箱式電阻爐電氣系統的改進
黑龍江華安機械有限責任公司供電公司
王萍 張秋亮 張廣智
摘要：分析了箱式電阻爐電氣系統的工作原理及其局限性，介紹了采用雙向晶閘管移相觸發控制對電氣系統進行改造的原理和實踐。
關鍵詞：箱式電阻爐；電氣系統；雙向晶閘管；移相觸發；自整定
1.改進前箱式電阻爐電氣系統及工作原理：
箱式電阻爐是一種對金屬工件進行加熱、回火等的熱處理設備。箱式電阻爐的型號為RX－45－9，即通過溫控儀表XCT－101對爐膛內熱電偶WRS－121采集的溫度信號進行處理來控制接觸器的通斷，從而達到對電阻爐加熱和保溫的控制，其電氣原理圖見圖1：
圖1箱式電阻爐電氣原理圖
工作時爐溫未達到設定值，溫控儀表的下限觸點閉合，中間繼電器ZJ線圈得電，ZJ常開觸點閉合，接觸器KM線圈得電，KM主觸頭閉合，對電爐進行加熱；當溫度達到設定值時，溫控儀表的下限觸點斷開，ZJ斷電，KM斷開，加熱停止；當電爐內溫度降到設定值的下限時，溫控儀表的下限觸點又閉合，重復上面加熱過程。若下限觸點溫控失靈，易造成爐溫過高。當它超過設定值的上限時，溫控儀表的上限觸點閉合，時間斷電器SJ工作，延時一段時間后，繼電器ZK工作，切斷KM，整個系統停止加熱。
該系統在爐內溫度達到工藝要求的設定值并保持時，接觸器在斷合之間進行切換，以保證爐溫保持衡定。由于接觸器在切換時電流的變化率大，長時間運行會造成接觸器的觸點粘連，導致超溫事故發生，嚴重時會造成工件報廢。同時該系統溫度控制精度較低，不能滿足要求比較高的工藝方案。
2.雙向晶閘管的原理及電路改造
2.1雙向晶閘管的原理
隨著半導體技術的發展，功率半導體元件得到了廣泛應用，特別是在一些老設備的電氣升級改造中采用半導體元件的效果非常明顯，此次我們也采用了雙向晶閘管的交流開關的作用。雙向晶閘管也叫做硅對稱開關或雙向可控硅。它是一種大功率半導體元器件，只用一個控制極就可以實現兩個方向上的控制導通，代替了兩個反向并聯的普通晶閘管，使電氣線路得到簡化，并且它對觸發信號要求不高，不管是交流信號、直流信號還是脈沖信號均可以導通，實現了以微小的電信號對大功率電能的控制和變換。它的控制線路具有結構簡單、成本低、控制準確、靈活性強的特點，這也是我們采用它的主要原因。其伏安特性曲線圖如圖2：
圖2雙向晶閘管伏安特性曲線圖
該系統改造的主要思想是利用原來的控制箱，將簡單的位式調節控制交流接觸器，改為PID調節，對雙向晶閘管移相觸發控制。該系統主電路利用對雙向晶閘管的導通角的控制來實現對輸入輸出電壓的控制。系統工作時，工作時爐溫未達到設定值，溫控儀表的下限觸點閉合，接觸器KM3線圈得電，KM3常開觸點閉合，雙向晶閘管得電，對電爐進行加熱；當溫度達到設定值時，溫控儀表的下限觸點斷開，KM3斷電，KM3斷開，加熱停止；當電爐內溫度降到設定值的下限時，溫控儀表的下限觸點又閉合，重復上面加熱過程。當它超過設定值的上限時，溫控儀表的上限觸點閉合，報警器開始工作。同時切斷KM3，雙向晶閘管立即斷電，整個系統停止加熱，起到預防超溫事故發生的作用。
為了系統安全穩定的運行,在每個雙向晶閘管的兩端并聯一個電阻和電容，對電路的過電壓和涌流都有很好的抑制和吸收作用；在每個雙向晶閘管的控制端并聯一個電阻，來限制控制極電壓過高。為了防止溫度過高對雙向晶閘管的損害，選用了RTO-80A型的快速熔斷器和軸流風機，加強對雙向晶閘管保護和散熱。其改進后的箱式電阻爐電路示意圖見圖3：
2.2 PID調節
為了精確地控制雙向晶閘管的輸出，特選用了具有PID調節功能的PC900溫控儀。該溫控儀具有溫度設定方便、PID調節及自整定等功能，能滿足不同工藝的設置。它采用的是先進的調節方式，是模糊規則進行PID調節的一種新數字算法。在誤差大時，運用模糊算法進行調節，以消除PID飽和積分現象。當誤差小時。采用改進后的PID算法進行調節，并能在調節中自動學習和記憶被控制對
圖3箱式電阻爐電氣示意圖
