AI溫度控制器與電爐的配合應用
廈門宇電自動化科技有限公司 技術部 邵平
關鍵詞： AI溫度控制器、電爐控制柜、數字記錄儀
一、電爐溫度控制系統的特性
電爐溫度控制系統在溫度自動控制領域是最為常見的控制類型之一。溫度控制器主要由溫度傳感器、溫度調節儀、電加熱器執行裝置、被控對象四個部分組成，其系統結構圖如圖1所示。被控制對象是大容量、大慣性的電熱爐溫度對象，是典型的多階容積遲后特性，在工程上往往近似為包含有純滯后的二階容積遲后；由于被控對象電容量大，通常采用可控硅作調節器的執行器。其具體的電路圖如 圖1
二、爐溫自動控制原理
根據爐溫對給定溫度的偏差，自動接通或斷開供給爐子的熱源能量，或連續改變熱源能量的大小，使爐溫穩定有給定溫度范圍，以滿足熱處理工藝的需要。溫度自動控制常用調節規律有二位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。電阻爐爐溫控制是這樣一個反饋調節過程，比較實際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，去調節電阻爐的熱功率，從而實現對爐溫的控制。
1）按照偏差的比例、積分和微分產生控制作用（PID控制），是過程控制中應用最廣泛的一種控制形式。
2）二位式調節－－它只有開、關兩種狀態，當爐溫低于限給定值時執行器全開；當爐溫高于給定值時執行器全閉。（執行器一般選用接觸器）
3）三位式調節－－它有上下限兩個給定值，當爐溫低于下限給定值時接觸器全開；當爐溫在上、下限給定值之間時執行器部分開啟；當爐溫超過上限給定值時執行器全閉。（如管狀加熱器為加熱元件時，可采用三位式調節實現加熱與保溫功率的不同
三、電加熱器執行器的特性：
電爐的溫度調節是通過調節器(供電能源)的斷續作用，改變電爐絲閉合時間Tb與斷開時間Tk的比值α,α=Tb/Tk。控制電路圖如 圖2
調節加熱爐的溫度，在工業上是通過在設定周期范圍內，將電路接通幾個周波，然后斷開幾個周波，改變晶閘管在設定周期內通斷時間的比例，來調節負載兩端交流平均電壓即負載功率，這就是通常所說的調功器或周波控制器；調功器是在電源電壓過零時觸發晶閘管
導通的，所以負載上得到的是完整的正弦波，調節的只是設定周期Tc內導通的電壓周波。如圖3所示，設周期Tc內導通的周期的波數為n，每個周波的周期為T，則調功器的輸出功率為P=n×T×Pn/Tc，Pn為設定周期Tc內電壓全通過時裝置的輸出功率。
四、電爐的電加熱原理
當電流在導體中流過時，因為任何導體均存在電阻，電能即在導體中形成損耗，轉換為熱能，按焦耳楞次定律：
Q＝0．2412 Rt Q—熱能，卡；
I一電流，安
R一電阻，歐姆，
t一時間，秒。
按上式推算，當1千瓦小時的電能，全部轉換為熱能時Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。
在電熱技術上按l千瓦小時＝860千卡計算。電爐在結構上是使電能轉換為熱能的設備，它能有效地用來加熱指定的工件，并保持高的效率。
五、加熱方式及電爐種類
電阻爐按熱量產生的方法不同，可分為間接加熱式和直接加熱式二大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內部有專用的電阻材料做的發熱元件。電流通過加熱元件時產生熱量，再通過熱的傳導、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，電源直接接在所需加熱的材料上，使強大的電流直接流過所需加熱的材料而使材料自己發熱達到加熱效果。工業電阻爐，大部分是采用間接加熱式的，只有一部分因加熱工藝人的特殊需要而采用直接加熱式。
