專利名稱：多功能溫度程控儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主要用于熱工自動控制，特別是用于爐溫調(diào)控的無反饋多功能萬用型溫度程控儀。
目前在爐溫調(diào)控中，特別是在我國應(yīng)用最普及仍是二位式調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，使用方便。它的主要缺點(diǎn)是被調(diào)參數(shù)波動大，調(diào)節(jié)精度不高。另外該調(diào)節(jié)儀除恒溫自動控制外，其他熱加工過程全靠人工控制。不能實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。產(chǎn)品質(zhì)量受人的因素影響很大。
為了提高恒溫控制精度，一些象時間比例調(diào)節(jié)儀，PID調(diào)節(jié)儀和微機(jī)控制儀等相繼問世。
時間比例調(diào)節(jié)儀是在位式調(diào)節(jié)電路基礎(chǔ)上加一個固定的正反饋和一個隨時間變化的負(fù)反饋電路來實(shí)現(xiàn)時間比例調(diào)節(jié)功能。它的優(yōu)點(diǎn)改善了位式調(diào)節(jié)儀恒溫控制精度，因這種調(diào)節(jié)儀功能單一，作用有限而沒有大量普及使用。
在用于高精件的熱處理爐中，多用動圈式儀表和電位差計(jì)附加的電動PID調(diào)節(jié)器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)常用可控硅，這種調(diào)節(jié)儀的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)溫精度高。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修困難，操作麻煩，一般工人使用不了。需要訓(xùn)練有素有方，又有一定經(jīng)驗(yàn)的職人員才能操作。再加之控制功能單調(diào)，只能進(jìn)行恒溫自動控制，所以至今沒有在一般加熱設(shè)備上大量使用。
微機(jī)控溫，發(fā)展很快，是當(dāng)前的研究熱門。它的優(yōu)點(diǎn)是控溫精度高，并能進(jìn)行程序自動控制，便于自動化連續(xù)化生產(chǎn)。目前已較成功地應(yīng)用到一些專用熱處理爐上(如高溫真空熱處理爐)尤其對熱處理工藝單一、生產(chǎn)量大、爐多，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行群控，更顯示出它的優(yōu)勢。但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受干擾，易出故障、可靠性差，難以維修等些致命弱點(diǎn)而影響普及應(yīng)用到一般加熱設(shè)備上。以哈爾濱飛機(jī)制造公司為例，為了提高熱處理水平、更新落后的位式調(diào)節(jié)、構(gòu)置一些PID調(diào)節(jié)儀和微機(jī)控溫儀。但在實(shí)用中發(fā)現(xiàn)，常出事故，不好維修，影響生產(chǎn)，不得以又把大部分加熱爐恢復(fù)到原來的位式控制。
盡管國內(nèi)外現(xiàn)有的各種先進(jìn)溫度調(diào)節(jié)儀，微機(jī)控溫儀等產(chǎn)品種類五花八門，其基本控制原理都是一致的。都是根據(jù)“檢測偏差、糾正偏差”這一原理而工作，并都基于此原理構(gòu)成一個負(fù)反饋?zhàn)哉{(diào)閉環(huán)控制系統(tǒng)。這樣就不可避免地出現(xiàn)反饋?zhàn)哉{(diào)控制系統(tǒng)的通病-伴隨著爐溫控制性能的提高，其控制機(jī)構(gòu)越來越復(fù)雜，操作的技術(shù)條件亦越來越高。
