高温电阻炉智能温度监控系统的设计与实现

贾 云，董玉和

（内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014030）

高温电阻炉智能温度监控系统的设计与实现

贾 云，董玉和

（内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014030）

文章主要讨论电阻炉温度控制系统的非线性、大滞后的特点，由于加热空间巨大，并且现场生产环境恶劣，会造成温场有着比较严重的耦合现象和干扰，是一种典型的难控对象。文章研究其优化控制问题，通过组态王、PLC等技术进行智能温度监控，对于提高工件品质有着较为现实的意义。

智能监控；可编程序控制器；计算机控制

如今的自动化生产过程中，压力、物位、温度、流量以及各种物理量都是常用的被控量。这些被控参数被广泛地应用在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造以及视频加工等诸多领域中。而在这些领域中各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉又被广泛地使用，所以人们需要对以上各种类型炉子的温度进行检测和控制。其中由于电阻炉具有电路简单、对炉料种类的限制少、炉温控制精度高，容易实现在真空加热等的优点，近年来得到了广泛的应用。

1 高温电阻炉的控制系统结构的确定

根据高温电阻炉的温度控制的控制指标为：保温精度≤±1 ℃；跟踪工艺曲线温差≤±5 ℃；工件表面温差≤ ±10 ℃。

本论文研究的高温电阻炉的加热空间有340 m3，为了保证温场的均匀性和方便控制，此处把加热区分成了27个温区进行加热与控制。由于计算机处理速度很快，用一台计算机对温场进行调控，选用西门子S7-200对高温电阻炉的炉门、台车、电源车进行控制，并运用组态监控软件对整个生产过程进行监控。

2 高温电阻炉温度控制系统的硬件选型

根据工艺要求，电阻炉加热区进行温度测量使用热电偶，热电偶把温度信号转换成电动式，基础自动化部分选用了西门子S7-200 PLC对大型高温电阻炉的炉门、砂封、电源车的运行进行控制，同时实现对整个运行过程的监控[1]。通过组态王监控软件完成系统的组态，实现对采集过来温度信号的实时显示、报警和查询等功能。

下面详细介绍高温温度控制系统的硬件构成。

（1）调功器的选型。本系统采用了可控硅作为调功器，通过改变电阻炉的温度是方法是利用改变可控硅的导通角，来改变其输出的电压的大小，控制其输出不同的电压来控制电阻丝发热，从而控制电阻炉温度。

（2）温度检测元件的选型。本文采用的是目前测温应用最广泛的温度传感器热电偶镍铬-镍硅。

选择的依据：根据测温范围，该热电偶的测温范围-200～1 300 ℃。而本文研究的高温电阻炉的加温范围0～900 ℃，所以可以满足其测温要求。其次是它的分度号为K，精度为±0.159 6 ℃。满足本系统的控制精度要求和满足工艺测量精度要求。

（3）温度的采集模块的选型。因为我们选用的分度号为K的热电偶的输出信号是电压信号，不能直接送到上位机，故需要选用温度采集模块把信号变成数字信号送给上位机。故本系统选用的温度采集模块为ADAM4018，其具体的性能指标如表1所示。

表1 温度采集模块4018的性能指标

该温度采集模块在极其恶劣的工况下使用，可靠性较高，适合用于采样点与控制柜距离较远的数据采集的控制场合。该智能温度采集模块可以同时采集8路的热电偶信号，同时把该信号转换成数字信号，并通过RS-485总线传送给工控机[2]。

由于计算机本身只能处理RS-232的信号，该通信协议不仅通信距离短，而且只适应点对点的通信，不太适应工业控制的，故选用RS-485与RS-232转换器。该模块与计算机的连接关系如图1所示。

图1 温度采集模块与计算机接线

（4）工控计算机的选型。根据前面提到的工控机选择的要求我们选用的是IPC-610的专用机。

（5）电源的选型：DC24V。

（6）D/A板卡的选型。模拟量输出本课题选用的是PC-7462（12位8路）和PC-7463（12位12路）光电隔离独立模拟量输出接口板，PC-7462 是面向工业过程而设计的12位8路光电隔离独立模拟量输出接口板，符合PC总线标准工业标准体系结构（Industry Standard Architecture，ISA），适合于所有PC机。本板采用光电隔离技术，使被控对象同计算机之间完全电气隔离。可在恶劣环境下的工业现场工作。供电方式为电源隔离模块供电，该光电隔离模拟量输出接口板具有适用范围广、电压输出量程多、操作使用简单、抗干扰能力强等特点，用户可根据控制对象的需要，选择电压或电流输出方式输出[3]。

（7）基础自动化级选型。西门子公司的S7-200系列PLC，CPU 224 CN主机有24个输入/输出点（其中输入继电器14个，输出继电器10个），根据分析台车式电阻的控制要求共有开关量输入信号40个，输出继电器32个，所以需要扩展4个I/O模块[4]。

（8）实时输出报表。具体的用组态王类C语言开发的部分程序如下所示：系统的调节器用的是以比例、积分、微分控制器（Proportion，Integral，Differentiation，PID）控制算法为基础的，下面是利用组态王中的自定义函数编写的PID控制程序程序：

3 组态王监控画面的制作

系统是在组态王软件6.53的基础上进行开发的，人机交换界面友好，系统的设计采用全中文菜单，操作方便、简单实用。温度监控系统的主画面根据要求设计了进入、退出监控系统和管理员登录的界面，形成了一个比较完善的权限管理体系[5]。具体画面与程序如图2所示。

实现停电保存功能具体实现如下：

图2 温度监控画面

温度报警画面的制作可以进行温度的下限和上限的报警，而且考虑到选择不同的工艺要选择不同的温度，所以操作人员可以根据具体的情况，改变温度的上限和下限的设定值[6]。实现实时报警和报警查询，具体如图3所示。

数据库：在通用控件—KVDBGridclass—在历史报警查询画面画出—右键点击—控制属性：数据源—选择开放数据库互连（Open Database Connectivity，ODBC）定义的数据源替数据库存储（设置）字节数[7-8]。

本系统还提供了在温度控制过程中根据工艺要求控制效果较好的工艺曲线并保存，也可以通过这个界面进行PID值的改变，不过改PID的值是由权限限制的。

4 结语

通过本次高温电阻炉智能温度监控系统的设计与实现，通过PLC、组态软件以图形的直观方式实时显示出计算机与现场输入输出设备通信、信息采集、交换的情况，最终根据现场生产过程的要求或工程人员、操作人员的要求对现场温度的输入输出设备进行控制，达到最终目的。

图3 加热区温度报警监控画面

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[5]李新春.多种控制策略在炉温控制中的应用与研究[D].沈阳：东北大学，2003.

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Design and implementation of intelligent temperature monitoring system for high temperature resistance furnace

Jia Yun, Dong Yuhe
（Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014030, China）

This paper mainly discusses the characteristics of nonlinearity and large lag in the temperature control system of resistance furnace, for its heating space is huge and the production environment is bad, it will cause severe coupling and interference of temperature field, which is an object typical difficult to control. This paper studies the optimization control problem, and carries out intelligent temperature monitoring by Kingview, PLC and other technology, which has more practical significance for improving the quality of the workpiece.

intelligent monitoring; programmable logic controller; computer control

贾云（1988— ），女，内蒙古包头人，馆员，硕士；研究方向：计算机控制。