一种高温炉控制装置的制作方法

本实用新型涉及自动化控温技术领域，具体为一种高温热电偶检定炉的运行保护控制装置。

背景技术：

高温热电偶检定炉（以下简称“高温炉”）主要用作检定b型热电偶、钨-铼热电偶及其它高温热电偶的温度源，其工作温度范围通常为(1100～1500)℃甚至更高。目前制作高温炉加热体的主要材料有铂铑合金丝和以二硅化钼材料制作的硅钼棒两种，它们都具有冷态电阻小，正电阻温度系数的特点,高温炉的加热体整体冷态电阻通常在（0.1～1）ω数量级，因此高温炉的供电通常不能直接以220v电源供电，需通过变压器进行降压供电，即低电压、大电流供电，例如以硅钼棒作为加热体的高温炉，其最大加热电流通常为60a左右。目前，高温炉的控制存在的问题主要有：

1.上电过程：高温炉在启动上电时通常处于冷态（室温），此时的高温炉加热体冷态电阻通常在（0.1～1）ω数量级，即便通过降压变压器供电，加热电流仍然容易超过高温炉加热体表面负荷的允许上限值,或超过供电线路的负荷能力,此时需要调至很低的供电电压，通常的启动方法是，首先将可调供电控制电路（如调节自耦变压器或可控硅移相角）将高温炉供电电流调至最小，然后通过微调旋钮逐渐增加加热电流，直至达到高温炉的额定加热电流。必要时，作为辅助手段，可使用变压器抽头使供电电压从最低档分级上调。

上述控制无论通过人工调节或采用模拟电路辅助调节，均需人工干预，操作繁琐。

2.升温过程：高温炉从冷态升至1100℃左右的整个升温过程中，加热体的电阻随温度的升高而大幅度增大，加热电流减小，升温速率也随之减小，若继续使用过低的电压供电又会限制高温炉的正常升温，此时又需要不断适当增加供电电压,以保证正常的升温速率，但供电电压又不能太高，以防止加热体被烧坏。

3.停炉过程：高温炉降温过程中炉膛以较快速度降温可能导致炉内处于高温的耐火部件、材料因急速降温而导致变形、裂纹等损伤等问题。

技术实现要素：

本实用新型提供一种高温炉控制装置，通过该装置可有效地实现对高温炉进行温度控制和多重保护控制，使其整个控温过程合理、可靠、安全。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案：

一种高温炉控制装置，它包括启/停自锁电路、移相调压模块、变压器、电流变送器、控温热电偶、高温炉控制器、控制台，启/停自锁电路、移相调压模块、变压器、电流变送器依次设置在高温炉的加热供电进线上；

所述高温炉控制器包括炉温信号调理电路、a/d1、a/d2、d/a、d/a输出驱动器、启/停控制接口、cpu、通讯接口，所述控温热电偶的工作端置于高温炉的有效工作温区内，控温热电偶的参考端经延伸导线连接到炉温信号调理电路的输入端，炉温信号调理电路的输出端连接到所述a/d1的输入端，所述电流变送器的输入端连接到高温炉的加热供电进线，所述电流变送器的输出端连接到所述a/d2的输入端，所述d/a的输出端连接到所述d/a输出驱动器的输入端，所述d/a输出驱动器的输出端连接到所述移相调压模块的输入端,所述移相调压模块的输出端连接到所述变压器的初级回路，所述启/停控制接口的输出端连接到所述启/停自锁电路的输入端；

所述a/d1的输出端、a/d2的输出端、d/a的输入端、启/停控制接口的输出端、通讯接口的输出端均连接到cpu，所述通讯接口通过rs-232口连接到控制台。

控温热电偶输出的热电势信号代表高温炉有效工作区的当前温度，炉温信号调理电路、a/d1、经软件进行温标变换，得到炉温当前值。此外高温炉的炉温当前值亦可通过标准热电偶替代控温热电偶测得，或由上位机通过rs-485通讯直接下传得到。

