第一篇：氧化鋁焙燒溫度控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)-精品

氧化鋁焙燒溫度控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

摘要：氧化鋁是電解鋁生產(chǎn)的主要原料，針對我國礦石特點(diǎn)，我國氧化鋁的生產(chǎn)工藝主要采用的是拜爾法和燒結(jié)法以及混聯(lián)法，在拜爾法中焙燒工序是氧化鋁生產(chǎn)必不可少的一個(gè)過程，并且是整個(gè)氧化鋁生產(chǎn)的最后一道工序，該生產(chǎn)過程的主要任務(wù)是將來自分解或平盤的帶有附著水的氫氧化鋁物質(zhì)在焙燒爐中高溫煅燒，脫除附著水和結(jié)晶水，從而生成物理化學(xué)性質(zhì)符合電解要求的氧化鋁。氧化鋁焙燒的主要工藝參數(shù)是灼燒溫度．灼燒溫度的高低與穩(wěn)定與否直接決定著氧化鋁的出廠質(zhì)量，所以穩(wěn)定控制氧化鋁灼燒溫度是保證氧化鋁生產(chǎn)質(zhì)量 的主要途徑。本文以氧化鋁焙燒生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)為背景，開展了氧化鋁焙燒生產(chǎn)過程控制策略的研究和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及器件的選型。

關(guān)鍵詞：氧化鋁焙燒；器件選型；串級控制系統(tǒng)；PID參數(shù)整定

一、氧化鋁生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)氧化鋁的方法大致可分為四類：堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法與熱法。目前工業(yè)上幾乎全部是采用堿法生產(chǎn)。堿法有拜耳法、燒結(jié)法及拜耳燒結(jié)聯(lián)合法等多種流程。

目前，我國氧化鋁工業(yè)采用的生產(chǎn)方法有燒結(jié)法，混聯(lián)法和拜耳法三種，其中燒結(jié)法占20.2％，混聯(lián)法占69.4％，拜耳法占10.4％。雖然燒結(jié)法的裝備水平和技術(shù)水平在今年來有所提高，但是我國的燒結(jié)技術(shù)仍處于較低水平。而由于拜耳法和燒結(jié)混合法組成的混聯(lián)法，不僅由于增加了燒結(jié)系統(tǒng)而使整個(gè)流程復(fù)雜，投資增大，更由于燒結(jié)法系統(tǒng)裝備水平和技術(shù)水平不高，使得氧化鋁生產(chǎn)的能耗增大，成本增高，降低我國氧化鋁產(chǎn)品在世界市場上的競爭力。拜耳法比較簡單，能耗小，產(chǎn)品質(zhì)量好，處理高品位鋁土礦石，產(chǎn)品成品也低。目前全世界90％的氧化鋁是用拜耳法生產(chǎn)的。

拜耳法的原理是基于氧化鋁在苛性堿溶液中溶解度的變化以及過氧化鈉濃度和溫度的關(guān)系。高溫和高濃度的鋁酸鈉溶液處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，而在溫度和濃度降低時(shí)則自發(fā)分解析出氫氧化鋁沉淀，拜耳法便是建立在這樣性質(zhì)的基礎(chǔ)上的。

下面兩項(xiàng)主要反映是這一方法的基礎(chǔ)：

Al2O3xH2O?2NaOH?(3?x)H2O?2NaAl(OH)4

NaAl(OH)4?Al(OH)3?NaOH

前一反映是在用循環(huán)的鋁酸鈉堿溶液溶出鋁土礦時(shí)進(jìn)行的。鋁土礦中所含的一水和三水氧化鋁在一定條件下以鋁酸鈉形態(tài)進(jìn)入溶液。后一反映是在另一條件下發(fā)生的析出氫氧化鋁沉淀的水解反應(yīng)。鋁酸鈉溶液在95-100度不致水解的穩(wěn)定性可以用來從其中分離赤泥，然后使溶液冷卻，轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，以析出氫氧化鋁。

拜耳法生產(chǎn)過程簡介：原礦經(jīng)選礦、原礦漿磨制、溶出與脫硅、赤泥分離與精制、晶種分解、氫氧化鋁焙燒成為氧化鋁產(chǎn)品。

1破碎后進(jìn)廠的碎高礦經(jīng)均化場均化后，用斗輪取料機(jī)取料入輸送機(jī)進(jìn)入鋁礦倉，石灰石經(jīng)煅燒后輸送到石灰倉，然后與循環(huán)母液經(jīng)調(diào)配后按比例進(jìn)入棒磨機(jī)、球磨機(jī)的兩段磨和旋流器組成的磨礦分級閉路循環(huán)系統(tǒng)。分級后的溢流經(jīng)緩沖槽和泵進(jìn)入原礦漿儲槽，用高壓泥漿泵輸送礦漿進(jìn)入多級預(yù)熱和溶出系統(tǒng)，加熱介質(zhì)可用溶鹽也可用高壓新蒸氣，各級礦漿自蒸發(fā)器排出的乏氣分別用來預(yù)熱各級預(yù)熱器中的礦漿。溶出設(shè)備可用套管加熱與高壓釜組成溶出器組。溶出后的礦漿經(jīng)多級降壓自蒸發(fā)器降壓后，與赤泥一次洗液一同進(jìn)入礦漿稀釋槽。末級自蒸發(fā)器排出的乏氣，用來預(yù)熱赤泥洗水，洗水由循環(huán)水和不合格的冷凝水組成。稀釋礦漿進(jìn)入分離沉降槽，其溢流經(jīng)過葉濾和降溫后送去晶種攪拌分解，分解后的氫氧化鋁漿液經(jīng)分離后，大部分氫氧化鋁返回種分槽作為晶種使用，其余部分送去洗滌，洗水用純凈的熱水，洗凈后的氫氧化鋁送去焙燒，焙燒后的氧化鋁即為成品氧化鋁。分離后的種分母液送去蒸發(fā)，加入少量鹽類晶種以誘導(dǎo)鹽類晶種析出，其溢流與濾液、補(bǔ)充新的液體苛性鈉后組成循環(huán)母液，送去調(diào)配制備原礦漿。

二、氧化鋁生產(chǎn)焙燒過程工藝

氫氧化鋁焙燒是氧化鋁生產(chǎn)工藝中的最后一道工序。焙燒的目的是在高溫下把氧化鋁的附著水和結(jié)晶水脫除，從而生成物理化學(xué)性質(zhì)符合電解要求的氧化鋁。(1)焙燒原理

氫氧化鋁經(jīng)過焙燒爐的干燥段，焙燒段和冷卻段使之烘干，脫水和晶形轉(zhuǎn)變而變成氧化鋁產(chǎn)品其化學(xué)變化可分為以下幾個(gè)階段。

（a）脫除附著水

CAl(OH)3H2O?100???Al(OH)3?H2O ?當(dāng)溫度高于100C時(shí)氫氧化鋁中的附著水被蒸發(fā)，此反應(yīng)發(fā)生在閃速干燥器。(b)脫除結(jié)晶水

結(jié)晶水的脫除分兩步進(jìn)行，250-300度時(shí)，失去兩個(gè)結(jié)晶水，在500-600度的溫度下它失去最后一個(gè)結(jié)晶水。而成為r?AlO。

23300CAl2O33H2O?250?????Al2O3?2H2O ??600CAl2O3H2O?500??????Al2O3?H2O ?(c)晶型轉(zhuǎn)變

氫氧化鋁在脫水過程中伴隨著晶體轉(zhuǎn)變，r?Al2O3在950度時(shí)開始進(jìn)行晶型轉(zhuǎn)變，逐漸由r?Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Al2O3。

(2)氧化鋁焙燒過程生產(chǎn)過程流程介紹

流態(tài)化焙燒是世界上最先進(jìn)的氫氧化鋁焙燒技術(shù)與裝置，流態(tài)化是一種固體顆粒與氣體接觸而變成類似流體狀態(tài)的操作技術(shù)。而固體物料在流態(tài)化狀態(tài)下與氣體或液體的熱交換過程最為強(qiáng)烈。(a)此爐型采用了在干燥段設(shè)計(jì)熱發(fā)生器這一新穎措施，當(dāng)供料氫氧化鋁附著水含量增大時(shí)，不需象其它爐型那樣采取增加過?？諝獾姆绞絹碓黾痈稍锬芰?，僅需啟動干燥熱發(fā)生器來增加干燥段熱量，避免了廢氣量大增而大量損失熱量，因此，與前二種爐型相比，氣體懸焙燒爐熱耗和電耗要低。

(b)整套裝置設(shè)計(jì)簡單。一是物料自上而下流動，可避免事故停爐時(shí)的爐內(nèi)積料和計(jì)劃停爐時(shí)的排料；二是設(shè)備簡單，除流化冷卻器外無任何流化床板，沒有物料控制閥，方便了設(shè)備維檢修：三是負(fù)壓作業(yè)對焙燒爐的問題診斷和事故處理有利。這些都有利于故障后生產(chǎn)的快速恢復(fù)，給生產(chǎn)組織帶來方便。

(c)控制回路簡單，氣體懸浮焙燒爐雖有多條自動控制回路，但在生產(chǎn)中起主要作用的僅有2條，一條是主燃燒系統(tǒng)的主爐溫度控制回路，另一條是O2含量控制回路。

三、焙燒爐溫度控制方案設(shè)計(jì)

目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。一個(gè)控控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控 制器。

(1)對于焙燒過程而言，主要控制焙燒爐出口溫度。而影響焙燒爐出口溫度的因素主要就是燃料的流量，而流量又決定于主燃燒器的流量閥門的開度。因此，我們引入中間點(diǎn)信號，即最能反應(yīng)焙燒爐出口溫度的進(jìn)入主燃燒器中的燃料流量，作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充信號，以便快速反應(yīng)影響焙燒爐出口溫度變化的擾動，引入該點(diǎn)作為輔助被調(diào)量，通過調(diào)節(jié)管道上流量閥的開度調(diào)整燃料的流量，組成了流量．溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)焙燒爐的出口溫度，來保氧化鋁的產(chǎn)量和質(zhì)量口”。焙燒爐溫度控制回路流程圖如圖所示：

