專利名稱：一種用于高溫爐溫度控制系統(tǒng)的溫度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制領(lǐng)域，具體而言，涉及一種用于高溫爐溫度控制系統(tǒng)的溫度控制方法。
背景技術(shù)：
在產(chǎn)品的制造和加工過程中，很多環(huán)節(jié)需要精確控制溫度以確保產(chǎn)品質(zhì)量，例如在冶金工業(yè)，加熱爐的溫度控制直接影響所冶煉的金屬產(chǎn)品質(zhì)量；在半導(dǎo)體微加工工藝，加熱爐的溫度控制直接影響硅片或半導(dǎo)體器件的性能。因此，溫度的檢測和控制技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的技術(shù)手段。傳統(tǒng)的溫度控制裝置一般采用繼電器控制技術(shù)，即采用固定接線的硬件來實(shí)現(xiàn)各種邏輯順序關(guān)系，其缺點(diǎn)在于(1)系統(tǒng)龐大導(dǎo)致占地面積過大，并且不易控制；(2)故障率高，不能保障安全生產(chǎn)；(3)控溫精度不高及穩(wěn)定性差，不能滿足工藝需求；(4)耗電大，不利于節(jié)能減排。尤其是對于大型高溫爐設(shè)備，以上弊端更為明顯，不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用。 例如，專利號為ZL200810118616. 3的專利公開了一種高溫熔鹽電解二氧化鈦制備金屬鈦的方法，其產(chǎn)品鈦在液態(tài)下出料。由于鈦屬于稀有難熔金屬，其熔點(diǎn)為1668°C，要使其為熔融態(tài)，同時保證電解的正常進(jìn)行，鈦高溫電解爐的溫度需達(dá)到1800°C，為了保證電解高質(zhì)量的二氧化鈦，在高溫下對電解爐的溫度控制至關(guān)重要。因此，需要一種能夠精確安全地控制高溫爐溫度的方法。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種用于高溫爐溫度控制系統(tǒng)的溫度控制方法，所述高溫爐溫度控制系統(tǒng)包括PLC、可控硅、變壓器、高溫爐和溫度傳感器，其中，所述高溫爐包括加熱池、發(fā)熱元件、隔熱屏、包括石墨棉和玻璃棉的保溫層、帶有水冷套的爐殼和帶有水冷套的爐蓋，所述溫度控制方法包括以下步驟步驟1 在PLC上設(shè)定目標(biāo)溫度SP，然后對變壓器通電，PLC對可控硅的控制極輸出幅值為si和脈寬為wl的第一觸發(fā)脈沖Ql ；步驟2 可控硅在第一觸發(fā)脈沖Ql的作用下導(dǎo)通，導(dǎo)通角為θ θ < 180度)， 可控硅輸出直流電壓Vl以便為變壓器提供勵磁電壓，變壓器的輸出電壓V2施加于高溫爐的發(fā)熱元件，高溫爐的升溫速率記為V1 ；步驟3 溫度傳感器實(shí)時采集高溫爐的溫度值Τ，并且將所采集的溫度值T傳輸至 PLC ；步驟4 =PLC將接收的溫度值T與預(yù)設(shè)的第一級溫度閾值T1進(jìn)行比較若T < T1,則繼續(xù)對可控硅輸出第一觸發(fā)脈沖Q1，并重復(fù)步驟2-4直至T≥T1 ；若T彡T1，則對可控硅輸出幅值為s2和脈寬為w2的第二觸發(fā)脈沖Q2，si = s2, w2 < wl ；步驟5:可控硅在第二觸發(fā)脈沖Q2的作用下調(diào)整其導(dǎo)通角θ以使其減小，進(jìn)而調(diào)整其輸出電壓Vl減小，即變壓器的勵磁電壓減小，變壓器的輸出電壓V2減小，從而使高溫爐的升溫速率為v2，V2 < V1 ；步驟6 溫度傳感器實(shí)時采集高溫爐的溫度值T，并且將所采集的溫度值T傳輸至 PLC ；步驟7 =PLC將接收的溫度值T與預(yù)設(shè)的第二級溫度閾值T2進(jìn)行比較，其中T2 > T1:若T1彡T < T2，則繼續(xù)對可控硅20輸出第二觸發(fā)脈沖Q2，并重復(fù)步驟5-7直至T彡T2 ；若T彡T2,則對可控硅輸出幅值為s3和脈寬為w3的第三觸發(fā)脈沖Q3，s2 = s3, w3 < w2 ；......以此類推，根據(jù)預(yù)設(shè)的逐級升高的溫度閾值！；來逐級降低高溫爐的升溫速率 vn+1(n彡1)，直至高溫爐的溫度值T達(dá)到目標(biāo)溫度SP ；步驟8 當(dāng)溫度T升高至或者高于目標(biāo)溫度SP時，PLC停止向可控硅輸出觸發(fā)脈沖 Q，使可控硅的導(dǎo)通角θ為零，可控硅關(guān)斷，從而使高溫爐的發(fā)熱元件停止工作。