一种面向线网反应器的快速温度控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于温度控制技术领域，尤其涉及一种面向线网反应器的快速温度控制系统。其特征在于，所述系统的被控对象为线网反应器，其温度由热电偶采集，热电偶的输出信号经温度变送器进行电压变换后传送到核心控制单元，核心控制单元计算出控制量输入到功率调节器，再由功率调节器输出给单相隔离变送器，控制实际加到线网反应器两端的功率，形成线网反应器的温度闭环控制；上位机监控软件采用串口连接与核心控制单元通信，将人工指令和参数输入到核心控制单元，核心控制单元将当前的热电偶的温度值在显示屏上刷新显示。本发明克服了传统方法需要专门设计实验台特定的直流功率调节器的缺陷，克服了传统实验台升温速度仅有几种固定选择的局限性。
【专利说明】
一种面向线网反应器的快速温度控制系统
技术领域
[0001]本发明属于温度控制技术领域，尤其涉及一种面向线网反应器的快速温度控制系统。
【背景技术】
[0002]煤炭是当今世界的主要能源，长期以来燃煤发电在我国电力生产中占有绝对的主导地位，燃煤发电机组装机容量占我国发电装机容量一直在70%以上。煤的清洁高效燃烧新技术的开发是我国乃至世界各国的可持续发展的重要战略。大型电站燃煤锅炉基本采用煤粉燃烧方式，煤粉在锅炉内的燃烧是一个很短(小于I秒)的快速加热反应过程。为了深入研究实际锅炉加热条件下的煤的热解和燃烧特性，需要在实验室搭建模拟这种快速的升温过程并能够对这种快速升温进行灵活控制的实验平台。线网反应器就是目前最理想的实现这一实验条件的实验装置。实验时煤粉放在金属丝(线)网上，金属丝网通电发热，通过温度控制系统实现线网的快速并可变的升温过程，从而研究煤粉等颗粒燃料的热解和燃烧机理。开发控温更可靠灵活的线网反应器不仅对于煤的清洁利用研究具有重要意义，在生物质燃料研究等相关研究领域也有广泛的应用前景。目前，实验室快速加热反应器国内只有两家:清华大学热能系2008年时研制出一个平台，然而该平台的升温速度仅有固定的几种，50°C/s，100°C/s，1000°C/s，不能任意调试，且加热只能一次完成，其最高加热速度仅仅为1000°C/s，并且该系统的功率调节器部分采用直流功率调节器，设计调试过程繁冗，系统不宜复制和扩展。上海交通大学自动化系2015年研制出基于Iabview实现的线网反应器高速升温系统，实现过程简单，开发周期短，然而该系统仅显示能够达到的最大升温速度为700°C/s，且需要专用计算机支持，而且Iabview软件的运行速度局限性大，不适于高速升温过程控制。鉴于此，本发明目的是公开一种能够实现快速加热反应器，且加热速度灵活多样，实验环境安全可靠的控制系统。
【发明内容】
[0003]为了解决上述问题，本发明一种面向线网反应器的快速温度控制系统，其特征在于，包括:
[0004]核心控制单元用于实现温度信号的模数转换，控制信号的数模转换，以及核心控制算法；
[0005]传感变送单元包括热电偶和温度变送器，用于实时采集温度信号，并将温度信号转换成核心控制单元能够接受的电压信号；
[0006]执行机构包括功率调节器和单相隔离变压器，用于将核心控制单元产生的控制信号输出给功率调节器；
[0007]人机交互监控画面由上位机监控软件实现，用于实时升温过程监控以及输入指令和参数；
[0008]所述系统的被控对象为线网反应器，线网反应器的温度由热电偶负责采集，热电偶的输出信号经温度变送器进行电压变换;然后传送到核心控制单元，然后由核心控制单元计算出控制量输入到功率调节器，再由功率调节器输出给单相隔离变送器，控制实际加到线网反应器两端的功率，从而达到控制线网反应器温度的目的，形成线网反应器的温度闭环控制;上位机监控软件采用串口连接与核心控制单元通信，将人工指令和参数输入到核心控制单元，核心控制单元将当前的热电偶的温度值在OLED显示屏上刷新显示，实现过程的监控。
[0009]所述核心控制单元为ARM控制芯片，包括内置的A/D及D/A转换器，以及基于操作系统的控制算法，ARM控制芯片的时间参数要优于控制对快速性的要求。
[0010]所述温度变送器的输出信号与所连接的核心控制单元的相应引脚的电压兼容;所述温度变送器的响应速度要能够与满足控制快速性的要求。