圖1 焙燒爐溫度控制回路流程圖 焙燒爐溫度控制回路設(shè)計(jì)為串級控制回路，主回路為溫度控制回路，其輸入為焙燒爐的出口溫度的設(shè)定值，控制器輸出為副回路的輸入，測量儀表為一體化熱電偶；副回路為流量控制回路，其輸入為主控制器的輸出或主燃燒器的流量設(shè)定，控制器輸出為主燃燒器V19流量調(diào)節(jié)閥的百分比開度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為流量電動調(diào)節(jié)閥，測量儀表為電磁流量計(jì)。從方框圖可以看出，串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)有兩個(gè)閉環(huán)的調(diào)節(jié)回路：

圖2 溫度控制回路結(jié)構(gòu)圖

a）由PID控制器、調(diào)節(jié)閥、主燃燒器、流量計(jì)構(gòu)成了副環(huán)回路。b）由PID控制器、副環(huán)回路、焙燒爐、溫度計(jì)構(gòu)成了主環(huán)回路。

副環(huán)回路為流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，選用標(biāo)準(zhǔn)PID控制器來控制該系統(tǒng)。主環(huán)回路為溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也選用標(biāo)準(zhǔn)PID控制器來控制該系統(tǒng)。

主調(diào)節(jié)器出的的信號不是直接調(diào)節(jié)溫度，而是作為副調(diào)節(jié)器的可變給定值，與燃料流量信號比較，再通過副調(diào)節(jié)器去控制電動閥動作，以調(diào)節(jié)燃料流量，保證焙燒爐出口溫度能較快的跟蹤設(shè)定值并最終保持在設(shè)定值附近不變。

(2)從動態(tài)特性的角度考慮，優(yōu)化控制器性能與結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，盡量根據(jù)被控制對象選擇一組較為合適的控制器參數(shù)，提達(dá)到更好可控制效果。而通過對系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模型特性，通過設(shè)定某種性能指標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)最優(yōu)指標(biāo)的前提下，對控制器參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)可謂是個(gè)好的優(yōu)化控制器性能的辦法。對于串級控制系統(tǒng)來說，有兩個(gè)控制器，因此需要分別對兩個(gè)控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，整定的順序先調(diào)節(jié)副回路，待副回路調(diào)節(jié)達(dá)到要求后，在調(diào)節(jié)主回路。

(3)如果測量元件的延遲和慣性比較大，就不能及時(shí)反映溫度的變化，就會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響控制質(zhì)量。因此，在系統(tǒng)的儀表選型上盡量使用快速的測量元件，安裝在正確的位置，保證測量信號傳遞的快速性，減小延遲和慣性。

四、焙燒爐溫度回路對象模型的建立與驗(yàn)證

建立數(shù)學(xué)模型的方法有許多種，像機(jī)理建模、系統(tǒng)辨識等。機(jī)理建模有較大的普遍性，但是多數(shù)工業(yè)過程的機(jī)理較為復(fù)雜，其數(shù)學(xué)模型很難建立，雖然在建模過程中作了一些具有一定實(shí)際依據(jù)的近似和假設(shè)，但是逼近不能完全反映過程的實(shí)際情況，有時(shí)甚至?xí)硪恍┕烙?jì)

4不到的影響。因此，在工程目前主要采用試驗(yàn)建模一過程辨識和參數(shù)估計(jì)的方法。建模的方法我們采用響應(yīng)曲線法，響應(yīng)曲線法主要用于階躍響應(yīng)曲線和矩形脈沖響應(yīng)曲線。

圖3 階躍響應(yīng)法 圖4 矩形脈沖響應(yīng)法(1)階躍響應(yīng)曲線的試驗(yàn)測定：

將被控過程的輸入量作一階躍變化，同時(shí)記錄其輸出量隨時(shí)間而變化的曲線，則稱為階躍響應(yīng)曲線。

階躍響應(yīng)曲線能直觀，完全描述被控過程的動態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)測試方法易于實(shí)現(xiàn)，只要是閥門的開度作一階躍變化即可，實(shí)驗(yàn)時(shí)必須注意：

(a)合理選擇階躍擾動量，既不能太大，以免影響正常生產(chǎn)，也不能太小，以防被控過程的不真實(shí)性。通常取階躍信號值為正常輸入信號的5％一15％，以不影響生產(chǎn)為準(zhǔn)。(b)試驗(yàn)應(yīng)在相同的測試條件下重復(fù)做幾次，需獲得兩次以上的比較接近的相應(yīng)曲線，減少干擾的影響。

(c)試驗(yàn)應(yīng)在階躍信號作正，反方向變化時(shí)分別測出其相應(yīng)曲線，以檢驗(yàn)被控過程的非線性程度。

(d)試驗(yàn)前，即在輸入階躍信號前，被控過程必需處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。在一次試驗(yàn)完成后，必須是被控過程穩(wěn)定一段時(shí)間后再施加測試信號作第二次試驗(yàn)。

考慮到實(shí)際工程的方便，對主爐溫度控制我們采用階躍響應(yīng)曲線試驗(yàn)建模法。根據(jù) 控制理論來分析，設(shè)計(jì)或改進(jìn)一個(gè)過程控制系統(tǒng)，只有過程的階躍響應(yīng)曲線顯然是不夠的，還必須有階躍響應(yīng)曲線來辨識被控過程數(shù)學(xué)模型，如微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性、差分方程等。在確定模型參數(shù)時(shí)，首先分析階躍響應(yīng)曲線的形狀，選取一種模型結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。由階躍響應(yīng)曲線辨識數(shù)學(xué)模型的方法很多，一階慣性環(huán)節(jié)是一種常用的估計(jì)方法。

在過程輸入階躍信號x0的瞬時(shí)，其響應(yīng)曲線的斜率最大，如圖5所示。

5圖5 階躍響應(yīng)曲線

此時(shí)，其數(shù)學(xué)模型可用一階慣性環(huán)節(jié)來近似，即

w(s)??sK?1

式中參數(shù)K、?的求法如下：(1)過程的靜態(tài)放大系數(shù)

y(?)?y(0)x0K?(2)過程的時(shí)間常數(shù)

對于上式所示的過程模型，在階躍信號x0作用下的時(shí)間特性為：

y（t）?Kx0(1?e)

式中，K為過程的放大系數(shù)，可由上式可確定。

圖3．20描繪該方程的曲線圖，表明一階過程對輸入的突然變化不能瞬時(shí)做出響應(yīng)。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)間間隔等于過程時(shí)間常數(shù)是（t??）過程響應(yīng)應(yīng)僅為完全值得63.2％。從利用上講，除了t??，過程輸出總不會達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值；當(dāng)（t?5?）時(shí)，相應(yīng)近似為最終穩(wěn)態(tài)值。

t??

五、設(shè)備及控制儀表的選型

（1）溫度變送器的選擇

選用JCJ100G溫度變送器，JCJ100G溫度變送器將熱電熱偶所測的溫度變化通過電路處理，經(jīng)信號放大后轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號。信號可以供數(shù)字儀表、記錄儀、模擬調(diào)節(jié)器、DCS系統(tǒng)，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)過程檢測與控制系統(tǒng)。本溫度變送器采用優(yōu)質(zhì)電子器件，性能遠(yuǎn)高于其他同類產(chǎn)品，物美價(jià)廉。（2）控制器選型

按照設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)選用一個(gè)KSW-6-16型溫度控制器為1300℃電爐的配套設(shè)備，與鉑銠—鉑熱電偶配套使用，可對電爐內(nèi)的溫度進(jìn)行測量、顯示、控制，并可使?fàn)t膛內(nèi)的溫度自動保持恒溫。以硅碳棒為加熱元件的高溫電阻爐，其加熱元件的冷態(tài)與熱態(tài)時(shí)的電阻值相差較大，在長期使用中硅碳棒的電阻值將逐漸變大。所以必須與調(diào)壓設(shè)備配套使用，KSW-6-16型號的溫度控制器具有溫度控制和電壓調(diào)節(jié)二種功能，該溫度控制器的溫度顯示有數(shù)字顯示

6和指針顯示二種，其中尤以固態(tài)繼電器為執(zhí)行元件并配以數(shù)字顯示的控制器性能更為優(yōu)越。結(jié)構(gòu)及工作原理：溫度控制器的外殼由鋼板沖壓折制成型并采用鋁合金框架結(jié)構(gòu)，外殼表面采用高強(qiáng)度的靜電噴涂，漆膜光滑牢固。控制器的前部裝有溫度控制儀表、電壓表、電流表和電源開關(guān)?？刂破鞯膬?nèi)部裝有可控硅、線路板及螺旋保險(xiǎn)和接線端子等電器元件。該溫度控制系統(tǒng)采用了優(yōu)質(zhì)電子集成元件，控溫靈敏、性能可靠、使用方便。

其工作原理：熱電偶將電爐內(nèi)部的溫度轉(zhuǎn)換為毫伏電壓值，經(jīng)過集成放大器的放大、比較后，輸出移相控制信號，有效地控制可控硅的導(dǎo)通角，進(jìn)而控制硅碳棒的平均加熱功率，使?fàn)t膛內(nèi)的溫度保持恒溫。（3）執(zhí)行器的選擇

PID系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動調(diào)節(jié)閥、排料閥。電動閥使用電機(jī)作動力，氣動閥使用壓縮空氣作動力，電動閥對液體介質(zhì)和大管道徑氣體效果好，不受氣候影響，電動調(diào)節(jié)閥要求電動調(diào)節(jié)裝置和閥體間隙精密，能夠準(zhǔn)確地控制閥門開度，閥芯則根據(jù)重油黏度系數(shù)選用V型半球閥，使其過油能夠連續(xù)通順，并使調(diào)節(jié)與開度盡量滿足線性關(guān)系。為了解決排料的連續(xù)性，選擇了氣動控制排料閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為I／P定位器。I／P定位器是二位三通電磁閥。此裝置通過閥門開關(guān)來控制氣缸帶動活塞運(yùn)動。（4）氣開氣關(guān)選擇

