AI仪表在马弗炉温度控制的应用.docx

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AI仪表在马弗炉温度控制的应用

AI仪表在马弗炉温度控制的应用

AI仪表在马弗炉温度控制的应用

一、概述：

　　马弗是人名，这种炉子最早的发明者。

炉壁是采用方形的耐火材料和保温材料，炉壁上缠绕电热丝。

英文muffle,意为封闭式烤炉,俗称马弗炉，是常用的工业电炉，是一种通用的加热设备.可分为箱式炉管式炉坩埚炉。

马弗炉系周期作业式，可供煤炭、电力、化工、建材、冶金、科研等部门以及大专院校的试验室作元素分析测定做烧结、一般小型钢件淬火、退火、回火等热处理时加热用，高温炉还可作金属、陶瓷的烧结、溶解、分析等高温加热用，特别适用于煤质分析试验，在煤的灰分、挥发分的测定以及煤灰成份的分析、制备测定灰熔点、灰粘度的试样等作业中，广泛应用马弗炉灼烧试样和沉淀物，是用来灰化的，相当于完全燃烧，去除有机成分，剩下无机物质。

二、结构简介：

　　1.、马弗炉体结构：

炉壳用薄钢板经折边焊接制成，环氧粉末静电喷漆工艺，内炉衬为硅耐火材料制成的矩形整体炉衬；电炉的炉门砖采用轻质耐火材料，内炉衬与炉壳之间的保温层由耐火纤维、膨胀珍珠岩制品砌筑而成。

电阻炉炉前面板和底角采用铸铁件、外壳采用冷板制作，外形平整，美观不变形。

炉门通过多级铰链固定于箱体上。

炉门锁定是靠门把手自重，通过杠杆作用将炉门紧扣在炉口上。

开启时只需将手把往上提，待勾锁脱钩后往外拉开至电炉左侧便可。

炉后装有可控烟囱，为煤炭、化工原料及产品的化学分析，提供了方便。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1

　　2、电阻丝的安装：

由铁铬铝合金制成螺旋状的加热元件穿于内炉衬芯上、下、左、右的丝槽中。

加热元件采用高温铁铬铝电阻丝加热，电阻丝绕于炉膛外面能有效保护电阻丝不被碰伤。

炉衬为密封式结构。

炉芯可以从炉后小门抽出，较其他同类炉子维修方便；炉口下端装有与炉门连锁的安全开关，当炉门开启时，加热回路便自切断，具有开门自动断电功能以保证操作安全。

　　3、控温范围：

低、中、高温箱式电阻炉，升温快1000oC炉型由100oC升温至1000oC，小于30分钟；1700oC炉型由100oC升温至1700oC，小于90分钟；分别以电阻丝、硅碳棒、硅钼棒为发热元件，使用温度300～1700℃。

节能效果显著，寿命长，维护费用低。

硅钼棒的和硅碳棒的，前者温度可到1600，后者是1300；节能性好：

一般6升、9升炉型采用16A/220V标准电源；20、30升炉型采用16A/380V三相电源热污染少由于新型材料绝热性好，升温至1000oC，并保持1小时后外壳表面不烫手（约60oC）。

以硅碳棒为加热元件的高温电阻炉，其加热元件的冷态与热态时的电阻值相差较大，在长期使用中硅碳棒的电阻值将逐渐变大（也称为老化）。

所以必须与具有调压功能控制器使用。

　　4、马弗炉控制柜功能：

由测量、调节控制和电源装置三个部分组成，温度控制器及镍铬硅镍热电偶配套使用，电阻炉测量和控制均配制的AI人工智能数字式程序调节器来完成，小型控制柜内部装有超温保护输出控制交流接触器断电，温度控制采用移相触发器控制可控硅或过零触发可控硅电路和电流互感器，接线端子板等电气元件。

温度控制器的温控仪表选用的是AI人工智能调节器，热电偶将炉内温度转换为电平信号，经过温控仪表内单片机控制参数自整定进行运算，控制输出至移相模块，经过VR的调节改变移相角的大小来控制可控硅导通角的大小来控制电炉的平均加热功率，当接近设定温度时，炉内断续加热最终保持炉内的设定温度。

恒温时控按设定程序升温，程序是按【温度－时间－温度】的格式来程序升温，在恒温段时间保持恒温控温精密，进入保持状态后，温度波动小；具备多种温控器可供选择。

　　5、产品优点：

①采用AI人工智能数字式程序调节器，可减少视读和人为操作误差，大大提高了工作效率；②设有多种保护功能，设有事件输出、超温、过载、短偶保护报警功能；提高了安全性及可靠性；③设有50段升温专用程序，可以按不同实验要求自行设定升温过程；④选配有通讯功能的仪表可连接计算机监控；⑤AI人工智能数字式程序调节器是对老产品的改造和升级换代产品，老的产品一般采用交流接触器来控制缺点控制不准确、声音大设备容易老化。

