電渣重爐自動(dòng)控制系統的設計
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電渣重熔是利用電流通過(guò)熔渣時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為熱源進(jìn)行熔煉的方法。其目的主要是提純金屬，并獲得結晶組織均勻致密的鋼錠。雖然目前已有比較先進(jìn)的大型電渣重爐，但這些設備價(jià)格高、體積大，只適合于大規模工業(yè)生產(chǎn)。而目前大部分小型企業(yè)廣泛使用的電渣重爐還是基于繼電器控制的陳舊設備。這些設備損耗大、故障多、控制精度不高，嚴重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。如能對這些設備進(jìn)行改造，既能提高產(chǎn)品質(zhì)量，又能節約企業(yè)的資金?；谶@個(gè)目的，本文把原來(lái)基于繼電器控制的電渣重爐改造成了基于A(yíng)T89S51單片機的智能控制系統。
 圖1 控制系統電路框圖 |
 圖2 控制系統流程圖 |
根據以往電渣重爐的運行經(jīng)驗，當通過(guò)熔渣的電流在2800A時(shí)，生產(chǎn)出來(lái)的軋輥結晶組織均勻致密、鑄態(tài)機械性能好，產(chǎn)品質(zhì)量高。由電渣重爐的工作原理可知，電流的大小由電極和熔渣的接觸面積決定，而接觸面積由電極的進(jìn)給速度決定，因此控制電流的大小，實(shí)際上是控制電極的進(jìn)給速度，也就是控制帶動(dòng)電極進(jìn)給的直流電動(dòng)機的轉速。在實(shí)際工作中每一段電極的橫截面積的大小是不一樣的，為了保證電流的大小不變，電動(dòng)機的轉速必須能根據電極橫截面大小而變化。為了控制的精確性，本系統中選擇電極電流作為控制對象，通過(guò)對電流的閉環(huán)控制，來(lái)保證電流大小的不變。 在控制過(guò)程中首先檢測電流的大小，并與給定電流相比較，當給定電流和檢測電流的偏差在70A之內時(shí)，根據偏差的大小按照一定的算法來(lái)輸出一個(gè)電壓，把這個(gè)電壓作為整流裝置觸發(fā)電路的控制電壓，從而通過(guò)改變電樞電壓的大小來(lái)控制電機的轉速，進(jìn)而達到控制電極電流不變的目的。同時(shí)考慮到電機在運行過(guò)程中有一定的慣性，為了保證電流偏差不超過(guò)100A，當檢測電流大于給定電流70A時(shí)，把觸發(fā)電路的控制電壓變?yōu)榱?，從而切除電樞電壓，電機在負載的作用減速運行，檢測電流將迅速降低；當給定電流大于檢測電流70A時(shí)，輸出最大的觸發(fā)電路控制電壓，使電機全壓運行，電極電流將快速上升回2800A。當偏差電流在- 70A~+70A內時(shí)，系統有很好的控制線(xiàn)性度。
控制電路
本控制電路主要由AT89S51單片機、AD574模數轉換電路、AD667數模轉換電路、給定顯示電路、給定設置電路和檢測調理電路等組成，系統結構框圖如圖1所示。
AT89S51是整個(gè)系統的核心，在本系統中主要完成檢測數據的處理和控制算法的實(shí)現。單片機是一種敏感器件，各種干擾的存在很容易使它產(chǎn)生邏輯錯誤，因此，除了對它提供可靠的電源外，還必須防止生產(chǎn)環(huán)境的干擾。電渣重爐設備處在一個(gè)高溫、大電流、強電磁干擾工作環(huán)境中，特別是電磁干擾的存在嚴重影響了單片機控制電路的工作。為了減小電磁干擾的影響必須對PCB板進(jìn)行電磁兼容性布線(xiàn)，同時(shí)用電磁屏蔽罩覆蓋單片機主電路。同時(shí)，為了防止控制程序在執行過(guò)程中跑飛或進(jìn)入死循環(huán)，保證系統的正常運行，還須設計一個(gè)可靠的看門(mén)狗電路。為此在本系統中，采用了Maxim公司的MAX706看門(mén)狗專(zhuān)用芯片，它可以提供至少200ms寬度的復位脈沖，為使看門(mén)狗溢出有效必須把WDO和MR兩個(gè)引腳連接起來(lái)，同時(shí)在Vcc與GND之間及PFI與GND之間各加一濾波電容，以有效濾除因空間干擾引起的Vcc與PFI中的尖脈沖。另一方面電源和檢測調理電路會(huì )對以單片機為主的數字電路產(chǎn)生很大的干擾，因此本設計中把這三個(gè)電路分開(kāi)單獨制板。
