專利名稱：一種高溫爐溫度控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫度控制領(lǐng)域，具體而言，涉及一種高溫爐溫度控制系統(tǒng)。
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現(xiàn)各種邏輯順序關(guān)系，其缺點在于(1)系統(tǒng)龐大導(dǎo)致占地面積過大，并且不易控制；( 故障率高，不能保障安全生產(chǎn)；C3)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系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種高溫爐溫度控制系統(tǒng)，包括PLC、可控硅、調(diào)磁變壓器、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，所述可控硅連接接觸器，用于控制所述可控硅的電源通斷，所述可控硅配置有散熱器，所述高溫爐的發(fā)熱元件的輸入電路上連接有快速熔斷器，用于在發(fā)熱元件發(fā)生短路或者其他故障時快速將其斷開，所述調(diào)磁變壓器的調(diào)磁電路上連接有分流器，用于測量調(diào)磁電流以及控制所述調(diào)磁變壓器的輸出電流，PLC的輸出信號輸入至可控硅，可控硅根據(jù)輸入信號改變輸出量并將其輸入至調(diào)磁變壓器，調(diào)磁變壓器由此改變輸出電壓并將其施加給高溫爐的發(fā)熱元件，溫度傳感器實時采集高溫爐的溫度，并且將所采集的溫度信號反饋給PLC，PLC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)熱元件上的電壓值，從而使所述系統(tǒng)的五個部件構(gòu)成封閉的單向循環(huán)系統(tǒng)。本發(fā)明提供一種高溫爐溫度控制系統(tǒng)，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)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變
3得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實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。
具體實施例方式本發(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。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、調(diào)磁變壓器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?？煽毓?0的主電路上連接有接觸器44，用于控制可控硅20的電源通斷，通過啟停按鈕手動控制可控硅20的接通和斷開，可控硅20還配置有散熱器22 ；高溫爐40的發(fā)熱元件2的輸入電路上連接有快速熔斷器46，用于在發(fā)熱元件2發(fā)生短路或者其他故障時快速將其斷開，起安全保護(hù)作用；調(diào)磁變壓器30的調(diào)磁電路上連接有分流器60，用于測量調(diào)磁電流的大小以及控制調(diào)磁變壓器30的輸出電流。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將其輸入至調(diào)磁變壓器30，調(diào)磁變壓器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參照圖3。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(0< θ < 180度)，可控硅20輸出直流電壓Vl給調(diào)磁變壓器30作為其勵磁電壓，調(diào)磁變壓器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實時采集高溫爐 40的溫度T并且將其反饋給PLC10，PLClO將實際溫度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)，從而實現(xiàn)對高溫爐40的溫度的實時控制。在上述過程中，可控硅20是間歇式地輸出直流電壓給調(diào)磁變壓器30，引起調(diào)磁變壓器內(nèi)部的電磁感應(yīng)變化，從而產(chǎn)生輸出電壓。其中，PLClO對反饋溫度PV和目標(biāo)溫度SP進(jìn)行差值比較分為兩種情況(1)當(dāng)反饋溫度PV低于目標(biāo)溫度SP時，PLClO發(fā)出指令以調(diào)整其輸出給可控硅20的觸發(fā)脈沖Q的幅值和脈寬，即調(diào)整可控硅20的導(dǎo)通角θ，進(jìn)而調(diào)整可控硅20的輸出直流電壓VI，以調(diào)整施加于發(fā)熱元件2的電壓V2，最終調(diào)整高溫爐的升溫速率ν ； (2)當(dāng)反饋溫度PV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，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。通過這種方法，對高溫爐40 的溫度進(jìn)行實時監(jiān)控，以提高高溫爐的溫度精度和工作穩(wěn)定性。本發(fā)明實施例中的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CPU226CN，優(yōu)選型為CPU2^-2BD23-0XA8，其I/O點數(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。