高温炉控制器还包括温升巡检接口，温升巡检接口的输入端连接多支表面温度计，所述温升巡检接口的输出端与cpu连接，所述表面温度计的感温探头被分别安装在容易发热的低压大电流电气接点部位。

所述高温炉控制器中的cpu，在本实施例中采用32位单片机lcp23××系列；所述的移相调压模块选用具有输入、输出隔离功能的可控硅移相调压模块，其输入通常为（0～10）v。

一种利用上述高温炉控制装置的控温方法，在高温炉的整个温度调节和控制过程中，对高温炉加热电流进行实时监测，高温炉控制器控制移向调压模块调控变压器，构成电流限制环节，确保高温炉加热电流不超过设定的加热电流上限。

电流变送器的输入端连接到高温炉的加热供电进线，所述高温炉控制器通过a/d2接收电流变送器的输出信号并换算为高温炉加热电流当前值，并以内设的高温炉加热电流上限作为加热电流设定值，两者共同作为加热电流限制算法的输入，通过电流限制算法，输出控制移向调压模块，控制变压器，实现对加热电流限制输出。

所述加热电流限制调节算法可以借助pi算法或其它闭环调节算法，为了实现加热电流限制功能。

温升巡检接口所连接的表面温度计中，有一支用于测量环境温度，其它表面温度计被分别安装在变压器次级输出至高温炉加热体输入端的低电压大电流回路中的、易发热的被监测电气接点部位。

为了对各监测部位的温升进行巡回测量，对环境温度及各监测部位的温度进行巡回测量，并将各个监测部位的温度与环境温度之差作为相应监测部位的温升。高温炉控制器一旦发现有超过正常温升的电气接点，将通过控制台、通讯口及声光信息发出报警，若电气接点温升达到或超过保护温升，所述高温炉控制器通过启/停控制接口控制启/停自锁电路迅速切断主供电回路，实施电气接点超温保护，避免故障的进一步扩大。

所述高温炉控制器设置有与所述启/停自锁电路连接的启/停控制接口，用以控制高温炉主供电回路的遥控启/停及自动断电。在传统启停按钮和交流接触器的启/停自锁电路的基础上，将启停按钮控制线连接到启/停控制接口，使得所述启/停控制被扩展到可通过cpu控制,cpu通过控制两个继电器分别模拟人工按动控制台上的启动按钮和停止按钮的电气效果,实现主供电回路遥控启/停及自动断电，进而可通过通讯口实现高温炉主供电回路的遥控启停。

所述高温炉控制器经通讯接口对外提供rs-232和rs-485通讯功能，两通讯口均为隔离端口，可同时工作。所述rs-232口用于操作台触摸屏的操作，所述rs-485口可用于与上位机的通讯，对高温炉进行较远距离的控制或组网控制。

本实用新型的有益效果为：

该装置中的高温炉控制器具有炉温测量及炉温调节功能，调节的专用性更强；所述热电流限制功能可有效地采集电流信号，控制器监控避免高温炉因加热电流过大所导致的损坏,有效保证高温炉的安全可靠工作；通过对主供电回路相关电气接点温升的巡检功能，可有效避免电气故障的扩大，提高高温炉电气控制设备工作的可靠性和安全性；所述rs-485口可用于与上位机的通讯，对高温炉进行较远距离的控制或组网控制。

附图说明

图1为本实用新型原理框架图。

图1说明：1—启/停自锁电路；2—移相调压模块；3—变压器；4—电流变送器；5—高温炉；6—高温炉加热体；7—控温热电偶；9—炉温信号调理电路；10—a/d1；11—a/d2；12—d/a；13—d/a输出驱动器；14—启/停控制接口；15—cpu；16—通讯接口；17—温升巡检接口；18—高温炉控制器；19—表面温度计，20—控制台。

