ATC20A 微機自動溫度控制器的工作原理與應用研究

傅光彩

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖）

引言

在火電廠中，為了防止電除塵器灰斗中收集的灰不受潮板結而堵塞灰斗，使灰斗的外壁溫度保持在處理煙氣的露點以上，除了保證灰斗的氣密性外，還需在灰斗的外表面設置可靠加熱[1]。由于灰的溫度降低及灰中吸附大量的SO3，導致灰的濕度和黏度提高，增加了灰斗及輸灰管堵塞風險[2-3]。因此，溫控系統是除塵器必不可少的一個重要裝置。ATC20A 是一種微機自動溫度控制器，可實現對溫度的精確檢測與穩定控制，在電加熱控制系統中應用廣泛。為了加深對ATC20A 工作原理的理解，指導設備的正確使用與維護，本文對ATC20A 微機自動溫度控制器的工作原理與應用進行了介紹。其系統具備以下功能：（1） 控制回路多，具有16 個恒溫控制回路和4 個測溫回路；（2） 功能強大，具備多種故障報警與保護功能；技術先進，集成度高、控制精度高、抗干擾能力強；（3） 網絡化，可實現多臺ATC20A之間的連接與集中監控；（4） 操作簡單，大部分參數設置可在上位機完成。

1 系統回路工作原理

1.1 回路工作原理

ATC20A 系統由主控板、輸出板和外接端子板三部分組成。工作原理如圖1 所示，輸出板與手動/自動/停止轉換開關相連，可對各通道實現強制開關操作。根據設置好的參數，控制器運行時就對相應的通道進行測溫或恒溫控制，控制輸出來啟停相應的接觸器，最后控制加熱器，接觸器再返回一個實際的狀態給控制器（如圖1 中J1 的輔助觸點就是返回點）。

圖1 ATC20A 回路工作原理

1.2 溫度控制原理

ATC20A 具有16 通道恒溫控制功能，并采用上、下限區間控制的形式實現恒溫控制；具有自動、強制開、強制關或取消每一通道的功能。

每一溫度控制通道由以下3 部分組成：（1） 測溫輸入端1 個；（2） 控制I/O 輸出端1 個；（3） 返回I/O 輸入端1個。其控制邏輯如圖2 所示，當被測對象的溫度達到控制區間上限時，控制I/O 輸出使雙向可控硅斷開，從而使交流接觸器斷開，避免被測對象繼續加熱。當溫度達到控制區間下限時，控制I/O 輸出使雙向可控硅接通，從而使交流接觸器吸合通電加熱，讓被測對象進行加熱。其中的返回I/O 輸入邏輯來自交流接觸器的輔助觸點，用于進行閉環檢測。當輔助觸點與控制輸出的邏輯不相符時，產生不對應報警。

圖2 溫度控制邏輯

為了保證系統可靠工作，當溫度失靈，溫度超過/低于報警上限（設定溫度+溫控區間）/下限溫度（設定溫度-溫控區間）時，也進行報警。

2 ATC20A 工作原理

ATC20A 使用AT89C52 單片機[4]作為控制核心，采用PT-100 鉑熱電阻傳感器為測溫元件，溫度的變化引起電阻的變化，通以恒流源后轉變為電壓的變化。變化的電壓信號經A/D 轉換后，送到CPU 進行相關處理得到相應的溫度值。主控板由單片機（AT89C52[5]）、串行EEPROM、單相雙向功率/能量芯片（CS5460A[6]）、擴展IO 和RAM 芯片（MSM81C55）、多路模擬開關（4067）、雙通道通用運放（LM358）、光耦隔離器（TLP521-4）等其他外圍器件組成。根據采集回來的溫度和設定的參數，CPU 保存相關的參數，并作輸出、輸入、報警等相關處理。工作原理如圖3 所示，體現了控制各部分單元電路之間的連接關系。

圖3 ATC20A 工作原理

2.1 系統結構介紹

ATC20A 系統包含主控板、輸出板和外接端子板。主控板實現溫度信號采集、控制判斷及數據通信功能，輸出板完成數模轉換后對加熱器的驅動控制。

主控板采用AT89C52 單片機、CS5460A A/D 轉換器實現溫度檢測。MAX706 及周邊電路構成看門狗獨立保護電路，MSM81C55 芯片擴展了I/O 功能，TLP521-4 組成光耦隔離輸入單元，電源模塊為系統提供穩定電源。輸出板使用TLP181GB 光耦[7-8]和BTA12/600 雙向硅控制器驅動220V 接觸器，實現對加熱器的控制。三極管和跳線實現手動/自動切換功能。

