【摘要】传统燃气炉对设备进行热处理时，炉内温度的是工作人员凭经验控制燃气炉的进气量来实现，因此炉内温度常常不能满足工艺要求，造成热处理效果不理想。本文提出采用AT89S52单片机来实现对燃气炉内温度的自动控制。由此构成的可控型燃气炉对设备进行热处理时，处理效果更能符合工艺的要求。
【关键词】AT89S52；燃气炉；高温电磁阀；温度控制；热处理效果
一、引言
用大型可控燃气炉（炉膛长12m、宽3.6m、高4m）对设备进行热处理时，炉内温度、加热速率、恒温温度和冷却速率是决定热处理效果的几个重要参数。在热处理过程中，工作人员要根据工艺要求始终关注着燃气炉中温度的变化，经常调节燃气炉进气量的大小以达到控制炉内温度的高低。由于燃气炉的容积较大，且燃气炉各进气点的进气大小也很难控制到一样，故燃气炉内各部分的温差也较大。在一次设备的热处理过程中，工作人员往往要进行数十次进气量的调整，这不仅增大了劳动强度，更重要的是由于燃气炉进气量大小的调节幅度是工作人员手动进行的，加上十几个进气点操作的先后次序，温度变化的滞后性，故常常会因为操作不当而引起燃气炉内各处温差较大或温升速率偏离热处理工艺要求过多（如去应力退火工艺的温升速率是100-150℃/h），使得被处理的设备可能会由于严重网状而产生裂纹；有时也可能会因为加热不足或过热等现象，使得被处理的设备表现出硬度不足、球化不完全或晶粒粗大、碳化物粗厚等现象。
二、基于AT89S52的可控燃气炉
基于AT89S52的新型可控燃气炉的系统结构如图1所示。为实现对燃气炉进气量均匀的控制，将原来一个进气点上只有一个喷嘴设计为一个进气点上有三个喷嘴，这样燃气炉由原来的14个喷嘴增加至42个喷嘴。调整每个喷嘴的直径使总的进气量保持不变。控制系统在工作过程中视炉膛内温度的高低来决定打开几个喷嘴。另外，为准确反映炉内温度，温度检测点也由原来的炉膛左右各两个变成左右各四个，再加顶部四个，总共设有12个温度检测点。由于单片机具有应用灵活、可靠性好及性能/价格比高等特点，故系统选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为系统数据采集、逻辑控制及实现PID调节的主控单元；选用ZCZG高温电磁阀作为进气控制的执行元件。
新型可控燃气炉系统由单片机、键盘、显示器、报警系统、ZCZG高温电磁阀等模块组成。键盘模块用来完成给定温度的设置、系统的启动、复位、通道号的选择和报警信号的取消等功能；通过键盘切换可显示炉内任一个检测点的温度；系统的控制信号是根据传感器所检测到的温度值与给定温度值进行PID运算后得到一个宽度可调的脉冲信号，该信号经I/O接口输出，通过光电耦合隔离后直接驱动可控硅对ZCZG高温电磁阀进行控制；电磁阀通电后，阀中的连杆被提升，之后转轴开始转动并作用于导阀从而打开主阀，断电后，在衔铁自重及返回弹簧作用下关上导阀，靠压差关闭主阀；当系统温升速率大于给定温升速率或恒温时温度偏离给定范围，系统都会为发出声光报警。为便于事后分析炉内各点温度对设备热处理效果的影响，系统扩展了一片数据存储器用于存放热处理过程中炉内各点的温度值。
随着面向控制的单片机的广泛应用，PID调节器的控制已经可以由软件来实现。在由数字PID调节算法来实现控制的系统中，过程控制对象需要的是控制对象的绝对值，而不是其增量。目前常用的调节算法有位置式算法和增量式算法两种。位置式算法每次输出均与整个过去的状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值，因此容易产生较大的积累误差。而增量式PID算法只需要计算其增量，计算误差或精度不足对控制量的影响相对较小。故系统数据运算时采用增量式算法，而输出控制采用位置式算法。其运算式为：
