一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于溫度控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)。其特征在于，所述系統(tǒng)的被控對象為線網(wǎng)反應器，其溫度由熱電偶采集，熱電偶的輸出信號經(jīng)溫度變送器進行電壓變換后傳送到核心控制單元，核心控制單元計算出控制量輸入到功率調(diào)節(jié)器，再由功率調(diào)節(jié)器輸出給單相隔離變送器，控制實際加到線網(wǎng)反應器兩端的功率，形成線網(wǎng)反應器的溫度閉環(huán)控制；上位機監(jiān)控軟件采用串口連接與核心控制單元通信，將人工指令和參數(shù)輸入到核心控制單元，核心控制單元將當前的熱電偶的溫度值在顯示屏上刷新顯示。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)方法需要專門設計實驗臺特定的直流功率調(diào)節(jié)器的缺陷，克服了傳統(tǒng)實驗臺升溫速度僅有幾種固定選擇的局限性。
【專利說明】
一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于溫度控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]煤炭是當今世界的主要能源，長期以來燃煤發(fā)電在我國電力生產(chǎn)中占有絕對的主導地位，燃煤發(fā)電機組裝機容量占我國發(fā)電裝機容量一直在70%以上。煤的清潔高效燃燒新技術(shù)的開發(fā)是我國乃至世界各國的可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略。大型電站燃煤鍋爐基本采用煤粉燃燒方式，煤粉在鍋爐內(nèi)的燃燒是一個很短(小于I秒)的快速加熱反應過程。為了深入研究實際鍋爐加熱條件下的煤的熱解和燃燒特性，需要在實驗室搭建模擬這種快速的升溫過程并能夠?qū)@種快速升溫進行靈活控制的實驗平臺。線網(wǎng)反應器就是目前最理想的實現(xiàn)這一實驗條件的實驗裝置。實驗時煤粉放在金屬絲(線)網(wǎng)上，金屬絲網(wǎng)通電發(fā)熱，通過溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)線網(wǎng)的快速并可變的升溫過程，從而研究煤粉等顆粒燃料的熱解和燃燒機理。開發(fā)控溫更可靠靈活的線網(wǎng)反應器不僅對于煤的清潔利用研究具有重要意義，在生物質(zhì)燃料研究等相關(guān)研究領(lǐng)域也有廣泛的應用前景。目前，實驗室快速加熱反應器國內(nèi)只有兩家:清華大學熱能系2008年時研制出一個平臺，然而該平臺的升溫速度僅有固定的幾種，50°C/s，100°C/s，1000°C/s，不能任意調(diào)試，且加熱只能一次完成，其最高加熱速度僅僅為1000°C/s，并且該系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器部分采用直流功率調(diào)節(jié)器，設計調(diào)試過程繁冗，系統(tǒng)不宜復制和擴展。上海交通大學自動化系2015年研制出基于Iabview實現(xiàn)的線網(wǎng)反應器高速升溫系統(tǒng)，實現(xiàn)過程簡單，開發(fā)周期短，然而該系統(tǒng)僅顯示能夠達到的最大升溫速度為700°C/s，且需要專用計算機支持，而且Iabview軟件的運行速度局限性大，不適于高速升溫過程控制。鑒于此，本發(fā)明目的是公開一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速加熱反應器，且加熱速度靈活多樣，實驗環(huán)境安全可靠的控制系統(tǒng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]為了解決上述問題，本發(fā)明一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，包括:
[0004]核心控制單元用于實現(xiàn)溫度信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，控制信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換，以及核心控制算法；
[0005]傳感變送單元包括熱電偶和溫度變送器，用于實時采集溫度信號，并將溫度信號轉(zhuǎn)換成核心控制單元能夠接受的電壓信號；
[0006]執(zhí)行機構(gòu)包括功率調(diào)節(jié)器和單相隔離變壓器，用于將核心控制單元產(chǎn)生的控制信號輸出給功率調(diào)節(jié)器；