三、仪表选型应用：

　　马弗炉控温仪表的选择要根据控制的要求：

①定点控制还是升降温程序控制、②控温范围、③测量精度要求来确定。

1、定点控制还是升降温程序控制，是根据物料的要求来选择仪表的主机型号：

　　AI－518、708、808为定点控制仪表

　　AI－518P、708P、808P为程序升降温仪表

　控制对象输出模块有：

　　G隔离型固态继电器（SSR）驱动电压输出模块（12V/30mA）

　　L1继电器触点开关输出模块（适合报警控制输出）

　　K1“烧不坏”型单路可控硅过零触发输出模块（100-380VAC范围通用）

　　K3“烧不坏”型三路可控硅过零触发输出模块（100-380VAC范围通用）

　　K5/K6“烧不坏”型单路可控硅移相触发输出模块（分别适用220VAC/380VAC）

　　AIJK3型三相移相触发器（三相四线制，适合阻性负载，多种故障检测及报警，软起动及电流反馈输入）

　　AIJK6型三相移相触发器（三相三线制，适合阻性及感性负载，缺相检测及报警，软起动及电流反馈输入）

　　X3光电隔离的高精度线性电流输出模块（配合三相移相触发器应用）

　　S光电隔离RS485通讯接口模块（用仪表内部12V隔离电源）

2、控制方式的选择：

是采用过零还是移相，是根据控制对象的温度范围所选择的加热元件来确定的。

　　对于低、中、箱式电阻炉纯电阻丝温度1000oC炉型可采用过零控制，缺点是电流波动比较大，特别是大功率的加热元件；从保护延长电阻丝的寿命的目的出发可采用移相触发控制，缺点是对电网的高频干扰。

　　对于高温炉采用硅碳棒、硅钼棒为发热元件，使用温度300～1700℃就一定要采用移相触发控制。

以硅碳棒为加热元件的高温电阻炉，其加热元件的冷态与热态时的电阻值相差较大，在长期使用中硅碳棒的电阻值将逐渐变大（也称为老化）。

所以必须采用具有调压功能控制器使用。

3、马弗炉仪表型号例：

AI-808PAX3L1L1S4+JK6型程序型仪表

1）AI智能温度调节器：

　　AI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，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。

　　自整定方法：

由于自整定执行时采用位式调节，经2~3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M5、P、t等控制参数。

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。

程序仪表自整定时请吧第一段程序设置为常用温度或最高温度来自整定。

　　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）马弗炉控制柜程序设置：

　　程序曲线的编排；程序表调节器可用于按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场合。

程序是按【温度－时间－温度】的格式来程序升温，具有50段程序编程功能，可设置任意大小的给定值升、降斜率；具有跳转（目标段只限于前30段）、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，可在程序控制运行中修改程序；具有二路事件输出功能。

可通过报警输出控制其他设备联锁动作如：

警灯、风机、报警，进一步提高设备自动化能力；具有停电处理模式、测量值启动功能及准备功能，使程序执行更有效率及更完善。

3）马弗炉控制柜电器回路：

　　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

　　能直接用时间比例过零、移相触发各种单向、双向可控硅及功率模块或选配G模块控制固态继电器；配合AIJK系列三相移相/周波过零可控硅调功模块。

AIJK系列是应用了单片机技术的智能化三相移相触发及周波过零两用触发器，功能强大且可靠性高，能适应各种电炉丝、硅碳棒及负载采用变压器降压的硅钼棒。

钨丝等各种类型工业电炉。

不仅降低成本，而且简化安装并提高可靠性。

报警输出可选用继电器触点开关或可控硅无触点开关。

4）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。

5）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。

6）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20D751K750V；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。

7）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。

8）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。

9）高频干扰：

　　由于移相触发会带来较强的1－100KHZ频率范围的干扰，移相触发器应安装在离可控硅较进的位置，但应与动力线保持一定的距离，应尽量缩短触发线的长度，并尽量不要将不同相的触发线平行走线。

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。

　　马弗炉控制柜安装数字式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。

　　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。

　　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；追忆记录的温度曲线数据。

数据报表、报警报表的打印。

四、安装与使用

　　1、电炉不需特殊安装,只需平放在室内地面或台架上。

控制器应放在工作台上,工作台面的倾斜度不得超过5度.控制器离电炉最小距离不得少于0.5米.控制器不宜放在电炉上面,以免影响控制器正常工作。

　　2、控制器及电炉相连的电源线,开关及熔断器的负载能力应稍大于电炉的额定功率，控制器与电炉的连接应参照接线图进行连接，连接导线根据电炉功率大小选用不同截面面积的导线。

