一种用于高温炉温度控制系统的温度控制方法

摘要

本发明涉及一种用于高温炉温度控制系统的温度控制方法，通过PLC控制可控硅的输出电压，进而通过变压器控制高温炉的升温速度，利用温度传感器实时检测高温炉的温度并反馈给PLC以调整其输出给可控硅的信号，从而实现对高温炉的工作温度的实时监控。本发明通过采取逐级控温法，即将目标温度由低到高划分为不同的温度段，随着炉内温度的升高逐渐降低升温速率。从而实现在低温阶段快速升温，既保证效率又能够有效地防止加热不均匀；在高温阶段缓慢升温，显著提高了高温炉的控温精度以及温度的稳定性，并且避免加热过快造成加热炉故障。本发明尤其适合应用于1700度以上的高温冶炼工业。

说明书

技术领域

本发明涉及控制领域，具体而言，涉及一种用于高温炉温度控制系统的温度控制方法。

背景技术

在产品的制造和加工过程中，很多环节需要精确控制温度以确保产品质量，例如在冶金工业，加热炉的温度控制直接影响所冶炼的金属产品质量；在半导体微加工工艺，加热炉的温度控制直接影响硅片或半导体器件的性能。因此，温度的检测和控制技术是工业生产中必不可少的技术手段。传统的温度控制装置一般采用继电器控制技术，即采用固定接线的硬件来实现各种逻辑顺序关系，其缺点在于：(1)系统庞大导致占地面积过大，并且不易控制；(2)故障率高，不能保障安全生产；(3)控温精度不高及稳定性差，不能满足工艺需求；(4)耗电大，不利于节能减排。

尤其是对于大型高温炉设备，以上弊端更为明显，不利于大规模工业生产的应用。例如，专利号为ZL200810118616.3的专利公开了一种高温熔盐电解二氧化钛制备金属钛的方法，其产品钛在液态下出料。由于钛属于稀有难熔金属，其熔点为1668℃，要使其为熔融态，同时保证电解的正常进行，钛高温电解炉的温度需达到1800℃，为了保证电解高质量的二氧化钛，在高温下对电解炉的温度控制至关重要。

因此，需要一种能够精确安全地控制高温炉温度的方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于高温炉温度控制系统的温度控制方法，所述高温炉温度控制系统包括PLC、可控硅、变压器、高温炉和温度传感器，其中，所述高温炉包括加热池、发热元件、隔热屏、包括石墨棉和玻璃棉的保温层、带有水冷套的炉壳和带有水冷套的炉盖，所述温度控制方法包括以下步骤：

步骤1：在PLC上设定目标温度SP，然后对变压器通电，PLC对可控硅的控制极输出幅值为s1和脉宽为w1的第一触发脉冲Q1；

步骤2：可控硅在第一触发脉冲Q1的作用下导通，导通角为θ(0≤θ≤180度)，可控硅输出直流电压V1以便为变压器提供励磁电压，变压器的输出电压V2施加于高温炉的发热元件，高温炉的升温速率记为v₁；

步骤3：温度传感器实时采集高温炉的温度值T，并且将所采集的温度值T传输至PLC；

步骤4：PLC将接收的温度值T与预设的第一级温度阈值T₁进行比较：

若T＜T₁，则继续对可控硅输出第一触发脉冲Q1，并重复步骤2-4直至T≥T₁；

若T≥T₁，则对可控硅输出幅值为s2和脉宽为w2的第二触发脉冲Q2，s1＝s2，w2＜w1；

步骤5：可控硅在第二触发脉冲Q2的作用下调整其导通角θ以使其减小，进而调整其输出电压V1减小，即变压器的励磁电压减小，变压器的输出电压V2减小，从而使高温炉的升温速率为v₂，v₂＜v₁；

步骤6：温度传感器实时采集高温炉的温度值T，并且将所采集的温度值T传输至PLC；

步骤7：PLC将接收的温度值T与预设的第二级温度阈值T₂进行比较，其中T₂＞T₁：

若T₁≤T＜T₂，则继续对可控硅20输出第二触发脉冲Q2，并

重复步骤5-7直至T≥T₂；

若T≥T₂，则对可控硅输出幅值为s3和脉宽为w3的第三触发脉冲Q3，s2＝s3，w3＜w2；

……

以此类推，根据预设的逐级升高的温度阈值T_n来逐级降低高温炉的升温速率v_n+1(n≥1)，直至高温炉的温度值T达到目标温度SP；

步骤8：当温度T升高至或者高于目标温度SP时，PLC停止向可控硅输出触发脉冲Q，使可控硅的导通角θ为零，可控硅关断，从而使高温炉的发热元件停止工作。

本发明的温度控制方法通过利用PLC取代传统的继电器，同时采用可控硅变压器实现无级调压，将成熟的可编程逻辑控制技术与电子电力技术相结合，显著提高了高温炉的控温精度，实现经济高效稳定的控温，尤其适合应用于1700度以上的高温冶炼工业。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，本发明的附图是示意性的，因此并没有按比例绘制。其中：

