ATC20A 微机自动温度控制器的工作原理与应用研究

2023-11-20傅光彩

科学技术创新 2023年26期

傅光彩

（福建龙净环保股份有限公司，福建龙岩）

引言

在火电厂中，为了防止电除尘器灰斗中收集的灰不受潮板结而堵塞灰斗，使灰斗的外壁温度保持在处理烟气的露点以上，除了保证灰斗的气密性外，还需在灰斗的外表面设置可靠加热[1]。由于灰的温度降低及灰中吸附大量的SO3，导致灰的湿度和黏度提高，增加了灰斗及输灰管堵塞风险[2-3]。因此，温控系统是除尘器必不可少的一个重要装置。ATC20A 是一种微机自动温度控制器，可实现对温度的精确检测与稳定控制，在电加热控制系统中应用广泛。为了加深对ATC20A 工作原理的理解，指导设备的正确使用与维护，本文对ATC20A 微机自动温度控制器的工作原理与应用进行了介绍。其系统具备以下功能：（1）控制回路多，具有16 个恒温控制回路和4 个测温回路；（2）功能强大，具备多种故障报警与保护功能；技术先进，集成度高、控制精度高、抗干扰能力强；（3）网络化，可实现多台ATC20A之间的连接与集中监控；（4）操作简单，大部分参数设置可在上位机完成。

1 系统回路工作原理

1.1 回路工作原理

ATC20A 系统由主控板、输出板和外接端子板三部分组成。工作原理如图1 所示，输出板与手动/自动/停止转换开关相连，可对各通道实现强制开关操作。根据设置好的参数，控制器运行时就对相应的通道进行测温或恒温控制，控制输出来启停相应的接触器，最后控制加热器，接触器再返回一个实际的状态给控制器（如图1 中J1 的辅助触点就是返回点）。

图1 ATC20A 回路工作原理

1.2 温度控制原理

ATC20A 具有16 通道恒温控制功能，并采用上、下限区间控制的形式实现恒温控制；具有自动、强制开、强制关或取消每一通道的功能。

每一温度控制通道由以下3 部分组成：（1）测温输入端1 个；（2）控制I/O 输出端1 个；（3）返回I/O 输入端1个。其控制逻辑如图2 所示，当被测对象的温度达到控制区间上限时，控制I/O 输出使双向可控硅断开，从而使交流接触器断开，避免被测对象继续加热。当温度达到控制区间下限时，控制I/O 输出使双向可控硅接通，从而使交流接触器吸合通电加热，让被测对象进行加热。其中的返回I/O 输入逻辑来自交流接触器的辅助触点，用于进行闭环检测。当辅助触点与控制输出的逻辑不相符时，产生不对应报警。

图2 温度控制逻辑

为了保证系统可靠工作，当温度失灵，温度超过/低于报警上限（设定温度+温控区间）/下限温度（设定温度-温控区间）时，也进行报警。

2 ATC20A 工作原理

ATC20A 使用AT89C52 单片机[4]作为控制核心，采用PT-100 铂热电阻传感器为测温元件，温度的变化引起电阻的变化，通以恒流源后转变为电压的变化。变化的电压信号经A/D 转换后，送到CPU 进行相关处理得到相应的温度值。主控板由单片机（AT89C52[5]）、串行EEPROM、单相双向功率/能量芯片（CS5460A[6]）、扩展IO 和RAM 芯片（MSM81C55）、多路模拟开关（4067）、双通道通用运放（LM358）、光耦隔离器（TLP521-4）等其他外围器件组成。根据采集回来的温度和设定的参数，CPU 保存相关的参数，并作输出、输入、报警等相关处理。工作原理如图3 所示，体现了控制各部分单元电路之间的连接关系。

图3 ATC20A 工作原理

2.1 系统结构介绍

ATC20A 系统包含主控板、输出板和外接端子板。主控板实现温度信号采集、控制判断及数据通信功能，输出板完成数模转换后对加热器的驱动控制。

主控板采用AT89C52 单片机、CS5460A A/D 转换器实现温度检测。MAX706 及周边电路构成看门狗独立保护电路，MSM81C55 芯片扩展了I/O 功能，TLP521-4 组成光耦隔离输入单元，电源模块为系统提供稳定电源。输出板使用TLP181GB 光耦[7-8]和BTA12/600 双向硅控制器驱动220V 接触器，实现对加热器的控制。三极管和跳线实现手动/自动切换功能。

2.2 产品的功能介绍

（1）恒温控制功能：具有16 通道可配置的恒温控制功能，并采用上、下限区间控制的形式实现恒温控制；具有自动、强制开、强制关和禁止通道的功能。

（2）测温功能：具有20 通道测温并显示功能。

（3）开关量输入功能：可采集和显示64 位的输入开关量，根据工程实际需要，可作为状态返回或普通开关量输入。所有的输入开关量还可配置使用或者不使用，使用时还有输入闭合报警或闭合不报警的功能。

（4）故障报警和保护功能：具有温度超限（AH）报警，输出状态与接触器返回状态不相符报警，传感器（探头）故障（OP）报警，自检（ER）报警，综合（AL）报警等功能。

2.3 主要模块电路分析

使用测温元件铂热电阻进行温度采集，通过它把温度变化的信号转化为电阻变化的信号。在电路设计中，铂热电阻通以恒定的电流，把电阻变化的信号转化为电压变化的信号，最后经过A/D 转换器CS5460A把变化的电压模拟量转换为相应的数字量，并送给单片机系统进行相关的处理。测温探头Pt100 采用三线制接法，此信号经端子板滤波处理后，通过多路模拟开关CD4067 选择此通道信号进入A/D 转换器，完成信号的采集，其电路如图4 所示。

图4 温度信号采集电路

3 ATC20A 温度控制器在电除尘器电加热中的应用

众所周知，高温烟气与低温部件的冷热交界处，容易造成结露。在火力发电锅炉烟气配套的高压静电除尘器中，若高压绝缘部件发生结露，则容易导致绝缘部件绝缘性能大幅下降，更有甚者，高压静电易在绝缘部件表面产生闪络、拉弧，甚至短路现象，从而使绝缘部件击穿或碎裂，影响电除尘系统的正常运行。鉴于此，通常在电除尘设计时需要配套加热装置，以防绝缘部件结露，影响运行电压；同时在灰斗外壁设置辅助加热装置，防止因灰斗温度过底产生结露，导致灰斗粉尘发生结块、搭桥等现象，影响卸灰与输灰。

ATC20A 微机自动温度控制器在电除尘灰斗电加热或者绝缘子保温箱电加热等控制中，如图5 所示，控制主回路输出采用交流接触器KM1，并设有断路器QF2 作为短路保护。电加热回路自动控制采用ATC20A 系统，为了便于检修操作，另在控制箱中设有停机、自动、手动等三个控制开关。在自动控制工作模式下，可通过上位机或者手操终端修改设定加热系统所需要的温控范围，使得加热系统实现恒温工作。

图5 电加热控制回路原理

电除尘器恒温电加热系统通常采用上、下限区间设定来控制加热器的启停动作，从而实现恒温控制。如图6 所示，常规工矿条件除尘器绝缘子和灰斗的加热温度设置为:110～120 ℃，温度上、下区间波动控制在±5 ℃，下限温度: 90 ℃，上限温度:140 ℃，测量温度范围:-35～360 ℃，测量分辨率0.1 ℃。当测量温度低于设定温度的下限时，加热器开始工作；当温度高于设定温度的上限时，加热器停止工作，如此在自动控制系统循环工作。当测量温度超过上限设置值或低于下限设置时，反馈超温报警故障。