玻璃纤维制造中温度控制系统的三种方案

摘要：玻璃纤维广泛的应用在居民生活、工业和军事中，制造玻璃纤维需要将玻璃高温熔化，融化的温度需要控制在某一数值。文章主要介绍玻纤制造中温控系统的三种控制方案，针对每一种方案的原理和组成进行介绍，并分析各种方案的优缺点。
关键词：玻璃纤维；温度控制；光敏电阻；固态继电器

0 引言
    部分废旧玻璃制品及碎片经过回收制成玻璃纤维(以下简称玻纤)，玻纤是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的。熔制玻纤大约需要1200℃左右，温度过低，玻璃熔化不够，不能顺利进行拉丝，温度过高，造成能源的浪费。因此，在高温熔制玻璃的工艺中，需要设置温度控制系统。

1 温控系统概述
    玻纤制造中温度控制系统是一个简单的测控系统，系统主要包含三个部分：传感器、控制器和执行器。其控制原理如图1所示：

    控制原理非常简单，通过传感器将温度信息传递给控制器，控制器根据系统设定通过连接电炉的继电器决定是否进行电炉加热。本文主要讨论控制系统中器件的选用及系统三种方案的优劣。

2 器件的选择
2．1 传感器的选用
    玻璃熔化温度较高，直接对熔化的玻璃接触式测量，如热电阻或热电偶，并不是一个很好的选择，其问题是成本较高，寿命较短。在高温测量中，非接触式测温，如红外测温，是当前广泛使用的技术，但是红外测温成本太高，而且本系统也不需要准确显示温度。
    因为熔化玻璃的温度与其亮度成一定比例，温度越高，亮度也越强，所以采用光敏电阻来代替传统的温度传感器进行测温就成为可能。光敏电阻的价格低廉，而且可以进行非接触测量，减少在使用环境中的干扰。因此本系统采用廉价的光敏电阻作为测温传感器。
2．2 控制系统
    熔化玻璃的温度并不需要控制得非常精确，只需要在某一个温度浮动即可，因此控制系统可采用双位控制实现，从而可以降低硬件成本，提高产品的竞争力。
2．3 执行器的选用
   传统玻纤工业中，控制电炉加热的设备主要使用接触器。控制系统需要不断地改变接触器的状态，从而实现对温度的控制。接触器的工作原理是通过磁力吸合开关，开关片在多次的通断过程中会产生机械摩擦，从而容易损坏，因此，玻纤工业中控制电炉的接触器寿命较短。固态继电器使用可控硅实现开关的无触点通断，使用寿命大大提高，而且还可以通过磁和光特性来完成输入和输出的隔离，提高可靠性，因此固态继电器是一个更好的选择。

3 温度控制系统的几个方案
3．1 施密特触发器
    传感器选用普通的光敏电阻，为了增强灵敏度，同时减少干扰，光敏电阻可以放置在一个抛物面的罩中，罩的形状如同手电筒灯头内部形状。
    控制系统采用555定时器构造施密特触发器，将光敏电阻和可调电阻串联，中间引出线路作为施密特触发器的输入，输出连接固态继电器，从而实现温度控制。
3．2 光电集成传感器On9668
    On9668是一个光控阈值可调的光电集成传感器。内置双敏感元接收器，可见光范围内高度敏感，光开关阈值通过外置电阻线性可调，直接输出高、低电平，外围电路极为简单，典型电路如图2所示，可通过调节电阻R来实现调节光强阈值，将On9668放在罩中，对准被测对象，即可实现温度控制。

3．3 STC单片机实现多路控制
    玻纤工业的生产环境满足单片机的工作环境，因此可以使用单片机作为控制器。宏晶公司生产的STC系列单片机具备串口下载、AD转换等优点，其价格低廉，功能丰富，可选用本系列单片机，如STC12C5A32S2作为微控制器。这种控制器的工作原理如图3所示。

    传感器选用光敏电阻，执行器选用固态继电器，控制器使用STC12C5A32S2。光敏电阻接收光信息并传递到STC单片机，STC12C5A32S2有8路AD转换接口，因此，可以连接最多8个光敏电阻并控制8台电炉同时工作。程序可以通过扫描或中断的方式实现监控8路输入。

4 三种方案的优缺点分析
    施密特触发器方案是传统方案的一种改进，工作原理简单可靠，成本介于另外两个之间。On9668方案结构简单，成本最低，但其控制部分集成在传感器上，在工作时易受温度的影响，如加装温度补偿电路，势必造成成本提高。STC单片机方案结构比前面两个方案都要复杂，单件成本也要高出一些，但是可以实现多路控制，当多路控制时成本要低于前面两个方案。同时可以通过程序的编写实现更为复杂的功能，如PID控制、远程监控等。综上所述，如果是家庭作坊式的玻纤厂，设备较少，要求较低，施密特触发器方案是一个很好的选择。如果是设备较多，希望实现更多的功能，STC单片机方案是最合适的选择。

5 总结
    玻纤工业中的温控系统方案还有许多，本文不再一一论述，市场上也有一些成熟的产品在广泛地使用，据笔者调查，很多产品的使用寿命并不是很长，而大部分企业也接受这个现实。一旦出现问题，企业通常重新购买新的产品，造成资源浪费。在此，笔者也希望温控器的生产厂家能够生产更为可靠的产品，减少不必要的损耗。