可選地，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)計概念，實現(xiàn)溫度模擬量、數(shù)字化控制，由于PLC的運算速度快、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。可控硅20在該系統(tǒng)中實現(xiàn)可控整流和無級調(diào)壓的作用，由PLC 10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)整調(diào)磁變壓器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。另外，該系統(tǒng)的可控硅20配置有散熱器22，以幫助可控硅散熱，減少可控硅的故障率、延長使用壽命。優(yōu)選地，將可控硅20安裝在散熱器上，使可控硅更好地散發(fā)熱量。調(diào)磁變壓器30能夠根據(jù)負(fù)載需求調(diào)整其輸出電壓，由于本發(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)選采用低壓大電流調(diào)磁變壓器，例如型號為TSH-485/0. 5的調(diào)磁變壓器。另外，由于高溫爐的工作電流可達(dá)到^80Α，其調(diào)磁變壓器中調(diào)磁線路直流電流可達(dá)到40Α，故在可控硅20與調(diào)磁變壓器30的調(diào)磁電路之間連接分流器60，用于測量調(diào)磁變壓器30的調(diào)磁電流的大小，以及控制調(diào)磁變壓器的輸出電流。分流器60的兩個接線端分別與可控硅20的輸出端和磁性變壓器30的調(diào)磁電路的輸入端連接， 小接線端連接電流表。電流表可以置于操作臺，用于顯示控制調(diào)磁線路的電流。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。優(yōu)選地，在本發(fā)明實施例中，該對溫度控制系統(tǒng)的電源采取集中式管理，例如利用配電柜統(tǒng)一配電，并且，對所述配電柜配置一臺或多臺風(fēng)扇加強(qiáng)散熱，以避免配電柜內(nèi)溫度過高造成的元器件的老化，從而提高系統(tǒng)運行的可靠性。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，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
1.一種高溫爐溫度控制系統(tǒng)，包括PLC、可控硅、調(diào)磁變壓器、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，爐體為長方體，長為3m，寬為1. 5m，高為2m，所述可控硅連接接觸器，用于控制所述可控硅的電源通斷，所述可控硅配置有散熱器，所述高溫爐的發(fā)熱元件的輸入電路上連接有快速熔斷器，用于在發(fā)熱元件發(fā)生短路或者其他故障時快速將其斷開，所述調(diào)磁變壓器的調(diào)磁電路上連接有分流器，用于測量調(diào)磁電流以及控制所述調(diào)磁變壓器的輸出電流，PLC的輸出信號輸入至可控硅，可控硅根據(jù)輸入信號改變輸出量并將其輸入至調(diào)磁變壓器，調(diào)磁變壓器由此改變輸出電壓并將其施加給高溫爐的發(fā)熱元件，溫度傳感器實時采集高溫爐的溫度，并且將所采集的溫度信號反饋給PLC，PLC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)熱元件上的電壓值，從而使所述系統(tǒng)的五個部件構(gòu)成封閉的單向循環(huán)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度控制系統(tǒng)，其中，所述高溫爐底部鋪設(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所述的溫度控制系統(tǒng)，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所述的溫度控制系統(tǒng)，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所述的溫度控制系統(tǒng)，其中，所述PLC輸出具有定幅值和定脈寬的觸發(fā)脈沖給可控硅的控制極，通過控制可控硅的導(dǎo)通角改變可控硅的輸出量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度控制系統(tǒng)，其中，所述PLC包括CPU、數(shù)字信號輸入/輸出模塊、模擬信號輸入/輸出模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度控制系統(tǒng)，其中，所述PLC包括顯示屏，用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)、故障情況，高溫爐升溫速率及溫度值的實時變化情況及趨勢圖以及修改參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度控制系統(tǒng)，其中，所述可控硅位于所述散熱器上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高溫爐溫度控制系統(tǒng)，包括PLC、可控硅、調(diào)磁變壓器、高溫爐和溫度傳感器。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)。
文檔編號F27D19/00GK102230748SQ201110178199
公開日2011年11月2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