本發(fā)明的溫度控制方法通過利用PLC取代傳統(tǒng)的繼電器，同時采用可控硅變壓器實(shí)現(xiàn)無級調(diào)壓，將成熟的可編程邏輯控制技術(shù)與電子電力技術(shù)相結(jié)合，顯著提高了高溫爐的控溫精度，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定的控溫，尤其適合應(yīng)用于1700度以上的高溫冶煉工業(yè)。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，本發(fā)明的附圖是示意性的，因此并沒有按比例繪制。其中圖1為高溫爐溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為高溫爐的結(jié)構(gòu)圖；圖3為高溫爐溫度控制系統(tǒng)的控制原理圖；圖4為高溫爐溫度控制系統(tǒng)中的PLC的硬件結(jié)構(gòu)圖；圖5為用于高溫爐溫度控制系統(tǒng)控制高溫爐溫度的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種高溫爐溫度控制系統(tǒng)，該控溫系統(tǒng)專為一種工作溫度在1700°C以上的大型鈦高溫電解爐而設(shè)計(jì)。圖1所示為該溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)包括PLC10、 可控硅20、變壓器30、高溫爐40和溫度傳感器50。高溫爐40的結(jié)構(gòu)參照圖2，主要包括加熱池1、發(fā)熱元件2、隔熱屏3、包括石墨棉4 和玻璃棉5的保溫層、帶有水冷套的爐殼6和帶有水冷套的爐蓋7，爐體為長方體，長為3m， 寬為1.5m，高為an。高溫爐底部鋪設(shè)耐火磚8。為提高爐內(nèi)溫度場的均勻性，加熱池1分為四區(qū)控溫，每區(qū)構(gòu)成獨(dú)立閉環(huán)回路，進(jìn)行溫度控制。為減少爐壁的熱損失，在電熱元件2的四周平行設(shè)置三層石墨隔熱屏3，以及在隔熱屏3的最外層和爐殼6之間依次填充有石墨棉4和玻璃棉5作為保溫層。為減少熔池對爐蓋7的熱輻射，在熔池上方設(shè)置三層熔池蓋板9，爐蓋7上密封插入石墨電極13、加料管11以及出料管12。其中，PLClO的輸出信號輸入至可控硅20，可控硅20根據(jù)輸入信號改變輸出量并輸入至變壓器30，變壓器30由此改變輸出電壓并將其施加給高溫爐40的發(fā)熱元件2，溫度傳感器50實(shí)時采集高溫爐40的溫度，并且將所采集的溫度信號反饋給PLC10，PLClO根據(jù)溫度的變化來改變輸出信號，進(jìn)而改變施加到發(fā)熱元件2上的電壓值，從而使該系統(tǒng)的五個部件構(gòu)成一個封閉的單向循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過PLClO控制高溫爐溫度的控制原理圖如圖3所示。首先在PLClO上設(shè)置目標(biāo)溫度SP，PLC系統(tǒng)對目標(biāo)溫度SP進(jìn)行計(jì)算以輸出具有定幅值和定脈寬的觸發(fā)脈沖Q 給可控硅20的控制極，可控硅20被導(dǎo)通，其導(dǎo)通角為θ < 180度)，可控硅20輸出直流電壓Vl給變壓器30作為其勵磁電壓，變壓器30的輸出電壓V2施加于高溫爐40內(nèi)的發(fā)熱元件2，從而調(diào)整高溫爐40的升溫速率及溫度，溫度傳感器50實(shí)時采集高溫爐40的溫度T并且將其反饋給PLC10，PLC10將實(shí)際溫度T和目標(biāo)溫度SP進(jìn)行差值比較，以調(diào)整其輸出給可控硅20的信號。以此循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對高溫爐40的溫度的實(shí)時控制。在上述過程中，可控硅20是間歇式地輸出直流電壓給變壓器30，引起變壓器內(nèi)部的電磁感應(yīng)變化， 從而產(chǎn)生輸出電壓。本發(fā)明實(shí)施例中的PLClO采用西門子S7-200系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括 CPU、數(shù)字信號輸入/輸出模塊(DI/D0)、模擬信號輸入/輸出模塊(ΑΙ/Α0)。