玻璃纖維制造中溫度控制系統(tǒng)的三種方案

摘要：玻璃纖維廣泛的應(yīng)用在居民生活、工業(yè)和軍事中，制造玻璃纖維需要將玻璃高溫熔化，融化的溫度需要控制在某一數(shù)值。文章主要介紹玻纖制造中溫控系統(tǒng)的三種控制方案，針對每一種方案的原理和組成進(jìn)行介紹，并分析各種方案的優(yōu)缺點。
關(guān)鍵詞：玻璃纖維；溫度控制；光敏電阻；固態(tài)繼電器

0 引言
    部分廢舊玻璃制品及碎片經(jīng)過回收制成玻璃纖維(以下簡稱玻纖)，玻纖是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，種類繁多，優(yōu)點是絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐蝕性好、機(jī)械強(qiáng)度高。它是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的。熔制玻纖大約需要1200℃左右，溫度過低，玻璃熔化不夠，不能順利進(jìn)行拉絲，溫度過高，造成能源的浪費。因此，在高溫熔制玻璃的工藝中，需要設(shè)置溫度控制系統(tǒng)。

1 溫控系統(tǒng)概述
    玻纖制造中溫度控制系統(tǒng)是一個簡單的測控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包含三個部分：傳感器、控制器和執(zhí)行器。其控制原理如圖1所示：

    控制原理非常簡單，通過傳感器將溫度信息傳遞給控制器，控制器根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定通過連接電爐的繼電器決定是否進(jìn)行電爐加熱。本文主要討論控制系統(tǒng)中器件的選用及系統(tǒng)三種方案的優(yōu)劣。

2 器件的選擇
2．1 傳感器的選用
    玻璃熔化溫度較高，直接對熔化的玻璃接觸式測量，如熱電阻或熱電偶，并不是一個很好的選擇，其問題是成本較高，壽命較短。在高溫測量中，非接觸式測溫，如紅外測溫，是當(dāng)前廣泛使用的技術(shù)，但是紅外測溫成本太高，而且本系統(tǒng)也不需要準(zhǔn)確顯示溫度。
    因為熔化玻璃的溫度與其亮度成一定比例，溫度越高，亮度也越強(qiáng)，所以采用光敏電阻來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫度傳感器進(jìn)行測溫就成為可能。光敏電阻的價格低廉，而且可以進(jìn)行非接觸測量，減少在使用環(huán)境中的干擾。因此本系統(tǒng)采用廉價的光敏電阻作為測溫傳感器。
2．2 控制系統(tǒng)
    熔化玻璃的溫度并不需要控制得非常精確，只需要在某一個溫度浮動即可，因此控制系統(tǒng)可采用雙位控制實現(xiàn)，從而可以降低硬件成本，提高產(chǎn)品的競爭力。
2．3 執(zhí)行器的選用
   傳統(tǒng)玻纖工業(yè)中，控制電爐加熱的設(shè)備主要使用接觸器?？刂葡到y(tǒng)需要不斷地改變接觸器的狀態(tài)，從而實現(xiàn)對溫度的控制。接觸器的工作原理是通過磁力吸合開關(guān)，開關(guān)片在多次的通斷過程中會產(chǎn)生機(jī)械摩擦，從而容易損壞，因此，玻纖工業(yè)中控制電爐的接觸器壽命較短。固態(tài)繼電器使用可控硅實現(xiàn)開關(guān)的無觸點通斷，使用壽命大大提高，而且還可以通過磁和光特性來完成輸入和輸出的隔離，提高可靠性，因此固態(tài)繼電器是一個更好的選擇。

3 溫度控制系統(tǒng)的幾個方案
3．1 施密特觸發(fā)器
    傳感器選用普通的光敏電阻，為了增強(qiáng)靈敏度，同時減少干擾，光敏電阻可以放置在一個拋物面的罩中，罩的形狀如同手電筒燈頭內(nèi)部形狀。
    控制系統(tǒng)采用555定時器構(gòu)造施密特觸發(fā)器，將光敏電阻和可調(diào)電阻串聯(lián)，中間引出線路作為施密特觸發(fā)器的輸入，輸出連接固態(tài)繼電器，從而實現(xiàn)溫度控制。
3．2 光電集成傳感器On9668
    On9668是一個光控閾值可調(diào)的光電集成傳感器。內(nèi)置雙敏感元接收器，可見光范圍內(nèi)高度敏感，光開關(guān)閾值通過外置電阻線性可調(diào)，直接輸出高、低電平，外圍電路極為簡單，典型電路如圖2所示，可通過調(diào)節(jié)電阻R來實現(xiàn)調(diào)節(jié)光強(qiáng)閾值，將On9668放在罩中，對準(zhǔn)被測對象，即可實現(xiàn)溫度控制。

3．3 STC單片機(jī)實現(xiàn)多路控制
    玻纖工業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境滿足單片機(jī)的工作環(huán)境，因此可以使用單片機(jī)作為控制器。宏晶公司生產(chǎn)的STC系列單片機(jī)具備串口下載、AD轉(zhuǎn)換等優(yōu)點，其價格低廉，功能豐富，可選用本系列單片機(jī)，如STC12C5A32S2作為微控制器。這種控制器的工作原理如圖3所示。

    傳感器選用光敏電阻，執(zhí)行器選用固態(tài)繼電器，控制器使用STC12C5A32S2。光敏電阻接收光信息并傳遞到STC單片機(jī)，STC12C5A32S2有8路AD轉(zhuǎn)換接口，因此，可以連接最多8個光敏電阻并控制8臺電爐同時工作。程序可以通過掃描或中斷的方式實現(xiàn)監(jiān)控8路輸入。

4 三種方案的優(yōu)缺點分析
    施密特觸發(fā)器方案是傳統(tǒng)方案的一種改進(jìn)，工作原理簡單可靠，成本介于另外兩個之間。On9668方案結(jié)構(gòu)簡單，成本最低，但其控制部分集成在傳感器上，在工作時易受溫度的影響，如加裝溫度補(bǔ)償電路，勢必造成成本提高。STC單片機(jī)方案結(jié)構(gòu)比前面兩個方案都要復(fù)雜，單件成本也要高出一些，但是可以實現(xiàn)多路控制，當(dāng)多路控制時成本要低于前面兩個方案。同時可以通過程序的編寫實現(xiàn)更為復(fù)雜的功能，如PID控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。綜上所述，如果是家庭作坊式的玻纖廠，設(shè)備較少，要求較低，施密特觸發(fā)器方案是一個很好的選擇。如果是設(shè)備較多，希望實現(xiàn)更多的功能，STC單片機(jī)方案是最合適的選擇。

5 總結(jié)
    玻纖工業(yè)中的溫控系統(tǒng)方案還有許多，本文不再一一論述，市場上也有一些成熟的產(chǎn)品在廣泛地使用，據(jù)筆者調(diào)查，很多產(chǎn)品的使用壽命并不是很長，而大部分企業(yè)也接受這個現(xiàn)實。一旦出現(xiàn)問題，企業(yè)通常重新購買新的產(chǎn)品，造成資源浪費。在此，筆者也希望溫控器的生產(chǎn)廠家能夠生產(chǎn)更為可靠的產(chǎn)品，減少不必要的損耗。