PC—based电加热炉智能温度控制系统的设计

李建强

摘 要：针对加热炉温度控制的这一难点，构建了PC-based温度智能控制系统的新型机构，提出了PID控制与BANG-BANG控制相结合的策略（该策略克服了单独用常规PID控制温度时稳定时间长和单独用BANG-BANG控制时超调量过大的缺点），并给出了系统、有效的解决方案，实现了对电加热炉温度系统的有效控制。

关键词：PC-based控制系统；BANG-BANG；加热炉；控制方案

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.23.006

1 PC-based控制系统简介

PC-based控制系统就是基于PC机配合的一个稳定、可靠的操作系统（例如Microsoft的WindowsNT），是一套由不同厂家开发的基于PC的控制软件加上一些必要的I/O硬件设备组成的控制系统。与传统的控制方案相比，基于PC的控制系统是一种开放式的控制系统，它更便于控制系统与工厂管理系统之间的连接，能够把实时逻辑控制、连续生产过程和批量生产过程控制、运动控制、可视化操作、信息分析、系统诊断等功能集成到一个紧凑的软件包中，并能完成一些PLC难以胜任的工作。PC-based测控技术就是使用PC来采集数据、显示数据、保存数据、处理数据和打印报表等，同时向采集数据的执行设备输出控制信号，以实现对设备或整个系统的调节。

2 系统设计原理

本温控系统是由组态王6.53软件、工控机、PCI1711数据采集卡、智能仪表（电能采集模块EDA9033E）、可控硅调压模块和热电阻一体化温度变送器等组成，用于某生产线上的电炉（熔化炉）控制。控制原理为：由一体化热电偶温度变送器采集并转换成现场信号，通过PCI1711数据采集卡传送到工控机；工控机通过组态王软件里已经设计好的相关控制程序计算，然后选择PID或BANG-BANG调节输出信号；输出信号通过PCI1711数据采集卡转换后传送到可控硅调压模块，最终通过可控硅调压模块来调节电加热炉的供电，从而达到控制温度的目的。EDA9033E在整个系统中负责相关电量参数的采集。系统控制原理如图1所示。

如果一个系统有实时性要好、系统要稳定、控制精度要求高这几个要求，则可以将非线性的BANG-BANG控制和线性的PID控制相结合，这样控制效果比较好。如果单采用线性的PID控制，虽然稳态精度容易满足，但过渡的时间比较长；如果单采用非线性的BANG-BANG控制，虽然能使过渡时间最短，但容易出现超调量过大的情况，而且在零点附近容易出现振荡，造成系统不稳定。鉴于此，本文设计了一种变结构的控制器，是由两者有机结合而来，能够使系统运行起来既快又稳。变结构式的双模控制回路结构如图2所示。

该变结构控制器就是使系统的结构可以在控制过程的各个瞬间，根据被控参数的变化分别选择PID或BANG-BANG控制，从而将不同的结构糅合在一起，取得比固定结构系统更加完善的性能指标。据此，针对电炉的温度控制，提出了一种将非线性的BANG-BANG控制与线性的控制结合的变结构双模控制方法。

当设定值（SP）与检测值（PV）出现偏差时，由识别机构根据不同的偏差来选择不同的控制器——当偏差大于或小于某个值的时候，采用非线性BANG-BANG控制；当偏差在BANG-BANG控制范围以外时，系统自动切换到线性的PID控制。

对于温度控制，如果直接使用PID，就必须在快速性与稳定性之间作出抉择。但是如果事先了解对象的特性，然后选择了合适的BANG-BANG控制，并结合PID，则可能有比较好的结果。

3 组态软件介绍

组态软件正在代替各种计算机语言的软件开发，具体有以下六种功能：①数据采集和数据处理功能；②数据存储功能，包括数据查询、数据管理和数据显示；③系统故障或事故报警；④现场动态图形功能，显示现场生产过程或实时状态；⑤自动或检索出报表的功能；⑥友好的人机界面。组态软件在控制系统中的位置如图3所示。

当系统运行时，双模控制就会按上述命令语言进行相应的控制。

4 系统的硬件

4.1 电加热炉

本系统采用的是工业用的周期式电阻加热炉，电加热炉直径为1 m、高1.5 m，可加热融化1.5 t金属。电源为三相380 VAC，加热功率为30 kW，整个控制系统的控制对象是电加热炉。电炉温度要求控制在（250±5） ℃范围之内，并且超调量要小于5 ℃。

4.2 工控机

本系统所用的计算机要求能够连续作业，即连续工作一年。因此，计算机必须具备以下特点：①机箱采用钢结构，有较好的防磁、防尘、防冲击能力；②机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽；③机箱内有专门的电源，电源有较强的抗干扰能力；④连续长时间工作能力强；⑤一般采用便于安装的标准机箱。

4.3 PCI1711数据采集卡

本系统采用的PCI1711数据采集卡是一款功能强大、成本低、多功能的PCI总线数据采集卡，12位16路单端输入，采样率可达100 kS/s，还有2路模拟量输出通道，板载1 K采样FIFO缓冲器，每个输入通道的增益可编程自动通道/增益扫描。本系统采用的组态王6.53软件已具有PCI1711卡的驱动，直接选用即可。

4.4 EDA9033E三相电量参数采集模块

本系统采用的EDA9033E模块是一个智能的三相电参数数据综合采集模块，能测量三相三线制或三相四线制交流电路中的三相电流、三相电压（真有效值）、有功功率、无功功率、功率因数、频率、正反向有功电度和正反向无功电度等电参数；能替代过去的电流、电压、功率、功率因数、电量等一系列变送器和测量这些变送器标准输出信号的模入模块，可大大降低系统成本，方便现场布线，提高系统的可靠性。此外，该模块的485总线输出与兼容于PCI1711卡、ADAM等模块的ASCII码指令集使其可与其他厂家的控制模块挂在同一485总线上，方便了计算机编程和对测控系统的构建。

4.5 一体化热电偶温度变送器

本系统采用的一体化热电偶温度变送器是热电阻温度传感器与变送器的完美结合，能用十分简便的方式把-200～600 ℃范围内的温度信号转换为二线制4～20 mA DC的电信号传给工作仪表，然后工作仪表显示出所对应的温度值。

4.6 可控硅调压模块

本系统采用的可控硅调压模块AIJK3是一种以可控硅（电力电子功率器件）为基础、以智能数字控制电路为核心的电源功率控制电器。其工作原理是交流调压电路输入的是交流电压，而输出电压波形是交流电源电压波形的一部分，并且是可调的，这样输出电压的有效值就是可调的。

5 结束语

本文设计了一种PC-based电加热炉智能温度控制系统。该系统能够对所规定的温度参数进行控制。在设计中，我们力求整个系统操作简单、容易掌握、达到控制要求，并具有可靠性高、抗干扰能力强、功能完善、性价比较高等优点。

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〔编辑：王霞〕

Abstract： I build the new type of temperature intelligent control system， in which we use the method of PID and BANG-BANG are joined together（it overcomes the problem of long time in control system with PID， and the large over short with BANG-BANG）， giving to the effective plan to resolve the shorts at last.

Key words： PC- based control system； PID； BANG-BANG； heating furnace； control scheme