機電一體化技術對傳統馬弗爐改進中的應用

任小軍

摘要：馬弗爐是一種通用的加熱設備，馬弗爐的溫度精確自動化控制，對于生產、研發和實驗室科學研究都有很重要的作用。本文利用機電一體化技術對傳統馬弗爐進行改進，實現了馬弗爐在工作過程中的沖溫溫度的控制功能。

關鍵詞：機電一體化；傳統；馬弗爐；改進；應用

馬弗爐是一種通用的加熱設備，依據外觀形狀可分為箱式爐、管式爐、坩堝爐等。廣泛應用于陶瓷、冶金、電子、玻璃、化工、機械、耐火材料、新材料開發、特種材料、建材等領域。熱加工、工業工件處理、水泥、建材行業，進行小型工件的熱加工或處理；醫藥行業用于藥品的檢驗、醫學樣品的預處理等。分析化學行業作為水質分析、環境分析等領域的樣品處理。也可以用來進行石油及其分析。煤質分析用于測定水分、灰份、揮發份、灰熔點分析、灰成分分析、元素分析。也可以作為通用灰化爐使用。

根據其加熱元件、額定工作溫度、和控制器的不同對于馬弗爐的分類有如下幾種：

1）按加熱元件區分有： 硅鉬棒馬弗爐、硅碳棒馬弗爐、電阻絲馬弗爐；

2）按額定工作溫度分為：1000℃以下馬弗爐， 1200℃馬弗爐， 1400℃馬弗爐，1600℃馬弗爐、1700℃馬弗爐。1800℃馬弗爐；

3）按控制器分有如下幾種：機械指針表，普通數字顯示表，PID調節控制表，多段程序控制表；

4）按保溫層材料來區分有：普通耐火磚和陶瓷纖維兩種。

當前的現代化工業對自動化、智能化程度的要求越來越高，本文就目前情況下的現代化工業現狀對溫度控制精確度的要求對傳統馬弗爐進行改進，利用機電一體化技術實現了馬弗爐的溫度精確控制功能。

馬弗爐的溫度自動化控制，對于生產、研發和實驗室科學研究都有很重要的作用。溫度自動控制原理：根據檢測溫度與設定溫度的偏差，自動接通或斷開控制對象的熱能量，或連續改變熱能量的大小，使控制對象的溫度穩定在設定溫度范圍，以滿足熱處理工藝的需要。溫度自動控制常用調節規律有二位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。馬弗爐爐溫控制也是這樣一個反饋調節過程，比較實際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，去調節馬弗爐的熱功率，從而實現對爐溫的控制。按照偏差的比例、積分和微分產生控制作用（PID控制），是過程控制中應用最廣泛的一種控制形式。現在很多廠家都采用的是PID控制儀表實現溫度的精確控制。

當馬弗爐開始升溫時，爐內保溫體大量地吸收熱量，以提高本身溫度，在停爐冷下來時又把這一部分熱量散失到空間去；這一部分形成爐體蓄熱損失。一臺先進的電爐應具有低的空爐損失及高的有效功率。空爐損失的大小是衡量馬弗爐效率好壞的重要指標，空爐損失小的電爐，可以得到高的技術生產率及低的單位電能消耗比。

從馬弗爐的工作原理可看出，馬弗爐的控溫采用閉環比較控制系統方式進行工作。在工作時將設定溫度SV與工作檢測溫度PV進行比較，其差值EV送入PID控制系統得到加熱參數去控制加熱元件，控制發熱元件的發熱能量，從而實現溫度的控制，如圖一所示。

這種控制在穩定工作狀態時有較好的控溫效果，但在實際工作中我們的工作系統狀態是需要隨時改變的，系統不是每時每刻都處于穩定狀態，例如工作中途打開爐門，取出或查看工件狀況，然后關閉爐門，這樣一來就會出現爐溫沖溫的現象，有時候沖溫的幅度會遠遠的高于我們的設定控制溫度。這樣就可能造成一些工件損壞和損失。這種情況是我們不希望出現的，但卻是當前很多馬弗爐在工作過程中會遇到的問題。怎樣解決這個問題呢？

通過分析發現馬弗爐沖溫的原因是因為控制系統是一個實時的閉環控制系統，而在工作過程中由于馬弗爐的保溫層儲存有較高的熱能，熱能的釋放是一個滯后的過程。當在工作過程中打開爐門，爐內熱能與外界的空氣進行熱交換使爐內的溫度會降低，傳感器檢測的溫度也會降低。雖然這個時候加熱元件可以不發熱，但當關上爐門的時候，傳感器檢查的溫度低于設定溫度，控制系統會根據計算出加熱控制量進行加熱，這個時候爐內保溫層存儲的熱能釋放出來的同時，發熱元件通電已會釋放更多的熱能。熱能的釋放量和控制加熱不是同步進行的，進而形成沖溫。

如果能使控制系統加熱的時間推遲，使爐堂內的熱能溫度與爐內壁存儲的熱能達到平衡的時候，控制系統再實時檢測控制加熱，使檢測與控制加熱同步進行，這樣沖溫的可能性就會大大減少或沖溫的幅度大大降低。

基于成本和實用考慮采用機電一體辦法進行系統改造，如圖二所示。

在系統中加上一只斷電延時繼電器KT，利用門控行程開關常閉觸點控制斷電延時繼電器，再利用斷電延時繼電器的常閉觸點控制儀表的加熱輸出控制信號。當爐門打開時門控行程開關常閉觸點閉合，斷電延時繼電器通電工作，當斷電延時繼電器工作時常閉觸點斷開，切斷加熱控制信號。爐門閉合時門限行程開關斷開，斷電延時繼電器斷電停止工作。常閉觸點延時一段時間后閉合，連通加熱控制信號進行加熱控制。在繼電器延時的這段時間爐內的溫度與爐內存儲的熱能達到平衡，這樣使加熱與檢測同步進行，沖溫的可能性就會大大減少或沖溫的幅度大大降低。延時時間的長短可根據實際情況進行相應調整。

參考文獻：

[1]翟長宏.機電一體化中的馬弗爐溫度控制器設計“華東科技：學術版”，2013（1）.

[2]王玉，陳立敏.馬弗爐溫度控制器的改進“燃料與化工”，2004，35（3）.