基于LabView的热解试验装置的炉温控制系统和方法与流程

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种基于LabView的热解试验装置的炉温控制系统和方法。

背景技术：

随着热解技术的不断发展，热解炉的应用也越来越广泛，比如在处理生活垃圾或者工业垃圾中，热解炉起到了非常重要的作用，例如工业上处理废印刷电路板(PCB)。在印刷电路板(PCB)的生产过程中，会产生一些报废品和裁切边框，如果将其作为垃圾来处理，将会对环境产生影响，污染环境。而且废PCB中含有如紫铜等金属，其有很高的被再利用的价值。

目前，废PCB处理的处理方法有机械物理法、冶金提取法、生物处理法、超临界流体法、热解法等。其中运用热解技术，所排放的有毒有害物质比其他方法少得多。

废PCB的热解通常需要首先把废PCB破碎，然后通过料斗和螺旋输送机送入到电阻炉里面。在炉子里，废PCB碎料以一定的速度被螺旋输送机运送到炉子的尾部，变成热解渣和热解气，被分别收集起来，以待后续处理。通常炉内有几个温度区，每个区的温度单独控制，以形成阶梯温度，满足热解工艺的要求。因此，在废PCB热解过程中，对于温度的精确控制尤为重要，这将直接影响热解的效果。

由上述内容可知，在利用热解炉的进行工业化生产的过程中，对于热解炉温度控制至关重要。

现有技术中公开了一种通过数字温度传感器与电阻炉连接采集炉 温，PLC控制器连接数字温度传感器和固态继电器，固态继电器连接电阻炉，通过导通或关断固态继电器来控制炉温的控制系统和方法。然而，其缺点在于该方法控制固态继电器的导通或关断，从而控制电阻炉的加热时间，以实现对炉温的控制，与通过调功器来控制加在电阻丝两端的电压来控制炉温方法比较，其控制精度不高，且控制的响应时间较长。

现有技术还公开了一种炉温控制装置，该装置包括用于测量电阻炉温度并将温度信号传输给微处理器的数字温度传感器，电阻炉的温度测量端电连接数字温度传感器的输入端，温度传感器的输出端电连接微处理器的GPIO端；用于电阻炉加热的加热器，微处理器的EVA端发出的控制信号依次控制光耦、驱动电路和加热器；微处理器的EVA端电连接光耦的输入端，光耦的输出端电连接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端电连接加热器；用于人机交互和系统监控的工控机和触摸屏，工控机通过其I/O接口电连接触摸屏，通过CAN总线接口电路与微处理器电连接。其缺点在于该方法需要开发的炉温控制系统，同时还需要工控机和触摸屏，系统复杂，增加了成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种易于实现且温度控制精度高的炉温控制系统和方法，有利于热解炉的迅速升温和稳定保温。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于LabView的热解试验装置的炉温控制的系统，该系统基于LabView控制设计。优点在于LabView利用计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件。在操作时，用户通过鼠标或键盘操作软面板，来检验仪器的通信和操作。另外，用户可以根据自己的需要灵活地定义仪器的功能，通过不同功能模块的组合可构成多种仪器，而不必受限于仪器厂商提供的特定功能。其还可以实时、直接地对数据进行编辑。

本发明所述系统包括工控机、串口服务器、炉温测量模块、调功器电流/电压测量模块及模拟量输出模块。

所述工控机，用于运行LabView监控程序，监控所述炉温控制系统。

所述串口服务器，通过以太网与所述工控机相连提供串口转网络功能，所述串口服务器包括串行端口COM1、COM2及COM3。

所述炉温测量模块，与所述串口服务器的串行端口COM1相连，用于检测试验装置三个区的温度，并将温度数值传递给在所述工控机上运行的LabView监控程序。

所述调功器电流/电压测量模块，与所述串口服务器的串行端口COM2相连，用于测量功率输出线上的电压，并将电压数值传递给在所述工控机上运行的LabView监控程序。

所述模拟量输出模块，与所述串口服务器的串行端口COM3相连，用于接收来自所述工控机上运行的LabView监控程序的控制信号，然后将所述控制信号转换为电压信号，并发送该电压信号到所述调功器电流/电压测量模块。

进一步地，所述系统还包括显示器，与所述工控机相连，用于显示炉温测量模块、调功器电流/电压测量模块所测数据及所述系统的工作状态。

进一步地，所述炉温测量模块包括智能数显表和热电偶。所述热电偶分别设置在试验装置炉体的各区内，所述热电偶两端设置有所述智能数显表。

进一步地，所述调功器电流/电压测量模块，包括电流互感器、单相电能表及调功器。所述调功器功率输出线上设置有电流互感器，所述电流互感器与所述单相电能表相连。

更进一步地，所述模拟量输出模块包括多个通道，分别与所述调功器、试验装置的进料调速器及加热调速器相连。所述模拟量输出模块接 收来自所述工控机的控制信号，然后通过电压信号控制所述调功器。