[0007]人機交互監(jiān)控畫面由上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)，用于實時升溫過程監(jiān)控以及輸入指令和參數(shù)；
[0008]所述系統(tǒng)的被控對象為線網(wǎng)反應器，線網(wǎng)反應器的溫度由熱電偶負責采集，熱電偶的輸出信號經(jīng)溫度變送器進行電壓變換;然后傳送到核心控制單元，然后由核心控制單元計算出控制量輸入到功率調(diào)節(jié)器，再由功率調(diào)節(jié)器輸出給單相隔離變送器，控制實際加到線網(wǎng)反應器兩端的功率，從而達到控制線網(wǎng)反應器溫度的目的，形成線網(wǎng)反應器的溫度閉環(huán)控制;上位機監(jiān)控軟件采用串口連接與核心控制單元通信，將人工指令和參數(shù)輸入到核心控制單元，核心控制單元將當前的熱電偶的溫度值在OLED顯示屏上刷新顯示，實現(xiàn)過程的監(jiān)控。
[0009]所述核心控制單元為ARM控制芯片，包括內(nèi)置的A/D及D/A轉(zhuǎn)換器，以及基于操作系統(tǒng)的控制算法，ARM控制芯片的時間參數(shù)要優(yōu)于控制對快速性的要求。
[0010]所述溫度變送器的輸出信號與所連接的核心控制單元的相應引腳的電壓兼容;所述溫度變送器的響應速度要能夠與滿足控制快速性的要求。
[0011]所述熱電偶的分型選取由線網(wǎng)反應器的典型工作溫度范圍決定，典型工作溫度在600°C?1000°C，則選擇K型熱電偶；在1000°C?1300°C，選擇S型熱電偶；在1000°C?1600°C，選擇L型熱電偶;熱電偶直徑越細其熱反應速度越好，越有利于實現(xiàn)快速升溫。
[0012]所述溫度變送器接收熱電偶輸出信號，然后將其進行放大、濾波，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換成0-
3.3V輸出，并自帶輸入、輸出側(cè)的隔離措施，以免信號互相影響。溫度變送器的反應速度越快越有利于實現(xiàn)快速升溫。
[0013]所述溫度變送器采用三級隔離:輸入信號隔離、輸出信號隔離及數(shù)模信號隔離，能夠有效降低噪聲。
[0014]所述功率調(diào)節(jié)器用來調(diào)整單相隔離變壓器的實際輸出功率，采用交流功率調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，功率調(diào)節(jié)器的響應速度要滿足實時控制快速性的要求。
[0015]所述單相隔離變壓器一方面將危險電壓降壓到安全電壓范圍之內(nèi)，另外一方面將一次線圈和二次線圈之間實現(xiàn)電氣隔離，從而保護線網(wǎng)反應器以及實驗操作人員的安全；單相隔離變壓器的額定功率根據(jù)線網(wǎng)反應器的升溫速度確定。
[0016]所述人機交互監(jiān)控界面能夠?qū)崟r地用曲線的形式直觀地顯示升溫過程，便于監(jiān)測。
[0017]所述功率調(diào)節(jié)器的輸入端直接與墻上單相電連接，功率調(diào)節(jié)器的輸出端與單相隔離變壓器的輸入一次線圈側(cè)連接，而單相隔離變壓器的二次線圈側(cè)為安全操作低電壓，與線網(wǎng)反應器連接，以上連接都屬于強電信號連接，需要用銅芯電纜線進行連接;功率調(diào)節(jié)器的控制信號端與核心控制單元的輸出端連接，這里的連接是弱電信號連接，用電子線路專用連線連接。
[0018]所述溫度控制系統(tǒng)的最高升溫速度為1700°C/s。
[0019]有益效果
[0020](I)實現(xiàn)簡單，快捷，方便復制。本發(fā)明利用交流功率調(diào)節(jié)器SCR實現(xiàn)，從而克服了傳統(tǒng)方法需要專門設計實驗臺特定的直流功率調(diào)節(jié)器的缺陷，從而使得控制系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，快捷。
[0021](2)升溫速度靈活可調(diào)。本發(fā)明所公布的方法能夠在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)任意速度的快速升溫，從而克服了傳統(tǒng)實驗臺升溫速度僅有幾種固定選擇的局限性。
[0022](3)快速升溫可以分兩階段進行。本發(fā)明公布的方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速升溫過程分兩個階段進行，先按照第一個升溫速率快速升溫到第一個目標溫度之后，維持一定的穩(wěn)定階段，再按照第二個升溫速率快速升溫到第二個目標溫度，并維持穩(wěn)定。
[0023](4)最高升溫速度達1700 °C/s。本發(fā)明的系統(tǒng)最高升溫速度可以達到每秒1700 °C/s，是目前國內(nèi)可以達到的最高升溫速率的線網(wǎng)反應器的控制系統(tǒng)方案。
【附圖說明】