為了克服現(xiàn)有的控溫儀存在的機(jī)構(gòu)復(fù)雜、操作維修困難，可靠性差等缺點(diǎn)。本發(fā)明的任務(wù)是要設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、堅(jiān)固耐用、精度高、功能多，應(yīng)用面廣而且又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的控溫儀。
本發(fā)明的任務(wù)是通過以下措施實(shí)現(xiàn)的它主要是由調(diào)節(jié)和自動控制起動時間(M1)，調(diào)節(jié)和自動控制額定功率輸入時間(M2)，調(diào)節(jié)和自動控制輸入功率大小(M6-M11)，不同功率輸入時間(M3，M4)，調(diào)節(jié)和自動控制恒溫時間(M5)，以及自動切斷電源等無反饋邏輯程序電路構(gòu)成，上述控制程序主要由下列四部分控制電路組成。
a.由M3和M4組成的分別調(diào)節(jié)和自動控制M6與M7，M8與M9二組變功率輸入時間的自動振蕩電路;
b.在恒溫控制電路中，當(dāng)爐溫稍超過給定值時，自動輸入先斷電后通電、功率較低的M10與M11組成的調(diào)節(jié)功率的自動振蕩電路，當(dāng)爐溫稍低于給定值時，自動輸入先通電后斷電、功率較高的M8與M9或M6與M7組成的自動振蕩電路;
c.由M6與M7，M8與M9，M10與M11構(gòu)成三組調(diào)節(jié)和自動控制負(fù)載通斷電時間比例(調(diào)節(jié)輸入功率)的自動振蕩電路;
d.熱加工工藝處理完畢，由自動切斷加熱設(shè)備和指示記錄儀表電源，也可由只切斷加熱設(shè)備電源(記錄和指示自然降溫過程)的控制電路。
上述措施便構(gòu)成了本發(fā)明提出的無反饋開環(huán)自動控制的技術(shù)方案。
本方案的突出特點(diǎn)是不對被調(diào)量進(jìn)行反饋，只是根據(jù)人的意志，按一定的程序或規(guī)律來控制和調(diào)整溫度。它取消了現(xiàn)有各類控溫儀所必備的復(fù)雜的易受干擾的反饋通道，放大電路，保護(hù)電路和予給電路等。然而卻綜合了位式調(diào)節(jié)的簡單，連續(xù)調(diào)節(jié)的精確和微機(jī)控制的自動程序等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過多年的研究和大量的實(shí)驗(yàn)工作，終于探索出“在最佳有效較大的范圍內(nèi)任意改變周期和任意改變通斷電時間比例”的新調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。利用該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)簡單快速準(zhǔn)確的連續(xù)調(diào)節(jié)。所謂在“最佳有效較大范圍內(nèi)任意改變周期”就是在控溫儀設(shè)定的最長周期時間內(nèi)通斷電總的時間(周期)可任意連續(xù)改變。所謂“變通斷電時間比例”就是在不超過設(shè)定的周期內(nèi)通斷電的時間比例可任意調(diào)節(jié)。并設(shè)計(jì)出從起動時間控制環(huán)節(jié)開始，經(jīng)全功率輸入環(huán)節(jié)、兩個變功率輸入環(huán)節(jié)、恒溫時間控制環(huán)節(jié)，直到熱加工工藝完畢自動報警切斷電源環(huán)節(jié)，都是自動銜接的絡(luò)輯電路。尤其本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出兩個套環(huán)式自動振蕩電路，其中一個是按調(diào)節(jié)給定的某一個通斷電時間比例自動振蕩電路(M6和M7，M8和M9，M10和M11);一個是使兩個變功率的各自輸入時間，按整定數(shù)值自動交替(M3和M4)。