

设计的数字控制器（算法）使闭环系统的特性为具有时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同。

此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点，能够达到良好控制效果。

因此，本设计选择方案二。

第3章

硬件电路设计

3.1温度传感器的选择

本次毕业设计是对温度进行检测，而温度检测传感器元件有多种选择，常用的有热电偶、热电阻以及其他温度传感器。

由于热电偶可以将被测温度直接转换成电势信号，便于远传、自动记录和实现自动控制，在工业中应用极为广泛。

所以，本系统采用热电偶传感器为温度检测元件。

本文设计要求的温度检测范围在0~+1000℃。

由于所测的温度范围不同，所选用的热电偶材料及型号也不尽相同，目前的热电偶传感器有：

铂铑10—铂热电偶，其可在1100℃以下范围长期工作，符号S；镍铬—镍铝（硅）热电偶，测量范围在-40~+1200℃，符号K型；此外还有铂铑13—铂热电偶（R型），镍铬硅—镍硅热电偶（N型），测温范围为0~+1300℃，等等。

本系统采用N型热电偶为温度检测元件，N型热电偶为廉价金属热电偶，是一种最新的国际标准化的热电偶，测温范围为0~+1300℃，允差等级A，而且N型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点，满足控制系统设计要求。

工作原理：

N型热电偶的电极由两根不同导体材质组成。

当测量端与参比端存在温差时，就会产生热电势，工作仪表便显示出热电势所对应的温度值。

N型热电偶主要技术参数：

测量范围（℃）0-1300；允差等级A；分度号N；外形尺寸（mm）不限；热响应时间（s）90；联接型式多种可选择。

WRM-130型N型镍铬硅—镍硅热电偶传感器实物图如图3.1所示。

图3.1WRM-130型N型镍铬硅—镍硅热电偶传感器实物图

在冷端采取一定措施，补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。

由热电偶的工作原理可知，热电偶电动势的大小不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，是测量端温度t和冷端温度t0的函数差。

为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，否则会产生误差。

因此，常采用一些措施来消除冷锻温度变化所产生的影响，如冷端恒温法、冷端温度校正法、补偿导线法、补偿电桥法。

本设计采用电桥冷端补偿法进行冷端补偿。

热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小与测量温度呈一定的比例关系。

若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。

所以，本设计需要进行冷端补偿。

补偿电桥现已标准化。

不平衡电桥（即补偿电桥）是由电阻R1、R2、R3和RCu组成。

其中R1=R2=R3=1；Rs是用温度系数很小的锰铜丝绕制而成的；RCu是有温度系数较大的铜线绕制而成的补偿电阻，0℃时，RCu=1；Rs=2。

此桥串联在热电偶测量回路中，热电偶冷端与电阻RCu感受相同的温度，在某一温度下（通常取0℃）调整电桥平衡，使R1=R2=R3=RCu。

当冷端温度变化时，RCu随温度改变，破坏了电桥平衡，产生一不平衡电压△U，此电压则与热电势相叠加，一起送入测量仪表。

适当选择Rs的数值，可是电桥产生的不平衡电压△U在一定温度范围内基本上能补偿由于冷端温度变化而引起的热电势变化值。

这样，当冷端温度有一定变化时，仪表仍然可给出正确的温度示值。

冷端补偿电路如图3.2所示。

图3.2热电偶冷端补偿电路

3.2气体流量传感器的选择

本次毕业设计需要对燃气和空气进行配比，保证理想比例，所以需要对气体流量进行检测来达到实时监控。

热式气体流量计采用热扩散原理，热扩散技术是一种在苛刻条件下性能优良、可靠性高的技术。

其典型传感元件包括两个热电阻（铂RTD），一个是速度传感器，一个是自动补偿气体温度变化的温度传感器。

当两个RTD被置于介质中时，其中速度传感器被加热到环境温度以上的一个恒定的温度，另一个温度传感器用于感应介质温度。

流经速度传感器的气体质量流量是通过传感元件的热传递量来计算的。

气体流速增加，介质带走的热量增多。

使传感器温度随之降低。

为了保持温度的恒定，则必须增加通过传感器的工作电流，此增加的部分电流大小与介质的流速成正比。

QZL系列热式气体质量流量计既可进行气体流量计量工作,也可用于过程控制领域。

它引进美国先进技术生产，无须温压补偿，直接测出流体的质量流量。

它的突出特点是：

没有可动部件；压力损失小；量程比宽；精度高；可靠性高；安装简单，操作方便。

可以在所有领域全面替代孔板和差压式流量计。

特别是计量精确，不受压力及环境温度变化的影响，属更新换代产品。

技术参数：

●测量范围：

（0.05～80）Nm/s（标准状态为20℃，101.33KPa）

●温度范围：

环境温度：

-40℃～+60℃介质温度：

-10℃～+200℃

●准确度：

±1%的读数；±0.5%满量程

●重复性：

±0.5%的满量程

●输出：

瞬时流量4-20mADC；最大负载600Ω，RS232，RS485

●机械连接：

3/4NPT不锈钢紧固件

●探杆长度：

800mm

●探杆直径：

18mm

●工作压力：

1.6MPa

●现场显示：

上排为瞬时流量每行4个字符，下排为累积流量每行8个字符

●数据保护：

累计量保存在EEROM内

●传感器及管线表体材料：

316L

●防护等级：

IP65

●变送单元：

选择防爆封装。

QZL系列热式气体质量流量计如图3.3所示。

图3.3QZL系列热式气体质量流量计实物图

3.3控制阀门的选择

本次设计的温度控制是通过单片机处理后，经过D/A转换后输出的信号控制阀门开度来控制天燃气和空气的流量，从而实现对退火炉温度的控制。

检测来的信号经过单片机D/A转换输出0~10V电压，所以，需要选择线性阀门，而且接收范围也是0~10V电压。

电动调节阀的接收信号为0~10V或4~20mA，故本设计选择电动调节阀。

电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。

通过接收工业自动化控制系统的信号（如：

4~20mA）来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数，实现自动化调节功能。

电动调节阀一般包括驱动器，接受驱动器信号（0~10V或4~20mA）来控制阀门进行调节，也可根据控制需要，组成智能化网络控制系统，优化控制实现远程监控。

技术参数：

电源电压：

AC220V；50Hz

作用模式：

电开式（K）型、电闭式（B）型

流量特性：

直线、等百分比

允许泄漏量（L/h）硬密封：

≤10-4×阀的额定容量；软密封：

VI级

适用介质：

水蒸汽油品类气液体

工作温度范围：

-30~+250℃

ZDLW电子式电动调节阀如图3.4所示。

图3.4ZDLW电子式电动调节阀实物图

3.4A/D转换器的选择

A/D转换器采用A/D转换芯片，其中A/D转换器用于实现模拟量到数字量的转换，单电源供电。

本设计中，要求精度达到1%，则选用分辨率为12位的芯片可以满足精度要求，故本设计选用12位A/D转换器AD574。

AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：

分辨率：

12位

　　非线性误差：

小于±1/2LBS或±1LBS

　　转换速率：

25us

　　模拟电压输入范围：

0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种

　　电源电压：

±15V和15V

　　数据输出格式：

12位/8位

　　芯片工