摘  要：本文通過對電渣重爐運行原理進行分析，采用AT89S51單片機來改進電渣重爐控制，利用計算機軟件來實現控制要求，使計算機軟件取代原來由繼電器組成的電渣重爐控制箱。大大提高了電渣重爐自動控制系統。
關鍵詞：AT89S51單片機；電渣重爐；電流偏差

引言
    電渣重熔是利用電流通過熔渣時產生的電阻熱作為熱源進行熔煉的方法。其目的主要是提純金屬，并獲得結晶組織均勻致密的鋼錠。雖然目前已有比較先進的大型電渣重爐，但這些設備價格高、體積大，只適合于大規(guī)模工業(yè)生產。而目前大部分小型企業(yè)廣泛使用的電渣重爐還是基于繼電器控制的陳舊設備。這些設備損耗大、故障多、控制精度不高，嚴重影響了產品的質量。如能對這些設備進行改造，既能提高產品質量，又能節(jié)約企業(yè)的資金?；谶@個目的，本文把原來基于繼電器控制的電渣重爐改造成了基于AT89S51單片機的智能控制系統。

圖1 控制系統電路框圖

圖2 控制系統流程圖

系統控制原理和方法
    根據以往電渣重爐的運行經驗，當通過熔渣的電流在2800A時，生產出來的軋輥結晶組織均勻致密、鑄態(tài)機械性能好，產品質量高。由電渣重爐的工作原理可知，電流的大小由電極和熔渣的接觸面積決定，而接觸面積由電極的進給速度決定，因此控制電流的大小，實際上是控制電極的進給速度，也就是控制帶動電極進給的直流電動機的轉速。在實際工作中每一段電極的橫截面積的大小是不一樣的，為了保證電流的大小不變，電動機的轉速必須能根據電極橫截面大小而變化。為了控制的精確性，本系統中選擇電極電流作為控制對象，通過對電流的閉環(huán)控制，來保證電流大小的不變。

    在控制過程中首先檢測電流的大小，并與給定電流相比較，當給定電流和檢測電流的偏差在70A之內時，根據偏差的大小按照一定的算法來輸出一個電壓，把這個電壓作為整流裝置觸發(fā)電路的控制電壓，從而通過改變電樞電壓的大小來控制電機的轉速，進而達到控制電極電流不變的目的。同時考慮到電機在運行過程中有一定的慣性，為了保證電流偏差不超過100A，當檢測電流大于給定電流70A時，把觸發(fā)電路的控制電壓變?yōu)榱?，從而切除電樞電壓，電機在負載的作用減速運行，檢測電流將迅速降低；當給定電流大于檢測電流70A時，輸出最大的觸發(fā)電路控制電壓，使電機全壓運行，電極電流將快速上升回2800A。當偏差電流在- 70A~+70A內時，系統有很好的控制線性度。

控制電路
    本控制電路主要由AT89S51單片機、AD574模數轉換電路、AD667數模轉換電路、給定顯示電路、給定設置電路和檢測調理電路等組成，系統結構框圖如圖1所示。
AT89S51是整個系統的核心，在本系統中主要完成檢測數據的處理和控制算法的實現。單片機是一種敏感器件，各種干擾的存在很容易使它產生邏輯錯誤，因此，除了對它提供可靠的電源外，還必須防止生產環(huán)境的干擾。電渣重爐設備處在一個高溫、大電流、強電磁干擾工作環(huán)境中，特別是電磁干擾的存在嚴重影響了單片機控制電路的工作。為了減小電磁干擾的影響必須對PCB板進行電磁兼容性布線，同時用電磁屏蔽罩覆蓋單片機主電路。同時，為了防止控制程序在執(zhí)行過程中跑飛或進入死循環(huán)，保證系統的正常運行，還須設計一個可靠的看門狗電路。為此在本系統中，采用了Maxim公司的MAX706看門狗專用芯片，它可以提供至少200ms寬度的復位脈沖，為使看門狗溢出有效必須把WDO和MR兩個引腳連接起來，同時在Vcc與GND之間及PFI與GND之間各加一濾波電容，以有效濾除因空間干擾引起的Vcc與PFI中的尖脈沖。另一方面電源和檢測調理電路會對以單片機為主的數字電路產生很大的干擾，因此本設計中把這三個電路分開單獨制板。