u(k)=u(k-1)+Kp[△e(k)+T/Tie(k)+Td/T△2e(k)]
△u(k)=u(k)-u(k-1)＝Kp[△e(k)+T/Tie(k)+Td/T△2e(k)]
式中：△e(k)＝e(k)-e(k-1)；
△2e(k)＝△e(k)-△e(k-1)＝e(k)-2e(k-1)＋e(k-2)
PID调节算法中参数的选择是关系到PID调节性能好坏的关键所在。简单地用试凑法来整定PID的调节参数，需要进行多次的模拟及现场试验才能得到所需参数。若先将调节器设为纯比例调节器，并使之形成闭环，再根据经验数据，使系统对阶跃输入响应达到临界振荡状态，这时的比例系数记为Kr，临界振荡的周期记为Tr。根据齐格勒-尼柯尔斯（Ziegle-Nichols）提供的经验公式就可以由以上两个基准参数求得不同类型调节器的参数见表1。考虑到控制对象是温度，经过反复的试验最后确定比例常数Kp＝4.5、积分常数Ti＝9.0、微分常数Td＝2.16。PID调节算法中还有一个重要的参数：系统的采样周期T。从物理意义上看采样周期的大小取决于被控参数的变化速率和被控过程对控制量的响应快慢。理论上讲采样周期越短越好，但采样周期过短，则有可能将高频噪声当作有用信号引入系统，至使系统发生不必要的升阶。系统实际选取的采样周期T＝18(s),如表1所示。
系统PID调节算法是采用三字节的浮点数进行运算的，每个浮点数占用三个字节的RAM单元。首字节存放的是阶码，其中第7位存放数符、第6位存放阶符、剩下6位存放阶码；其余二个字节存放尾数。
为提高系统的抗干扰能力，系统中除了在硬件方面采用滤波、屏蔽、光电隔离、设置了WatchDog电路外；在软件方面也设立了软件陷阱，用以克服可能的程序“跑飞”现象；在数据采集中则采用了适合温度控制的中值滤波技术，以此来保证系统工作准确性和可靠性。
三、单片机控制的可控燃气炉控制系统的调试
系统在进行实际调试之前，要先借助于仿真机对系统的硬、软件进行仿真调试。可通过由电阻箱和直流电源构成的电路来提供一个模拟温度检测输出电压变化的信号，并将该电压送到A/D转换器的输入端。若将电阻箱打到1250欧姆档，对应单片机的数据整定为00H，相当于燃气炉刚开始加温，于是单片机送出打开全部喷嘴进气的命令；若把电阻箱打到2000欧姆档，相当于燃气炉已达到给定的最高工作温度，对应单片机的数据为0FFH，于是单片机送出关闭全部喷嘴进气的命令；若使电阻箱的阻值在1250-2000欧姆之间变化，对应单片机的数据在00H-0FFH之间变化，单片机会根据当前数据发出关闭部分燃气喷嘴进气的命令，保证燃气炉中的温度变化符合热处理工艺的要求。
系统在进行实际调试时首先要注意选择性能良好的温度检测元件，它是决定燃气炉控制系统性能好坏的关键因素这一；另外，要利用软件做好对非线性的温度数据进行线性化处理的工作；A/D转换器件的选择也是影响系统性能的重要因素；为确保数据存储器中的数据不丢失，应在数据存储器上设计掉电保护电路；在实际调试时还要注意温升速率和冷却速率相关参数的整定，以使有关算法能符合实际系统的要求。
四、结束语
单片机控制的可控燃气炉投入使用后，工作人员只需在设备进行热处理前通过键盘输入符合工艺要求的相关参数，之后系统就能自动地完成整个热处理过程。这不仅大大降低了工作人员的劳动强度，更重要的是由于采用了自动控制使得燃气炉内的温差由原来的65-80度左右降低至50度以内（一般对这种容积较大的燃气炉，炉内温差在65度以内就属于允许范围），从而保证设备的热处理效果更符合热处理工艺的要求，提高了产品质量的可靠性。
参考文献
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作者简介：濮阳槟，大学本科，衢州学院电气与信息工程学院教师，一直从事自动控制方面的教学与研究工作。
