电渣重炉自动控制系统的设计

摘  要：本文通过对电渣重炉运行原理进行分析，采用AT89S51单片机来改进电渣重炉控制，利用计算机软件来实现控制要求，使计算机软件取代原来由继电器组成的电渣重炉控制箱。大大提高了电渣重炉自动控制系统。
关键词：AT89S51单片机；电渣重炉；电流偏差

引言
    电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。其目的主要是提纯金属，并获得结晶组织均匀致密的钢锭。虽然目前已有比较先进的大型电渣重炉，但这些设备价格高、体积大，只适合于大规模工业生产。而目前大部分小型企业广泛使用的电渣重炉还是基于继电器控制的陈旧设备。这些设备损耗大、故障多、控制精度不高，严重影响了产品的质量。如能对这些设备进行改造，既能提高产品质量，又能节约企业的资金。基于这个目的，本文把原来基于继电器控制的电渣重炉改造成了基于AT89S51单片机的智能控制系统。

图1 控制系统电路框图

图2 控制系统流程图

系统控制原理和方法
    根据以往电渣重炉的运行经验，当通过熔渣的电流在2800A时，生产出来的轧辊结晶组织均匀致密、铸态机械性能好，产品质量高。由电渣重炉的工作原理可知，电流的大小由电极和熔渣的接触面积决定，而接触面积由电极的进给速度决定，因此控制电流的大小，实际上是控制电极的进给速度，也就是控制带动电极进给的直流电动机的转速。在实际工作中每一段电极的横截面积的大小是不一样的，为了保证电流的大小不变，电动机的转速必须能根据电极横截面大小而变化。为了控制的精确性，本系统中选择电极电流作为控制对象，通过对电流的闭环控制，来保证电流大小的不变。

    在控制过程中首先检测电流的大小，并与给定电流相比较，当给定电流和检测电流的偏差在70A之内时，根据偏差的大小按照一定的算法来输出一个电压，把这个电压作为整流装置触发电路的控制电压，从而通过改变电枢电压的大小来控制电机的转速，进而达到控制电极电流不变的目的。同时考虑到电机在运行过程中有一定的惯性，为了保证电流偏差不超过100A，当检测电流大于给定电流70A时，把触发电路的控制电压变为零，从而切除电枢电压，电机在负载的作用减速运行，检测电流将迅速降低；当给定电流大于检测电流70A时，输出最大的触发电路控制电压，使电机全压运行，电极电流将快速上升回2800A。当偏差电流在- 70A~+70A内时，系统有很好的控制线性度。

控制电路
    本控制电路主要由AT89S51单片机、AD574模数转换电路、AD667数模转换电路、给定显示电路、给定设置电路和检测调理电路等组成，系统结构框图如图1所示。
AT89S51是整个系统的核心，在本系统中主要完成检测数据的处理和控制算法的实现。单片机是一种敏感器件，各种干扰的存在很容易使它产生逻辑错误，因此，除了对它提供可靠的电源外，还必须防止生产环境的干扰。电渣重炉设备处在一个高温、大电流、强电磁干扰工作环境中，特别是电磁干扰的存在严重影响了单片机控制电路的工作。为了减小电磁干扰的影响必须对PCB板进行电磁兼容性布线，同时用电磁屏蔽罩覆盖单片机主电路。同时，为了防止控制程序在执行过程中跑飞或进入死循环，保证系统的正常运行，还须设计一个可靠的看门狗电路。为此在本系统中，采用了Maxim公司的MAX706看门狗专用芯片，它可以提供至少200ms宽度的复位脉冲，为使看门狗溢出有效必须把WDO和MR两个引脚连接起来，同时在Vcc与GND之间及PFI与GND之间各加一滤波电容，以有效滤除因空间干扰引起的Vcc与PFI中的尖脉冲。另一方面电源和检测调理电路会对以单片机为主的数字电路产生很大的干扰，因此本设计中把这三个电路分开单独制板。