另外所述模拟量输出模块还可接收来自所述工控机的控制信号，进而依照控制信号控制试验装置的进料螺旋输送机及加热螺旋输送机的输送速度。

本发明还提供一种利用上述系统的控制炉温的方法，其包括以下步骤：

1)基于LabView控制程序设置期望温度值SV，以及所述期望温度值SV的下限T_L与上限T_H；

2)用所述炉温测量模块测得该区温度，将其定义为实际温度值PV，并通过所述串口服务器上传到所述工控机；

3)所述工控机判断该实际温度值PV和期望温度值SV的下限T_L与上限T_H的关系，将其定义为计算误差e，然后执行LabView监控程序；

4)所述工控机中的LabView监控程序发出控制信号，所述模拟量输出模块将该控制信号转换为电压信号，并将该电压信号传给所述调功器，然后所述调功器控制试验装置的加热管两端的电压，实现炉温控制。

具体地，所述LabView监控程序通过所述串口服务器向上连接所述工控机，向下连接支持ModBus RTU协议的所述智能数显表、所述单项电能表和所述模拟量输出模块。

具体地，所述计算误差e(k)＝SV(k)-PV(k)，其中，

k是时间k*t处采样信号的索引，e(k)表示当前计算误差，SV表示期望温度值，PV表示实际温度值。

更具体地，所述电压信号的表达式为

其中，

U_out是传递给所述调功器的电压信号，V_max是所述调功器接收的所述电压信号的最大值，P是需用负荷率，单位％，T_L是所述期望温度的下限，T_H是所述期望温度的上限。

此外，所述LabView监控程序还包括PID子程序，所述PID子程序计算输出结果而得到一个全局变量电压给定U(k)，将该电压给定传来的数值传递给所述调功器，可逐渐使实际温度PV接近期望温度SV。

本发明的有益效果在于基于本发明的温度控制易于实现，大大节省了开发时间，且由LabView软件开发的监控程序，易于实现实验数据的记录，为热解实验数据分析奠定了良好的基础。该分段式温度控制方法有利于迅速升温和稳定保温，温度控制精度高。

附图说明

图1是热解试验装置的炉温控制的系统结构示意图。

图2是一区温度分段式控制程序图。

附图标记说明如下：

1：工控机

101：显示器

2：串口服务器

3：炉温测量模块

301：智能数显表

302：热电偶

4：调功器电流/电压测量模块

401：电流互感器

402：单相电能表

403：调功器

5：模拟量输出模块

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

针对本发明需要提供如下所述的试验装置，该试验装置由热解炉、进料部分、加热输送部分、出渣部分、出油气部分等组成。热解炉本体分为3个区，有3个加热管，热解炉内温度由加热管产生的热量来提供。进料和加热主要有两个螺旋输送机构成，上料斗里面的垃圾碎料(如废PCB)通过进料螺旋输送机送给加热螺旋输送机。加热螺旋输送机以一定的速度旋进，保证垃圾碎料在热解炉中有足够的时间完成热解，产生的油气由储气罐收集，热解渣收集做进一步处理。

下面结合热解试验装置对本发明进行阐述：

如图1所示，本发明提供了一种基于LabView的热解试验装置的炉温控制的系统，该系统包括工控机1、串口服务器2、炉温测量模块3、调功器电流/电压测量模块4及模拟量输出模块5。

如图1所示，所述工控机1，用于运行LabView监控程序，监控所述炉温控制系统。所述工控机1还连接有显示器101，用于显示炉温测量模块3、调功器电流/电压测量模块4所测数据及所述系统的工作状态。

如图1所示，所述串口服务器2，通过以太网与所述工控机相连提供串口转网络功能，所述串口服务器2包括串行端口COM1、COM2及COM3。

如图1所示，所述炉温测量模块3，与所述串口服务器2的串行端口COM1相连，用于检测试验装置三个区的温度，并将温度数值传递给在所述工控机1上运行的LabView监控程序。所述炉温测量模块3包括智能数显表301和热电偶302。所述热电偶302分别设置在试验装置炉体的各区内，所述热电偶302两端设置有所述智能数显表301，用所述智能数显表301测量热电偶302的温度，该温度也就是快速热解试 验装置的炉温。

如图1所示，所述调功器电流/电压测量模块4，与所述串口服务器2的串行端口COM2相连，用于测量功率输出线上的电压，并将电压数值传递给在所述工控机1上运行的LabView监控程序。所述调功器电流/电压测量模块4，包括电流互感器401、单相电能表402及调功器403。所述调功器403功率输出线上设置有所述电流互感器401，所述电流互感器401与所述单相电能表402相连，用来测量调功器403的电流与电压。

