基于E5CC 型溫控器加熱控制系統的設計與應用

張宏軍，李釗安，楊兆林

（西安西部新鋯科技股份有限公司，陜西西安 710200）

0 引言

在工業生產領域加熱控制的核心是溫度控制，溫度控制應用很廣泛，各類熱處理設備、清洗設備、輔助加熱設備等的加熱系統都涉及溫度控制。板材脫脂設備是一種清洗設備，主要用于鋯合金板材的表面清洗。鋯合金板材主要用于核電、核軍工，對產品的清潔度要求極高，通過脫脂去除板材在加工過程中粘附在板材表面的潤滑、冷卻介質或油污，為后續真空退火工序做準備。工藝流程為60 ℃±5 ℃的脫脂液（配備一定比例脫脂劑的水）中對板材進行不少于30 min 的脫脂，然后進入65℃±5 ℃的水中進行2～5 min 的漂洗，最后進入90℃±5 ℃的水進行2～5 min的燙干。脫脂、熱漂洗、燙干3 個工序都涉及溫度控制。為此，基于歐姆龍E5CC 型溫控器設計板材脫脂設備加熱控制系統。

1 歐姆龍溫控器工作原理

通過溫度傳感器對環境溫度自動進行采樣、即時監控，當環境溫度高于控制設定值時控制電路啟動，溫控器的控制輸出斷開。為了減緩溫度的衰減，保持設定溫度波動可控，這時通過電路控制，可以適當降低加熱器的投放功率，進行保溫控制。如果到達設定溫度后，溫度還在上升，當升到設定的超限報警溫度點時，溫控器輸出報警，同時控制電路將會切斷加熱設備，停止加熱。歐姆龍E5CC-RX2ASM-800 型溫控器控制原理如圖1 所示。

圖1 歐姆龍E5CC 型溫控器工作原理

溫控器通過操作面板可以設定加熱溫度和超溫溫度。若加熱溫度設定80 ℃，超溫溫度可以設定至90 ℃。1、2 端子是溫控器控制輸出端子，當檢測溫度未到達設定溫度時，1、2 端子閉合；當檢測溫度到達設定溫度時，1、2 端子打開。4、5、6 端子連接溫度傳感器；7、8，9、10端子為兩組輔助輸出端子，當檢測溫度大于超溫溫度時，這兩個端子將閉合。通過該兩組端子與外圍控制器搭建控制回路，可以對加熱系統進行控制。

溫控器控制方式一般有兩種，一種為上下限控制方式：即對溫控器設定兩個溫度點，當溫度高于某一溫度時停止給加熱絲供電；當溫度低于某一設定溫度時啟動加熱絲供電加熱。這種方式的溫度可控制在0.2 ℃波動。另外還有一種PID 調節方式：即對溫控器設定一個恒溫點，溫控器會根據檢測溫度與設定恒溫值差的大小，以及兩者溫差的變化速度通過PID 算法，自動調節加熱絲的加熱功率，使加熱環境溫度恒定為設定溫度。這種方式可控制溫度在0.1 ℃波動。

2 加熱控制系統設計

板材脫脂設備主要用于鋯合金板材表面的清洗。脫脂、熱漂洗、燙干的溫度要求不同，但是加熱方式、溫度控制的原理、方法相同。因此，分析研究燙干的工藝要求及板材脫脂設備的結構原理，設計加熱控制系統。該加熱控制系統也可用于脫脂、熱漂洗槽體的加熱。通過循環加熱的方式對燙干槽體的水進行加熱，由循環泵將槽體的液體抽出，通過加熱水箱再回流到燙干槽。加熱水箱中設計安裝加熱管，每個加熱管中安裝2 支測溫鉑電阻，一支用于控制加熱溫度、一支用于監控超溫溫度。設計兩個溫控器的目的是，一個用于溫度設定、一個用于溫度監控，溫控器將采集的信號反饋到PLC，通過PLC 模擬量輸出（4～20 mA）控制調壓器的輸出電壓，最終達到控制加熱功率的目的。

2.1 循環加熱泵控制設計

循環泵主電路常規設計，通過三相空氣斷路器將電源接入接觸器，接觸器連接熱繼電器帶有熱保護功能，通過接觸器的通斷對循環泵電機進行控制。

2.2 加熱功率設計

燙干槽槽體尺寸7000 mm×640 mm×1500 mm（L×W×H）；設計要求在滿槽滿功率的條件下，水溫由室溫（25 ℃）加熱至90 ℃：

其中：Q 為發熱量（kW）；C 為水的比熱容（4.2 kJ/kg·℃）；ρ 為水的密度（kg/m3）；V 為水容量L（m3）；ΔT 為水在1 min 內的最大溫升。