图2为高温炉控制器启停自锁电路原理图；

图3为高温炉控温方法控温调节原理图；

图4为高温炉控温方法中电流限制环节和电流升速限制原理图。

具体实施方式

一种高温炉控制装置见图1，它包括启/停自锁电路1、移相调压模块2、变压器3、电流变送器4、控温热电偶7、高温炉控制器18、表面温度计19、触摸屏控制台20。所述高温炉控制器包括炉温信号调理电路9、a/d110、a/d211、d/a12、d/a输出驱动器13、启/停控制接口14、cpu15、通讯接口16、温升巡检接口17。所述控温热电偶7为b型热电偶，其工作端置于高温炉5的有效工作温区内，参考端经延伸导线连接到炉温信号调理电路9的输入端，所述电流变送器4的输入端（即环形铁芯，通过电磁耦合）连接到高温炉5的加热供电进线，所述电流变送器4的输出端连接到所述a/d211的输入端，所述d/a12的输出端连接到所述d/a输出驱动器13的输入端，所述d/a输出驱动器13的输出端连接到所述移相调压模块2的输入端,所述移相调压模块2的输出端连接到所述变压器3的初级回路，所述启/停控制接口14的输出端连接到所述启/停自锁电路1的输入端，所述温升巡检接口17的输出端连接多支表面温度计19，所述表面温度计19的感温探头被分别安装在相关容易发热的低压大电流电气接点部位。所述a/d1输的出端、a/d211的输出端、d/a12的输入端、温升巡检接口17的输出端、启/停控制接口14的输入端、通讯接口16的输出端均连接到cpu15，所述通讯接口16的rs-232口连接到所述触摸屏控制台20。

所述高温炉控制器18的软件采用实时多任务操作系统,设置高精度炉温测量、炉温pid调节、加热电流监测、加热电流限制、上电缓启动（电流速率限制）、降温保护、遥控启停、rs-232和rs-485通讯等实时任务或功能模块。

下面将所述高温炉控制装置的各部分按具体功能或调节控制环节进行分别介绍：

1.启/停自锁功能：图1中的高温炉控制器18包括与启/停自锁电路1连接的启/停控制接口14，用以控制高温炉5主供电回路的遥控启/停，该部分较详细的工作原理见图2。图2中，交流接触器j、常开按钮s3、常闭按钮s4等构成传统的、基于启动按钮和停止按钮的电气设备电源启/停自锁控制电路，其中s3为启动按钮，s4为停止按钮。为使该自锁控制电路能够通过高温炉控制器18控制，以便进行及时的断电保护及通过rs-232或rs-485通讯口进行遥控启停，在高温炉控制器中用两个继电器j1、j2分别模拟常开按钮和常闭按钮，其中，使用继电器j1的常开触点模拟常开按钮，与s3并联；使用继电器j2的常闭触点模拟常闭按钮，与s4串联，通过软件分别对j1、j2的继电器线圈施加保持时间为（0.3～1.0）s的脉冲驱动，即可分别模拟s3、s4的启动、停止按钮动作。如果上位机发送启动或停命令，则高温炉控制器接收命令后，控制j1或j2模拟控制台上的手动启动按钮s3或停止按钮s4的按下、抬起动作，具有与手动启/停相同的操作效果。j1、j2及相关软件功能构成图1中的启/停控制接口14。

另外，所述高温炉控制器18通过监测所述自锁回路交流接触器j的辅助触点（j的1、2端子）开闭状态，对高温炉是否上电运行进行实时监测。当cpu监测到接触器辅助触点从断开状态变为吸合状态，高温炉控制器判断系统处于上电过程，进行初始化并启动相关任务工作，加热驱动信号从0v开始缓慢上升，产生上电缓启动的效果,系统进入上电状态。若cpu监测到接触器辅助触点处于断开状态，则判断高温炉处于断电状态，则相关任务只进行测量，不进行调节控制。