這樣，加熱設(shè)備的起動時間，升降溫速度，恒溫時間和不用儀表也不用熱電偶等傳感件的保溫范圍，可隨心所欲地調(diào)節(jié)，在進(jìn)如恒溫控制時，隨著控溫儀表輸出的限位開關(guān)周期信號，控溫儀便周期地改變兩種大小不同的輸入功率。爐溫超過給定值時，輸出斷開信號，指令輸入較小的通斷電時間比值，且先斷后通，使?fàn)t溫緩慢地降到給定值。爐溫低于給定值時，輸出接通信號自動輸入較大的通斷電時間比值，且先通后斷，使?fàn)t溫再緩慢地升回到給定值。利用這種恒溫控制辦法，有效地解決了位式調(diào)節(jié)的超調(diào)問題(波動誤差大的問題)。該儀器都是在起動之前按事先調(diào)節(jié)給定的程序(起動時間、升降溫速度、恒溫溫度、恒溫時間等)進(jìn)行自動控制。
新控溫儀與時間比例調(diào)節(jié)儀和位式調(diào)節(jié)儀的主要區(qū)別從形式上看，無反饋的控制系統(tǒng)也是運(yùn)用通斷電時間比例的方法來調(diào)節(jié)輸入功率大小，輸入的也仍然是開關(guān)的調(diào)節(jié)參數(shù)。但是，在概念上、控制原理上、儀器電路設(shè)計(jì)上、調(diào)節(jié)方法上和控制功能上與位式調(diào)節(jié)儀、時間比例調(diào)節(jié)儀沒有共同之處。位式調(diào)節(jié)輸入量只有額定功率和零功率的二種穩(wěn)定狀態(tài)。時間比例調(diào)節(jié)儀，只限于恒溫時，受正負(fù)反饋?zhàn)饔脴?gòu)成振蕩器間歇動作。輸入的時間比值與偏差反饋量成固定比例關(guān)系，它的效能只是改善位式調(diào)節(jié)的恒溫波動誤差。
無反饋溫度程控儀，不單是為了解決恒溫控制精度的問題。而是解決加熱設(shè)備溫度程序自動控制問題。該儀器通斷電時間比例，即不限于恒溫也不與反饋量發(fā)生關(guān)系。而是和整個熱處理工藝過程發(fā)生關(guān)系。它的比例周期、通斷電時間比值、輸入時間，都是根據(jù)調(diào)整給定的參數(shù)也就是根據(jù)人的意志進(jìn)行動作和變化。恒溫時儀表的開關(guān)信號只起限位的作用與輸入功率不發(fā)生關(guān)系。當(dāng)爐溫高于給定值時，儀表發(fā)生斷路信號，輸入使?fàn)t溫緩慢下降的較小通斷電時間比值(人為調(diào)節(jié)給定)而且輸入的是先斷后通，其目的是快速阻止溫度繼續(xù)向上過沖，達(dá)到了類似微分的調(diào)節(jié)作用。這個比值一直維持到溫度降回到給定值時為止，這就類似比例、積分的作用效果。當(dāng)爐溫低于給定值時與上述作用過程正好相反，也是按照比例、微分和積分的調(diào)節(jié)規(guī)律自動進(jìn)行調(diào)節(jié)。
為了理解本發(fā)明的上述內(nèi)容下面結(jié)合附圖來描述新型控溫儀控制原理整個控制機(jī)構(gòu)，主要由MAP(簡寫M)電動時間繼電器和小型中間繼電器兩種元件組成(參看附圖)。儀器板面嵌有11只電動時間繼電器、其中M1是調(diào)節(jié)和控制起動時間。給定起動時間到延時起動的常開觸點(diǎn)閉合?？刂迫β瘦斎霑r間的M2開始工作。給定M2延時時間一到，延時起動的常開觸點(diǎn)閉合，這時控制變功率輸入時間的M3開始工作，同時受M3制約的M6和M7組成的控制輸入功率大小的振蕩電路，按事先整定通斷電比例時間自動控制振蕩。M6是控制負(fù)載通電時間，M7是控制負(fù)載斷電時間。M6延時越長，M7延時越短，輸入功率越大。當(dāng)M3按整定的時間延時完了，延時起動的常開觸點(diǎn)閉合。這時另一個控制變功率輸入時間的M4開始工作，同時受M4制約的M8(控制通電時間的)和M9(控制斷時間)控制功率的振蕩電路，按給定通斷電比例自動振蕩，M4延時完了。延時起動的常開觸點(diǎn)閉合，M3又開始工作，M3與M4組成一個自動振蕩電路(該振蕩電路，主要應(yīng)用于無傳感器，無儀表的恒溫自動控制和升降溫速度的調(diào)節(jié)和自動控制)。