[0011]所述热电偶的分型选取由线网反应器的典型工作温度范围决定，典型工作温度在600°C?1000°C，则选择K型热电偶；在1000°C?1300°C，选择S型热电偶；在1000°C?1600°C，选择L型热电偶;热电偶直径越细其热反应速度越好，越有利于实现快速升温。
[0012]所述温度变送器接收热电偶输出信号，然后将其进行放大、滤波，经电平转换成0-
3.3V输出，并自带输入、输出侧的隔离措施，以免信号互相影响。温度变送器的反应速度越快越有利于实现快速升温。
[0013]所述温度变送器采用三级隔离:输入信号隔离、输出信号隔离及数模信号隔离，能够有效降低噪声。
[0014]所述功率调节器用来调整单相隔离变压器的实际输出功率，采用交流功率调节器实现，功率调节器的响应速度要满足实时控制快速性的要求。
[0015]所述单相隔离变压器一方面将危险电压降压到安全电压范围之内，另外一方面将一次线圈和二次线圈之间实现电气隔离，从而保护线网反应器以及实验操作人员的安全；单相隔离变压器的额定功率根据线网反应器的升温速度确定。
[0016]所述人机交互监控界面能够实时地用曲线的形式直观地显示升温过程，便于监测。
[0017]所述功率调节器的输入端直接与墙上单相电连接，功率调节器的输出端与单相隔离变压器的输入一次线圈侧连接，而单相隔离变压器的二次线圈侧为安全操作低电压，与线网反应器连接，以上连接都属于强电信号连接，需要用铜芯电缆线进行连接;功率调节器的控制信号端与核心控制单元的输出端连接，这里的连接是弱电信号连接，用电子线路专用连线连接。
[0018]所述温度控制系统的最高升温速度为1700°C/s。
[0019]有益效果
[0020](I)实现简单，快捷，方便复制。本发明利用交流功率调节器SCR实现，从而克服了传统方法需要专门设计实验台特定的直流功率调节器的缺陷，从而使得控制系统实现简单，快捷。
[0021](2)升温速度灵活可调。本发明所公布的方法能够在一定范围内实现任意速度的快速升温，从而克服了传统实验台升温速度仅有几种固定选择的局限性。
[0022](3)快速升温可以分两阶段进行。本发明公布的方法能够实现快速升温过程分两个阶段进行，先按照第一个升温速率快速升温到第一个目标温度之后，维持一定的稳定阶段，再按照第二个升温速率快速升温到第二个目标温度，并维持稳定。
[0023](4)最高升温速度达1700 °C/s。本发明的系统最高升温速度可以达到每秒1700 °C/s，是目前国内可以达到的最高升温速率的线网反应器的控制系统方案。
【附图说明】
[0024]图1是线网反应器实验平台系统的结构图
[0025]图2为本发明的线网反应器控制系统拓扑图；
[0026]图3为本发明中ARM芯片的任务调度框图；
[0027]图4为上位机软件界面图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图，对本发明作详细说明。
[0029]将本发明的方法应用于线网反应器实验平台系统，该系统可以模拟锅炉升温过程，进行煤粉特性分析。图1是线网反应器实验平台系统的结构图。图2为本发明的线网反应器控制系统拓扑图；一种面向线网反应器的快速温度控制系统，其特征在于，包括:
[0030]核心控制单元用于实现温度信号的模数转换，控制信号的数模转换，以及核心控制算法；
[0031]传感变送单元包括热电偶和温度变送器，用于实时采集温度信号，并将温度信号转换成核心控制单元能够接受的电压信号；
[0032]执行机构包括功率调节器和单相隔离变压器，用于将核心控制单元产生的控制信号输出给功率调节器；
[0033]人机交互监控画面由上位机监控软件实现，用于实时升温过程监控以及输入指令和参数；
[0034]所述系统的被控对象为线网反应器，线网反应器的温度由热电偶负责采集，热电偶的输出信号经温度变送器进行电压变换;然后传送到核心控制单元，然后由核心控制单元计算出控制量输入到功率调节器，再由功率调节器输出给隔离变送器，控制实际加到线网反应器两端的功率，从而达到控制线网反应器温度的目的，形成线网反应器的温度闭环控制;上位机监控软件采用串口连接与核心控制单元通信，将人工指令和参数输入到核心控制单元，核心控制单元将当前的热电偶的温度值在OLED显示屏上刷新显示，实现过程的监控。
[0035]所述核心控制单元为ARM控制芯片，包括内置的A/D及D/A转换器，以及基于操作系统的控制算法，ARM控制芯片的时间参数要优于控制对快速性的要求。在ARM控制芯片内，基于嵌入式实时操作系统Freescale MQXTMLite，采用基于优先级的FIFO任务调度方式，其任务调度框图如附图3所示。基于ARM实现的核心控制程序主要分成四个任务，这四个任务按照优先级顺序由高到低的顺序依次为:
[0036]任务1、接收上位机指令，这些指令包括开始加热/停止加热指令、不同的模式(调试模式/直接输出控制/单独加热/分段加热等)选择、以及目标温度、目标速度的设置参数。
[0037]任务2、处理读取的温度数据并进行调节输出。具体的处理及计算过程参见附图4。
[0038]任务3、当前温度回传上位机，用于实时显示当前线网反应器温度，便于客观地观察整个升温过程，以及确定升温速度。
[0039]任务4、刷新OLED显示屏，实时显示当前线网反应器温度，便于随时读取温度。
[0040]这四个任务依据优先级，按照FIFO的原则占用CPU时间片，从而完成基于ARM的实时控制过程。
[0041]所述温度变送器的输出信号与所连接的核心控制单元的相应引脚的电压兼容;所述温度变送器的响应速度要能够与满足控制快速性的要求。
[0042]所述热电偶的分型选取由线网反应器的典型工作温度范围决定，典型工作温度在600°C?1000°C，则选择K型热电偶；在1000°C?1300°C，选择S型热电偶；在1000°C?1600°C，选择L型热电偶;热电偶直径越细其热反应速度越好，越有利于实现快速升温。
[0043]所述温度变送器接收热电偶输出信号，然后将其进行放大、滤波，经电平转换成0-
3.3V输出，并自带输入、输出侧的隔离措施，以免信号互相影响。温度变送器的反应速度越快越有利于实现快速升温。
[0044]所述温度变送器采用三级隔离:输入信号隔离、输出信号隔离及数模信号隔离，能够有效降低噪声。
[0045]所述功率调节器用来调整单相隔离变压器的实际输出功率，采用交流功率调节器实现，功率调节器的响应速度要满足实时控制快速性的要求。
[0046]所述单相隔离变压器一方面将危险电压降压到安全电压范围之内，另外一方面将一次线圈和二次线圈之间实现电气隔离，从而保护线网反应器以及实验操作人员的安全；单相隔离变压器的额定功率根据线网反应器的升温速度确定。原则上，所要实现的升温速度越高，则要求瞬间施加给线网反应器的功率越大。选择隔离变压器的额定功率应该留有一定余量。
[0047]所述人机交互监控界面能够实时地用曲线的形式直观地显示升温过程，便于监测。上位机采用基于C#开发人机交互界面。开发好的应用软件封装成.exe可执行程序相对很小，运行执行效率非常高。从而避免对第三方软件的依赖。上位机主要负责监测升温过程以及指令输入。
[0048]所述功率调节器的输入端直接与墙上单相电连接，功率调节器的输出端与单相隔离变压器的输入一次线圈侧连接，而单相隔离变压器的二次线圈侧为安全操作低电压，与线网反应器连接，以上连接都属于强电信号连接，需要用铜芯电缆线进行连接;功率调节器的控制信号端与核心控制单元的输出端连接，这里的连接是弱电信号连接，用电子线路专用连线连接。
[0049]依据本发明提供的步骤，实施结果如下所示:
[0050]以PC机作为升温过程监控系统，以freescale(飞思卡尔)的芯片Kinetis KL25MCU作为ARM控制芯片，该MCU芯片采用新一代32位ARM Cortex-MO+内核，有高速与低功耗兼具的特点，搭载于Freescale MQX?Lite实时操作系统，该操作系统具有超轻量及低功耗等特点。
[0051 ] 选择广东东莞市的佳佳机电有限公司的可控硅单相功率调节器SY-1-2-50T作为本系统的功率调节器，控制电压输入范围0-3.3v，输出0-24V交流电压。
[0052]隔离变压器选用北京普罗斯托国际电气有限公司的220V/24V单相隔离变压器，额定功率为10kw。
[0053]温度变送器选用锦州精微仪表有限公司的智能一体化温度变送器，带输入，输出隔离保护，输入温度0_1200°C/s，输出电压范围0-3.3V。
[0054]热电偶采用英国Good Fellow公司生产的K型热电偶丝(N1095120Ni90/Crl0，NI 105120Ni95/( Al+Mn+Si )5),直径50μπι，从而保证了测温的快速性。
[0055]上位机软件界面如图4所示，涉及开始加热/停止加热指令，不同加热模式选择，目标温度，目标速度设定，以及一些微调参数。
[0056]结果分析
[0057]根据本发明实施例的线网反应器快速升温控制系统具有如下优点:
[0058]I)软件的运行效率高。本发明描绘的实施方法不需要Iabview这样的第三方应用软件，只需要将开发好的应用软件包拷贝到所使用的计算机上，即可使用。
[0059]2)可扩展性好。安装相应的C#开发环境，和kinetis开发环境，就可以随时修订和增减功能。
[0060]3)设计简单、快捷，方便推广。本发明搭建的硬件系统均是采用第三方产品，不需要设计专用的硬件电路，因而可以大大缩短设计过程，方便推广。
【主权项】
1.一种面向线网反应器的快速温度控制系统，其特征在于，包括: 核心控制单元用于实现温度信号的模数转换，控制信号的数模转换，以及核心控制算法; 传感变送单元包括热电偶和温度变送器，用于实时采集温度信号，并将温度信号转换成核心控制单元能够接受的电压信号； 功率控制器包括功率调节器和单相隔离变压器，作为功率控制的执行机构，将核心控制单元产生的控制信号输出给功率调节器，并通过单向隔离变压器控制线网反应器的温度； 人机交互监控单元包括上位机和OLED显示屏，监控画面由上位机监控软件实现，用于实时升温过程监控以及输入指令和参数； 所述系统的被控对象为线网反应器，线网反应器的温度由热电偶采集，热电偶的输出信号经温度变送器进行电压变换后传送到核心控制单元，核心控制单元计算出控制量输入到功率调节器，再由功率调节器输出给单相隔离变压器，控制实际加到线网反应器两端的功率，从而达到控制线网反应器温度的目的，形成线网反应器的温度闭环控制;上位机采用串口连接与核心控制单元通信，将人工指令和参数输入到核心控制单元，核心控制单元将当前的热电偶的温度值在OLED显示屏上刷新显示，实现过程的监控。2.根据权利要求1所述的一种面向线网反应器的快速温度控制系统，其特征在于，所述核心控制单元为ARM控制芯片，包括内置的A/D及D/A转换器，以及基于操作系统的控制算法，ARM控制芯片的时间参数满足对控制快速性的要求。3.根据权利要求1所述的一种面向线网反应器的快速温度控制系统，其特征在于，所述温度变送器的输出信号与所连接的核心控制单元的相应引脚的电压兼容;所述温度变送器的响应速度满足控制快速性的要求。4.根据权利要求1所述的一种面向线网反应器的快速温度控制系统，其特征在于，所述热电偶的分型选取由线网反应器的典型工作温度范围决定，如果典型工作温度在600°C?1000°C，则选择K型热电偶;如果典型工作温度在1000°C?1300°C，则选择S型热电偶;如果典型工作温度在1000°C?1600°C，则选择L型热电偶。5.根据权利要求1所述的一种面向线网反应器的快速温度控制系统，其特征在于，所述温度变送器接收热电偶输出信号，然后将其进行放大、滤波，经电平转换成0-3.3V输出，并自带输入、输出侧的隔离措施，以免信号互相影响； 所述温度变送器采用三级隔离:输入信号隔离、输出信号隔离及数模信号隔离，能够有效降低噪声。6.根据权利要求1所述的一种面向线网反应器的快速温度控制系统，其特征在于，所述功率调节器用来调整单相隔离变压器的实际输出功率，采用交流功率调节器实现，功率调节器的响应速度满足实时控制快速性的要求。7.根据权利要求1所述的一种面向线网反应器的快速温度控制系统，其特征在于，所述单相隔离变压器一方面将危险电压降压到安全电压范围之内，另外一方面将一次线圈和二次线圈之间实现电气隔离，从而保护线网反应器以及实验操作人员的安全;单相隔离变压器的额定功率根据线网反应器的升温速度确定。8.根据权利要求1所述的一种面向线网反应器的快速温度控制系统，其特征在于，所述人机交互监控单元能够实时地用曲线的形式直观地显示升温过程，便于监测。9.根据权利要求1所述的一种面向线网反应器的快速温度控制系统，其特征在于，所述功率调节器的输入端直接与墙上单相电连接，功率调节器的输出端与单相隔离变压器的输入一次线圈侧连接，而单相隔离变压器的二次线圈侧为安全操作低电压，与线网反应器连接，以上连接用铜芯电缆线实现强电信号连接;功率调节器的控制信号端与核心控制单元的输出端用电子线路专用连线实现弱电信号连接。10.根据权利要求1所述的一种面向线网反应器的快速温度控制系统，其特征在于，所述温度控制系统的最高升温速度为1700 0C/s。
【文档编号】G05B19/042GK106094931SQ201610425782
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】田思达, 陈晓梅, 康志忠
【申请人】华北电力大学