如图1所示，所述模拟量输出模块5，与所述串口服务器2的串行端口COM3相连，用于接收来自所述工控机上1运行的LabView监控程序的控制信号，然后将所述控制信号转换为电压信号，并发送该电压信号到所述调功器电流/电压测量模块4。

如图1所示，所述模拟量输出模块5包括多个通道，分别与所述调功器403、试验装置的进料调速器及加热调速器(未示出)相连。所述模拟量输出模块5接收来自所述工控机1的控制信号，然后通过电压信号控制所述调功器403。

此外，如图2所示，本发明还提供一种利用上述系统控制炉温的方法，该方法包括以下步骤：

1)基于LabView控制程序设置期望温度值SV，参见图2所示一区期望温度，以及所述期望温度值SV的下限T_L与上限T_H，参见图2所示的低限与高限；所述LabView监控程序通过所述串口服务器2向上连接所述工控机1，向下连接支持ModBus RTU协议的所述智能数显表301、所述单项电能表402和所述模拟量输出模块5。

2)用所述炉温测量模块3测得该区温度，将其定义为实际温度值PV，并通过所述串口服务器2上传到所述工控机1；

3)所述工控机1判断该实际温度值PV和期望温度值SV的下限T_L与上限T_H的关系，将其定义为计算误差e，该误差的计算公式为计算误差e(k)＝SV(k)-PV(k)，其中，

k是时间k*t处采样信号的索引，e(k)表示当前计算误差，SV表示 期望温度值，PV表示实际温度值。然后执行LabView监控程序；

4)所述工控机中的LabView监控程序发出控制信号，所述模拟量输出模块5将该控制信号转换为电压信号，所述电压信号的表达式为

其中，

U_out是传递给所述调功器的电压信号；V_max是所述调功器接收的所述电压信号的最大值，为150V；P是需用负荷率，单位％；T_L是所述期望温度的下限；T_H是所述期望温度的上限。

该电压信号的范围一般在0～10V，将该电压信号通过模拟量输出模块5传给所述调功器403，然后所述调功器403控制试验装置加热管两端的电压和进料螺旋输送机和加热螺旋输送机的热解试验装置的硬件配置，实现炉温控制。

此外，所述LabView监控程序还包括PID子程序，所述PID子程序计算输出结果而得到一个全局变量电压给定U(k)，将该电压给定传来的数值传递给所述调功器403，可逐渐使实际温度PV接近期望温度SV。

更详细地，因所述试验装置分为三个区，且每个区的温度控制原理相同，所以下面仅以一区的温度控制对发明进行阐述。如图2所示，本发明所述LabView监控程序主要以两个嵌套的条件结构和一个选择函数来实现控制。

如图2所示，期望温度SV和实际温度PV进行比较，以期望温度值SV的下限T_L和上限T_H来分开加热阶段、保温阶段和停止加热阶段。

如图2所示，一区PID电压给定是一个全局变量，是由PID子程序计算输出结果传递而得到的。本试验装置以试凑法得到的P、I、D参数，一区加热器的P、I、D参数分别为180、10、0.1；PID控制器输出上、下限分别为150和0，需用负荷率P为80％，保证在0～150V之间调节调功器403输出电压。下限T_L和上限T_H(均可调)这里设置的为3℃和0.5℃。期望温度SV(可调)根据工艺要求，设置在600℃。

如图2所示，当e(k)>T_L时，为加热阶段。此时执行外面的条件结构的为真的分支，同时执行里面的条件结构的为真的分支，使一区升温指示灯变绿，一区保温指示灯变红，同时使把真值给选择开关。通过选择开关的局部变量，把真值传递给选择函数，选择函数把一区升温电压给定传递的值给一区调功器403，使调功器403以一定的电压驱动一区加热管，实现迅速升温。

如图2所示，当-T_H<e(k)<T_L时，为保温阶段。此时程序执行外面的条件结构的为真的分支，同时执行里面的条件结构的为假的分支，使一区升温指示灯变红，一区保温指示灯变绿，同时使把假值给选择开关。选择函数接收到假值，即把一区PID电压给定传来的数值给一区调功器403，逐渐使实际温度PV接近期望温度SV。

如图2所示，当e(k)<-T_H时，为停止加热阶段。此时程序执行外面的条件结构的为假的分支，使一区升温指示灯变红，一区保温指示灯变红，同时把真值给选择开关，且把0值给一区升温电压给定，这样就断开了一区加热管两端的电压，使加热管自然降温。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。