電阻加熱爐基本結構及型式電阻爐是隨著機械工業的發展而發展起來的，由于各種加熱工藝及冶煉工藝上的需要，電阻爐是一個品種很多的產品。電阻爐爐體結構，分周期式及連續式二個型式來分別介紹。周期式作業爐。如箱式電爐，臺車式電爐、井式電爐等箱式電爐，外殼一般是用型鋼、鋼板焊接而成的，小型電爐由于需保持工作面的一定高度，一般均做成帶支架的，在箱型殼體下邊，有支持爐體的腿或支架。中型電爐因本身重量大及加
入爐內的工件重量也大，所以一般均直接在底盤上焊接爐體及砌磚。大型電爐可以在特定的專用的地基上設計成無鋼性底盤的結構，而就地焊接砌磚，但這種電爐在安裝后不能吊運及移動。
中小型電爐的爐門可用配重及手動裝置來開閉，下部一般均有砂封槽，有些爐門上邊也設有砂封槽，以保證良好的密封性，爐門關閉時，用壓緊裝置使爐門緊密的與門框接觸，減少漏氣。大型電爐可以用電動或氣動、液壓開閉爐門，電加熱元件一般可以在爐膛內左右側墻上及底面上布置，為了得到良好的熱場，最好在護頂上也布置電加熱元件，因為爐內工件一般堆放高度不會超過寬度，所以以上下兩個方面加熱比左右兩個方面加更為有效。大型及中型電爐可以在護門上及后墻上適當的布置一些電加熱元件，以減少爐內的溫差，為了保證爐門口的熱損失能得到更好的平衡，可以在較大的箱型電爐上靠爐門口的爐膛長度1/3處作為一個控制區。
六、電爐控制柜的硬件結構
1） AI智能溫度調節器：
是控溫系統的核心部分，AI儀表首創性地采用了平臺概念，將非常專業化的數字調節儀表轉為平臺化設計的產品，能實現比以往封閉式設計產品更快的進步及更高的性能/價格比。它包含高通用性的硬件主板（包含I/O接口及模塊插座、顯示接口插座、A/D轉換單元及電源單元），通過安裝不同的軟件及CPU、輸入/輸出模塊及顯示界面，即能適應多種不同功能的過程儀表控制要求，比如溫控器、調節器、復雜回路調節器及雙回路調節器。它主要由輸入通道、輸出通道、人機對話通道以及一些外圍電路組成，原理框圖（圖3）所示。
采用的是AI人工智能調節算法是采用模糊規則進行PID調節的一種新型算法，在誤差大時，運用模糊算法調節，以消除PID飽和積分現象，當誤差趨小時，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對象的部分特征以使效果最優化。 具有無超調、高精度、參數確定簡單、對復雜對象也能獲得較好的控制效果等特點。 圖3
在使用過程中AI調節器 結合PID調節、自學習及模糊控制技術，實現了自整定/自適應功能，及無欠調的精確調節，性能遠優于傳統PID調節器。
2）AI電爐控制柜電器回路：
具備優良的測量和控制性能，裝配高性能的可控硅電爐溫度控制柜，由于采用模塊化結構，為電爐控制柜設計帶來前所未有的方便。實現程序升降溫控制；硅鉬棒采用分段功率限制；多區溫控外部控制同步啟動/停止。其控制輸出可選用具備“燒不壞”特性的可控硅觸發模塊。 其具體的接線電路圖如 圖4
能直接用時間比例過零、移相觸發各種單向、雙向可控硅及功率模塊或選配G模塊控制固態繼電器；配合AIJK系列三相移相/周波過零可控硅調功模塊。AIJK系列是應用了單片機技術的智能化三相移相觸發及周波過零兩用觸發器，功能強大且可靠性高，能適應各種電爐絲、硅碳棒及負載采用變壓器降壓的硅鉬棒。鎢絲等各種類型工業電爐。不僅降低成本，而且簡化安裝并提高可靠性。報警輸出可選用繼電器觸點開關或可控硅無觸點開關。
3）可控硅的選擇：
根據負載接線方式的不同：星型三相四線制結構負載采用雙向可控硅（只適合300A以下可控硅）或單相可控硅反并聯電路（推薦采用MCC系列功率模塊）；星型三相三線制或三角型三相三線制結構負載采用單相可控硅＋二極管電路（推薦采用MCD系列功率模塊）；
根據加熱元件的特性，合理選擇可控硅功率的型號。功率的大小對保護可控硅有著很重要的作用。可控硅的電流簡單計算方法：加熱元件為電阻絲；三相功率18KW÷3＝每相6KW功率；每相6KW÷220V＝27A≈40A；加熱元件為硅碳棒；安全過載電流要乘3倍 ；18KW÷3相＝6KW÷220V＝27A×3倍＝81A≈90A；對于大容量的負載建議乘3.5倍。
4）晶閘管交流開關模塊的過流保護：