AD574是12位逐次逼近型快速ADC。本系統采用10V量程、單極性、8位輸出方式。用一片74LS138對單片機P2.0、P2.1、P2.2進(jìn)行譯碼，以確定AD574在系統中的地址。把譯碼器的Y0和ADC的片選引腳CS相連。同時(shí)把A0和地址鎖存器74LS373的Q0端相接，用于產(chǎn)生輸出數據的高8位和低4位的邏輯信號。單片機采用中斷方式獲得ADC的輸出數據，并把這些數據存儲到片內RAM中以計算電極電流的有效值。由于電流信號是50Hz的交流量，而AD574內部沒(méi)有采樣保持器，所以為了能保證信號的正常采樣，必須在A(yíng)DC之前加上采樣保持器。本設計采用了高性能的LF398，使LF398的輸出端與AD574的信號輸入端相接。LF398的工作狀態(tài)由AD574的STS控制：當AD574正在轉換時(shí)STS=1，經(jīng)反相后使LF398呈保持狀態(tài)，以保證AD574的輸入信號穩定；當AD574轉換結束時(shí)，STS變成0，經(jīng)反相后使LF398呈采樣狀態(tài)。由于單片機無(wú)需對LF398進(jìn)行控制，所以可提高系統的速度。
經(jīng)過(guò)計算處理后的數據輸送到DAC AD667中轉換成0~5V的電壓，并作為可控硅觸發(fā)電路的控制電壓。在本系統中，可控硅觸發(fā)電路采用了杭州西子固體繼電器公司的SCR-JKK/2型單相雙路可控硅移相觸發(fā)器。當改變控制電壓的大小時(shí)，該觸發(fā)器內部便產(chǎn)生相對電網(wǎng)電壓的觸發(fā)脈沖，通過(guò)光電隔離，輸出端(A、G)便觸發(fā)相應的可控硅導通，從而達到移相調壓的目的。但是實(shí)際上觸發(fā)器只有0.8~4.6V的可調區，在0~0.8V為全關(guān)閉區，在4.6~5V為全開(kāi)通區，所以觸發(fā)器的可調量程只有3.8V。而DAC輸出的可調電壓范圍是5V，所以DAC輸出電壓在進(jìn)入觸發(fā)器之前必須進(jìn)行量程轉換，否則將出現很大的誤差。本設計中對DAC輸出電壓縮小到76%，放大器的輸出電壓通過(guò)加法電路加上0.8V的定值電壓，這樣就把0~5V的可調區變成了0.8~4.6V的可調區，從而把觸發(fā)器固有的非線(xiàn)性影響消除了。
檢測電路中通過(guò)一級電流互感器采集電極電流，由于A(yíng)D574采集的是電壓信號，所以必須把0~5A的電流轉換成0~10V的交流電壓信號。在本系統中采用了北京創(chuàng )四方電子公司的TAS1907-01型小型有源交流電流互感器，來(lái)把0~5A的交流電流信號轉換成0~5V的交流電壓信號，經(jīng)過(guò)一級放大把它轉換成0~10V的交流電壓。在把0~10V的交流電壓信號轉換成直流電壓信號過(guò)程中，為了減小整流時(shí)二極管產(chǎn)生的非線(xiàn)性，可采用絕對值整流法，這樣可以很好地避免整流非線(xiàn)性的問(wèn)題。
由于可控硅的擊穿電壓接近工作電壓，熱容量小，承受過(guò)電壓與過(guò)電流的能力較差，短時(shí)間的過(guò)電壓、過(guò)電流都可能造成可控硅的損壞，為此對本系統中的可控硅電路一方面安裝了導熱性好的散熱器，并加強整流箱的通風(fēng)性能。另一方面，在可控硅電路上并聯(lián)了一個(gè)阻容關(guān)斷過(guò)壓吸收電路，該電路的引線(xiàn)要短，電阻必須采用無(wú)感電阻。同時(shí)在整流器的交流端還安裝了星形連接的阻容吸收回路，用于吸收偶發(fā)性浪涌電壓。 軟件設計
本系統主要的控制算法都是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現的，由于系統的工作環(huán)境比較惡劣，很多因素會(huì )嚴重干擾系統的正常工作，因此在系統中除了要對主控電路進(jìn)行硬件抗干擾外，還應在軟件中進(jìn)行抗干擾設計，主要是對電流進(jìn)行數字濾波。由于在進(jìn)行電流采集時(shí)需要得到的是電流的有效值，所以在系統中可以通過(guò)AD574對正弦交流電壓信號進(jìn)行一周期采樣50次，然后在程序中通過(guò)一定算法得到電流的有效值?？刂屏鞒倘鐖D2所示。
結語(yǔ)
在研制這套電渣重爐系統中遇到了不少困難，主要是系統的工作環(huán)境比較惡劣，經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)和調試終于研制成符合要求的電渣重爐系統。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)改造的電渣重爐生產(chǎn)出來(lái)的軋輥質(zhì)量比原來(lái)有很大提高，達到了預想的目的。而且本系統將來(lái)還可在不改變硬件系統的情況下進(jìn)行升級，通過(guò)采用更先進(jìn)的控制算法，來(lái)提高系統的控制精度，從而大大降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。
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