代入計算：

取總功率120 kW，設計單根加熱管12 kW，共安裝10 支即可滿足要求。加熱水箱安裝結構如圖2 所示。

圖2 加熱水箱安裝結構

2.3 加熱電路設計

通過加熱管設定溫控器（ct1）設定加熱溫度（t1），超溫溫度（t2）；通過加熱管監控溫控器（ct2）設定超溫監控溫度（t3）；一般t3＞t2＞t1，根據使用要求，設定t1、t2、t3溫度。當未達到設定溫度t1時，加熱功率100%投入；當到達超溫溫度t2時，加熱功率50%投入；當達到超溫溫度t3時，停止加熱，加熱功率為0。控制原理如圖3 所示。

圖3 加熱電路控制原理

循環水箱10 支加熱管分5 組，2 支為1 組，由5 個LSATH3P 120Y 型調壓器通過控制輸出電壓對加熱管加熱功率進行控制，每支加熱管安裝2 支PT100的鉑電阻，一支用于設定溫度測量、一支用于監控超溫溫度測量。

PT100 鉑電阻接入歐姆龍溫控器，電氣原理如圖4 所示。其中I8.0 是設定溫度到達反饋信號、I8.1 是超溫溫度到達反饋信號、I12.4 是超溫監控反饋信號，接入PLC 數字量輸入模塊。調壓器電路原理如圖5 所示，其中R1、S1、T1 為輸入主電源，L11、N1 為工作電源、E1、E2 為加熱管、TY1+、TY1-為模擬量輸出4～20 mA。每支加熱管的控制方法相同，以E1（1#）加熱管為例，總結歸納控制實施過程。

圖4 溫控器電氣原理

圖5 調壓器電氣原理

2.4 控制程序設計

2.4.1 程序設計

在觸摸屏上設計手動加熱按鈕，同時設計參數設定畫面，修改PLC 的內部寄存器VD200（1 組快速加熱）、VD204（1 組慢速加熱）參數，實現加熱功率的改變。手動加熱界面如圖6 所示，參數設定界面如圖7 所示。

圖6 燙干槽手動控制界面

圖7 參數設定界面

參數設計有保護程序，VD200 最大設定100，VD204 最大設定70，超過設定保護值時，參數無效。參數保護程序如圖8 所示，PLC 輸入、輸出分配表見表1。

表1 PLC 輸入、輸出分配表

圖8 參數保護梯形圖

加熱分3 種方式，一種手動方式，通過觸摸屏手動加熱按鈕進行加熱，加熱按鈕地址M0.0；第二種是自動加熱方式；第三種為定時加熱，到達定時器設定時間后，開始加熱。加熱準備控制程序如圖9 所示。

圖9 加熱準備控制梯形圖

參數VD200、VD204 通過條件判斷送給寄存器VD100，通過VD100 將參數送給模擬量輸出模塊6ES7 288-3AQ04，經數模轉換后輸出4～20 mA 電流信號，觸發調壓器輸出動態電壓，控制加熱管的輸出功率。控制邏輯為在外圍條件滿足的情況下，如果檢測溫度沒有達到設定溫度時，溫控器控制輸出I8.0 閉合，VD200 寄存器數據傳送給VD100，通過模擬量輸出模塊數模轉換，將20 mA 電流送給調壓器模擬量控制端子，輸出端電壓100%輸出，加熱管滿功率工作；當檢測溫度達到設定溫度時，I8.0 斷開，調壓器模擬量輸入12 mA 電流信號，觸發調壓器輸出端電壓50%輸出，加熱功率投放25%，處于保溫狀態，使槽體的水溫保持在設定溫度。加熱控制程序如圖10 所示。模擬量輸出模塊控制程序如圖11 所示。

圖10 加熱控制梯形圖

圖11 模擬量控制梯形圖

經驗證，該控制系統完全滿足燙干工藝溫度使用要求。目前該溫度控制系統已經應用到板材脫脂設備的脫脂、熱漂洗的溫度控制，系統穩定、可靠，滿足工藝溫度使用要求。

3 結束語

基于歐姆龍E5CC型溫控器設計的加熱控制系統應用于板材脫脂設備，溫度控制完全滿足板材脫脂工藝要求，設備自投入使用以來，加熱系統穩定、可靠。對于板材脫脂設備，冬季時，保溫階段投入30%的功率即可滿足溫度控制要求；夏季時，保溫階段投入25%的功率即可滿足工藝要求。通過設計可以總結溫度控制系統一般由被控對象、測量裝置、調節器和執行機構等部分構成。被控對象是一個裝置或過程，它的溫度是被控制量。測量裝置對被控溫度進行測量，并將測量值與給定值比較，若存在偏差便由調節器對偏差信號處理，在輸送給執行機構來增加或減少供給被控對象熱量，使被控溫度調節到設定值。在被控對象確定的情況下，布置的測量裝置精度越高、數量越多、加熱分區越多，則被控對象的溫度控制精度相對更高。