晶閘管元件的電壓和電流過載能力極差，尤其是耐壓能力，瞬時的過壓就會造成元件永久性的損壞。為了使元件能長期可靠地運行，必須針對過壓和過電流發生的原因采取保護措施。
過流保護可以采用外接S型快速熔斷器 ，快速熔斷器的動作時間要求在10ms以內，快速熔斷器的選用原則：它的額定電壓應略大于電路的正常工作電壓，，如380V電壓選500V的快熔；它的額定電流應按它所保護器件實際通過的電流（即根據負載的額定功率計算出模塊交流 輸入端每相的有效電流）來選配，而不是根據器件的標稱額定電流值來選配快速熔斷器。
5）模塊過電壓保護一般采用阻容吸收和壓敏電阻兩種方式并用，對于吸收時間短，電壓不高的過壓，一般采用在器件兩端并聯阻容吸收回路的方法，吸收電容把過電壓的電磁能量變成靜電能量存貯，吸收電阻除可防止回路振蕩外，還可限制關斷的晶閘管在再次導通時，電容向晶閘管放電產生開通損耗和較大di/dt值，對于持續時間較長，產生能量較大的過電壓，如雷擊引起的過電壓，將采用壓敏電阻來吸收過電壓。
元器件選擇：在選取壓敏電阻時，首先要確定它的標稱電壓（ViMA ）值 ，這是指壓敏電
阻流過1mA電流時，它兩端的電壓。在感應到電網波動以及安全系數后，一般380V電源采用1000V；220V電源采用630V的壓敏電阻。而壓敏電阻的通流容量 應大于電路實際浪涌電流值，一般為3～15KA。常用規格：單相過零40A以上壓敏電阻20D751K 750V；移相采用RC阻容模塊壓敏電阻20D751K,水泥電阻RX27-1/8W/6.8Ω，電容0.22uF/ 275V ～iv高壓電容。
6）斷偶超溫報警缺相保護在超溫報警時控制交流接觸器切斷加熱器電源。即使萬一可控硅被擊穿也能保護電爐安全。對于缺相保護建議采用三相缺相保護器獨立使用。AI系列控制柜與具備同等功能的電爐控制柜相比，AI系列具有最簡單的線路及模塊化的結構，從維護到擴充功能都十分方便。 圖5
7）接線方式與零線：
每臺加熱設備的負載的接線方式是不同若負載是加熱爐，而且負載有可能不相等時（如硅碳棒爐），三相四線制要比三相三線制有更好的平恒度，并且當某相負載開路時，三相四線制能自動監測并報警(AIJK3)因此采用三線四線制要比三相三線制性能更好些，但必須注意正確選擇零線。常規的應用中，若三相負載完全平衡，則零線相互抵消為0，所以習慣上零線用比相線要小得多的線徑。但對于三相四線制調相觸發，當相移角小于60度時，零線的電流是三條相線電流之和（三相負載輪流導通，電流全部流過零線，且相互完全無法抵消），移相角為60－120度時，零線的電流為相線的3至1倍變化，只有當可控硅完全導通時且三相負載平衡時，零線電流才為0。所以對于普通電阻絲為負載時，零線必須采用與相線相同的線徑。而對于電阻會隨溫度或隨老化程度會變的負載，如硅碳棒電爐等，由于常常工作在小移相角，零線應該采用比相線還粗的線，最好是相線安全載流量的2－3倍。不僅柜子到供電變壓器的零線也要粗，以保證零線的安全，且避免將電能過多地損耗在零線上。
8）高頻干擾：
由于移相觸發會帶來較強的1－100KHZ頻率范圍的干擾，移相觸發器應安裝在離可控硅較進的位置，但應與動力線保持一定的距離，應盡量縮短觸發線的長度，并盡量不要將不同相的觸發線平行走線。
9）柜體布置及散熱器：
柜體的大小與通風關系到交流開關模塊在通電運行過程中的正常運行，采用儀表配合可控硅設計的控制柜，設計簡單、布線合理、使用方便、查驗故障檢修快速。整個柜體只有考慮散熱的空間。在大電流經過使其晶閘管芯片的結溫升高，為了使結溫維持在最高額定值125℃以下，必須用散熱器散熱來實現。因此，散熱條件的好壞，直接影響模塊的安全、穩定和可靠運行。目前，散熱方法有水冷、風冷（強迫和自然風冷）和熱管冷卻等。電加熱控制柜一般是非標電控制柜，柜體的大小按內部的設備的合理布置來確定柜體的大小，采用自然通風與風機強制冷卻柜體有所不同可根據實際情況來設計布置。電爐控制柜體圖（圖5）所示。