到達(dá)恒溫溫度時，控制恒溫時間的M5開始計(jì)時自動控制。爐溫若是稍高于給定值時，KK2斷開，這時由M10和M11組成控制功率的振蕩電路，按調(diào)定的通斷電比例時間自動振蕩(它比恒溫前的使加熱爐升溫的通斷電比例時間比值要小)。在該較小的通斷電比值下，使?fàn)t溫緩慢地回降到給定值。當(dāng)爐溫稍低于給定值時，KK2接通，自動轉(zhuǎn)向通斷電時間比值較大的振蕩電路開始工作。在保溫過程中兩個不同功率的振蕩電路，始終根據(jù)KK2限位開關(guān)信號，交替進(jìn)行。直到控制恒溫時間M5延時完了。這時，控溫儀自動切斷電源。控溫過程自動結(jié)束。
該控溫儀的主要優(yōu)點(diǎn)是(1)機(jī)構(gòu)精練新穎(沒有反饋和放大等電路)，調(diào)節(jié)快速簡單(調(diào)節(jié)參數(shù)只有一個，但卻具備PID調(diào)節(jié)功能和效果)，控制方法獨(dú)特，功能多、精度高，控制過程一目了然，并能自動進(jìn)行程序控制;
(2)堅(jiān)固耐用(主要電器元件的電壽命和機(jī)械壽命都大于五百萬次)，不怕任何干擾，不受任何使用條件的限制。
(3)操作容易，維修維護(hù)方便(元件外部連接點(diǎn)與內(nèi)部都是用插座式相接，拆卸維修和更換電器元件極為方便)，一般工人都可以掌握，價格低廉，成本費(fèi)不大于1500元;
(4)變量調(diào)節(jié)范圍大，而且精細(xì)連續(xù)，可使普加熱爐無論在高溫區(qū)、中溫區(qū)和低溫區(qū)，都能進(jìn)行精確的均勻的恒溫自動控制?？墒挂粻t多用。
(5)最為突出的是該儀器可不用儀表，不用溫度傳感器(熱電偶等)，也能使?fàn)t溫恒定在予定值上，其波動范圍小于±10℃。這種獨(dú)有功能，對鹽爐非生產(chǎn)時間保溫最為有益。不僅節(jié)省電偶、保護(hù)管(長期在高溫熔鹽里熱電偶和保護(hù)管易被損壞)和儀表消耗。更重要的是避免了因電偶故障儀表失靈而造成鹽爐熔鹽凝固或超溫毀爐體的事故;
(6)加熱工藝程序完成后，立即報警并自動切斷加熱設(shè)備、溫度程控儀和指示記錄儀表電源。也可只切斷加熱設(shè)備和程控儀電源、儀表照常繼續(xù)工作(記錄和指示自然降溫過程)的控制電路。
(7)應(yīng)用面廣，可使用各種型號，各種額定溫度的電加熱爐，大型食品烤爐，工業(yè)用干燥爐，也可控制燃油爐和燃?xì)鉅t。
(8)能源利用率可達(dá)100%，不需要各種調(diào)壓器、調(diào)功器、觸發(fā)器等附加設(shè)備。


電路圖由11個MHP型電動時間繼電器，1個JS7-1A氣動時間繼電器，8個DZ-46型中間繼電器，4個指示燈，3個開關(guān)和一個電鈴組成。
M1是調(diào)節(jié)和自動控制起動時間的MHP。
M2是調(diào)節(jié)和自動控制額定功率輸入時間的MHP。
M3是調(diào)節(jié)和自動控制由M6和M7組成自動振蕩電路，持續(xù)振蕩的時間。
M4是調(diào)節(jié)和自動控制由M8和M9組成自動振蕩電路，持續(xù)振蕩的時間。
M3和M4兩者間也組成一個自動振蕩電路;
M5是自動控制恒溫時間的MHP;
M6與M7、M8與M9、M10與M11是三組調(diào)節(jié)和自動控制加熱設(shè)備，通斷電時間比例(調(diào)整輸入功率)自動振蕩電路。
JS7-1A時間繼電器，用來控制報警時間，只動作幾秒的時間。
J1-J8(DZ-46)用于擴(kuò)大時間繼電器的連接觸點(diǎn);
XPL加熱設(shè)備斷電時，綠燈亮。
XDH加熱設(shè)備通電時，紅燈亮。
XDU加熱設(shè)備保溫時，黃燈亮。
XDB加熱設(shè)備切斷電源時，白燈亮。
以在75KW鹽溶爐上實(shí)施上述方案為例，不用熱電偶，也不用儀表，進(jìn)行保溫自動控制的實(shí)施(此實(shí)驗(yàn)是哈市飛機(jī)制造公司熱處理彈簧廠提出的。他們需要這種自動控制功能。于88年9月18日一次實(shí)驗(yàn)成功)。