2.移相调压模块：图1中的移相调压模块2应选用具有输入、输出隔离功能的可控硅移相调压模块，其输入通常为（0～10）v，额定输出电流根据高温炉加热体的不同，按照所选的移相调压模块说明书充分预留电流余量，通常选择额定输出电流范围在（40～100）a，此外为减小流过模块的电流，并消除因电流突变所感应的高压打火现象，将所述移相调压模块2设置在变压器3的初级回路。

3.变压器：图1中的变压器3负责对交流220v或380v交流供电进行降压,以保证加热电源电压与高温炉加热体6合理匹配，使移相调压模块2有合理的动态调节范围，并为高温炉加热体6提供相对安全的供电环境。所述变压器3为功率型变压器，容量按高温炉最大功率设计，通常不小于3kva，建议采用初、次级隔离型变压器，次级电压通常选80v左右，次级无需中间抽头，若为减小体积而采用自耦变压器，则在安装使用过程中必须严格分辨火线、零线，保证零线端接入高温炉，确保用电安全。

4.电流变送器：图1中的电流变送器4设置在变压器3的次级，即高温炉供电回路中，所述电流变送器4为常规的穿心式结构电流变送器，即使高温炉5的加热供电进线穿过电流变送器4的环形铁芯，通过电磁耦合感应高温炉5（高温炉加热体6）的加热电流，所述电流变送器4的输出端与高温炉控制器18中的a/d211输入端相连。所述电流变送器4负责实时采集高温炉加热电流，对高温炉的控制和保护起到至关重要的作用，使用前应仔细核对技术参数，保证输入与输出参数分别于高温炉及ad2的输入参数正确匹配。

5.高温炉控制器：所述高温炉控制器18中的cpu15，在本实施例中采用32位单片机lcp23××系列。所述高温炉控制器18单独安装于专用金属屏蔽盒内。所述高温炉控制器是本实用新型的核心。

6.炉温信号调理电路：图1中的炉温信号调理电路9包括断偶保护电路、滤波器、低噪声直流放大器等。

断偶保护电路（参见图3）向控温热电偶7（或标准热电偶）加载微小恒流电流，具体实例是在信号调理电路的输入正端与12v直流电源之间跨接一支3mω左右的电阻，来检测炉温测量回路中高温炉控制器外部电路的闭合状态，若控温热电偶7（或标准热电偶）及其连接导线构成正常的闭合回路，则所述微小电流对温度测量值的影响折合成温度，只有零点几度，可以忽略，若控温热电偶7（或标准热电偶）开路，或温度测量回路开路，则ad1测得超量程直流电压信号，通过软件判定外部温度测量电路开路，简称“断偶”，从而启动断偶保护功能，在报警的同时强制将加热电流置为零，或强制将主供电回路切断。

由于高温炉的供电采用移相触发方案，且为大电流控制，供电回路中工频（50hz）电源的高次谐波比较严重，通过所述控温热电偶7所采集的炉温信号为10mv数量级的直流电压信号，该信号可能被淹没在干扰噪声中，必须采取有力措施将其提取出来，因此采用有源低通滤波器进行前级滤波，并通过软件进行数字滤波。

必要时，为了使控温热电偶的电势信号与ad1的输入量程相匹配，在炉温信号调理电路设置低噪声直流放大器，放大器应采用低噪声、低漂移特性的运放担任所述直流放大器。

7.a/d1：图1中的ad110主要负责对炉温信号的高精度a/d转换，采用ads1232，该集成ad转换器具有23.5bit的有效测量分辨率力、噪声可编程增益控制（pga）、100db以上的共模抑制比、双通道差分输入、内部温度传感器补偿等功能，完全能够胜任配b型热电偶的高温热电偶测量，温度测量分辨力达到0.01℃。

8.a/d2：图1中的a/d211接收来自电流变送器4的输出信号，用于将高温炉加热电流变换为数字量，作为加热电流限制、上电缓启动等相关调节控制环节的输入参数，无需很高的a/d转换分辨力，因此使用单片机的10bit内部ad的一个通道即可。