氣動調(diào)節(jié)閥氣開或者氣關(guān)，通常是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用和調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的不同組裝方式實(shí)現(xiàn)。氣開氣關(guān)的選擇是根據(jù)工藝生產(chǎn)的安全角度出發(fā)來考慮的。在本設(shè)計(jì)中，沸騰焙燒爐的溫度控制，調(diào)節(jié)閥安裝在燃料氣管道上，根據(jù)爐膛的溫度或被加熱物料在加熱爐出口的溫度來控制燃料的供應(yīng)。根據(jù)生產(chǎn)過程的工藝特點(diǎn)和安全要求，保證人身安全原則、系統(tǒng)與設(shè)備安全原則，保證產(chǎn)品的質(zhì)量原則，減少原料和動力浪費(fèi)原則，基于介質(zhì)特點(diǎn)的工藝設(shè)備安全原則，本設(shè)計(jì)選用氣開閥更安全些，因?yàn)橐坏庠赐Ｖ构┙o，閥門處于關(guān)閉比閥門處于全開更適合。如果氣源中斷，燃料閥全開，會使加熱過量發(fā)生危險(xiǎn)。（5）調(diào)節(jié)器正負(fù)作用選擇

副調(diào)節(jié)器作用方式的選擇，確定副被控過程的Ko2，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以 Ko2 >0。最后確定副調(diào)節(jié)器，為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)(即增益)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器 K 2>0，副調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。主調(diào)節(jié)器作用方式的選擇，爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程 Ko1 > 0。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) K 1> 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。

六、溫度控制器PID參數(shù)整定及仿真

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起

7來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。

被控對象為一階傳遞函數(shù)

3.98W(s)??sK??111.15s?1

采樣時(shí)間為O.2秒，輸入指令為一階階躍信號。

溫度控制器PID參數(shù)整定方法，應(yīng)用Matlab計(jì)算機(jī)語言編寫了算法PID參數(shù)程序，獲得優(yōu)化參數(shù)。

整定后的PID控制階躍響應(yīng)在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真，仿真控制程序如圖3．31所 示。

圖6 溫度PID控制的Simulink仿真程序

在仿真環(huán)境下焙燒爐設(shè)定1110℃，仿真曲線圖所示。

8圖7 溫度PID整定的階躍響應(yīng)曲線

通過仿真曲線圖7可以看出通過PID參數(shù)能夠使焙燒爐溫度快速穩(wěn)定準(zhǔn)確的跟蹤設(shè)定值，上升時(shí)間大約為8s，調(diào)節(jié)時(shí)間約為10s，超調(diào)量小，基本達(dá)到控制要求。

七、總結(jié)

所設(shè)計(jì)的回路控制策略應(yīng)用到現(xiàn)場，能夠滿足現(xiàn)場的控制要求，而且能夠提高產(chǎn)品的品質(zhì)，實(shí)驗(yàn)室整定的PID參數(shù)對現(xiàn)場控制器有很好的指導(dǎo)意義，提高了控制精度；為氧化鋁焙燒生產(chǎn)提供保障；減輕了現(xiàn)場工藝人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)也能更加精確、嚴(yán)格的按照設(shè)定好的曲線烘爐，提高爐子內(nèi)襯的使用壽命，為順利生產(chǎn)提供前提保障?？傊?，焙燒過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)成功的應(yīng)用到實(shí)際工程中，滿足實(shí)際項(xiàng)目的工藝要求，降低了現(xiàn)場人員的工作量，節(jié)約了現(xiàn)場能量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 熊志利.氧化鋁生產(chǎn)焙燒過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) 東北大學(xué) [2] 翟小康.焙燒生產(chǎn)工藝燃燒控制系統(tǒng)分析 消費(fèi)電子 2014，（14）[3] 姚月航.氧化鋁的焙燒技術(shù)與節(jié)能 中國科技博覽 2014，（12）[4] 盛坤.PID技術(shù)在氧化鋁焙燒爐上的應(yīng)用 自動化儀表 2013,34（6）[5] 陶峰.淺析PID參數(shù)如何調(diào)節(jié) 中國科技博覽 2011，（38）：14-17 [6] 趙紫靜,吳建民.淺議PID控制在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,(21):9335-9336 [7] 熊志利 氧化鋁焙燒過程回路控制策略研究 企業(yè)技術(shù)開發(fā) 2010，（19）[8] 李傳淮,呂文義.氧化鋁生產(chǎn)過程中的燃燒控制 自動化儀表 2002年 第3期

第二篇：計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)(電阻爐溫度控制系統(tǒng))

計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)

報(bào)告

設(shè)計(jì)題目： 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 年級專業(yè)： 09級測控技術(shù)與儀器 姓 名 ：

武帆 學(xué) 號 ： P60914001 任課教師： 謝芳

電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0.前言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，特別是微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，利用單片機(jī)來改造落后的設(shè)備具有性價(jià)比高、提高設(shè)備的使用壽命、提高設(shè)備的自動化程度的特點(diǎn)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械、食品等領(lǐng)域。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。本設(shè)計(jì)就是利用單片機(jī)來控制高溫加熱爐的溫度，傳統(tǒng)的以普通雙向晶閘管（SCR）控制的高溫電加熱爐采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，達(dá)到自動控制電加熱爐溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實(shí)踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當(dāng)大的中頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸，給電力系統(tǒng)造成“公害”。采用固態(tài)繼電器控溫電路，通過單片機(jī)控制固態(tài)繼電器，其波形為完整的正弦波，是一種穩(wěn)定、可靠、較先進(jìn)的控制方法。為了降低成本和保證較高的控溫精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零點(diǎn)遷移、冷端補(bǔ)償功能的溫度變送器橋路，使實(shí)際測溫范圍縮小。

溫度控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長、控制精度低。采用單片機(jī)進(jìn)行溫度控制，具有電路設(shè)計(jì)簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，對提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義隨著單片機(jī)技術(shù)的迅速興起與蓬勃發(fā)展，其穩(wěn)定、安全、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)十分突出，所以其應(yīng)用也十分廣泛。單片機(jī)已經(jīng)無處不在、與我們生活息息相關(guān)，并且滲透到生活的方方面面。

1.課程設(shè)計(jì)任務(wù)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的電阻爐為被控對象，采用MCS—52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹電阻爐溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成，并完成系統(tǒng)總體控制方案和達(dá)林算法控制器的設(shè)計(jì)，給出系統(tǒng)硬件原理框圖和軟件設(shè)計(jì)流程圖等。

1.1電阻爐組成及其加熱方式

電阻爐是工業(yè)爐的一種，是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化元件或物料的熱加工設(shè)備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同;由于工藝不同，所要求的溫度高低不同，因而所采用的測溫元件和測溫方法也不同;產(chǎn)品工藝不同，對控溫精度要求不同，因而控制系統(tǒng)的組成也不相同。電氣控制系統(tǒng)包括主機(jī)與外圍電路、儀表顯示等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，因爐種的不同而各異。電阻爐的類型根據(jù)其熱量產(chǎn)生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時(shí)產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導(dǎo)、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強(qiáng)大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發(fā)熱從而達(dá)到加熱的效果。工業(yè)電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡單、溫度場分布 均勻、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。1.2控制要求

本系統(tǒng)中所選用的加熱爐為間接加熱式電阻爐，控制要求為:（1）采用一臺主機(jī)控制8個(gè)同樣規(guī)格的電阻爐溫度;（2）電爐額定功率為20 kW;（3）恒溫正常工作溫度為1000℃，控溫精度為±1%;（4）電阻爐溫度按預(yù)定的規(guī)律變化，超調(diào)量應(yīng)盡可能小，且具有良好的穩(wěn)定性;（5）具有溫度、曲線自動顯示和打印功能，顯示精度為±1℃;（6）具有報(bào)警、參數(shù)設(shè)定、溫度曲線修改設(shè)置等功能。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)題目要求,電熱鍋爐溫度控制系統(tǒng)由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等組成。采用比較流行的AT89S52作為電路的控制核心,使用8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD0808進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,控制電路部分采用PWM通過AC-SSR實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制,此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項(xiàng)要求的精度。系統(tǒng)總體框圖如下。

顯示電路熱電偶電阻爐變送器數(shù)據(jù)采集單片機(jī)越限報(bào)警

2.1核心處理模塊——單片機(jī)

該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各種控制命令、讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，同時(shí)還要對執(zhí)行單元進(jìn)行控制。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)處理核心。

選擇單片機(jī)的理由：單片機(jī)的特點(diǎn)是體積較小，也就是其集成特性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的簡化，增加一些外圍電路，就能夠組成一個(gè)完整的小系統(tǒng)，單片機(jī)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。它具有和普通計(jì)算機(jī)類似的、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，通過使用一些科學(xué)的算法，可以獲得很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。所以單片機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中，可以極大地提高工業(yè)設(shè)備的智能化、數(shù)據(jù)處理能力和處理效率，而且單片機(jī)無需占用很大的空間。

2.2溫度信號采集與傳感器

本部分的主要作用是用傳感器檢測模擬環(huán)境中的溫度信號，溫度傳感器上電流將隨環(huán)境溫度值線性變化。再把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，使用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電壓信號，本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內(nèi)部完成。

2.3人機(jī)交互及串口通信

人機(jī)交換的目的是為了提高系統(tǒng)的可用性和實(shí)用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而輸出顯示則完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示信息的輸出，串口通信的主要功能是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，便于進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為將來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展做好基礎(chǔ)工作。AC-SSR過零檢測光耦隔離鍵盤控制 2.4控制執(zhí)行單元