例：

控制4KW电炉，其电源进线及电炉控制导线应选用不小于6mm2的铜芯导线，行程开关的导线应选用不小于1mm2的铜芯导线。

（无行程开关的电炉，不应将控制器端子上的行程开关两点连接导线断开，否则，电炉不工作）；并且在温度控制器与电阻炉的外壳上做可靠的保护接地或保护接零。

以保证人身及设备的安全。

应定期检查各仪表显示是否正常，各连接点的接线是否完好可靠，定期检查各接点螺丝是否松动，如有松动应重新紧固，应保持各电气接点接触良好。

　　3、接线时,首先转松控制器外壳左右两侧的螺钉，然后将罩壳上翻，按图示接好电源线.控制器与电炉的连线及热电偶与温度控制器的导线应选用专用的补偿导线，并应注意热电偶、补偿导线的正负极性不能接反：

即补偿导线内的红色导线接电偶的正极，蓝色导线接电偶的负极。

将热电偶从热电偶固定座的小孔中插入炉膛，孔与热电之间间隙用石棉绳堵塞，然后固定【注意:

电源的相-与中线不可接反】，为了操作安全，控制器和电炉均需可靠接地。

　　4、检查接线无误后即可通电，首先合上电源开关，然后将控制器面板上的钮子开关拔向开的位置，调节设定按钮,把温度设定到您所需要的度数上，如果把设定开关拔向测量位置上，红灯灭（NO），亦有接触器的吸合声响，温控仪表的OUT指示灯亮→电炉开始工作→炉膛开始升温→温控仪表的OUT指示灯交替亮灭，进入位式PID控制阶段→直到恒温。

此状态过后进入常规的测量值/设定值显示，并投入控制运行。

用户根据工作温度进行温度的设定；电炉通电，电流表指示加热电流值，温度随炉内温度升高而徐徐上升，说明工作正常。

当温度上升至设定的所需要温度时,红灯灭（NO），绿灯亮（YES）,电炉自动断电，停止升温。

稍后，当炉内温度稍微下降，绿灯灭,红灯亮，电炉又自动通电。

周而复始，达到自动控制炉内温度的目的；实验工作结束后，关闭电源开关，切断设备电源。

　　5、为了检查断偶保护装置是否正常工作，其方法是:

松开热电偶一端，此时测温指示迅速上升到最高点亦自动切断加热电源,则断偶装置良好，重新接好的热电偶后，可正常工作。

　　6、烘炉,当电炉第一次使用或长期停用后再次使用时，必须进行烘炉。

其过程如下：

使用完毕,首先将控制面板上的钮子开关拔向关的位置，然后切断总电源开关。

　　7、宇电AI系列可控硅控制柜的各项技术指标出厂前均经过实际运行检验，电炉温度控制器工作中发生异常现象，应及时检查、维修，定期检查各部分接线是否有松动，交流接触器的触头是否良好，出现故障应及时如果不能准确判断故障可与本公司技术部门联系。

　　8、控制器应放在干子通风良好，无腐蚀性气体的地方，工作环境温度为-10-50℃，相对湿度不大于85%；为保证测量准确,每年应用直流电位差计校对AI温度控制仪的测温表,以免引起较大误差。

五、结束语：

　　宇电可控硅电炉控制柜AI系列仪表具备优良的测量和控制性能，特别适合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。

例如其输出可配用具备“烧不坏”特性的可控硅触发模块，能直接用时间比例过零、周波过零或移相方式触发各种单向、双向可控硅及功率模块，节省了可控硅周波调功器或移相调功器，不仅降低成本，而且简化安装并提高可靠性。

　　报警输出可选用继电器触点开关或可控硅无触点开关，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。

可选装的RS485通讯接口能方便地与计算机联机工作。

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。

　　宇电在可控硅电炉控制柜的设计和制造方面拥有多年的丰富经验，可提供15A－100A的单相25A-500A的三相规格，对单相15A、25A、40A；三相：

25A、40A等规格备有现货提供，55A-500A可定制，典型控制精度高达±0.2℃－±0.5℃。

此外还提供专用于晶体生长的温度控制柜，经过特别优化改良，其使用温度范围为0-1100℃（用S分度热电偶），控制精度±0.1℃,温度漂移在环境温度变化小于±0.5℃时，小于±0.2℃，是目前精度及稳定性最高的温度控制器。

从96年至今已售出10000多套控制柜，可控硅或仪表累积少于千分之三的返修率。

主要特点

●外壳采用冷扎板精密冲压成型、外表喷塑处理，具有美观、轻巧的优点。

●可选过零触发或移相触发方式，采用过零触发方式时，对电源电网的高频干扰很小。

●有多种仪表规格可供选装，常用有AI-708型、带手动调节功能的AI-808型及带程序控制功能的AI-808P型等仪表

●可提供电机控制、报警断电控制等附加功能。

●除非客户指定，控制可控硅除单相15A规格采用ST（意法半导体）公司的40A双向可控硅外，其余均采用德国IXYS公司功率模块；交流接触器、空气开关、热继电器、指示灯、按钮开关等均采用上海施耐德（TE）公司产品。