局部加温装置系统设计

巴晓玉++王俊涛++姜雷++刘淞宁

摘要： 局部加温装置是针对发动机主动弧齿轮内孔进行加温保温处理的装置，然后用于发动机零部件的组装。局部加温装置由承放车、加热体、电气控制系统三大部分组成。控制系统采用智能仪表控制固态继电器的控温方法，保证局部加热器温度的准确性、精确性。

Abstract： Local heating device is a device for heating and holding the inner surface of the active arc gear of the engine and then is used for the assembly of the engine components. The local heating device consists of three parts： the bearing and discharging vehicle， the heating body and the electrical control system. Control system uses the intelligent instrument to control the solid state relay to ensure the accuracy of the local heater temperature accuracy.

关键词： 自动控温；固态继电器；温度测量；PID

Key words： automatic temperature control；solid state relay；temperature measurement；PID

中图分类号：TM58 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）36-0131-02

0 引言

航空发动机的组装是一个精密的制造过程，其中任何零件的优劣都将影响发动机的总体性能。因此，在组装前，对组装工艺控制有很高的要求。主动弧齿轮的加热保温过程中温度的精确控制和加热速率直接决定齿轮的膨胀系数，温度过高容易损坏零件的硬度强度，温度过低达不到膨胀系数不能顺利进行装配。

为了保证加热设备运行的可靠和安全，电气控制原理设计以满足工艺的基本要求为标准，综合考虑设备的自动化程度和技术先进性，其控制系统不仅要实现整个加热器工作状态自动控制，还要具有超温报警、短路、过载等故障的保护功能。局部加温装置由承放车、加热体、电气控制系统三部分组成。控制系统采用智能仪表控制固态继电器的控温方法。在加热体内部设有温度传感器，对加热器的温度进行测量，将测量信号反馈至智能温控仪表进行热功率调节，保证局部加热器温度的准确性、精确性。

1 系统电气原理

局部加温装置相关的电气技术要求有：①实现主动弧齿锥齿轮加热，温度最高不小于250℃，温度稳定偏差不大于±5℃。②温度自由设定，超温自动报警，加热30分钟达到设定温度。③从室温开始加热，装置连续使用至少8h电缆不能熔断。④防熔断空气开关。⑤加温后无法在加温腔中残留多余物。⑥线缆长度≮5m，外部保护层绝缘，且厚度≮3mm，保证正常使用1年内无破损。⑦实现加热装置的启停控制及工作状态的指示，报警状态的指示，超温自动保护功能。⑧加热器部分实现自动加热控制，使温度始终保持在要求的范围之内，并具有温度实时显示功能。

在电气控制系统中，加热体的控制是基本的加热启动、停止控制，加热体内部利用热电阻进行温度采集，智能温度仪表采集热电阻的温度数据进行温度数据实时显示。加热体的加温控制是由智能PID温度控制仪表控制固态继电器对加热体进行控温。当实际温度达到设定的目标温度后，温控仪表提供保温信号给定时器，定时器按照工艺要求对加热器温度进行保持，达到加工时间后输出显示。其中定时器控制，智能PID仪表控制以及超温报警部分实现基础的电气控制，加热器控制部分关键问题在于加热体的加热控制采用固态继电器控制，提高的准确性和加热器自动加热控制精确性、稳定性。

1.1 固态继电器控制原理 固态继电器用于频繁开启的控制回路中，是利用现代微电子技术与电子技术相结合而发展起来的一种新型无触点电子开关器件。具有寿命长、可靠性高、开关速度快、电磁干扰小、无噪音、无火花等特点。具有电压过零时开启，负载电流过零时关断的特性，在负载上可以得到一个完整的正弦波性，因此电路的射频干扰很小。

1.2 温度测量 在工业应用中，温度测量的方法有许多种，如热电阻、热电偶、精密温度计、定压气体温度计等。其中热电阻一般适用于测量500℃以下的中、低温度测量。是中低温区最常用的一种温度检测仪器，其主要特点是测量精度高，性能稳定，响应速度迅速，测量时间间隔短。而且热电阻安装简单，信号标准，便于采集控制。系统设计采用国标热电阻三线制引线方式，这种方法是工业过程控制中的最常用的引线电阻，可以消除连接导线电阻引起的测量误差。