是單片機(jī)的輸出控制執(zhí)行部分，根據(jù)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，驅(qū)動繼電器控制外部設(shè)備，可以達(dá)到超溫報(bào)警及升溫或者降溫目的，使環(huán)境溫度始終保持在一個(gè)范圍之內(nèi)。

根據(jù)溫度變化慢,并且控制精度不易掌握的特點(diǎn),我們設(shè)計(jì)了以AT89S52單片機(jī)為檢測控制中心的電熱鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進(jìn)的PID數(shù)字控制算法,顯示采用8位LED動態(tài)顯示。

三、硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路如圖所示：硬件系統(tǒng)主要由AT89S52單片機(jī)、溫度采集、A／D轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示電路、報(bào)警等功能電路組成。

3.1、核心部分單片機(jī)

AT89S52單片機(jī)為主控制單元。AT89S52單片機(jī)首先根據(jù)爐溫的給定值和測量值計(jì)算出溫度偏差，然后進(jìn)行PID控制并計(jì)算出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)由P1．0口輸出。最后將P1．0口輸出的控制數(shù)據(jù)送往光電耦合隔離器的輸入端，利用PWM脈沖調(diào)制技術(shù)調(diào)整占空比，達(dá)到使?fàn)t溫控制在某一設(shè)定溫度。AT89S52單片機(jī)還負(fù)責(zé)按鍵處理、溫度顯示以及與上位機(jī)進(jìn)行通信等工作。4位高亮度LED用于顯示設(shè)定溫度或?qū)崪y溫度。3.2、溫度采集轉(zhuǎn)換模塊

溫度采集電路主要由鉑銠-鉑熱電偶LB-3。LB-3熱電偶可以在1300℃高溫下長時(shí)間工作，滿足常規(guī)處理工藝要求。測溫時(shí)，熱電阻輸出mV熱電勢，必須經(jīng)過變送器變換成0-5V的標(biāo)準(zhǔn)信號。本系統(tǒng)選用DWB型溫度變送器，并將其直接安裝在熱電偶的接線盒內(nèi)，構(gòu)成一體化的溫度變送器，不僅可以節(jié)省補(bǔ)償導(dǎo)線，而且可以減少溫度信號在傳遞過程中產(chǎn)生的失真和干擾。電阻爐爐溫信號是一種變換緩慢的信號。這種信號在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，對轉(zhuǎn)換速度要求不高。因此為了減低成本以及方便選材，可以選用廉價(jià)的、常用的A/D芯片ADC0809，ADC0809是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8為數(shù)字輸出地A/D轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換所得到的實(shí)測爐溫?cái)?shù)據(jù)直接送入AT89S52單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

此外，為了防止斷偶或者爐溫越限，產(chǎn)生熱處理質(zhì)量事故；同時(shí)為了提高溫控系統(tǒng)的智能化控制性能，降低熱處理操作人員的勞動強(qiáng)度，本系統(tǒng)特別設(shè)置了斷偶或爐溫越限自動報(bào)警電路。在熱處理生產(chǎn)過程中，當(dāng)發(fā)生斷偶或爐溫越限等異?，F(xiàn)象時(shí)，主控單元AT89S52單片機(jī)自動啟動報(bào)警電路進(jìn)行聲、光報(bào)警，以便操作人員快速處理，防止?fàn)t內(nèi)工件過熱，破壞金屬組織結(jié)構(gòu)。

3.3、AC—SSR交流功率調(diào)節(jié)電路

由輸出來控制電爐,電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為：

其中時(shí)間常數(shù)T=350秒，放大系數(shù)K=50，滯后時(shí)間t=10秒。為了避免交流接觸器等機(jī)械觸電因頻繁通斷產(chǎn)生電弧，燒壞觸電或者干擾其他設(shè)備正常工作，本系統(tǒng)選用AC-SSR交流功率調(diào)節(jié)器作為PID控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。AT89S52單片機(jī)P1.0口輸出的溫度控制信號經(jīng)過光電耦合器件隔離，送至過零檢測電路。過零檢測電路產(chǎn)生脈沖控制AC-SSR調(diào)功電路。當(dāng)實(shí)測溫度偏低時(shí)，單片機(jī)輸出的控制信號使得雙向可控硅的導(dǎo)通角減小，導(dǎo)通時(shí)間變短，加熱器功率降低爐溫適當(dāng)降低。通過控制輸入到加熱器平均功率的大小達(dá)到控制電阻爐爐溫的目的。

控制執(zhí)行部分的硬件電路如下圖

3.4鍵盤模塊電路

采用4×4矩陣鍵盤接單片機(jī)的P1口，然后實(shí)現(xiàn)對設(shè)定溫度的修改，將它與實(shí)際溫度進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)要求的功能。矩陣鍵盤如下圖3所示：

3.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

如圖所示：

3.6 變送電路

3.6.1、4~20mA變送器XTR101 XTR101為4~20mA線性化變送器，它可與鎳絡(luò)-鎳硅測溫傳感器構(gòu)成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測溫范圍，在-40℃~+85℃的工作溫度內(nèi)，傳送電流的總誤差不超過1%，供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調(diào)電壓<±2.5mV，輸入失調(diào)電流<20nA。XTR101外形采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳DIP封裝。XTR101有如下兩種應(yīng)用于轉(zhuǎn)換溫度信號的典型電路：

3.6.2、I/V轉(zhuǎn)換器RCV420 RCV420是一種精密電流/電壓變換器，它能將4~20mA的環(huán)路電流變?yōu)?~5V的電壓輸出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10V基準(zhǔn)電源。對環(huán)路電流由很好的變換能力。具有-25℃~+85℃和0℃~70℃的工作溫度范圍，輸入失調(diào)電壓<1mA，總的變換誤差<0.1%，電源電壓范圍±5~±18V。RCV420的外形采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳DIP封裝。它的典型應(yīng)用如下：

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊。

4.1 主程序模塊

開始初始化計(jì)時(shí)器初始化PID參數(shù)A/D采樣以及變換Y判斷越限報(bào)警N顯示當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度報(bào)警開啟設(shè)置PWM的占空比

主程序流程圖

4.2 功能實(shí)現(xiàn)模塊

以用來執(zhí)行對可控硅及電爐的控制。功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由A／D轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。

4.2.1T0中斷子程序

該中斷是單片機(jī)內(nèi)部100ms定時(shí)中斷,優(yōu)先級設(shè)為最高,是最重要的子程序。在該中斷響應(yīng)中,單片機(jī)要完成調(diào)用PID算法子程序且輸出PID計(jì)算結(jié)果等功能。其流程圖如下:

進(jìn)入中斷設(shè)置定時(shí)器寄存器判斷標(biāo)志位是否為1NY標(biāo)志位置0計(jì)算PID子模塊標(biāo)志位加1中斷返回 T0中斷子程序

4.2.2 T1中斷子程序

T1定時(shí)中斷用于調(diào)制PWM信號，優(yōu)先級低于T 0中斷,其定時(shí)初值由PID算法子程序提供的輸出轉(zhuǎn)化而來，T1中斷響應(yīng)的時(shí)間用于輸出控制信號。其流程圖如下:

進(jìn)入中斷取反標(biāo)志位,表示該輸出高電平或低電平輸出高電平?Y設(shè)置高電平脈寬N輸出口置高電平設(shè)置低電平脈寬Y輸出低電平?N輸出口置低電平中斷返回 T1中斷子程序

4.3運(yùn)算控制模塊

運(yùn)算控制模塊涉及標(biāo)度轉(zhuǎn)換、PID算法、以及該算法調(diào)用到的乘法子程序等。

4.3.1標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序

該子程序作用是將溫度信號(00H~FFH)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值,以便送顯示或與設(shè)定值在相同量綱下進(jìn)行比較。所用線形標(biāo)度變換公式為：

式中,Ax： 實(shí)際測量的溫度值;Nx：經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的溫度量； Am =90；Ao=40；Nm =FEH;No=01H；

單片機(jī)運(yùn)算采用定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，并且在高溫區(qū)和低溫區(qū)分別用程序作矯正處理。

4.4 控制算法：PID算法

積分分離控制的基本思路是：當(dāng)偏差e(k)絕對值較大時(shí)。取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)偏差e(k)絕對值小于某一設(shè)定值M時(shí)，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度，PID算法的表達(dá)式為：

u(t)?Kp[e(t)?式中u(t)：調(diào)節(jié)器的輸出信號；

e(t)：偏差信號；

1TI?t0e(t)dt?TDde(t)]dt

Kp：調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

TI：調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間； TD：調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。

在計(jì)算機(jī)控制中，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，必須對上式進(jìn)行離散化處理。用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。設(shè)系統(tǒng)的采樣周期為T，在t=kT時(shí)刻進(jìn)行采樣，?e(t)dt??Te(i)0i?0tk

式中e(k)：根據(jù)本次采樣值所得到的偏差；

e(k-1)：由上次采樣所得到的偏差。將上面的三個(gè)式子代入，則有

de(t)e(k)?e（k?1)?dtT

Tu（k）?Kp[e（k）?TI?T?e（i）i?0kkDe（k）?e（k?1）]T?Kpe（k）??ki?e（i）?kdi?0e（k）?e（k?1）T

式中，T為采樣時(shí)間，?項(xiàng)為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)

????0??1e(k)??e(k)??