[0024]圖1是線網(wǎng)反應器實驗平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
[0025]圖2為本發(fā)明的線網(wǎng)反應器控制系統(tǒng)拓撲圖；
[0026]圖3為本發(fā)明中ARM芯片的任務調(diào)度框圖；
[0027]圖4為上位機軟件界面圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細說明。
[0029]將本發(fā)明的方法應用于線網(wǎng)反應器實驗平臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以模擬鍋爐升溫過程，進行煤粉特性分析。圖1是線網(wǎng)反應器實驗平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明的線網(wǎng)反應器控制系統(tǒng)拓撲圖；一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，包括:
[0030]核心控制單元用于實現(xiàn)溫度信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，控制信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換，以及核心控制算法；
[0031]傳感變送單元包括熱電偶和溫度變送器，用于實時采集溫度信號，并將溫度信號轉(zhuǎn)換成核心控制單元能夠接受的電壓信號；
[0032]執(zhí)行機構(gòu)包括功率調(diào)節(jié)器和單相隔離變壓器，用于將核心控制單元產(chǎn)生的控制信號輸出給功率調(diào)節(jié)器；
[0033]人機交互監(jiān)控畫面由上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)，用于實時升溫過程監(jiān)控以及輸入指令和參數(shù)；
[0034]所述系統(tǒng)的被控對象為線網(wǎng)反應器，線網(wǎng)反應器的溫度由熱電偶負責采集，熱電偶的輸出信號經(jīng)溫度變送器進行電壓變換;然后傳送到核心控制單元，然后由核心控制單元計算出控制量輸入到功率調(diào)節(jié)器，再由功率調(diào)節(jié)器輸出給隔離變送器，控制實際加到線網(wǎng)反應器兩端的功率，從而達到控制線網(wǎng)反應器溫度的目的，形成線網(wǎng)反應器的溫度閉環(huán)控制;上位機監(jiān)控軟件采用串口連接與核心控制單元通信，將人工指令和參數(shù)輸入到核心控制單元，核心控制單元將當前的熱電偶的溫度值在OLED顯示屏上刷新顯示，實現(xiàn)過程的監(jiān)控。
[0035]所述核心控制單元為ARM控制芯片，包括內(nèi)置的A/D及D/A轉(zhuǎn)換器，以及基于操作系統(tǒng)的控制算法，ARM控制芯片的時間參數(shù)要優(yōu)于控制對快速性的要求。在ARM控制芯片內(nèi)，基于嵌入式實時操作系統(tǒng)Freescale MQXTMLite，采用基于優(yōu)先級的FIFO任務調(diào)度方式，其任務調(diào)度框圖如附圖3所示?；贏RM實現(xiàn)的核心控制程序主要分成四個任務，這四個任務按照優(yōu)先級順序由高到低的順序依次為:
[0036]任務1、接收上位機指令，這些指令包括開始加熱/停止加熱指令、不同的模式(調(diào)試模式/直接輸出控制/單獨加熱/分段加熱等)選擇、以及目標溫度、目標速度的設置參數(shù)。
[0037]任務2、處理讀取的溫度數(shù)據(jù)并進行調(diào)節(jié)輸出。具體的處理及計算過程參見附圖4。
[0038]任務3、當前溫度回傳上位機，用于實時顯示當前線網(wǎng)反應器溫度，便于客觀地觀察整個升溫過程，以及確定升溫速度。
[0039]任務4、刷新OLED顯示屏，實時顯示當前線網(wǎng)反應器溫度，便于隨時讀取溫度。
[0040]這四個任務依據(jù)優(yōu)先級，按照FIFO的原則占用CPU時間片，從而完成基于ARM的實時控制過程。
[0041]所述溫度變送器的輸出信號與所連接的核心控制單元的相應引腳的電壓兼容;所述溫度變送器的響應速度要能夠與滿足控制快速性的要求。
[0042]所述熱電偶的分型選取由線網(wǎng)反應器的典型工作溫度范圍決定，典型工作溫度在600°C?1000°C，則選擇K型熱電偶；在1000°C?1300°C，選擇S型熱電偶；在1000°C?1600°C，選擇L型熱電偶;熱電偶直徑越細其熱反應速度越好，越有利于實現(xiàn)快速升溫。
[0043]所述溫度變送器接收熱電偶輸出信號，然后將其進行放大、濾波，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換成0-
3.3V輸出，并自帶輸入、輸出側(cè)的隔離措施，以免信號互相影響。溫度變送器的反應速度越快越有利于實現(xiàn)快速升溫。
