1、引言

電加熱控制是工業(yè)中十分常見的控制項(xiàng)目。加熱控制中以溫度控制為多見，此外，一些設(shè)備需要調(diào)節(jié)加熱器的功率來(lái)滿足工藝要求。加熱器的輸出功率與通過(guò)其兩端的電流和加熱器本身的電阻有關(guān)。在許多應(yīng)用場(chǎng)合，加熱器的功率調(diào)節(jié)采用調(diào)節(jié)電源電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，常見的有變壓器方法控制簡(jiǎn)單，但增加了成本投入，不方便自動(dòng)控制，而且在大量加熱器功率需要單獨(dú)調(diào)節(jié)的場(chǎng)合就無(wú)法完成。另外采用在運(yùn)行中通過(guò)改變加熱器的電阻這種方式來(lái)調(diào)節(jié)功率在硬件上難以實(shí)現(xiàn)。

2、熱彎爐加熱的控制要求

在汽車玻璃深加工設(shè)備中，玻璃熱彎爐加熱控制就是加熱器功率調(diào)節(jié)控制的典型案例。熱彎爐為使平板玻璃加熱彎曲成有球面的汽車前擋玻璃時(shí)，根據(jù)不同的需要對(duì)玻璃四周的加熱功率通常要調(diào)得大一些，達(dá)到加熱器額定功率的60%-100%，以使玻璃四周彎曲弧度增大；而對(duì)玻璃中間的加熱功率通常要調(diào)得小一些，達(dá)到加熱器額定功率的0%-65%，使玻璃的中央彎曲弧度過(guò)渡變得平滑。

在不使用變壓等其它裝置的情況下，筆者通過(guò)試驗(yàn)，總結(jié)出利用plc晶體管輸出通過(guò)固態(tài)繼電器控制加熱器的導(dǎo)通時(shí)間，來(lái)自由地調(diào)節(jié)加熱器的輸出功率的新的有效嘗試。事實(shí)證明，這種方式不但節(jié)省了成本，而且控制簡(jiǎn)便。下面從理論上分析如何實(shí)現(xiàn)用plc對(duì)加熱功率進(jìn)行自由調(diào)節(jié)控制。

3、控制原理

為說(shuō)明其控制原理，我們先從交流電說(shuō)起。一個(gè)周期內(nèi)平均值為零的周期電流(或電壓)叫做交變電流(或電壓)，隨時(shí)間按正弦函數(shù)規(guī)律變化的正弦交流電。我國(guó)和世界上大多數(shù)國(guó)家，電力工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)頻率，即所謂“工頻”為50hz。根據(jù)正弦的電頻率公式f=1/t，可知，它的周期為0.02s，它的角頻率為ω=2πf=100π，即工頻每秒100次到達(dá)正弦量零值(正弦量一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)值兩次為零，規(guī)定瞬時(shí)值由負(fù)向正變化之間的一個(gè)值叫做它的堆值)。也就是說(shuō)，在1秒的時(shí)間內(nèi)，相位每增加1πrad(弧度)，正弦量經(jīng)歷了半個(gè)周期，占整個(gè)1秒時(shí)間相位角的1%。這就可把1秒鐘時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷的周期分為100等份，每半個(gè)周期為1份。這樣，如果能有一種控制器，以1秒鐘作為一個(gè)循環(huán)周期，在1秒鐘的時(shí)間內(nèi)使加熱器只導(dǎo)通0.01秒，那么，它輸出的功率就占整個(gè)加熱器額定功率的1%；如果在1秒鐘的時(shí)間內(nèi)使加熱器只導(dǎo)通0.02秒，那么，它輸出的功率就占整個(gè)加熱器額定功率的2%，依此類推。由此可見，通過(guò)對(duì)加熱器的導(dǎo)通時(shí)間控制，就可達(dá)到對(duì)加熱器功率調(diào)節(jié)的目的。這種控制器可由plc晶體管高速輸出實(shí)現(xiàn)。plc晶體管輸出單元通過(guò)輸出周期為1秒的脈沖，改變脈沖狀態(tài)為1的時(shí)間，從而控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)plc對(duì)加熱器功率自由調(diào)節(jié)。

圖1 組態(tài)“在線操作”界面

4、控制程序

熱彎爐的加熱分為若干段，某一段的加熱絲分布如圖1組態(tài)“在線操作”界面所示。圖中每一矩形條代表一條發(fā)熱絲，b1(bend1)段發(fā)熱絲的數(shù)量達(dá)120余條。矩形條中間的數(shù)字為功率設(shè)定百分比，矩形條的顏色與設(shè)定的功率百分比相對(duì)應(yīng)，越趨向100%時(shí)顏色越接近紅色，以使操作員能很直觀地查看各功率設(shè)定的總體分布。

為使組態(tài)界面的加熱功率設(shè)定能得以實(shí)現(xiàn)，必須為plc編寫相應(yīng)的控制程序。這里，我們以三菱q系列plc作為主控制器為例，來(lái)說(shuō)明plc的控制過(guò)程。

三菱q系列plc是以大規(guī)模系統(tǒng)為對(duì)象，有很強(qiáng)的cpu模塊處理性能和較大的程序寄存器容量。cpu與網(wǎng)絡(luò)模塊、編程用外圍設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的性能優(yōu)越，支持本地i/o最大可達(dá)4096點(diǎn)，最快指令僅需34納秒。是適合大量加熱器單獨(dú)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)控制的理想plc之一。由于plc與加熱器之間的電路十分簡(jiǎn)單，這里不再祥述。需要說(shuō)明的是，plc輸出模塊應(yīng)選用晶體管輸出類型的模塊，以實(shí)現(xiàn)脈沖輸出；使用固態(tài)繼電器(這里不能用接觸器代替固態(tài)繼電器)接在輸出模塊的端口，控制加熱器的導(dǎo)通。單條發(fā)熱器的plc控制程序如圖2所示，其它的程序與此類似。

圖2 plc控制程序圖

程序中，sm409為0.01秒時(shí)鐘，d4995對(duì)sm409的脈沖進(jìn)行加1計(jì)數(shù)處理，當(dāng)d4995遞加到數(shù)字為100時(shí)，正好為1秒時(shí)間，當(dāng)d4995大于100時(shí)即清0；d6000為加熱器1的功率設(shè)定值，如果設(shè)定值大于當(dāng)前d4995內(nèi)的數(shù)值，且功率設(shè)定值大于0，y360(加熱器1)即輸出為1，否則輸出為0。例如當(dāng)d6000設(shè)定值為30(即設(shè)為加熱器額定功率的30%)，d4995以0.01秒為單位進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)時(shí)，當(dāng)d4995計(jì)數(shù)值在0－30之間，由于d6000內(nèi)的數(shù)字30大于或等于d4995的當(dāng)前值，y360輸出狀態(tài)為1；當(dāng)d4995計(jì)數(shù)值在31－100之間，由于d6000內(nèi)的數(shù)值30小于d4995內(nèi)的數(shù)值，y360輸出狀態(tài)為0。d6000的取值范圍為0－100間的整數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)d6000的數(shù)值，即可對(duì)加熱器1的輸出功率進(jìn)行自由地調(diào)節(jié)。

5、結(jié)束語(yǔ)

用plc實(shí)現(xiàn)加熱器功率調(diào)節(jié)的控制，具有電路簡(jiǎn)便、方便控制等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于大量加熱器需要分別進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。為工業(yè)設(shè)備中的加熱器功率調(diào)節(jié)控制提供借鑒作用。