9.d/a：所述d/a12可选dac8311，其为14位dac，采用i²c总线，与单片机的连接很简单，其输出端经d/a输出驱动器13与移相调压模块2的输入端连接,所述移相调压模块2的输出端通过串接方式与变压器3初级回路连接。所述d/a12的输入端可以看做是本实用新型中多个调节、控制环节的汇合点，而调压模块2、高温炉加热体6等组成上述多个调节、控制闭环的公共执行机构。

10通讯接口：本实施例中，所述通讯接口16对外提供了rs-232和rs-485口，其中rs-232口作为高温炉控制器与触摸屏控制台之间的通讯接口，而rs-485口可用于与上位机（如果有的话）的通讯，且可在相距较远的距离进行遥控。rs-232口和rs-485口均为隔离通讯口，有较强的抗干扰能力。

所述炉温pid调节回路较为详细的原理框图见图3，其中虚线部分属于其它调节。

所述ad110的输出经标度变换，换算为符合国际90温标的温度量值，作为炉温当前值pv，与通过控制台或rs-485通讯口给定的炉温设定值sv共同作为炉温pid调节的输入，通过软件中的炉温调节任务执行炉温pid调节算法，所述炉温调节环节的输出为炉温pid调节量，即图3中的out1。

所述炉温pid调节的增量输出δout1是炉温pid调节输出量，调节输出out1在一个调节周期δt期间的调整量。out1并不直接驱动所述d/a12，而是与加热电流限制的输出out2、加热电流升速限制的输出out3、降温保护的输出out4等共同送入图3所示的输出合成器（由软件实现），合成为out后，通过所述d/a12转换为模拟量，并经d/a输出驱动器13，最终形成驱动信号驱动移相调压模块，达到调整高温炉供电电压及加热电流的目的。

为了实时测量通过高温炉加热体6的加热电流，将接至所述加热体6的供电进线穿过电流变送器4的环形铁芯，所述电流变送器4通过电磁耦合、放大等环节输出与高温炉加热电流呈线性关系的（0～5）v输出电压信号，该电压信号连接到高温炉控制器18的a/d211转换为数字量，并经加热电流的标度变换，变换为高温炉的加热电流当前值，图4中的加热电流限制算法，以加热电流当前值pv以及内设的高温炉加热电流上限作为加热电流设定值sv共同作为加热电流限制算法算法的输入，以pi算法计算加热电流调节量out2。注意out2仅在加热电流（pv）超过加热电流上限值（sv）时生效。一旦加热电流超过热电流上限值，加热电流限制算法便根据电流超过的量值及持续时间，持续输出负向变化的加热电流调节输出out2，该输出与所述炉温pid调节输出out1等通过所述输出合成器叠加合成后形成包含电流限制的调节量，将使所述移相调压模块的输入量减小，从而将高温炉加热电流向减小的方向调整，继而维持加热电流不超过电流上限值。如果加热电流当前值不超过内设的加热电流上限值，则软件应跳过（关闭）所述加热电流限制的pi调节过程，并保持out2的增量δout2为零，因此加热电流限制算法实际上是一个数字化的单向pi调节算法。

所述高温炉控制器的加热电流限制环节的设置，确保了整个运行过程（包括上电缓启动过程）中加热电流不超过所述高温炉控制器内部设定的加热电流上限。

为实现高温炉5的上电缓启动，需控制加热电流不得正向突变，加热电流应按限定的速率缓慢增加。电流升速限制环节的作用可理解为：如果pid调节输出值out1出现正向突变，则在实际的驱动输出out中，应按要求变为规定的输出增量或斜率。