[0044]所述溫度變送器采用三級隔離:輸入信號隔離、輸出信號隔離及數(shù)模信號隔離，能夠有效降低噪聲。
[0045]所述功率調(diào)節(jié)器用來調(diào)整單相隔離變壓器的實際輸出功率，采用交流功率調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，功率調(diào)節(jié)器的響應速度要滿足實時控制快速性的要求。
[0046]所述單相隔離變壓器一方面將危險電壓降壓到安全電壓范圍之內(nèi)，另外一方面將一次線圈和二次線圈之間實現(xiàn)電氣隔離，從而保護線網(wǎng)反應器以及實驗操作人員的安全；單相隔離變壓器的額定功率根據(jù)線網(wǎng)反應器的升溫速度確定。原則上，所要實現(xiàn)的升溫速度越高，則要求瞬間施加給線網(wǎng)反應器的功率越大。選擇隔離變壓器的額定功率應該留有一定余量。
[0047]所述人機交互監(jiān)控界面能夠?qū)崟r地用曲線的形式直觀地顯示升溫過程，便于監(jiān)測。上位機采用基于C#開發(fā)人機交互界面。開發(fā)好的應用軟件封裝成.exe可執(zhí)行程序相對很小，運行執(zhí)行效率非常高。從而避免對第三方軟件的依賴。上位機主要負責監(jiān)測升溫過程以及指令輸入。
[0048]所述功率調(diào)節(jié)器的輸入端直接與墻上單相電連接，功率調(diào)節(jié)器的輸出端與單相隔離變壓器的輸入一次線圈側(cè)連接，而單相隔離變壓器的二次線圈側(cè)為安全操作低電壓，與線網(wǎng)反應器連接，以上連接都屬于強電信號連接，需要用銅芯電纜線進行連接;功率調(diào)節(jié)器的控制信號端與核心控制單元的輸出端連接，這里的連接是弱電信號連接，用電子線路專用連線連接。
[0049]依據(jù)本發(fā)明提供的步驟，實施結(jié)果如下所示:
[0050]以PC機作為升溫過程監(jiān)控系統(tǒng)，以freescale(飛思卡爾)的芯片Kinetis KL25MCU作為ARM控制芯片，該MCU芯片采用新一代32位ARM Cortex-MO+內(nèi)核，有高速與低功耗兼具的特點，搭載于Freescale MQX?Lite實時操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)具有超輕量及低功耗等特點。
[0051 ] 選擇廣東東莞市的佳佳機電有限公司的可控硅單相功率調(diào)節(jié)器SY-1-2-50T作為本系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器，控制電壓輸入范圍0-3.3v，輸出0-24V交流電壓。
[0052]隔離變壓器選用北京普羅斯托國際電氣有限公司的220V/24V單相隔離變壓器，額定功率為10kw。
[0053]溫度變送器選用錦州精微儀表有限公司的智能一體化溫度變送器，帶輸入，輸出隔離保護，輸入溫度0_1200°C/s，輸出電壓范圍0-3.3V。
[0054]熱電偶采用英國Good Fellow公司生產(chǎn)的K型熱電偶絲(N1095120Ni90/Crl0，NI 105120Ni95/( Al+Mn+Si )5),直徑50μπι，從而保證了測溫的快速性。
[0055]上位機軟件界面如圖4所示，涉及開始加熱/停止加熱指令，不同加熱模式選擇，目標溫度，目標速度設定，以及一些微調(diào)參數(shù)。
[0056]結(jié)果分析
[0057]根據(jù)本發(fā)明實施例的線網(wǎng)反應器快速升溫控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:
[0058]I)軟件的運行效率高。本發(fā)明描繪的實施方法不需要Iabview這樣的第三方應用軟件，只需要將開發(fā)好的應用軟件包拷貝到所使用的計算機上，即可使用。
[0059]2)可擴展性好。安裝相應的C#開發(fā)環(huán)境，和kinetis開發(fā)環(huán)境，就可以隨時修訂和增減功能。
[0060]3)設計簡單、快捷，方便推廣。本發(fā)明搭建的硬件系統(tǒng)均是采用第三方產(chǎn)品，不需要設計專用的硬件電路，因而可以大大縮短設計過程，方便推廣。
【主權(quán)項】
