SX2-12型箱式中温电阻炉电控系统的智能化改造

　　摘　要：结合生产实际，采用多段可编程PID温控器配合移相触发器模块控制系统，对SX2-12型箱式中温电阻炉的电控系统进行了改造，实现了电阻炉工作过程的智能化控制，提高了电炉的温控精度，保证了产品的质量和稳定性。
　　关键词：电阻炉；电控系统；改造
　　SX2-12型箱式中温电阻炉以其结构简单，升温速度快，价格低廉等优点被广泛应用于实验室和工矿企业作元素分析测定、金相组织研究、金属件的热处理以及陶瓷制品（如油石、砂轮等）的烧结。但是该型号电炉的电路控制系统简单，存在温控精度较低，耗电量大，操作繁琐等缺陷，给生产带来诸多不便，为此对该型号的3台电炉的电控部分进行了智能化改造。
　　1　原电控系统存在的不足
　　原电控系统的电路如图1所示，在油石烧结中表现出来的不足之处有以下几点。 　　（1）控制方式不能程序化。原电控系统采用简单温控仪表加继电器输出的控制方式。这种控制方式不具有智能性，无法从外界输入并储存温控程序，电炉工作过程由人工进行温度调节。而油石烧结工艺比较严格，升温和保温区间划分的比较详细，时间跨度大，升温过程长，人工调节炉温的工作量较大，出错率也较高。比如烧结某型号的碳化硅油石Z终温度是980℃，稳定处理4h，从室温22℃开始，每20min升温20℃，然后保温10min，完成这样一个“升温-保温-升温......稳定处理”的烧结过程，要历经十几个小时，调整几十次炉温，整个过程人工全程监控，不仅麻烦还很容易出错。
　　（2）温控精度低。由于采用继电器通断来控制电阻丝加热，温度控制受温度参数的滞后、时变和非线性，以及负荷变化和多区域温差等多种因素的影响，继电器通断的控制方式得不到比较平稳的控制结果，无法解决动态品质和稳定精度的矛盾^[1]。导致炉膛的保温性越好，升温过程的冲温就越大，检测温度与设定温度的误差越显著，实际炉温得不到准确控制，严重影响烧结的产品质量和稳定性。
　　（3）耗电量大。电炉输入功率不能连续调节，升温过程电阻丝满负荷加热，耗电量大，降低电阻丝的使用寿命。
　　2　程序化电控系统改造
　　2.1 改造方案
　　采用多段可编程PID温控器配合移相触发器模块控制3路单相随机型固态继电器，实现三相负载电压从0V到电网全电压的元级可调和对温度的多段程序化精确控制^[2-3]。从温控器界面输入温度变化参数；通过传感器检测炉膛内不同时点的温差来调节电阻丝的加热时间和输入功率；电炉工作全过程自动控制，断电报警，温控程序结束时电炉自动断电。
　　2.2 电路设计
　　改造后的控制电路如图2所示，其中温控器采用台达DTB系列进阶功能型温控仪，是一种高智能化，多功能的集成型温度控制器，可以进行可编程PID控制，可编辑8段温度控制程序，每段可再分8个步骤，共64步对温度和时间进行控制。PID各项参数连续可调，根据使用情况确定，而且可选择多组警报模式，在加热过程中对各种情况的输出报警。 　　主回路部分采用固态继电器加三相移相触发器模块，结构简单，故障率低，其控制原理如图3所示。移相触发器内部集三相电相位检测、移相电路、控制电路于一体，在三相同步变压器模块的支持下，不需外部任何电路或工作电源，便可以用0-5VDC或4-20MA标准信号自动控制或电位器手动控制产生3路可改变导通角度的脉冲信号，再分别控制3路单相随机型固态继电器实现三相负载功率的无级可调，从而达到对温度连续无冲击的精确控制。 　　3　应用
　　改造后的电炉主要用来烧制油石，油石的烧制需经过“升温-保温-升温......自然冷却”的连续工艺过程。以GCW2.5碳化硅油石为例，其升温过程如图4所示，对给定温度需分阶段提升和保温，该控制系统实际为一个给定上限值不断变化的随机动态系统。按照图4要求设定好程序，当按下SB2按钮时KM2闭合，温控器电源端11，12通电，这时可对温控器面板上的参数按图4的工艺要求进行设定。首先选择与电炉匹配的温度传感器类型，然后设置PID程序控制过程中的各个起始温度，升温时间，保温时间，以及报警类型等。所有参数设定好后，按SB1使KM1闭合，主回路接通，此时由同步变压器TB-3给三相移相触发器SSR-3JKF提供同步电压，同时温控器输出的4-20MA控制信号根据已经设定好的升温曲线传到移相触发器的控制端，产生3路可改变导通角度的脉冲信号，再去分别控制3路单相随机型固态继电器，从而使三相负载的功率在一个动态水平上得到精确的控制。当整个温控过程结束后，报警输出AI1接通，KM3闭合，同时KM1，KM2断电，切断控制回路和主回路电源，电炉烧结程序结束。 　　4　改造效果
　　（1）改造后的电炉实现了烧结过程的程序化智能控制，大大降低了操作强度，提高了工作效率。
　　（2）温度控制精度明显提高，在400℃以下的低温区，炉膛内实际冲温控制在10℃以下，在600℃以上的高温区炉膛内实际冲温小于5℃，冲温值达到了可以接受的温度范围。
　　（3）电阻丝的加热功率随升温曲线动态调整后，减缓了炉内局部升温速度，炉膛内温度均匀性显著改善，经测定炉内实际平均温差比改造前降低了近5℃。
　　（4）用改造后的电炉烧制出的油石质量明显提高，废品率降低；耗电量大大减少。
　　5　结束语
　　通过对SX2-12型箱式中温电阻控制系统的智能化改造，大大提高了电炉的温控精度，实现了油石及部分砂轮产品烧制全过程的程序化控制，简化了操作过程，优化了烧制工艺，保证了产品的质量和稳定性，降低了废品率，取得了良好的经济效益。
　　参考文献：
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　　[2]于庆广.可编程控制器原理及系统设计[M].北京：清华大学出版社，2004.
　　[3]孙平.可编程控制器原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2003.