其中，CPU是PLC 的控制核心，其配置為CPU2^CN，優(yōu)選型為CPU2^-2BD23-0XA8，其I/O點(diǎn)數(shù)為M/16 ；DI/ DO 的配置為 EM223 或EM221，其中，EM223 的優(yōu)選型為 EM 223-1PM22-0XA8, 32 輸入 MVDC/32 繼電器輸出，以及EM 223-lPL22-0XA，16輸入MVDC/16繼電器輸出，EM221的優(yōu)選型為 EM221-1BH22-0XA8,16 點(diǎn)輸入 MVDC 輸出；ΑΙ/Α0 的配置為 EM231 或 EM232，EM231 的優(yōu)選型為 EM231-0HC22-0XA8，AI 位數(shù)為 4X 12 位，EM232 的優(yōu)選型為 232-0HD22-0XA8，AO 位數(shù)為 4X12 位。優(yōu)選地，S7-200的PPI接口的物理特性為RS-485，可以在PPI、MPI和自由通訊口方式下工作，為實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的通訊提供了多種選擇?？蛇x地，PLClO還包括顯示屏，例如Eview500系列的觸摸式顯示屏，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話功能，具體包括顯示系統(tǒng)狀態(tài)、故障情況，顯示主要控制參數(shù)(高溫爐升溫速率及溫度值)的實(shí)時變化情況及趨勢圖，修改參數(shù)等功能，使PLC的控制操作直觀易行?？蛇x地，PLClO還包括以太網(wǎng)模塊，例如CPM3-1，其作用是將PLC直接連入以太網(wǎng)，通過以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離交換數(shù)據(jù)，與其他的PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通信基于TCP/IP，安裝方便、簡單。PLC是本發(fā)明提供的溫度控制系統(tǒng)的核心裝置，其通過采用模塊化設(shè)計(jì)概念，實(shí)現(xiàn)溫度模擬量、數(shù)字化控制，由于PLC的運(yùn)算速度快、精度高、準(zhǔn)確可靠，從而提高了整套高溫爐溫度控制系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性以及控溫精度。并且，PLC具有兼容性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、直觀易操作、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。可控硅20在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可控整流和無級調(diào)壓的作用，由PLClO根據(jù)目標(biāo)溫度與反饋溫度的差值輸出具有定幅值和定脈寬的觸發(fā)脈沖來調(diào)整可控硅20的導(dǎo)通角θ，進(jìn)而調(diào)整可控硅的輸出直流電壓，即調(diào)整變壓器30的勵磁電壓?？煽毓?0為單向可控硅，以避免承受反向高電壓。在本發(fā)明實(shí)施例中，可控硅優(yōu)選山東威海星佳電子有限公司的型號為 MFC-55A-1200V 的可控硅。變壓器30能夠根據(jù)負(fù)載需求調(diào)整其輸出電壓，優(yōu)選為具有可調(diào)磁性的磁性變壓器；鑒于本發(fā)明提供的控溫系統(tǒng)用于超高加熱溫度(1700度以上)的高溫爐，故優(yōu)選采用低壓大電流變壓器，例如型號為TSH-485/0. 5的變壓器。溫度傳感器50可以為接觸式或非接觸式溫度傳感器，由于高溫爐的工作溫度需要達(dá)到1700度以上的高溫，因此本發(fā)明實(shí)施例優(yōu)選地采用測溫上限不受感溫元件耐溫程度限制的非接觸式溫度傳感器，如紅外溫度傳感器。另外，溫度傳感器50可以是電阻輸出型、電壓輸出型或者電流輸出型模擬溫度傳感器。在本發(fā)明實(shí)施例中，為了匹配溫度控制系統(tǒng)的S7-200型PLC，溫度傳感器50優(yōu)選的為電流輸出型溫度傳感器，其電流輸出為4-20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號，可以直接輸入到PLC處理，從而不需要在PLC中設(shè)置的模擬信號轉(zhuǎn)換回路。