積分分離PID控制算法程序流程圖如圖10所示。

開始參數(shù)初始化采入r(k)及y（k）yPID控制E(k)

積分分離PID控制算法程序流程圖

參考文獻(xiàn)

[1] 張艷兵, 王忠慶,鮮浩編著,計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社,2006 [2] 于海生編著,微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,1999 [3] 楊進(jìn)才,沈顯君,劉蓉編著,C++語言程序設(shè)計(jì)教程.北京:清華大學(xué)出版社,2006 [4] 夏云龍編著,最新Visual C++ 使用手冊.北京:電子工業(yè)出版社,2005 [5] 黃迪明,許家珆,胡德昆編著,C語言程序設(shè)計(jì).成都:電子科技大學(xué)出版社,2008 [6] 顏永軍等,Protel99電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用,國防工業(yè)出版社,2001 [7] 樓然苗,李光飛,51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例（第二版）,2006 [8] 李朝青

單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社

[9]劉洪恩.利用熱電偶轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)溫度測控系統(tǒng)[J]儀表技術(shù),2005.2: 29-30。[10]孫凱, 李元科.電阻爐溫度控制系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù),2003.2:50-52.。

附錄

主程序

ORG 0400H DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CH DISM5 DATA 7DH MOV SP,#50H CLR 5EH CLR 5FH CLR A MOV 2FH,A MOV 30H,A MOV 3BH,A MOV 3CH,A MOV 3DH,A MOV 3EH,A MOV 44H,A MOV DISM0,A MOV DISM1,A MOV DISM2,A MOV DISM3,A MOV DISM4,A MOV DISM5,A MOV TMOD,#56H MOV TL0,#06H MOV TH0,06H CLR PT0 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA LOOP:ACALL DISPLY ACALL SCAN AJMP LOOP

50H送SP

A

清暫存單元

清顯示緩沖區(qū)

T0為計(jì)數(shù)器方式2，T1為方式1

T0賦初值

T0為低中斷優(yōu)先級 T0工作 T0中斷 CPU中斷

；；清本次越限標(biāo)志；清上次越限標(biāo)志；清累加器；；；；；；；；；；；；；；設(shè)；；；令；啟動；允許；開；調(diào)用顯示程序；調(diào)用掃描程序；等待中斷T0中斷服務(wù)程序 ORG 000BH AJMP CT0 ORG 0100H CT0: PUSH ACC ；

PUSH DPL ；保護(hù)現(xiàn)場 PUSH DPH ；

SETB D5H ；置標(biāo)志

ACALL SAMP ；調(diào)用采樣子程序 ACALL FILTER ；調(diào)用數(shù)字濾波程序

CJNE A,42H,TPL ；若Ui（k）不等于Umax，則TPL WL: MOV C,5EH ；

MOV 5FH,C ； 5EH送5FH CLR 5EH ；清5EH單元 ACALL UPL ；轉(zhuǎn)上限處理程序 POP DPH POP DPL POP ACC RETI ；中斷返回

TPL: JNC TPL1 ；若Ui（k）大等Umax，則TPL1 CLR 5FH ；清上次越限標(biāo)志

CJNE A,43H,MTPL ；若Ui（k）不等于Umin，則MTPL HAT: SETB P1.1 ；若溫度不越限則令綠燈亮 ACALL PID ；調(diào)用計(jì)算PID子程序 MOV A,2FH ；PID值送A CPL A ；

INC A ； 對PID值求補(bǔ)，作為TL1值 NM: SETB P1.3 ；令p1.3輸出高電平脈沖 MOV TL1,A ；

MOV TH1,#0FFH ； T1賦初值 SETB PT1 ；T1高優(yōu)先級中斷 SETB TR1 ；啟動T1 SETB ET1 ；允許T1中斷

ACALL TRAST ；調(diào)用標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序 LOOP: ACALL DISPLY ； 顯示溫度 JB D5H,LOOP ；等待T1中斷 POP DPH ；

POP DPL ； 恢復(fù)現(xiàn)場 POP ACC ；

RETI ；中斷返回

MTPL: JNC HAT ；若Ui（k）大于Umin，則HAT SETB P1.0 ；否則越下限聲光報(bào)警 MOV A,45H ；取PID最大值輸出 CPL A ；

INC A ； 對PID值求補(bǔ)，作為TL1 AJMP NM ；轉(zhuǎn)NM執(zhí)行

TPL1: SETB 5EH ；若Ui（k）大于Umax，則5EH單元置位 JNB 5FH,WL ；若上次未越限，則轉(zhuǎn)WL INC 44H ；越限計(jì)數(shù)器加1 MOV A,44H CLR C SUBB A,#N ；越限N次？

JNZ WL ；越限小于N次，則WL SETB P1.2 ；否則，越上限聲光報(bào)警 CLR 5EH CLR 5FH POP DPH POP DPL POP ACC RETI

T1中斷服務(wù)程序 ORG 001BH AJMP CT1 ORG 0200H CT1: CLR D5H CLR P1.3 RETI ；

； 清越限標(biāo)志 ；

； 恢復(fù)現(xiàn)場 ；

；中斷返回

p1.3變?yōu)榈碗娖?；中斷返? ；清標(biāo)志；令

第三篇：氧化鋁循環(huán)沸騰焙燒爐耐火材料的應(yīng)用

氧化鋁循環(huán)沸騰焙燒爐耐火材料的應(yīng)用

中鋁山東分公司為提高氧化鋁生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備水平，從德國盧奇公司引進(jìn)一套產(chǎn)能為1600t／d氧化鋁工藝技術(shù)及自動化水平高的流態(tài)化循環(huán)沸騰焙燒爐。1997年9月點(diǎn)火烘爐、投運(yùn)。隨后安裝的一套于2001年11月點(diǎn)火。此套裝置所用的耐火材料內(nèi)襯為硅酸鈣板、輕質(zhì)澆注料、耐火澆注料、耐火粘土磚和耐火纖維及錨固件。

一、氧化鋁循環(huán)沸騰焙燒爐及其耐火材料的選擇

1、氧化鋁循環(huán)沸騰焙燒爐的組成氧化鋁循環(huán)沸騰焙燒爐用來焙燒氫氧化鋁，由圓錐形旋風(fēng)筒、文丘里烘干器、沸騰焙燒爐、喂料螺旋、流態(tài)化冷卻機(jī)、循環(huán)床、卸料槽、下料管及風(fēng)管和煙道組成。設(shè)備形狀基本為圓筒形，最大設(shè)備外徑5.8m，高度32m，設(shè)備外殼由鋼板焊制，內(nèi)襯采用不定形耐火材料、耐火磚、硅酸鈣板及耐火纖維組成，并有錨固件聯(lián)接固定，整個(gè)裝置各個(gè)設(shè)備之間相互聯(lián)接，構(gòu)成一個(gè)密封的、整體性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)裝置。

2、氧化鋁沸騰焙燒爐用耐火材料的選擇

本裝置最高爐溫約1100℃，最高壓力約12.5kPa，最高流速48.5m／s，焙燒時(shí)間約30min，即整個(gè)焙燒過程在高速、高溫下完成。由于所處理的氧化鋁物料硬度較大，流動性好，對氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量的要求嚴(yán)格，任何內(nèi)襯雜質(zhì)的混入都直接影響產(chǎn)品的性能，因此，要求耐火材料必須滿足下列條件：耐高溫、耐磨損、高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性能好，整體性及密封性強(qiáng)。

在選用國產(chǎn)代用耐火材料時(shí)，應(yīng)遵循三條原則：①保證所選各種耐火材料的理化指標(biāo)滿足盧奇公司的要求；②保證所選耐火材料有良好的施工性能，尤其是耐火燒注料；③所選耐火材料必須經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證。根據(jù)這三條原則，經(jīng)對國內(nèi)十幾家有實(shí)力的耐火材料生產(chǎn)廠家進(jìn)行實(shí)地考察、比較篩選后，最終選擇了6家耐火材料廠，經(jīng)過與國外耐火材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行對比，所選用的國內(nèi)耐火材料和盧奇公司的耐火材料性能指標(biāo)接近，有些性能指標(biāo)甚至超過了國外指標(biāo)（見表1）。

二、氧化鋁循環(huán)沸騰焙燒爐耐火材料的應(yīng)用

循環(huán)沸騰焙燒爐整個(gè)裝置所用耐火材料共計(jì)762t，主要有澆注料、耐火磚、硅酸鈣板、硅酸鋁纖維和耐火泥五大類，以及固定耐火材料的錨固件。

1、工作層用耐火材料耐火澆注料共計(jì)351t，用于一級文丘里、冷卻旋風(fēng)筒、流化床冷卻機(jī)、所有管道、煙道及沸騰焙燒爐下部和旋風(fēng)筒的錐體部分，多為雙層或三層。

耐火磚共用269t，主要用在沸騰焙燒爐、循環(huán)旋風(fēng)筒、二級旋風(fēng)分離器、二級文丘里干燥器以及煙道等。

根據(jù)沸騰焙燒爐的工藝特點(diǎn)和不同的工藝參數(shù)及工況條件，工作層所用耐火材料的種類及層數(shù)不同。根據(jù)使用溫度、物料性質(zhì)，所有工藝管道進(jìn)行輕質(zhì)和重質(zhì)澆注的配置，主要設(shè)備內(nèi)襯采用絕熱＋隔熱＋耐火磚的工作層配置，使耐火材料節(jié)能效果更好。

2、隔熱耐火材料隔熱耐火材料有輕質(zhì)澆注料、輕質(zhì)隔熱磚、硅酸鈣板和耐火纖維。

澆注料主要用在流化床冷卻機(jī)、冷卻旋風(fēng)筒、一級文丘里干燥器及二級文丘里干燥器等主要設(shè)備的頂部和所有管道和煙道里面。

保溫磚保溫磚共用41.76t，主要用在流化床冷卻機(jī)、一級文丘里干燥器和二級旋風(fēng)分離器。

硅酸鈣板硅酸鈣板共用97.5m3，有50mm厚和30mm厚兩種規(guī)格，主要用在沸騰焙燒爐、循環(huán)旋風(fēng)筒、冷卻旋風(fēng)筒及一級文丘里干燥器等。