2.2 產品的功能介紹

（1） 恒溫控制功能：具有16 通道可配置的恒溫控制功能，并采用上、下限區間控制的形式實現恒溫控制；具有自動、強制開、強制關和禁止通道的功能。

（2） 測溫功能：具有20 通道測溫并顯示功能。

（3） 開關量輸入功能：可采集和顯示64 位的輸入開關量，根據工程實際需要，可作為狀態返回或普通開關量輸入。所有的輸入開關量還可配置使用或者不使用，使用時還有輸入閉合報警或閉合不報警的功能。

（4） 故障報警和保護功能：具有溫度超限（AH）報警，輸出狀態與接觸器返回狀態不相符報警，傳感器（探頭）故障（OP）報警，自檢（ER）報警，綜合（AL）報警等功能。

2.3 主要模塊電路分析

使用測溫元件鉑熱電阻進行溫度采集，通過它把溫度變化的信號轉化為電阻變化的信號。在電路設計中，鉑熱電阻通以恒定的電流，把電阻變化的信號轉化為電壓變化的信號，最后經過A/D 轉換器CS5460A把變化的電壓模擬量轉換為相應的數字量，并送給單片機系統進行相關的處理。測溫探頭Pt100 采用三線制接法，此信號經端子板濾波處理后，通過多路模擬開關CD4067 選擇此通道信號進入A/D 轉換器，完成信號的采集，其電路如圖4 所示。

圖4 溫度信號采集電路

3 ATC20A 溫度控制器在電除塵器電加熱中的應用

眾所周知，高溫煙氣與低溫部件的冷熱交界處，容易造成結露。在火力發電鍋爐煙氣配套的高壓靜電除塵器中，若高壓絕緣部件發生結露，則容易導致絕緣部件絕緣性能大幅下降，更有甚者，高壓靜電易在絕緣部件表面產生閃絡、拉弧，甚至短路現象，從而使絕緣部件擊穿或碎裂，影響電除塵系統的正常運行。鑒于此，通常在電除塵設計時需要配套加熱裝置，以防絕緣部件結露，影響運行電壓；同時在灰斗外壁設置輔助加熱裝置，防止因灰斗溫度過底產生結露，導致灰斗粉塵發生結塊、搭橋等現象，影響卸灰與輸灰。

ATC20A 微機自動溫度控制器在電除塵灰斗電加熱或者絕緣子保溫箱電加熱等控制中，如圖5 所示，控制主回路輸出采用交流接觸器KM1，并設有斷路器QF2 作為短路保護。電加熱回路自動控制采用ATC20A 系統，為了便于檢修操作，另在控制箱中設有停機、自動、手動等三個控制開關。在自動控制工作模式下，可通過上位機或者手操終端修改設定加熱系統所需要的溫控范圍，使得加熱系統實現恒溫工作。

圖5 電加熱控制回路原理

電除塵器恒溫電加熱系統通常采用上、下限區間設定來控制加熱器的啟停動作，從而實現恒溫控制。如圖6 所示，常規工礦條件除塵器絕緣子和灰斗的加熱溫度設置為:110～120 ℃，溫度上、下區間波動控制在±5 ℃，下限溫度: 90 ℃，上限溫度:140 ℃，測量溫度范圍:-35～360 ℃，測量分辨率0.1 ℃。當測量溫度低于設定溫度的下限時，加熱器開始工作；當溫度高于設定溫度的上限時，加熱器停止工作，如此在自動控制系統循環工作。當測量溫度超過上限設置值或低于下限設置時，反饋超溫報警故障。

圖6 恒溫控制工作原理

4 結論

ATC20A 集成了微機控制、數據采集、驅動執行等模塊，可實現精準的溫度檢測與控制，利用程度高。通過對其工作原理的詳細描述，并介紹了該溫度控制器在電除塵器保溫箱和灰斗加熱的應用，結合現場調試與故障分析實例，可更好地指導ATC20A 在工業自動電加熱行業上的應用，提高系統的整體可靠性。