1.一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，包括: 核心控制單元用于實現(xiàn)溫度信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，控制信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換，以及核心控制算法; 傳感變送單元包括熱電偶和溫度變送器，用于實時采集溫度信號，并將溫度信號轉(zhuǎn)換成核心控制單元能夠接受的電壓信號； 功率控制器包括功率調(diào)節(jié)器和單相隔離變壓器，作為功率控制的執(zhí)行機構(gòu)，將核心控制單元產(chǎn)生的控制信號輸出給功率調(diào)節(jié)器，并通過單向隔離變壓器控制線網(wǎng)反應器的溫度； 人機交互監(jiān)控單元包括上位機和OLED顯示屏，監(jiān)控畫面由上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)，用于實時升溫過程監(jiān)控以及輸入指令和參數(shù)； 所述系統(tǒng)的被控對象為線網(wǎng)反應器，線網(wǎng)反應器的溫度由熱電偶采集，熱電偶的輸出信號經(jīng)溫度變送器進行電壓變換后傳送到核心控制單元，核心控制單元計算出控制量輸入到功率調(diào)節(jié)器，再由功率調(diào)節(jié)器輸出給單相隔離變壓器，控制實際加到線網(wǎng)反應器兩端的功率，從而達到控制線網(wǎng)反應器溫度的目的，形成線網(wǎng)反應器的溫度閉環(huán)控制;上位機采用串口連接與核心控制單元通信，將人工指令和參數(shù)輸入到核心控制單元，核心控制單元將當前的熱電偶的溫度值在OLED顯示屏上刷新顯示，實現(xiàn)過程的監(jiān)控。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述核心控制單元為ARM控制芯片，包括內(nèi)置的A/D及D/A轉(zhuǎn)換器，以及基于操作系統(tǒng)的控制算法，ARM控制芯片的時間參數(shù)滿足對控制快速性的要求。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度變送器的輸出信號與所連接的核心控制單元的相應引腳的電壓兼容;所述溫度變送器的響應速度滿足控制快速性的要求。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述熱電偶的分型選取由線網(wǎng)反應器的典型工作溫度范圍決定，如果典型工作溫度在600°C?1000°C，則選擇K型熱電偶;如果典型工作溫度在1000°C?1300°C，則選擇S型熱電偶;如果典型工作溫度在1000°C?1600°C，則選擇L型熱電偶。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度變送器接收熱電偶輸出信號，然后將其進行放大、濾波，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換成0-3.3V輸出，并自帶輸入、輸出側(cè)的隔離措施，以免信號互相影響； 所述溫度變送器采用三級隔離:輸入信號隔離、輸出信號隔離及數(shù)模信號隔離，能夠有效降低噪聲。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述功率調(diào)節(jié)器用來調(diào)整單相隔離變壓器的實際輸出功率，采用交流功率調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，功率調(diào)節(jié)器的響應速度滿足實時控制快速性的要求。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述單相隔離變壓器一方面將危險電壓降壓到安全電壓范圍之內(nèi)，另外一方面將一次線圈和二次線圈之間實現(xiàn)電氣隔離，從而保護線網(wǎng)反應器以及實驗操作人員的安全;單相隔離變壓器的額定功率根據(jù)線網(wǎng)反應器的升溫速度確定。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述人機交互監(jiān)控單元能夠?qū)崟r地用曲線的形式直觀地顯示升溫過程，便于監(jiān)測。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述功率調(diào)節(jié)器的輸入端直接與墻上單相電連接，功率調(diào)節(jié)器的輸出端與單相隔離變壓器的輸入一次線圈側(cè)連接，而單相隔離變壓器的二次線圈側(cè)為安全操作低電壓，與線網(wǎng)反應器連接，以上連接用銅芯電纜線實現(xiàn)強電信號連接;功率調(diào)節(jié)器的控制信號端與核心控制單元的輸出端用電子線路專用連線實現(xiàn)弱電信號連接。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向線網(wǎng)反應器的快速溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度控制系統(tǒng)的最高升溫速度為1700 0C/s。
【文檔編號】G05B19/042GK106094931SQ201610425782
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】田思達, 陳曉梅, 康志忠
【申請人】華北電力大學