耐火纖維耐火纖維共用2.5t，分為板類、氈類和毯類，主要用在膨脹縫、伸縮節(jié)、支架和入孔以及各種工藝孔周圍。

錨固件錨固件是內(nèi)襯的主要組成部分，其作用是使內(nèi)襯與爐壁牢固地結(jié)合。

錨固件的分布與爐溫、耐火材料的性質(zhì)、爐襯厚度、使用部位和所選用的錨固件形狀及材料有關(guān)，有15種類型、40種規(guī)格，重量約3000kg的錨固件系統(tǒng)對爐襯的應(yīng)力分布及熱脹冷縮熱應(yīng)力的均衡、延長爐襯壽命，起至關(guān)重要的作用。

三、效果及存在的問題

1、效果與啟示①該爐子在耐火材料使用中注重隔熱材料的使用，在高溫設(shè)備沸騰焙燒爐和循環(huán)旋風(fēng)筒上均采用五層耐火材料，四層隔熱材料，保溫效果很好。盡管爐子內(nèi)部溫度高達(dá)1100℃，但爐體外表溫度僅為70℃左右。其它部位均有二層或三層隔熱材料，故爐子整體熱效率很高。

②不同設(shè)備、不同工況條件，選用不同的耐火材料，使耐火材料的使用比較經(jīng)濟(jì)、合理，對今后耐火材料的選用有一定的啟示。

③不同爐溫、不同耐火材質(zhì)、不同爐襯厚度、不同使用部位，所用錨固件的形狀、分布及材質(zhì)不同。

5沸騰焙燒爐、循環(huán)旋風(fēng)筒、二級旋風(fēng)分離器、二級文丘里等拱頂采用異型磚逐環(huán)砌筑，環(huán)與環(huán)之間子母相扣，保障了球形拱頂?shù)恼w性能。解決了澆注料施工麻煩、養(yǎng)護(hù)時(shí)間長、損毀后難修補(bǔ)的問題。

2、存在問題在不到3年的應(yīng)用中，沸騰焙燒爐內(nèi)因二級文丘里干燥器、煙道等處紅爐，曾停爐檢修4次，原因有以下幾點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)不合理二級文丘里到二級旋風(fēng)筒的通道高2.5m，寬1.7m，磚厚僅為180mm，且分兩層（65mm和115mm），盡管設(shè)置有錨固件，但仍顯不穩(wěn)，使用不到一年即掉磚。遂在大修時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，保持內(nèi)表面積不變，高度不變，外殼加寬115mm，耐火磚加厚115mm，改為65mm保溫磚和230mm耐火磚。改后的運(yùn)行效果較好。

磚縫及膨脹縫較大此爐設(shè)計(jì)的耐火磚在位置高度上一般每間隔3.5m留有25mm的臌脹縫，根據(jù)我國耐火材料的線變化，在1450℃、保溫2h，線收縮一般為＋0～－0.2％，熱膨脹系數(shù)300～400℃時(shí)為0.1％，故25mm的膨脹縫過大。停爐時(shí)透過所有膨脹縫可看到外層鋼板。故根據(jù)理論要求，膨脹縫留7～8mm。

二級文丘里、二級旋風(fēng)筒及連接過道的耐火磚強(qiáng)度低，不耐磨

開爐2年多以來，二級旋風(fēng)筒的耐火磚由厚115mm磨損至局部僅為20mm，二級文丘里的耐火磚磨損僅為70mm左右，連接過道耐火磚已更換兩次，此處所選磚的強(qiáng)度只為34MPa，說明此處的耐火磚不符合工藝要求。此外氣流流速大，氧化鋁對其的沖刷嚴(yán)格，應(yīng)使用高強(qiáng)耐磨磚，因此在高鋁質(zhì)骨料中添加耐磨骨料，以增強(qiáng)耐火磚的耐磨性。耐磨骨料如剛玉、板狀剛玉等都具有高耐火度、蠕變小、高密度、熱震穩(wěn)定性好、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，在該部位試用高強(qiáng)度耐磨磚，可顯著提高內(nèi)襯的使用壽命。

澆注料之間施工縫隙過大沸騰焙燒爐與循環(huán)旋風(fēng)筒之間的過道頂部為三層澆注料、兩層保溫澆注料、一層耐火澆注料，錨固件為ST－20－21型，由于施工縫隙過大，氧化鋁穿過施工縫沖刷錨固件，導(dǎo)致錨固件斷裂，澆注料脫落，影響生產(chǎn)。采用的措施包括增強(qiáng)錨固件的焊接強(qiáng)度，改進(jìn)施工工藝；減少保溫澆注料厚度，過道兩端全部改為耐火澆注料，減少施工縫等

第四篇：溫度傳感器課程設(shè)計(jì)

溫度傳感器簡單電路的集成設(shè)計(jì)

當(dāng)選擇一個(gè)溫度傳感器的時(shí)候，將不再限制在模擬輸出或數(shù)字輸出裝置。與你系統(tǒng)需要相匹配的傳感器類型現(xiàn)在又很大的選擇空間。市場上供應(yīng)的所有溫度感應(yīng)器都是模擬輸出。熱電阻，RTDs和熱電偶是另一種輸出裝置，矽溫度感應(yīng)器。在多數(shù)的應(yīng)用中，這些模擬輸出裝置在有效輸出時(shí)需要一個(gè)比較器，ADC，或一個(gè)擴(kuò)音器。因此，當(dāng)更高技術(shù)的集成變成可能的時(shí)候，有數(shù)字接口的溫度傳感器變成現(xiàn)實(shí)。這些集成電路被以多種形式出售，從超過特定的溫度時(shí)才有信號簡單裝置，到那些報(bào)告遠(yuǎn)的局部溫度提供警告的裝置?，F(xiàn)在不只是在模擬輸出和數(shù)字輸出傳感器之間選擇，還有那些應(yīng)該與你的系統(tǒng)需要相匹配的更廣闊的感應(yīng)器類型的選擇，溫度傳感器的類型：

圖一：傳感器和集成電路制造商提供的四中溫度傳感器

在圖一中舉例說明四種溫度感應(yīng)器類型。一個(gè)理想模擬傳感器提供一個(gè)完全線性的功能輸出電壓（A）。在傳感器（B）的數(shù)字I/O類中，溫度數(shù)據(jù)通常通過一個(gè)串行總線傳給微控制器。沿著相同的總線，數(shù)據(jù)由溫度傳感器傳到微控制器，通常設(shè)定溫度界限在引腳得數(shù)字輸出將下降的時(shí)候。當(dāng)超過溫度界限的時(shí)候，報(bào)警中斷微控制器。這個(gè)類型的裝置也提供風(fēng)扇控制。

模擬輸出溫度傳感器：

圖2 熱阻和矽溫度傳感器這兩個(gè)模擬輸出溫度探測器的比較。

熱電阻和矽溫度傳感器被廣泛地使用在模擬輸出溫度感應(yīng)器上。圖2清楚地顯示當(dāng)電壓和溫度之間為線性關(guān)系時(shí)，矽溫度傳感器比熱阻體好的多。在狹窄的溫度范圍之內(nèi)，熱電阻能提供合理的線性和好的敏感特性。許多構(gòu)成原始電路的熱電阻已經(jīng)被矽溫度感應(yīng)器代替。

矽溫度傳感器有不同的輸出刻度和組合。例如，與絕對溫度成比例的輸出轉(zhuǎn)換功能，還有其他與攝氏溫度和華氏溫度成比例。攝氏溫度部份提供一種組合以便溫度能被單端補(bǔ)給得傳感器檢測。

在最大多數(shù)的應(yīng)用中，這些裝置的輸出被裝入一個(gè)比較器或A/D轉(zhuǎn)換器，把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字格式。這些附加的裝置，熱電阻和矽溫度傳感器繼續(xù)被利用是由于在許多情況下它的成本低和使用方便。數(shù)字I/O溫度傳感器： 大約在五年前，一種新類型溫度傳感器出現(xiàn)了。這種裝置包括一個(gè)允許與微控制器通信的數(shù)字接口。接口通常是12C或SMBus序列總線，但是其他的串行接口例如SPI是共用的。閱讀微控制器的溫度報(bào)告，接口也接受來自溫控制器的指令。那些指令通常是溫度極限，如果超過，將中斷微控制器的溫度傳感器集成電路上的數(shù)字信號。微控制器然后能夠調(diào)整風(fēng)扇速度或減慢微處理器的速度，例如，保持溫度在控制之下。

圖3：設(shè)計(jì)的溫度傳感器可遙測處理器芯片上的p-n結(jié)溫度

圖4。溫度傳感器可檢測它自己的溫度和遙測四個(gè)p-n結(jié)溫度。

圖5。風(fēng)扇控制器/溫度傳感器集成電路也可使用PWM或一個(gè)線性模式的控制方案。

在圖4中畫是一個(gè)類似的裝置：而不是檢測一個(gè)p-n結(jié)溫度，它檢測四個(gè)結(jié)和它的自己內(nèi)部的溫度。因此內(nèi)部溫度接近周圍溫度。周圍溫度的測量給出關(guān)于系統(tǒng)風(fēng)扇是否正在適當(dāng)?shù)毓ぷ鞯闹甘尽?/p>

在圖5中顯示，控制風(fēng)扇是在遙測溫度時(shí)集成電路的主要功能。這個(gè)部分的使用能在風(fēng)扇控制的二個(gè)不同的模式之間選擇。在PWM模式中，微處理控制風(fēng)扇速度是通過改變送給風(fēng)扇的信號周期者測量溫度一種功能。它允許電力消耗遠(yuǎn)少于這個(gè)部分的線性模式控制所提供的。因?yàn)槟承╋L(fēng)扇在PWM信號控制它的頻率下發(fā)出一種聽得見的聲音，這種線性模式可能是有利的，但是需要較高功率的消耗和附加的電路。額外的功耗是整個(gè)系統(tǒng)功耗的一小部分。