    AD574是12位逐次逼近型快速ADC。本系统采用10V量程、单极性、8位输出方式。用一片74LS138对单片机P2.0、P2.1、P2.2进行译码，以确定AD574在系统中的地址。把译码器的Y0和ADC的片选引脚CS相连。同时把A0和地址锁存器74LS373的Q0端相接，用于产生输出数据的高8位和低4位的逻辑信号。单片机采用中断方式获得ADC的输出数据，并把这些数据存储到片内RAM中以计算电极电流的有效值。由于电流信号是50Hz的交流量，而AD574内部没有采样保持器，所以为了能保证信号的正常采样，必须在ADC之前加上采样保持器。本设计采用了高性能的LF398，使LF398的输出端与AD574的信号输入端相接。LF398的工作状态由AD574的STS控制：当AD574正在转换时STS=1，经反相后使LF398呈保持状态，以保证AD574的输入信号稳定；当AD574转换结束时，STS变成0，经反相后使LF398呈采样状态。由于单片机无需对LF398进行控制，所以可提高系统的速度。

    经过计算处理后的数据输送到DAC AD667中转换成0~5V的电压，并作为可控硅触发电路的控制电压。在本系统中，可控硅触发电路采用了杭州西子固体继电器公司的SCR-JKK/2型单相双路可控硅移相触发器。当改变控制电压的大小时，该触发器内部便产生相对电网电压的触发脉冲，通过光电隔离，输出端(A、G)便触发相应的可控硅导通，从而达到移相调压的目的。但是实际上触发器只有0.8~4.6V的可调区，在0~0.8V为全关闭区，在4.6~5V为全开通区，所以触发器的可调量程只有3.8V。而DAC输出的可调电压范围是5V，所以DAC输出电压在进入触发器之前必须进行量程转换，否则将出现很大的误差。本设计中对DAC输出电压缩小到76%，放大器的输出电压通过加法电路加上0.8V的定值电压，这样就把0~5V的可调区变成了0.8~4.6V的可调区，从而把触发器固有的非线性影响消除了。

    检测电路中通过一级电流互感器采集电极电流，由于AD574采集的是电压信号，所以必须把0~5A的电流转换成0~10V的交流电压信号。在本系统中采用了北京创四方电子公司的TAS1907-01型小型有源交流电流互感器，来把0~5A的交流电流信号转换成0~5V的交流电压信号，经过一级放大把它转换成0~10V的交流电压。在把0~10V的交流电压信号转换成直流电压信号过程中，为了减小整流时二极管产生的非线性，可采用绝对值整流法，这样可以很好地避免整流非线性的问题。

    由于可控硅的击穿电压接近工作电压，热容量小，承受过电压与过电流的能力较差，短时间的过电压、过电流都可能造成可控硅的损坏，为此对本系统中的可控硅电路一方面安装了导热性好的散热器，并加强整流箱的通风性能。另一方面，在可控硅电路上并联了一个阻容关断过压吸收电路，该电路的引线要短，电阻必须采用无感电阻。同时在整流器的交流端还安装了星形连接的阻容吸收回路，用于吸收偶发性浪涌电压。

软件设计
    本系统主要的控制算法都是通过软件来实现的，由于系统的工作环境比较恶劣，很多因素会严重干扰系统的正常工作，因此在系统中除了要对主控电路进行硬件抗干扰外，还应在软件中进行抗干扰设计，主要是对电流进行数字滤波。由于在进行电流采集时需要得到的是电流的有效值，所以在系统中可以通过AD574对正弦交流电压信号进行一周期采样50次，然后在程序中通过一定算法得到电流的有效值。控制流程如图2所示。

结语
     在研制这套电渣重炉系统中遇到了不少困难，主要是系统的工作环境比较恶劣，经过多次改进和调试终于研制成符合要求的电渣重炉系统。实践证明，经过改造的电渣重炉生产出来的轧辊质量比原来有很大提高，达到了预想的目的。而且本系统将来还可在不改变硬件系统的情况下进行升级，通过采用更先进的控制算法，来提高系统的控制精度，从而大大降低企业的生产成本。