如前所述，电流升速限制环节只是通过加热电流序列计算加热电流的变化速率，实际上是监视和限制加热电流的升速。所述高温炉控制器通过软件中的电流升速限制任务执行电流升速限制算法（可以是pi算法），将加热电流升速限制在所述高温炉控制器内设的加热电流升速上限之内。一旦电流升速超过内设的电流升速上限，电流升速限制算法便根据电流升速超过的量值及持续时间，持续输出负向变化的电流升速调节输出out3，即δout3为负，影响合成后的out向减小的方向调整，将使驱动移相调压模块的输入量减小，从而将加热电流速率向减小的方向调整，最终影响加热电流升速减小，维持加热电流上升速率不超过其内设上限值。

所述高温炉的上电缓启动功能，实际上是借助于电流升速限制功能实现的。在高温炉上电启动过程中，通过所述电流升速限制功能，高温炉加热电流从零开始以限定的上升速率缓慢增大。由于加热电流限制功能在高温炉上电启动过程中同时在起作用，因此上电启动过程通常以高温炉电流从零开始逐渐上升，直至达到设定的电流上限为目标，从而实现了上电缓启动。

所述综合调节输出量out成为具有炉温调节、加热电流限制及电流升速限制等功能的最终调节量。

高温炉的降温保护（续流保护）：当高温炉在高温检定点（通常为1500℃）完成测量后，意味着全部测量工作已经完成，按理可以对高温炉断电。但实际上，高温炉在如此高的温度下突然停止加热，其内部的部件如刚玉管及耐火材料会因温度骤降而产生收缩，容易因各处收缩不均匀而产生裂纹，影响高温炉的技术指标。所述降温保护的目的，是让高温炉不立即断电，而是转为续流维持模式，即高温炉5加热电流按照续流起始电流比降低，并按续流电流降速不断降低，直到续流维持时间到时，炉温降至一定温度（如1200℃左右），通过启/停控制使主回路接触器失电，完全停止加热，这样高温炉在高温下的降温比自然降温更加缓慢。上述保护也称为续流保护。所述降温保护功能由软件实现，可单独设置一个降温保护任务，由于对时间控制的精度要求并不很严格，故可直接以所述降温保护任务的延时时间即循环执行周期作为时间累计的依据。启动降温保护时，只需按下控制台上的续流按钮或向高温炉控制器发送续流命令。所述续流按钮接至单片机的一个开关量输入端口。

主供电回路电气接点温升巡检、超温报警及保护：

关于大电流电气接点：高温炉运行过程，特别是升温过程中，加热电流大，主供电回路中的电气接点（包括各接线端、保险、接触器等）经长时间运行可能会因氧化等原因出现接触不良，导致发热，若不能及时发现并排除，将导致恶性循环，直至彻底烧坏，影响设备的正常运行，甚至造成安全事故。

主供电回路电气接点温升巡检硬件方案很多，比较灵活，主要取决于测温用表面温度计的选取方案。可采用集成温度传感器ds18b20制作成简单的表面温度计，即将所需数量的ds18b20分别固定在金属片制作的卡扣中，并分别贴紧、固定安装在易发热的被监测电气接点部位，就形成了所述表面温度计19，表面温度计的数量可根据实际需求设置（其中一支用于测量环境温度），分别通过引线连接到高温炉控制器的温升巡检接口17，通过所述温升巡检接口17将每一支表面温度计（ds18b20）对应单片机的1位i/o线。除用于测量环境温度的温度计外，其它表面温度计被分别安装在变压器3次级输出至高温炉加热体6输入端的低电压大电流回路中的、易发热的被监测电气接点部位。

通过软件中的温升巡检与超温保护任务，对各监测部位的温升进行巡回测量，一旦发现有超过正常温升的电气接点，将通过控制台、通讯口及声光信息发出报警，若电气接点超温达到保护温度，所述高温炉控制器18通过启/停控制接口14控制启/停自锁电路1迅速切断主供电回路，实施电气接点超温保护，避免故障的进一步扩大。温升巡检与超温保护任务的优先级可选为最低，巡检一个温度点的时间并无严格要求，可长达数秒甚至数十秒。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进在不付出创造性劳动前提下也应视为本实用新型的保护范围。