图1为高温炉温度控制系统的结构示意图；

图2为高温炉的结构图；

图3为高温炉温度控制系统的控制原理图；

图4为高温炉温度控制系统中的PLC的硬件结构图；

图5为用于高温炉温度控制系统控制高温炉温度的方法流程图。

具体实施方式

本发明提供一种高温炉温度控制系统，该控温系统专为一种工作温度在1700℃以上的大型钛高温电解炉而设计。图1所示为该温度控制系统的结构图，该系统包括：PLC10、可控硅20、变压器30、高温炉40和温度传感器50。

高温炉40的结构参照图2，主要包括加热池1、发热元件2、隔热屏3、包括石墨棉4和玻璃棉5的保温层、带有水冷套的炉壳6和带有水冷套的炉盖7，炉体为长方体，长为3m，宽为1.5m，高为2m。高温炉底部铺设耐火砖8。为提高炉内温度场的均匀性，加热池1分为四区控温，每区构成独立闭环回路，进行温度控制。为减少炉壁的热损失，在电热元件2的四周平行设置三层石墨隔热屏3，以及在隔热屏3的最外层和炉壳6之间依次填充有石墨棉4和玻璃棉5作为保温层。为减少熔池对炉盖7的热辐射，在熔池上方设置三层熔池盖板9，炉盖7上密封插入石墨电极13、加料管11以及出料管12。

其中，PLC10的输出信号输入至可控硅20，可控硅20根据输入信号改变输出量并输入至变压器30，变压器30由此改变输出电压并将其施加给高温炉40的发热元件2，温度传感器50实时采集高温炉40的温度，并且将所采集的温度信号反馈给PLC10，PLC10根据温度的变化来改变输出信号，进而改变施加到发热元件2上的电压值，从而使该系统的五个部件构成一个封闭的单向循环系统。

该系统通过PLC10控制高温炉温度的控制原理图如图3所示。首先在PLC10上设置目标温度SP，PLC系统对目标温度SP进行计算以输出具有定幅值和定脉宽的触发脉冲Q给可控硅20的控制极，可控硅20被导通，其导通角为θ(0≤θ≤180度)，可控硅20输出直流电压V1给变压器30作为其励磁电压，变压器30的输出电压V2施加于高温炉40内的发热元件2，从而调整高温炉40的升温速率及温度，温度传感器50实时采集高温炉40的温度T并且将其反馈给PLC10，PLC10将实际温度T和目标温度SP进行差值比较，以调整其输出给可控硅20的信号。以此循环，从而实现对高温炉40的温度的实时控制。在上述过程中，可控硅20是间歇式地输出直流电压给变压器30，引起变压器内部的电磁感应变化，从而产生输出电压。

本发明实施例中的PLC10采用西门子S7-200系统，其硬件结构如图4所示，包括：CPU、数字信号输入/输出模块(DI/DO)、模拟信号输入/输出模块(AI/AO)。其中，CPU是PLC的控制核心，其配置为CPU226CN，优选型为CPU226-2BD23-OXA8，其I/O点数为24/16；DI/DO的配置为EM223或EM221，其中，EM223的优选型为EM 223-1PM22-OXA8，32输入24VDC/32继电器输出，以及EM 223-1PL22-OXA，16输入24VDC/16继电器输出，EM221的优选型为EM221-1BH22-OXA8，16点输入24VDC输出；AI/AO的配置为EM231或EM232，EM231的优选型为EM231-OHC22-OXA8，AI位数为4×12位，EM232的优选型为232-OHD22-OXA8，AO位数为4×12位。

优选地，S7-200的PPI接口的物理特性为RS-485，可以在PPI、MPI和自由通讯口方式下工作，为实现PLC与上位机的通讯提供了多种选择。

可选地，PLC10还包括显示屏，例如Eview500系列的触摸式显示屏，以实现人机对话功能，具体包括：显示系统状态、故障情况，显示主要控制参数(高温炉升温速率及温度值)的实时变化情况及趋势图，修改参数等功能，使PLC的控制操作直观易行。

可选地，PLC10还包括以太网模块，例如CP243-1，其作用是将PLC直接连入以太网，通过以太网进行远距离交换数据，与其他的PLC进行数据传输，通信基于TCP/IP，安装方便、简单。

