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一种加热炉电阻丝的故障检测装置

【技术领域】
本发明提出了一种加热炉电阻丝故障检测方法和装置。该装置在热室压铸机熔炉电阻丝故障检测系统中的应用证实了其可行性和可靠性。
【技术背景】
工业生产过程中需要应用大量的加热炉来达到温度控制的目的。加热炉通常采用电阻丝作为加热元件，可以提供很大的加热功率。但是随着使用时间的增长，电阻丝可能出现老化、断线等故障。电阻丝长时间工作在这种故障状态时，加热炉功率必然降低，导致加热到预定温度的时间延长，严重时会引起产品质量问题，甚至重大安全事故。因此，电阻丝的故障检测就显得十分必要。目前，电阻丝断线检测通常采用以下两种方法：
1. 测量加热炉电阻丝电流：通过电流传感器检测各加热回路的电流，据此判断电阻丝断线与否。但是由于温度控制系统通常采用PID调节方式，当实际测量温度与设定温度偏差较大时，电阻丝电流也较大；当实际测量温度与设定温度偏差较小时，电阻丝电流也相应减小。同时还应考虑电网电压波动等干扰因素的影响。此外，在加热回路较多的情况下需要配置大量的电流传感器，成本较高。因此，电流检测法可靠性较差、成本偏高，不是理想的电阻丝断线检测方法。
2. 利用万用表测量电阻丝阻值：该方法能准确判断电阻丝的好坏。但是由于不能在线自动测量，必须切断交流电源才能人工进行；而且实际应用中电阻丝一般密封在加热炉内，因此测量起来费时费力，且影响加热炉的正常工作，实时性较差，也不是理想的电阻丝断线检测方法。
【发明内容】
本发明的目的在于找到一种安全可靠、合理经济的方案，解决加热炉电阻丝故障检测的问题，保证加热炉的加热功率，避免安全事故的发生。本发明简单可靠、安全方便、能准确提供电阻丝的故障类型和故障位置信息，有很高的应用价值。
为了解决当前电阻丝故障检测方法中存在的问题，本发明采用如下方案：
一种加热炉电阻丝的故障检测装置，该装置主要由主控单元（MCU）、恒流源单元Is、信号调理单元、报警与故障指示单元、通信接口单元、多路开关单元、隔离驱动单元等部分组成，详情请参看图1。其中，恒流源单元Is用于提供恒定电流I，它通过中间继电器常开触点对分别与各相电阻丝相连；此外，恒流源端电压信号还要送到信号调理单元进行处理。开关单元可选用中间继电器KA，由主控单元控制多路开关单元在任一时刻只选中某一路中间继电器，经隔离驱动后使其线圈得电；各中间继电器的常开触点成对使用，分别与各相电阻丝和恒流源相连以构成检测回路。信号调理单元与主控单元的模拟量输入端相连，用于把从恒流源单元传送来的电压信号转换成主控单元可以直接采样的标准信号。主控单元是该检测系统的核心，其主要功能是轮流选通各路中间继电器（使其线圈得电）、采样各相电阻丝端电压、对采样电压值进行处理、判断各相电阻丝的当前工作状态、通过报警与故障指示单元输出检测结果。通信接口单元用于完成主控单元和温度控制系统的通信匹配。

图1：加热炉故障检测系统原理框图
【具体实施方式】
以该检测装置在热室压铸机熔炉电阻丝断线检测系统中的应用为例，其硬件接线图请参看图2。热室压铸机熔炉以电阻丝为加热元件，为了提高其加热功率，利用电阻丝构成两组三相负载来加热。热室压铸机熔炉温度控制系统采用过零型交流固态继电器SSR作为执行元件，由温度控制器通过PWM信号控制其通断，以此达到调节交流功率的目的。从恒流源两端引出端线a、b，用于在某相电阻丝有恒流源电流I流过时采样其端电压值。
A. 实现思想：
由于温度控制具有大惯性、纯滞后的特点，短时间内切断交流电源几乎不会对被加热物体的温度造成任何影响。又由于中线N对中性点位移的抑制作用，加热炉可以短时间工作在三相负载不对称状态。因此，可以每隔一定的时间（如一小时）短时间地切断一次交流电源。在切断交流电源的这段时间内，利用运行速度较快的单片机控制恒流源IS依次将各相电阻丝分别通过恒定电流I，然后分别采样各相电阻丝的端电压，并在单片机中对采样电压值进行处理以得到当前温度（由温度控制器提供）下电阻丝的实际阻值。由于电阻丝的阻值一般会随温度的变化而变化，故可以将各温度区间内电阻丝的理想阻值预先以表格形式存储在单片机中。将某温度下各相电阻丝的实际阻值和理想阻值进行比较就可以准确地判断其工作状态（正常、老化、断线、局部短路）：若其实际阻值与理想阻值的偏差在某一范围（称为正常范围）内，则认为该相电阻丝工作正常；若其实际阻值与理想阻值的偏差大于正常范围的上限，则认为该相电阻丝老化或断线。若其实际阻值与理想阻值的偏差小于正常范围的下限，则认为该相电阻丝局部短路。当各相电阻丝的工作状态都检测完毕后，应先切断恒流源电流，再接通交流电源，使加热炉继续工作。
B. 实现方法：
加热炉的温度控制系统一般采用过零型交流固态继电器SSR作为执行元件，并由温度控制器（如温控仪、PLC）通过PWM信号控制其通断，以此达到调节交流功率的目的。为了更好地与温度控制系统配合使用，本发明提出的电阻丝断线检测装置定时切断交流电源的定时功能由温度控制器提供。在这种情况下，用于实现电阻丝断线检测功能的单片机平时处于休眠状态，仅在定时时间（如一小时）到时由温度控制器提供信号将其唤醒，使其进行电阻丝故障巡回检测。巡回检测结束后输出检测结果，延时后自动进入休眠状态。下面说明一些关键步骤的实现方法：

图2：热室压铸机熔炉电阻丝故障检测硬件接线图
a.交流电源通断的实现方法：由于定时功能由温度控制器提供，故可以在定时时间到时由温度控制器封锁固态继电器SSR的控制信号，以此切断交流电源；同时，温度控制器还应提供唤醒单片机的信号，然后通过串行通信方式向单片机提供电阻丝的当前温度。单片机巡回检测结束后，向温度控制器提供信号使温度控制器解除对固态继电器SSR控制信号的封锁，接通交流电源。
b. 单片机巡回检测的实现：交流电源切断后，单片机进入巡回检测状态，由其控制各中间继电器KA线圈依次得电。当某中间继电器KA线圈得电时，与其对应相的电阻丝流过恒流源电流I。采样该相电阻丝端电压，在单片机中对其进行处理后，根据前面提到的方法就可以准确地判断出各相电阻丝的当前工作状态。中间继电器KA起强电、弱电间的电气隔离作用。
c. 恒流源电路的实现：恒流源的实现方法很多，可以根据不同的需要设计不同的电路。本发明中利用运放和三极管构成恒流源电路，其原理图如图2所示。
C. 结论：
本发明提出的电阻丝故障检测方法和装置以单片机为核心，能准确地检测出加热炉每一相电阻丝的常见故障情况。具有安全可靠、合理经济、检测方便等优点。具有很高的实际应用价值。

图3：恒流源电路原理图