1.3 PID控制技术 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或者得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或者自校正、自适应算法来实现。

在本控制系统中，结合现场实际情况，使用智能调节器对控制温度进行PID调节，实现加热器的自动加热控制。加热器控制部分是以热电阻测温原理为基础，以高精度的智能调节器为控制核心的自动控制系统。它采用精确度较高的热电阻测温法测量加热器的实时加熱温度，利用智能调节器对测量的温度参数进行PID参数整定，找到最佳的控制量，实现自动加热控制功能。在加热温度超过工艺要求温度的上限时，系统将自动停止加热。endprint

1.4 控制系统工作原理 根据局部加温装置的技术要求，其电气控制系统的主要功能是热电阻采集工件温度，智能控温仪表控制根据热电阻的采集的温度数据控制固态继电器通断实现对加热器的加热控制，通过这闭环控制实现加热器自动加热控制。智能控温仪表实现加热温度的实时显示，同时具有超温自动报警的功能，实现异常情况下对发动机工件的保护。定时器的设计满足用户对加热时间的灵活设定及温度保持的要求。电气控制系统的结构如图1所示。

2 控制系统结构组成

局部加溫装置的电气控制系统由温度采集、加热控制、定时控制、及温度报警四部分组成，图2中给出了局部加温装置的电气控制系统原理图。

①温度采集部分：系统中使用精度较高的Pt100热电阻来完成加热体温度测量工作，采用三线制温度测量方法，有效消除连接导线电阻引起的测量误差。

②加热控制部分：智能温控仪表是整个加热器控制部分的核心。结合现场实际情况，选用带有PID调节功能的智能调节器。实现加热体的自动加热控制，提高设备的准确性和可靠性。只要设置了温度的上下限，使加热温度保持在工艺要求的温度范围内，并将加热温度实时显示出来；智能温控仪表连接固态继电器控制加热器的工作。因为在设备工作的过程中，继电器可能会频繁吸合，这里采用固态继电器，可以避免普通继电器频繁吸合时带来的噪声，还可以延长设备的使用寿命。

③定时控制部分：系统中使用定时器、蜂鸣器、继电器结合按钮对定时器进行设定，系统利用加热启动按钮SB1对定时器进行控制，当加热温度满足设定要求后继电器对定时器进行启动，当加热时间满足保温要求后，蜂鸣器进行报警。当加热停止时按钮SB2停止系统的同时对定时器进行复位，使下次使用时定时器恢复初始状态满足定时要求。

④温度报警部分：当温度超过设定要求时，当试验设备发生短路、过载等故障时，控制系统中的继电器触点吸合，常闭端直接断开加热器，智能温度仪表报警端输出报警信号。故障回路的电源将会被切除，避免损坏发动机工件。故障排除后，试验设备可以继续工作。

3 结论

局部加温装置是用于发动机主动弧齿轮内孔加热的装置，相关技术资料及工艺文件要求的理解，满足电气控制系统术参数，完成加热装置的电气控制系统设计。通过对加热体的设计，约23分钟能够加热到设定温度，加热速率符合工艺要求。局部加温装置电气控制系统不仅实现了加热器的启动停止控制，还实现了加热器的自动加热控制，并将加热温度实时显示；同时，系统还实现了加热温度的自动定时，有效避免人为看管造成的人为误差。此外，系统还具有温度报警功能和故障保护功能，确保试验设备安全可靠的运行。本控制系统的设计满足任务的技术要求，并得到现场技术人员的认可。

参考文献：

[1]刘国林，殷贯西，等.电子测量[M].机械工业出版社，2003.

[2]李挺，等.热电阻测温仪导线电阻补偿新方法[J].电子测量技术，2001（1）：38-39.

[3]陈建明.自动控制理论[M].电子工业出版社，2009.

[4]王耀南，刘治.智能PID控制器在工业对象中的应用[J].自动化仪表，2001（05）.endprint