電渣重爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘  要：本文通過對(duì)電渣重爐運(yùn)行原理進(jìn)行分析，采用AT89S51單片機(jī)來改進(jìn)電渣重爐控制，利用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)控制要求，使計(jì)算機(jī)軟件取代原來由繼電器組成的電渣重爐控制箱。大大提高了電渣重爐自動(dòng)控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：AT89S51單片機(jī)；電渣重爐；電流偏差

引言
    電渣重熔是利用電流通過熔渣時(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(jié)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(shè)備價(jià)格高、體積大，只適合于大規(guī)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(shè)備。這些設(shè)備損耗大、故障多、控制精度不高，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。如能對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行改造，既能提高產(chǎn)品質(zhì)量，又能節(jié)約企業(yè)的資金。基于這個(gè)目的，本文把原來基于繼電器控制的電渣重爐改造成了基于AT89S51單片機(jī)的智能控制系統(tǒng)。

圖1 控制系統(tǒng)電路框圖

圖2 控制系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)控制原理和方法
    根據(jù)以往電渣重爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)通過熔渣的電流在2800A時(shí)，生產(chǎn)出來的軋輥結(jié)晶組織均勻致密、鑄態(tài)機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速必須能根據(jù)電極橫截面大小而變化。為了控制的精確性，本系統(tǒng)中選擇電極電流作為控制對(duì)象，通過對(duì)電流的閉環(huán)控制，來保證電流大小的不變。

    在控制過程中首先檢測(cè)電流的大小，并與給定電流相比較，當(dāng)給定電流和檢測(cè)電流的偏差在70A之內(nèi)時(shí)，根據(jù)偏差的大小按照一定的算法來輸出一個(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，從而通過改變電樞電壓的大小來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制電極電流不變的目的。同時(shí)考慮到電機(jī)在運(yùn)行過程中有一定的慣性，為了保證電流偏差不超過100A，當(dāng)檢測(cè)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(jī)在負(fù)載的作用減速運(yùn)行，檢測(cè)電流將迅速降低；當(dāng)給定電流大于檢測(cè)電流70A時(shí)，輸出最大的觸發(fā)電路控制電壓，使電機(jī)全壓運(yùn)行，電極電流將快速上升回2800A。當(dāng)偏差電流在- 70A~+70A內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)有很好的控制線性度。

控制電路
    本控制電路主要由AT89S51單片機(jī)、AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、AD667數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、給定顯示電路、給定設(shè)置電路和檢測(cè)調(diào)理電路等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
AT89S51是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在本系統(tǒng)中主要完成檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理和控制算法的實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)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(cuò)誤，因此，除了對(duì)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(shè)備處在一個(gè)高溫、大電流、強(qiáng)電磁干擾工作環(huán)境中，特別是電磁干擾的存在嚴(yán)重影響了單片機(jī)控制電路的工作。為了減小電磁干擾的影響必須對(duì)PCB板進(jìn)行電磁兼容性布線，同時(shí)用電磁屏蔽罩覆蓋單片機(jī)主電路。同時(shí)，為了防止控制程序在執(zhí)行過程中跑飛或進(jìn)入死循環(huán)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還須設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的看門狗電路。為此在本系統(tǒng)中，采用了Maxim公司的MAX706看門狗專用芯片，它可以提供至少200ms寬度的復(fù)位脈沖，為使看門狗溢出有效必須把WDO和MR兩個(gè)引腳連接起來，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(cè)調(diào)理電路會(huì)對(duì)以單片機(jī)為主的數(shù)字電路產(chǎn)生很大的干擾，因此本設(shè)計(jì)中把這三個(gè)電路分開單獨(dú)制板。