PLC是本发明提供的温度控制系统的核心装置，其通过采用模块化设计概念，实现温度模拟量、数字化控制，由于PLC的运算速度快、精度高、准确可靠，从而提高了整套高温炉温度控制系统的可靠性、抗干扰性以及控温精度。并且，PLC具有兼容性好、扩展性强、直观易操作、维护方便的优点。

可控硅20在该系统中实现可控整流和无级调压的作用，由PLC10根据目标温度与反馈温度的差值输出具有定幅值和定脉宽的触发脉冲来调整可控硅20的导通角θ，进而调整可控硅的输出直流电压，即调整变压器30的励磁电压。可控硅20为单向可控硅，以避免承受反向高电压。在本发明实施例中，可控硅优选山东威海星佳电子有限公司的型号为MFC-55A-1200V的可控硅。

变压器30能够根据负载需求调整其输出电压，优选为具有可调磁性的磁性变压器；鉴于本发明提供的控温系统用于超高加热温度(1700度以上)的高温炉，故优选采用低压大电流变压器，例如型号为TSH-485/0.5的变压器。

温度传感器50可以为接触式或非接触式温度传感器，由于高温炉的工作温度需要达到1700度以上的高温，因此本发明实施例优选地采用测温上限不受感温元件耐温程度限制的非接触式温度传感器，如红外温度传感器。另外，温度传感器50可以是电阻输出型、电压输出型或者电流输出型模拟温度传感器。在本发明实施例中，为了匹配温度控制系统的S7-200型PLC，温度传感器50优选的为电流输出型温度传感器，其电流输出为4-20mA的标准信号，可以直接输入到PLC处理，从而不需要在PLC中设置的模拟信号转换回路。

利用该系统控制高温炉温度的方法如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：在PLC10上设定目标温度SP，然后对变压器30通电，PLC10对可控硅20的控制极输出幅值为s1和脉宽为w1的第一触发脉冲Q1。

步骤2：可控硅20在第一触发脉冲Q1的作用下导通，导通角为θ(0≤θ≤180度)，可控硅20输出直流电压V1以便为变压器30提供励磁电压，变压器30的输出电压V2施加于高温炉40的发热元件2，高温炉40的升温速率记为v₁。

步骤3：温度传感器50实时采集高温炉40的温度值T，并且将所采集的温度值T传输至PLC10。

步骤4：PLC10将接收的温度值T与预设的第一级温度阈值T₁进行比较：

若T＜T₁，则继续对可控硅20输出第一触发脉冲Q1，并重复步骤2-4直至T≥T₁；

若T≥T₁，则对可控硅20输出幅值为s2和脉宽为w2的第二触发脉冲Q2，s1＝s2，w2＜w1。

步骤5：可控硅20在第二触发脉冲Q2的作用下调整其导通角θ以使其减小，进而调整其输出电压V1减小，即变压器30的励磁电压减小，变压器30的输出电压V2减小，从而使高温炉40的升温速率为v₂，v₂＜v₁。

步骤6：温度传感器50实时采集高温炉40的温度值T，并且将所采集的温度值T传输至PLC10。

步骤7：PLC10将接收的温度值T与预设的第二级温度阈值T₂进行比较，其中T₂＞T₁：

若T₁≤T＜T₂，则继续对可控硅20输出第二触发脉冲Q2，并重复步骤5-7直至T≥T₂；

若T≥T₂，则对可控硅20输出幅值为s3和脉宽为w3的第三触发脉冲Q3，s2＝s3，w3＜w2。

……

以此类推，根据预设的逐级升高的温度阈值T_n来逐级降低高温炉40的升温速率v_n+1(n≥1)，直至高温炉40的温度值T达到目标温度SP。

步骤8：当温度T升高至或者高于目标温度SP时，PLC10停止向可控硅20输出触发脉冲Q，使可控硅20的导通角θ为零，可控硅20关断，从而使高温炉40的发热元件2停止工作。

在本发明一个优选的实施例中，取n＝1，即分两步对高温炉升温。当高温炉40的温度低于第一级温度阈值T₁，例如1000度，PLC10控制高温炉40的升温速率为4.0-6.5度/分钟，优选值为5.5度/分钟；当高温炉40的温度达到或者超过第一级温度阈值T₁，PLC10控制高温炉的升温速率为0.5-4.0度/分钟，优选值为2.1度/分钟。

本发明通过采取逐级控温法，即将目标温度由低到高划分为不同的温度段，随着炉内温度的升高逐渐降低升温速率。从而实现在低温阶段快速升温，既保证效率又能够有效地防止加热不均匀；在高温阶段缓慢升温，有效地提高控温精度及温度的稳定性，并且避免加热过快造成加热炉故障。利用上述方法可以使控温精度达到千分之三以内，较之传统的百分之五左右的控温精度有显著提高。本发明尤其适合应用于1700度以上的高温冶炼工业。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。