當(dāng)溫度超出指定界限的時(shí)候，這個(gè)集成電路提供中斷微控制器的警告信號。這個(gè)被叫做過熱溫度的信號形式里，安全特征也被提供。如果溫度升到一個(gè)危險(xiǎn)級別的時(shí)候溫控制器或軟件鎖上，警告信號就不再有用。然而，溫度經(jīng)由SMBus升高到一個(gè)水平，過熱在沒有微控制器被使用去控制電路。因此，在這個(gè)非邏輯控制器高溫中，過熱能被直接用去關(guān)閉這個(gè)系統(tǒng)電源，沒有為控制器和阻力潛在的災(zāi)難性故障。

裝置的這個(gè)數(shù)字I/O普遍使用在服務(wù)器，電池組和硬盤磁碟機(jī)上。為了增加服務(wù)器的可靠性溫度在很多的位置中被檢測：在主板（本質(zhì)上是在底盤內(nèi)部的周圍溫度），在處理器鋼模之內(nèi)，和在其它發(fā)熱元件例如圖形加速器和硬盤驅(qū)動器。出于安全原因電池組結(jié)合溫度傳感器和使其最優(yōu)化已達(dá)到電池最大壽命。

檢測依靠中心馬達(dá)的速度和周圍溫度的硬盤驅(qū)動器的溫度有兩個(gè)號的理由：在驅(qū)動器中讀取錯(cuò)誤增加溫度極限。而且硬盤的MTBF大大改善溫度控制。通過測量系統(tǒng)里面溫度，就能控制馬達(dá)速度將可靠性和性能最佳化。驅(qū)動器也能被關(guān)閉。在高端系統(tǒng)中，警告能為系統(tǒng)管理員指出溫度極限或數(shù)據(jù)可能丟失的狀況。

圖6。溫度超過某一界限的時(shí)候，集成電路信號能報(bào)警和進(jìn)行簡單的ON/OFF風(fēng)扇控制。

圖7.熱控制電路部分在絕對溫標(biāo)形式下，頻率與被測溫度成比例的產(chǎn)生方波的溫度傳感器

圖8。這個(gè)溫度傳感器傳送它的周期與被測溫度成比例的方波，因?yàn)橹话l(fā)送溫度數(shù)據(jù)需要一條單一線，就需要單一光絕緣體隔離信道。

模擬正溫度感應(yīng)器

“模擬正量”傳感器通常匹配比較簡單的測量應(yīng)用軟件。這些集成電路產(chǎn)生邏輯輸出量來自被測溫度，而且區(qū)別于數(shù)字輸入/輸出傳感器。因?yàn)樗麄冊谝粭l單線上輸出數(shù)據(jù)，與串行總線相對。

在一個(gè)模擬正量傳感器的最簡單例子中，當(dāng)特定的溫度被超過的時(shí)候，邏輯輸出出錯(cuò)：其它，是當(dāng)溫度降到一個(gè)溫度極限的時(shí)候。當(dāng)其它傳感器有確定的極限的時(shí)候，這些傳感器中的一些允許使用電阻去校正溫度極限。

在圖6中，裝置顯示購買一個(gè)特定的內(nèi)在溫度極限。這三個(gè)電路舉例說明這個(gè)類型裝置的使用：提供警告，關(guān)閉儀器，或打開風(fēng)扇。

當(dāng)需要讀實(shí)際溫度時(shí)，微控制器是可以利用的，在單線上傳送數(shù)據(jù)的傳感器可能是有用的。用微處理器的內(nèi)部計(jì)數(shù)器，來自于這個(gè)類型溫度感應(yīng)器的信號很容易地被轉(zhuǎn)換成溫度的測量。圖7傳感器輸出頻率與周圍溫度成比例的方波。在圖8中的裝置是相似的，但是方波周期是與周圍溫度成比例的。

圖9。用一條公共線與8個(gè)溫度傳感器連接的微控制器，而且從同一條線上接收每個(gè)傳感器傳送的溫度數(shù)據(jù)。

圖9，在這條公共線上允許連接達(dá)到八個(gè)溫度傳感器。當(dāng)微控制器的I/O端口同時(shí)關(guān)閉這根線上的所有傳感器的時(shí)候，開始提取來自這些傳感器的溫度數(shù)據(jù)。微控制器很快地重新裝載接收來的每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，在傳感器關(guān)閉期間，數(shù)據(jù)被編碼。在特定時(shí)間內(nèi)每個(gè)傳感器對閘口脈沖之后的時(shí)間編碼。分配給每個(gè)感應(yīng)器自己允許的時(shí)間范圍，這樣就避免沖突。

通過這個(gè)方法達(dá)到的準(zhǔn)確性令人驚訝：0.8 是典型的室溫，正好與被傳送方波頻率的電路相匹配，同樣適用于方波周期的裝置。

這些裝置在有線電線應(yīng)用中同樣顯著。舉例來說，當(dāng)一個(gè)溫度傳感器被微控制器隔離的時(shí)候，成本被保持在一個(gè)最小量，因?yàn)橹恍枰粋€(gè)光絕緣體。這些傳感器在汽車制造HVAC應(yīng)用中也是很有效，因?yàn)樗麄儨p少銅的損耗數(shù)量。溫度傳感器的發(fā)展：

集成電路溫度傳感器提供各式各樣的功能和接口。同樣地這些裝置繼續(xù)發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將會看見更多特殊應(yīng)用就像傳感器與系統(tǒng)接口連接的新方式一樣。最后，在相同的鋼模區(qū)域內(nèi)集成更多的電子元件，芯片設(shè)計(jì)師的能力將確保溫度傳感器很快將會包括新的功能和特殊接口。

總結(jié)

通過這些天的查找資料，我了解了很多關(guān)于溫度傳感器方面的知識。我的大家都知道溫度的一些基本知識，溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。利用溫度所創(chuàng)造出來的傳感器即溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。并且從資料中顯示溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀(jì)初人們開始利用溫度進(jìn)行測量。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，在本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。

這些天,我通過許多的資料了解到兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，如在某點(diǎn)互相連接在一起，對這個(gè)連接點(diǎn)加熱，在它們不加熱的部位就會出現(xiàn)電位差。這個(gè)電位差的數(shù)值與不加熱部位測量點(diǎn)的溫度有關(guān)，和這兩種導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測量這個(gè)電位差，再測出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準(zhǔn)確知道加熱點(diǎn)的溫度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，所以稱它為“熱電偶”。我查找的資料顯示數(shù)據(jù):不同材質(zhì)做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點(diǎn)溫度變化1℃時(shí)，輸出電位差的變化量。對于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個(gè)數(shù)值大約在5～40微伏／℃之間。

熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程。溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種，現(xiàn)代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域中，也為我們的生活提供了無數(shù)的便利和功能。

溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計(jì)。溫度計(jì)通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計(jì)的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計(jì)也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運(yùn)動體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計(jì)有雙金屬溫度計(jì)、玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計(jì)。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計(jì)得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計(jì)、蒸汽壓溫度計(jì)、聲學(xué)溫度計(jì)、順磁鹽溫度計(jì)、量子溫度計(jì)、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉?。低溫溫度?jì)要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計(jì)的一種感溫元件，可用于測量1.6～300K范圍內(nèi)的溫度。

非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可以用來測量運(yùn)動物體、小目標(biāo)還有熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可以用于測量溫度場的溫度分布。資料顯示，最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法、輻射法和比色法。各類輻射測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體所測溫度才是真實(shí)溫度。如果想測定物體的真實(shí)溫度，就必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取絕于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)連，因此很難精確測量。在自動化生產(chǎn)中我發(fā)現(xiàn)往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當(dāng)困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實(shí)測溫度進(jìn)行相應(yīng)的修正，最終可得到被測表面的真實(shí)溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，這樣才能提高有效發(fā)射系數(shù)。至于氣體和液體介質(zhì)真實(shí)溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計(jì)算求出與介質(zhì)達(dá)到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即是介質(zhì)溫度）進(jìn)行修正而得到介質(zhì)的真實(shí)溫度?，F(xiàn)在，我通過這些天的努力，了解了很多溫度傳感器及其相關(guān)的一些傳感器的知識。他們在我們生活中的應(yīng)用及其廣泛，我們只有加緊的學(xué)習(xí)加緊的完成自己所學(xué)專業(yè)的知識，了解相關(guān)的最新信息，我們才能跟上科技前進(jìn)的步伐。

參考文獻(xiàn)：

【1】劉君華.智能傳感器系統(tǒng).西安電子科技大學(xué)出版社,1993.3 【2】張富學(xué).傳感器電子學(xué).國防工業(yè)電子出版社,1992.6 【3】王家楨等.傳感器與變送器[M].北京清華出版社1996.5 【4】張正偉.傳感器原理與應(yīng)用[M].中央廣播電視大學(xué)出版社,1991.3 【5】樊尚春.傳感器技術(shù)及應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社,2004.8 【6】趙負(fù)圖.現(xiàn)代傳感器集成電路.人民郵電出版社,2000.8 【7】謝文和.傳感器技術(shù)及應(yīng)用.高等教育出版社,2004.7 【8】趙繼文.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].科技出版社,2002.6 【9】陳杰,黃鴻.傳感器與檢測技術(shù).高等教育出版社,2002.3 【10】黃繼昌,徐巧魚,張海貴等.傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例.人民郵電出版社,1998.6

第五篇：氧化鋁循環(huán)沸騰焙燒爐及其耐火材料的選擇

氧化鋁循環(huán)沸騰焙燒爐及其耐火材料的選擇

中鋁山東分公司為提高氧化鋁生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備水平，從德國盧奇公司引進(jìn)一套產(chǎn)能為１６００ｔ／ｄ氧化鋁工藝技術(shù)及自動化水平高的流態(tài)化循環(huán)沸騰焙燒爐。１９９７年９月點(diǎn)火烘爐、投運(yùn)。隨后安裝的一套于２００１年１１月點(diǎn)火。此套裝置所用的耐火材料內(nèi)襯為硅酸鈣板、輕質(zhì)澆注料、耐火澆注料、耐火粘土磚和耐火纖維及錨固件。