    AD574是12位逐次逼近型快速ADC。本系統(tǒng)采用10V量程、單極性、8位輸出方式。用一片74LS138對(duì)單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2進(jìn)行譯碼，以確定AD574在系統(tǒng)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(shù)據(jù)的高8位和低4位的邏輯信號(hào)。單片機(jī)采用中斷方式獲得ADC的輸出數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到片內(nèi)RAM中以計(jì)算電極電流的有效值。由于電流信號(hào)是50Hz的交流量，而AD574內(nèi)部沒有采樣保持器，所以為了能保證信號(hào)的正常采樣，必須在ADC之前加上采樣保持器。本設(shè)計(jì)采用了高性能的LF398，使LF398的輸出端與AD574的信號(hào)輸入端相接。LF398的工作狀態(tài)由AD574的STS控制：當(dāng)AD574正在轉(zhuǎn)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(hào)穩(wěn)定；當(dāng)AD574轉(zhuǎn)換結(jié)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(jī)無需對(duì)LF398進(jìn)行控制，所以可提高系統(tǒng)的速度。

    經(jīng)過計(jì)算處理后的數(shù)據(jù)輸送到DAC AD667中轉(zhuǎn)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(tǒng)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(dāng)改變控制電壓的大小時(shí)，該觸發(fā)器內(nèi)部便產(chǎn)生相對(duì)電網(wǎng)電壓的觸發(fā)脈沖，通過光電隔離，輸出端(A、G)便觸發(fā)相應(yīng)的可控硅導(dǎo)通，從而達(dá)到移相調(diào)壓的目的。但是實(shí)際上觸發(fā)器只有0.8~4.6V的可調(diào)區(qū)，在0~0.8V為全關(guān)閉區(qū)，在4.6~5V為全開通區(qū)，所以觸發(fā)器的可調(diào)量程只有3.8V。而DAC輸出的可調(diào)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(zhuǎn)換，否則將出現(xiàn)很大的誤差。本設(shè)計(jì)中對(duì)DAC輸出電壓縮小到76%，放大器的輸出電壓通過加法電路加上0.8V的定值電壓，這樣就把0~5V的可調(diào)區(qū)變成了0.8~4.6V的可調(diào)區(qū)，從而把觸發(fā)器固有的非線性影響消除了。

    檢測(cè)電路中通過一級(jí)電流互感器采集電極電流，由于AD574采集的是電壓信號(hào)，所以必須把0~5A的電流轉(zhuǎn)換成0~10V的交流電壓信號(hào)。在本系統(tǒng)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，來把0~5A的交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~5V的交流電壓信號(hào)，經(jīng)過一級(jí)放大把它轉(zhuǎn)換成0~10V的交流電壓。在把0~10V的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)過程中，為了減小整流時(shí)二極管產(chǎn)生的非線性，可采用絕對(duì)值整流法，這樣可以很好地避免整流非線性的問題。

    由于可控硅的擊穿電壓接近工作電壓，熱容量小，承受過電壓與過電流的能力較差，短時(shí)間的過電壓、過電流都可能造成可控硅的損壞，為此對(duì)本系統(tǒng)中的可控硅電路一方面安裝了導(dǎo)熱性好的散熱器，并加強(qiáng)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)斷過壓吸收電路，該電路的引線要短，電阻必須采用無感電阻。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(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要的控制算法都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，由于系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，很多因素會(huì)嚴(yán)重干擾系統(tǒng)的正常工作，因此在系統(tǒng)中除了要對(duì)主控電路進(jìn)行硬件抗干擾外，還應(yīng)在軟件中進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，主要是對(duì)電流進(jìn)行數(shù)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(tǒng)中可以通過AD574對(duì)正弦交流電壓信號(hào)進(jìn)行一周期采樣50次，然后在程序中通過一定算法得到電流的有效值?？刂屏鞒倘鐖D2所示。

結(jié)語
     在研制這套電渣重爐系統(tǒng)中遇到了不少困難，主要是系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，經(jīng)過多次改進(jìn)和調(diào)試終于研制成符合要求的電渣重爐系統(tǒng)。實(shí)踐證明，經(jīng)過改造的電渣重爐生產(chǎn)出來的軋輥質(zhì)量比原來有很大提高，達(dá)到了預(yù)想的目的。而且本系統(tǒng)將來還可在不改變硬件系統(tǒng)的情況下進(jìn)行升級(jí)，通過采用更先進(jìn)的控制算法，來提高系統(tǒng)的控制精度，從而大大降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。