Обоснование структурной схемы электронной системы контроля и управления печью Таммана

Постановка проблемы

Печи сопротивления типа Таммана широко применяют в металлургии для выполнения разнообразных исследовательских работ. На металлургическом факультете ДонНТУ печь Таммана используется в качестве учебно-исследовательского стенда для выполнения лабораторных и исследовательских работ студентами, аспирантами и преподавателями. Печь позволяет проводить ряд технологических процедур, таких, к примеру, как легирование стали.

На данный момент актуальной является задача повышения уровня автоматизации данного лабораторного стенда. Стоит задача разработки электронной системы контроля и управления печью Таммана, которая позволит управлять данной печной установкой с помощью компьютера, что значительно повысит эффективность проведения исследовательских работ на данной установке и достоверность получаемых результатов [1].

Цель работы. Обоснование структурной схемы электронной системы контроля и управления печью Таммана.

Принцип работы печи Таммана основан на законе Джоуля-Ленца, согласно которому количество теплоты Q, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока I на этом участке и сопротивления участка R:

В печах сопротивления тепло выделяется в нагревательных элементах и передается нагревательному телу лучеиспусканием. В качестве нагревателя в печи Таммана используют полый графитовый элемент. Элементом сопротивления является ванна расплавленного шлака. При прохождении тока, шлак разогревается до температуры 1600-1800 °С, и нагревает погруженный в него электрод. Электрод с торца оплавляется, и металл в виде капель проходит через шлак, формируясь в готовый слиток [2].

Печь питается от промышленной сети переменного тока частотой f=50 Гц через понижающий трансформатор. Напряжение на первичной обмотке – 220B, максимальное напряжение на вторичной обмотке – 6B, максимальный ток в первичной обмотке – 100A; ток во вторичной обмотке может достигать 3 кА.

Электронная система должна обеспечивать плавный разогрев печи по заданному закону изменения температуры с постоянным контролем мощности, подводимой к печи и температуры внутри неё. Текущие значения контролируемых параметров должны регистрироваться и отображаться в удобном для оператора виде на компьютере. При этом необходимо реализовать 2 способа управления печью:

• удаленное управление с помощью компьютера;
• непосредственное ручное управление вблизи от печи.

На рисунке 1 представлена предложенная структурная схема разрабатываемой электронной системы контроля и управления печью Таммана.

Основным элементом электронной системы является управляющий микроконтроллер, который обеспечивает обмен данными с персональным компьютером (ПК), управление мощностью, подводимой к печи, контроль температуры в печи и тока первичной обмотки. Текущие значения контролируемых параметров передаются в ПК, где происходит их первичная обработка, визуализация в удобной для оператора форме, накопление и сохранение в файл.

Регулировка мощности печи осуществляется путем управления напряжением первичной обмотки с помощью силовых тиристоров ТС–160 с максимальным током 160 A.

Импульсы управления силовыми тиристорами поступают с микроконтроллера через оптосимистор MOC–3062, который обеспечивает гальваническую развязку силовых и слаботочных цепей. MOC–3062 содержит блок контроля перехода фазного напряжения через нуль (Zero Crossing Circuit), поэтому при включении силовых тиристоров не возникает выбросов тока и импульсных помех.

Рисунок 1 – Структурная схема системы

Для управления мощностью используется принцип широтно импульсной модуляции (ШИМ). При выбранном периоде ШИМ сигнала равном 1 секунде (50 периодов сетевого напряжения), управление мощностью осуществляться с разрешением в одну пятидесятую долю от максимально возможной мощности, что является достаточным для реализации различных законов регулирования температуры печи.

Для измерения тока первичной обмотки используется трансформатор тока Т–0.66, преобразующий ток первичной обмотки 0..100* А в выходной ток 0..5 А, который с помощью шунтирующего сопротивления преобразуется в напряжение и регистрируется управляющим микроконтроллером.

Для измерения температуры используется вольфрамрениевая термопара ВР5/20 с коэффициентом термоЭДС 16 мкВ/°С. Выходной сигнал термопары усиливается усилителем, с коэффициентом усиления по напряжению 250 и вводится в микроконтроллер.

Выводы

Предложенная структура электронной системы обеспечивает разогрев печи Таммана по заданному закону изменения температуры с контролем подводимой к печи мощности и температуры, с возможностью дистанционного и ручного управления.

Список использованной литературы

1. А. А. Троянский Методические указания к лабораторным работам по курсу «Металлургия черных металлов», Раздел Электрометаллургия стали и ферросплавов / Сост.: В. М. Сафонов, А. Н. Смирнов – Донецк: ДПИ, 1993. – 30 с.
2. Лидефельт Характеристики рабочих свойств шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали. Материалы международного конгресса / Хассельстром – М.: Металлургия, 1987. – 224 с.