象的部分特征以使效果最優化，具有無超調、精度高、萬能輸入、萬能輸出等特點。改變內部參數Sn選擇不同的輸入規格、安裝不同的輸出模塊。配上內部參數oP1的不同設置確不同的輸出方式；修改內部參數sc可以修正輸入信號誤差或系統誤差。PID參數的設定使控制更加穩定，并可根據現場的實際要求進行手動設定，由于超調量大，如果對到達穩定時間的要求不高，在到達穩態前可增大比例帶克服超調，如要加快到達穩定的時間，而允許少量的超調時，可適當減小比例帶；當測量值在設定值上下緩慢波動時，可適當減小積分時間或增大比例帶；當測量值在設定值上下頻繁波動時，可適當減小微分時間。該溫控儀還具有將占空比輸出（PWM脈寬）轉換成轉換數（或移相脈沖）的功能，使負載電流的一個全正弦波為基本時間單位均勻分布。溫控儀輸出不同功率的波形圖見圖4：
圖3調功波形圖
2.3數字PID控制算法
將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制，這樣控制器稱為PID控制器。
PID控制器最先出現在模擬控制系統中，傳統的模擬PID控制是通過硬件來實現他的功能。隨著計算機的出現，把它移植到計算機控制系統中來，將原來的硬件實現的功能用軟件代替。因此成為數字PID控制器，所形成的一套算法被稱為數字PID算法。數字PID控制算法可以分為位置式PID控制算法和增量式PID算法，設計采用增量式PID算法并詳細介紹。
增量式PID是指數字控制器的輸出只是控制量的增量uk。當執行機構需要的量是增量（例如伺服電機的驅動），而不是位置量的絕對值時，可以使用增量式PID控制算法進行控制。
增量式PID控制算法可通過式（2.1）推導出。由式可得控制器在第k-1個采樣時刻的輸出值為
（2.1）
（2.2）
將式（1.1）與式（1.2）相減，并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式為
（2.3）
式中：
或者上式 uk還可以寫成下面的形式
（2.4）
式中：
由式（2.3）可以看出，如果計算機控制系統采用恒定的采樣周期T，一旦確定了A、B、C，只要使用3次測量值的偏差，就可以由式（2.3）求出控制增量。增量式PID控制算法與
位置式算法式相比，計算量小的多，在實際中得到廣泛的應用。
2.4 控制系統參數整定
采樣周期的選擇受多方面因素的影響，主要考慮的因素分析如下：
（1）、采樣周期必須滿足香農（Shannon）采樣定理，即式（2.5）
（2.5）
（2.6）
（2.7）
max被采樣信號的上限角頻率
給出了采樣周期的上限。滿足這一定理，采樣信號方可恢復或近似地恢復為原模擬信號，而
不丟失主要信息。在這個限制范圍內，采樣周期越小，采樣-數據控制系統的性能越接近于連
續-時間控制系統。
（2）、閉環系統對給定信號的跟蹤，要求采樣周期要小。
（3）、從抑制擾動的要求來說，采樣周期應該選擇得小些。
（4）、從執行元件的要求來看，有時要求輸入控制信號要保持一定的寬度。
（5）、從計算機精度考慮，采樣周期不宜過短。
（6）、從系統成本上考慮，希望采樣周期越長越好。
綜合上述各因素，選擇采樣周期，應在滿足控制系統的性能要求的條件下， 盡可能地選擇低的采樣速率。
臨界振蕩周期Ts的確定，初始確定數字PID參數時，在用上述方法確定采樣周期T的條件下，
從調速系統的PID調節回路中，去掉數字控制器的微分控制作用和積分控制作用，只采用比例調節環節來確定系統的振蕩周期Ts和臨界比例系數Ks。由單片機系統自動控制比例系數Kp，并逐漸增大Kp，直到系統出現持續的等幅振蕩，然后由單片機系統自動記錄并顯示調速系統發生等幅振蕩時的臨界比例度δ和相應的臨界振蕩周期Ts。
控制度就是以模擬調節器為基礎，定量衡量數字控制系統與模擬調節器對同一對象的控制效果。控制效果就是采用某一積分準則，根據系統在規定的輸入下的輸出響應。
如前所述，采樣周期T的長短會影響系統的控制品質，同樣是最佳整定，數字控制系統的品質要低于模擬系統的控制品質。即控制度總是大于1的，且控制度越大，相應的數字控制系統品質越差。