    AD574是12位逐次逼近型快速ADC。本系統采用10V量程、單極性、8位輸出方式。用一片74LS138對單片機P2.0、P2.1、P2.2進行譯碼，以確定AD574在系統中的地址。把譯碼器的Y0和ADC的片選引腳CS相連。同時把A0和地址鎖存器74LS373的Q0端相接，用于產生輸出數據的高8位和低4位的邏輯信號。單片機采用中斷方式獲得ADC的輸出數據，并把這些數據存儲到片內RAM中以計算電極電流的有效值。由于電流信號是50Hz的交流量，而AD574內部沒有采樣保持器，所以為了能保證信號的正常采樣，必須在ADC之前加上采樣保持器。本設計采用了高性能的LF398，使LF398的輸出端與AD574的信號輸入端相接。LF398的工作狀態(tài)由AD574的STS控制：當AD574正在轉換時STS=1，經反相后使LF398呈保持狀態(tài)，以保證AD574的輸入信號穩(wěn)定；當AD574轉換結束時，STS變成0，經反相后使LF398呈采樣狀態(tài)。由于單片機無需對LF398進行控制，所以可提高系統的速度。

    經過計算處理后的數據輸送到DAC AD667中轉換成0~5V的電壓，并作為可控硅觸發(fā)電路的控制電壓。在本系統中，可控硅觸發(fā)電路采用了杭州西子固體繼電器公司的SCR-JKK/2型單相雙路可控硅移相觸發(fā)器。當改變控制電壓的大小時，該觸發(fā)器內部便產生相對電網電壓的觸發(fā)脈沖，通過光電隔離，輸出端(A、G)便觸發(fā)相應的可控硅導通，從而達到移相調壓的目的。但是實際上觸發(fā)器只有0.8~4.6V的可調區(qū)，在0~0.8V為全關閉區(qū)，在4.6~5V為全開通區(qū)，所以觸發(fā)器的可調量程只有3.8V。而DAC輸出的可調電壓范圍是5V，所以DAC輸出電壓在進入觸發(fā)器之前必須進行量程轉換，否則將出現很大的誤差。本設計中對DAC輸出電壓縮小到76%，放大器的輸出電壓通過加法電路加上0.8V的定值電壓，這樣就把0~5V的可調區(qū)變成了0.8~4.6V的可調區(qū)，從而把觸發(fā)器固有的非線性影響消除了。

    檢測電路中通過一級電流互感器采集電極電流，由于AD574采集的是電壓信號，所以必須把0~5A的電流轉換成0~10V的交流電壓信號。在本系統中采用了北京創(chuàng)四方電子公司的TAS1907-01型小型有源交流電流互感器，來把0~5A的交流電流信號轉換成0~5V的交流電壓信號，經過一級放大把它轉換成0~10V的交流電壓。在把0~10V的交流電壓信號轉換成直流電壓信號過程中，為了減小整流時二極管產生的非線性，可采用絕對值整流法，這樣可以很好地避免整流非線性的問題。

    由于可控硅的擊穿電壓接近工作電壓，熱容量小，承受過電壓與過電流的能力較差，短時間的過電壓、過電流都可能造成可控硅的損壞，為此對本系統中的可控硅電路一方面安裝了導熱性好的散熱器，并加強整流箱的通風性能。另一方面，在可控硅電路上并聯了一個阻容關斷過壓吸收電路，該電路的引線要短，電阻必須采用無感電阻。同時在整流器的交流端還安裝了星形連接的阻容吸收回路，用于吸收偶發(fā)性浪涌電壓。

軟件設計
    本系統主要的控制算法都是通過軟件來實現的，由于系統的工作環(huán)境比較惡劣，很多因素會嚴重干擾系統的正常工作，因此在系統中除了要對主控電路進行硬件抗干擾外，還應在軟件中進行抗干擾設計，主要是對電流進行數字濾波。由于在進行電流采集時需要得到的是電流的有效值，所以在系統中可以通過AD574對正弦交流電壓信號進行一周期采樣50次，然后在程序中通過一定算法得到電流的有效值?？刂屏鞒倘鐖D2所示。

結語
     在研制這套電渣重爐系統中遇到了不少困難，主要是系統的工作環(huán)境比較惡劣，經過多次改進和調試終于研制成符合要求的電渣重爐系統。實踐證明，經過改造的電渣重爐生產出來的軋輥質量比原來有很大提高，達到了預想的目的。而且本系統將來還可在不改變硬件系統的情況下進行升級，通過采用更先進的控制算法，來提高系統的控制精度，從而大大降低企業(yè)的生產成本。