利用該系統(tǒng)控制高溫爐溫度的方法如圖5所示，包括以下步驟步驟1 在PLClO上設(shè)定目標(biāo)溫度SP，然后對變壓器30通電，PLClO對可控硅20 的控制極輸出幅值為si和脈寬為wl的第一觸發(fā)脈沖Q1。步驟2 可控硅20在第一觸發(fā)脈沖Ql的作用下導(dǎo)通，導(dǎo)通角為θ (0 < θ < 180 度)，可控硅20輸出直流電壓Vl以便為變壓器30提供勵磁電壓，變壓器30的輸出電壓V2 施加于高溫爐40的發(fā)熱元件2，高溫爐40的升溫速率記為Vl。步驟3 溫度傳感器50實(shí)時采集高溫爐40的溫度值T，并且將所采集的溫度值T 傳輸至PLClO。步驟4 =PLClO將接收的溫度值T與預(yù)設(shè)的第一級溫度閾值T1進(jìn)行比較若T < T1，則繼續(xù)對可控硅20輸出第一觸發(fā)脈沖Q1，并重復(fù)步驟2-4直至T彡T1 ；若T彡T1，則對可控硅20輸出幅值為s2和脈寬為w2的第二觸發(fā)脈沖Q2，si = s2, w2 < wlο步驟5 可控硅20在第二觸發(fā)脈沖Q2的作用下調(diào)整其導(dǎo)通角θ以使其減小，進(jìn)而調(diào)整其輸出電壓Vl減小，即變壓器30的勵磁電壓減小，變壓器30的輸出電壓V2減小， 從而使高溫爐40的升溫速率為v2，V2 < V1。步驟6 溫度傳感器50實(shí)時采集高溫爐40的溫度值Τ，并且將所采集的溫度值T 傳輸至PLClO。步驟7 =PLClO將接收的溫度值T與預(yù)設(shè)的第二級溫度閾值T2進(jìn)行比較，其中T2 > T1:若T1彡T < T2，則繼續(xù)對可控硅20輸出第二觸發(fā)脈沖Q2，并重復(fù)步驟5-7直至 TST2;若T彡T2,則對可控硅20輸出幅值為s3和脈寬為w3的第三觸發(fā)脈沖Q3，s2 = s3, w3 < w2。......以此類推，根據(jù)預(yù)設(shè)的逐級升高的溫度閾值Tn來逐級降低高溫爐40的升溫速率 vn+1(n彡1)，直至高溫爐40的溫度值T達(dá)到目標(biāo)溫度SP。步驟8 當(dāng)溫度T升高至或者高于目標(biāo)溫度SP時，PLClO停止向可控硅20輸出觸發(fā)脈沖Q，使可控硅20的導(dǎo)通角θ為零，可控硅20關(guān)斷，從而使高溫爐40的發(fā)熱元件2停止工作。在本發(fā)明一個優(yōu)選的實(shí)施例中，取η= 1，即分兩步對高溫爐升溫。當(dāng)高溫爐40的溫度低于第一級溫度閾值T1，例如1000度，PLClO控制高溫爐40的升溫速率為4. 0-6. 5度 /分鐘，優(yōu)選值為5. 5度/分鐘；當(dāng)高溫爐40的溫度達(dá)到或者超過第一級溫度閾值T1, PLClO 控制高溫爐的升溫速率為0. 5-4. 0度/分鐘，優(yōu)選值為2. 1度/分鐘。本發(fā)明通過采取逐級控溫法，即將目標(biāo)溫度由低到高劃分為不同的溫度段，隨著爐內(nèi)溫度的升高逐漸降低升溫速率。從而實(shí)現(xiàn)在低溫階段快速升溫，既保證效率又能夠有效地防止加熱不均勻；在高溫階段緩慢升溫，有效地提高控溫精度及溫度的穩(wěn)定性，并且避免加熱過快造成加熱爐故障。利用上述方法可以使控溫精度達(dá)到千分之三以內(nèi)，較之傳統(tǒng)的百分之五左右的控溫精度有顯著提高。本發(fā)明尤其適合應(yīng)用于1700度以上的高溫冶煉工業(yè)。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1. 一種用于高溫爐溫度控制系統(tǒng)的溫度控制方法，所述高溫爐溫度控制系統(tǒng)包括 PLC、可控硅、變壓器、高溫爐和溫度傳感器，其中，所述高溫爐包括加熱池、發(fā)熱元件、隔熱屏、包括石墨棉和玻璃棉的保溫層、帶有水冷套的爐殼和帶有水冷套的爐蓋，所述溫度控制方法包括以下步驟步驟1 在PLC上設(shè)定目標(biāo)溫度SP，然后對變壓器通電，PLC對可控硅的控制極輸出幅值為si和脈寬為wl的第一觸發(fā)脈沖Ql ；步驟2 可控硅在第一觸發(fā)脈沖Ql的作用下導(dǎo)通，導(dǎo)通角為θ(0彡θ彡180度)，可控硅輸出直流電壓Vl以便為變壓器提供勵磁電壓，變壓器的輸出電壓V2施加于高溫爐的發(fā)熱元件，高溫爐的升溫速率記為V1 ；步驟3 溫度傳感器實(shí)時采集高溫爐的溫度值Τ，并且將所采集的溫度值T傳輸至PLC ； 步驟4 =PLC將接收的溫度值T與預(yù)設(shè)的第一級溫度閾值T1進(jìn)行比較 若T < T1，則繼續(xù)對可控硅輸出第一觸發(fā)脈沖Q1，并重復(fù)步驟2-4直至T彡T1 ； 若T彡T1，則對可控硅輸出幅值為s2和脈寬為w2的第二觸發(fā)脈沖Q2，s2 = si, w2<wl ；步驟5:可控硅在第二觸發(fā)脈沖Q2的作用下調(diào)整其導(dǎo)通角θ以使其減小，進(jìn)而調(diào)整其輸出電壓Vl減小，即變壓器的勵磁電壓減小，變壓器的輸出電壓V2減小，從而使高溫爐的升溫速率為v2，V2 < V1 ；步驟6 溫度傳感器實(shí)時采集高溫爐的溫度值Τ，并且將所采集的溫度值T傳輸至PLC ； 步驟7 :PLC將接收的溫度值T與預(yù)設(shè)的第二級溫度閾值T2進(jìn)行比較，其中T2 > T1 若T1 < T < T2，則繼續(xù)對可控硅20輸出第二觸發(fā)脈沖Q2，并重復(fù)步驟5-7直至T > T2 ； 若T彡T2，則對可控硅輸出幅值為s3和脈寬為w3的第三觸發(fā)脈沖Q3，s2 = s3, w3<w2 ；以此類推，根據(jù)預(yù)設(shè)的逐級升高的溫度閾值Tn來逐級降低高溫爐的升溫速率 vn+1(n彡1)，直至高溫爐的溫度值T達(dá)到目標(biāo)溫度SP ；步驟8 當(dāng)溫度T升高至或者高于目標(biāo)溫度SP時，PLC停止向可控硅輸出觸發(fā)脈沖Q， 使可控硅的導(dǎo)通角θ為零，可控硅關(guān)斷，從而使高溫爐的發(fā)熱元件停止工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度控制方法，其中，所述高溫爐的底部鋪設(shè)耐火磚；加熱池分為四區(qū)控溫，每區(qū)構(gòu)成獨(dú)立閉環(huán)回路，進(jìn)行溫度控制；在電熱元件的四周平行設(shè)置三層石墨隔熱屏，以及在隔熱屏的最外層和爐殼之間依次填充有石墨棉和玻璃棉作為保溫層；在熔池上方設(shè)置三層熔池蓋板，爐蓋上密封插入石墨電極、加料管以及出料管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度控制方法，其中，所述高溫爐的爐體為長方體，長為3m， 寬為1. 5m,高為2m。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的溫度控制方法，其中，所述高溫爐適用于1700度以上的高溫冶煉工藝。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度控制方法，其中，η= 1，即分兩步對高溫爐升溫當(dāng)高溫爐的溫度低于第一級溫度閾值T1 = 1000度時，PLC控制高溫爐的升溫速率V1為4. 0-6. 5 度/分鐘；當(dāng)高溫爐的溫度達(dá)到或者超過第一級溫度閾值T1, PLC控制高溫爐的升溫速率V2 為0. 5-4.0度/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于高溫爐溫度控制系統(tǒng)的溫度控制方法，通過PLC控制可控硅的輸出電壓，進(jìn)而通過變壓器控制高溫爐的升溫速度，利用溫度傳感器實(shí)時檢測高溫爐的溫度并反饋給PLC以調(diào)整其輸出給可控硅的信號，從而實(shí)現(xiàn)對高溫爐的工作溫度的實(shí)時監(jiān)控。本發(fā)明通過采取逐級控溫法，即將目標(biāo)溫度由低到高劃分為不同的溫度段，隨著爐內(nèi)溫度的升高逐漸降低升溫速率。從而實(shí)現(xiàn)在低溫階段快速升溫，既保證效率又能夠有效地防止加熱不均勻；在高溫階段緩慢升溫，顯著提高了高溫爐的控溫精度以及溫度的穩(wěn)定性，并且避免加熱過快造成加熱爐故障。本發(fā)明尤其適合應(yīng)用于1700度以上的高溫冶煉工業(yè)。
文檔編號F27D19/00GK102278893SQ201110178198
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者劉光宏, 劉美鳳, 賈文成 申請人:寶納資源控股(集團(tuán))有限公司