一、氧化鋁循環(huán)沸騰焙燒爐及其耐火材料的選擇

１、氧化鋁循環(huán)沸騰焙燒爐的組成

氧化鋁循環(huán)沸騰焙燒爐用來焙燒氫氧化鋁，由圓錐形旋風(fēng)筒、文丘里烘干器、沸騰焙燒爐、喂料螺旋、流態(tài)化冷卻機(jī)、循環(huán)床、卸料槽、下料管及風(fēng)管和煙道組成。設(shè)備形狀基本為圓筒形，最大設(shè)備外徑５．８ｍ，高度３２ｍ，設(shè)備外殼由鋼板焊制，內(nèi)襯采用不定形耐火材料、耐火磚、硅酸鈣板及耐火纖維組成，并有錨固件聯(lián)接固定，整個(gè)裝置各個(gè)設(shè)備之間相互聯(lián)接，構(gòu)成一個(gè)密封的、整體性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)裝

置。

２、氧化鋁沸騰焙燒爐用耐火材料的選擇

本裝置最高爐溫約１１００℃，最高壓力約１２．５ｋＰａ，最高流速４８．５ｍ／ｓ，焙燒時(shí)間約３０ｍｉｎ，即整個(gè)焙燒過程在高速、高溫下完成。由于所處理的氧化鋁物料硬度較大，流動性好，對氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量的要求嚴(yán)格，任何內(nèi)襯雜質(zhì)的混入都直接影響產(chǎn)品的性能，因此，要求耐火材料必須滿足下列條件：耐高溫、耐磨損、高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性能好，整體性及密封性強(qiáng)。

在選用國產(chǎn)代用耐火材料時(shí)，應(yīng)遵循三條原則：①保證所選各種耐火材料的理化指標(biāo)滿足盧奇公司的要求；②保證所選耐火材料有良好的施工性能，尤其是耐火燒注料；③所選耐火材料必須經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證。根據(jù)這三條原則，經(jīng)對國內(nèi)十幾家有實(shí)力的耐火材料生產(chǎn)廠家進(jìn)行實(shí)地考察、比較篩選后，最終選擇了６家耐火材料廠，經(jīng)過與國外耐火材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行對比，所選用的國內(nèi)耐火材料和盧奇公司的耐火材料性能指標(biāo)接近，有些性能指標(biāo)甚至超過了國外指標(biāo)

（見表１）。

二、氧化鋁循環(huán)沸騰焙燒爐耐火材料的應(yīng)用

循環(huán)沸騰焙燒爐整個(gè)裝置所用耐火材料共計(jì)７６２ｔ，主要有澆注料、耐火磚、硅酸鈣板、硅酸鋁纖維和耐火泥五大類，以及固定耐火材料的錨固件。

１、工作層用耐火材料

耐火澆注料共計(jì)３５１ｔ，用于一級文丘里、冷卻旋風(fēng)筒、流化床冷卻機(jī)、所有管道、煙道及沸騰焙燒爐下部和旋風(fēng)筒的錐體部分，多為雙層或三層。

耐火磚共用２６９ｔ，主要用在沸騰焙燒爐、循環(huán)旋風(fēng)筒、二級旋風(fēng)分離器、二級文丘里干燥器以及煙道等。

根據(jù)沸騰焙燒爐的工藝特點(diǎn)和不同的工藝參數(shù)及工況條件，工作層所用耐火材料的種類及層數(shù)不同。根據(jù)使用溫度、物料性質(zhì)，所有工藝管道進(jìn)行輕質(zhì)和重質(zhì)澆注的配置，主要設(shè)備內(nèi)襯采用絕熱＋隔熱＋耐火磚的工作層配置，使耐

火材料節(jié)能效果更好。

２、隔熱耐火材料

隔熱耐火材料有輕質(zhì)澆注料、輕質(zhì)隔熱磚、硅酸鈣板和

耐火纖維。

澆注料

主要用在流化床冷卻機(jī)、冷卻旋風(fēng)筒、一級文丘里干燥器及二級文丘里干燥器等主要設(shè)備的頂部和所有管道和煙

道里面。

保溫磚

保溫磚共用４１．７６ｔ，主要用在流化床冷卻機(jī)、一級文丘里干燥器和二級旋風(fēng)分離器。

硅酸鈣板

硅酸鈣板共用９７．５ｍ３，有５０ｍｍ厚和３０ｍｍ厚兩種規(guī)格，主要用在沸騰焙燒爐、循環(huán)旋風(fēng)筒、冷卻旋風(fēng)

筒及一級文丘里干燥器等。

耐火纖維

耐火纖維共用２．５ｔ，分為板類、氈類和毯類，主要用在膨脹縫、伸縮節(jié)、支架和入孔以及各種工藝孔周圍。

錨固件

錨固件是內(nèi)襯的主要組成部分，其作用是使內(nèi)襯與爐壁

牢固地結(jié)合。

錨固件的分布與爐溫、耐火材料的性質(zhì)、爐襯厚度、使用部位和所選用的錨固件形狀及材料有關(guān)，有１５種類型、４０種規(guī)格，重量約３０００ｋｇ的錨固件系統(tǒng)對爐襯的應(yīng)力分布及熱脹冷縮熱應(yīng)力的均衡、延長爐襯壽命，起至關(guān)重

要的作用。

三、效果及存在的問題

１、效果與啟示

①該爐子在耐火材料使用中注重隔熱材料的使用，在高溫設(shè)備沸騰焙燒爐和循環(huán)旋風(fēng)筒上均采用五層耐火材料，四層隔熱材料，保溫效果很好。盡管爐子內(nèi)部溫度高達(dá)１１００℃，但爐體外表溫度僅為７０℃左右。其它部位均有二層或三層隔熱材料，故爐子整體熱效率很高。

②不同設(shè)備、不同工況條件，選用不同的耐火材料，使耐火材料的使用比較經(jīng)濟(jì)、合理，對今后耐火材料的選用有

一定的啟示。

③不同爐溫、不同耐火材質(zhì)、不同爐襯厚度、不同使用部位，所用錨固件的形狀、分布及材質(zhì)不同。

④沸騰焙燒爐、循環(huán)旋風(fēng)筒、二級旋風(fēng)分離器、二級文丘里等拱頂采用異型磚逐環(huán)砌筑，環(huán)與環(huán)之間子母相扣，保障了球形拱頂?shù)恼w性能。解決了澆注料施工麻煩、養(yǎng)護(hù)時(shí)間長、損毀后難修補(bǔ)的問題。

２、存在問題

在不到３年的應(yīng)用中，沸騰焙燒爐內(nèi)因二級文丘里干燥器、煙道等處紅爐，曾停爐檢修４次，原因有以下幾點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)不合理

二級文丘里到二級旋風(fēng)筒的通道高２．５ｍ，寬１．７ｍ，磚厚僅為１８０ｍｍ，且分兩層（６５ｍｍ和１１５ｍｍ），盡管設(shè)置有錨固件，但仍顯不穩(wěn)，使用不到一年即掉磚。遂在大修時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，保持內(nèi)表面積不變，高度不變，外殼加寬１１５ｍｍ，耐火磚加厚１１５ｍｍ，改為６５ｍｍ保溫磚和２３０ｍｍ耐火磚。改后的運(yùn)行效果較好。

磚縫及膨脹縫較大

此爐設(shè)計(jì)的耐火磚在位置高度上一般每間隔３．５ｍ留有２５ｍｍ的臌脹縫，根據(jù)我國耐火材料的線變化，在１４５０℃、保溫２ｈ，線收縮一般為＋０～－０．２％，熱膨脹系數(shù)３００～４００℃時(shí)為０．１％，故２５ｍｍ的膨脹縫過大。停爐時(shí)透過所有膨脹縫可看到外層鋼板。故根據(jù)理論要求，膨脹縫留７～８ｍｍ。

二級文丘里、二級旋風(fēng)筒及連接過道的耐火磚強(qiáng)度低，不耐磨

開爐２年多以來，二級旋風(fēng)筒的耐火磚由厚１１５ｍｍ磨損至局部僅為２０ｍｍ，二級文丘里的耐火磚磨損僅為７０ｍｍ左右，連接過道耐火磚已更換兩次，此處所選磚的強(qiáng)度只為３４ＭＰａ，說明此處的耐火磚不符合工藝要求。此外氣流流速大，氧化鋁對其的沖刷嚴(yán)格，應(yīng)使用高強(qiáng)耐磨磚，因此在高鋁質(zhì)骨料中添加耐磨骨料，以增強(qiáng)耐火磚的耐磨性。耐磨骨料如剛玉、板狀剛玉等都具有高耐火度、蠕變小、高密度、熱震穩(wěn)定性好、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，在該部位試用高強(qiáng)度耐磨磚，可顯著提高內(nèi)襯的使用壽命。

澆注料之間施工縫隙過大

沸騰焙燒爐與循環(huán)旋風(fēng)筒之間的過道頂部為三層澆注料、兩層保溫澆注料、一層耐火澆注料，錨固件為ＳＴ－２０－２１型，由于施工縫隙過大，氧化鋁穿過施工縫沖刷錨固件，導(dǎo)致錨固件斷裂，澆注料脫落，影響生產(chǎn)。采用的措施包括增強(qiáng)錨固件的焊接強(qiáng)度，改進(jìn)施工工藝；減少保溫澆注料厚度，過道兩端全部改為耐火澆注料，減少施工縫等。中鋁山東分公司為提高氧化鋁生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備水平，從德國盧奇公司引進(jìn)一套產(chǎn)能為１６００ｔ／ｄ氧化鋁工藝技術(shù)及自動化水平高的流態(tài)化循環(huán)沸騰焙燒爐。１９９７年９月點(diǎn)火烘爐、投運(yùn)。隨后安裝的一套于２００１年１１月點(diǎn)火。此套裝置所用的耐火材料內(nèi)襯為硅酸鈣板、輕質(zhì)澆注料、耐火澆注料、耐火粘土磚和耐火纖維及錨固件。