廠方提出的技術(shù)要求(1)最低溫不得小于700℃(小于700℃熔鹽凝固)。最高溫度不得大于800℃(高于此溫度熔鹽揮發(fā)，氧化嚴(yán)重，浪費(fèi)電能)。
(2)自動保溫時間要超過10小時(該廠兩班生產(chǎn)，只夜班不生產(chǎn)。自動保溫超過10小時就夠用)。
實(shí)驗(yàn)是從9月18日9時開始到19日8時結(jié)束，共進(jìn)行了23小時保溫實(shí)驗(yàn)。
具體調(diào)整數(shù)據(jù)如下(1)將鹽爐調(diào)壓器調(diào)到二檔(該廠總是用二檔進(jìn)行生產(chǎn))。
(2)將控制通電時間的M6延時時間調(diào)到30秒。
(3)將控制斷電時間的M7延時時間調(diào)到20秒。
(4)將控制M6與M7持續(xù)自動振蕩時間的M3延時時間調(diào)到30分。
鹽溶爐在通斷電時間比例為30/20秒時，持續(xù)一小時升溫10度，持續(xù)30分只能上升5℃。
(5)將控制通電時間的M8延時時間調(diào)到20秒。
(6)將控制斷電時間的M9延時時間調(diào)到20秒。
(7)將控制M8與M9持續(xù)自動振蕩時間的M4延時時間調(diào)到25分。
鹽爐在20/20秒的時間比例下，持續(xù)一小時時，下降12℃，持續(xù)25分時，只能下降5℃。M3與M4也是組成自動振蕩電路。這樣，鹽爐每隔30分上升5℃，又每隔25分下降5℃，使?fàn)t溫始終維持在750℃左右。雖然受外來電源波動影響，但本次實(shí)驗(yàn)長達(dá)23小時，其恒溫波動誤差不超過±8℃。

圖1為多功能程控儀的電路圖;圖2接圖1。
權(quán)利要求
1.一種主要用于熱工自動控制，特別是用于爐溫調(diào)控的多功能溫度程控儀，其特征是它主要由調(diào)節(jié)和自動控制起動時間(M1)，調(diào)節(jié)和自動控制額定功率輸入時間(M2)，調(diào)節(jié)和自動控制輸入功率大小(M6-M11)，不同功率輸入時間(M3，M4)，調(diào)節(jié)和自動控制恒溫時間(M5)，以及自動切斷電源等無反饋邏輯程序電路構(gòu)成，上述控制程序主要由下列四部分控制電路組成a.由M3和M4組成的分別調(diào)節(jié)和自動控制M6與M7，M8與M9二組變功率輸入時間的自動振蕩電路；b.在恒溫控制電路中，當(dāng)爐溫稍超過給定值時，自動輸入先斷電后通電、功率較低的M10與M11組成的調(diào)節(jié)功率的自動振蕩電路，當(dāng)爐溫稍低于給定值時，自動輸入先通電后斷電、功率較高的M8與M9或M6與M7組成的自動振蕩電路；c.由M6M與M7，M8與M9，M10與M11構(gòu)成三組調(diào)節(jié)和自動控制負(fù)載通斷電時間比例(調(diào)節(jié)輸入功率)的自動振蕩電路；d.熱加工工藝處理完畢，由自動切斷加熱設(shè)備和指示記錄儀表電源，也可由只切斷加熱設(shè)備電源(記錄和指示自然降溫過程)的控制電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種主要用于熱工自動控制，特別是用于爐溫調(diào)控的多功制溫度程控儀。它不是沿襲慣用的反饋控制原理這條路線，而是對爐溫的未來狀態(tài)，完全由初始狀態(tài)和事先調(diào)整的輸入功率和時間這兩個變參數(shù)的給定的程序或規(guī)律來調(diào)節(jié)和控制爐溫。因應(yīng)用了模仿人工最佳操作經(jīng)驗(yàn)的功能元件，而實(shí)現(xiàn)最理想的控制。其特點(diǎn)是參數(shù)調(diào)節(jié)簡便，控制功能多，精度高，成本低，通用性強(qiáng)，堅(jiān)固耐用，不怕干擾，又能可靠地進(jìn)行程序自動控制。
文檔編號G05D23/32GK1043997SQ8910015
公開日1990年7月18日 申請日期1989年1月7日 優(yōu)先權(quán)日1989年1月7日
發(fā)明者江博堯 申請人:吉林工業(yè)大學(xué)