駱煒

摘 要：文章敘述采用計算機(jī)控制鐵礦石冶金性能試驗爐溫度，試樣被控點溫度控制精度高，三段溫度一致，確保為試驗提供一段恒溫區(qū)。同時試驗數(shù)據(jù)自動采集，結(jié)果自動處理，自動保存，確保試驗結(jié)果準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：設(shè)定曲線；PI調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理

1 前言

某鋼廠技術(shù)中心原有的鐵礦石冶金性能試驗爐溫度控制采用傳統(tǒng)模擬儀表，試驗爐產(chǎn)生的熱量通過熱輻射、對流等形式傳到試驗區(qū)中央圓筒，需3分鐘左右，滯后時間長，為一大滯后系統(tǒng)，模擬儀表控制效果不理想。本系統(tǒng)采用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)對溫度進(jìn)行控制，整個試驗階段，被控溫度始終穩(wěn)定在設(shè)定溫度±1℃，為科研試驗提供了恒定的溫度環(huán)境。同時試驗數(shù)據(jù)自動記錄，試驗結(jié)果自動計算并自動保存，提高了工作效率和試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 標(biāo)準(zhǔn)試驗要求

試驗爐電爐絲分上中下三組均勻布置，采用四根K型熱電偶采集溫度數(shù)據(jù)，升溫時三段同時加熱，標(biāo)準(zhǔn)試驗要求精確控制試樣層溫度，并保證試樣層全部處于恒溫區(qū)間，即爐子上中下三段溫度要保持一致。冶金性能試驗主要包括：還原試驗、還原粉化試驗、還原膨脹試驗，試驗溫度分兩檔：還原粉化試驗為500℃，還原試驗和還原膨脹試驗900℃。試驗準(zhǔn)備階段，以最快速度將爐體中心溫度升到設(shè)定試驗溫度，同時保證上中下三段溫度相同，確保試驗恒溫區(qū)。溫度恒定后，試驗開始。在整個試驗階段（還原粉化試驗時間為1小時、還原試驗3小時、還原膨脹試驗時間2小時），中心溫度始終穩(wěn)定在設(shè)定溫度±1℃范圍內(nèi)，三段溫度仍然要保持一致。

3 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)硬件設(shè)備由研華模擬量輸入模塊ADAM4018+、模擬量輸出模塊ADAM4024、數(shù)字量輸出模塊ADAM4068、三臺調(diào)功器、數(shù)據(jù)采集卡一塊、工控機(jī)一臺組成。模擬量輸入模塊采集溫度信號送計算機(jī)進(jìn)行處理、顯示與控制。模擬量輸出模塊將計算機(jī)處理后的信號轉(zhuǎn)換成4～20mA電流控制調(diào)功器，通過調(diào)功器控制三段電爐絲升溫。數(shù)字量輸出模塊允許或禁止調(diào)功器工作。本系統(tǒng)軟件采用亞控組態(tài)王軟件以及KINGACT軟件。組態(tài)王軟件用來開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)控畫面， KINGACT軟件開發(fā)溫度控制程序。計算機(jī)與研華模塊通過數(shù)據(jù)采集卡，以RS485通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制和處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

4 溫度控制方案

根據(jù)試驗爐中心溫度，按溫度設(shè)定曲線輸出控制電流A；同時三段溫度相加取平均值，各段溫度減去平均值，結(jié)果乘以系數(shù)K輸出控制電流B；當(dāng)中心溫度與設(shè)定溫度誤差在±5℃以內(nèi)時，加入PID控制，輸出控制電流C；控制電流D=A+B+C（A、B、C為4～20mA電流）控制各段調(diào)功器，各段調(diào)功器輸出交流電流I1、I2、I3控制各段溫度，使中心溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度±1℃范圍內(nèi)，同時三段溫度保持一致。

4.1 升溫段控制

根據(jù)試驗爐中心溫度，按溫度設(shè)定曲線輸出控制電流，設(shè)定曲線如下表：

升溫階段按給定曲線進(jìn)行開環(huán)控制。給定曲線定義了升溫階段中心溫度與輸出電流的關(guān)系，即根據(jù)給定的升溫曲線控制中心溫度升溫速率。中心溫度在300℃以前輸出100（20mA）電流控制調(diào)功器；溫度在300℃～495℃之間時，輸出電流從100（20mA）按升溫曲線關(guān)系降到90（18.4mA），以此類推，輸出電流按升溫曲線隨中心溫度變化而變化，到500℃時輸出電流大概在20（7.2mA）左右。900℃設(shè)定曲線意義與之相同。升溫階段采取按設(shè)定曲線升溫措施后，能較好地控制試驗爐升溫速率。

4.2 恒溫段控制

恒溫段采取PI控制方式。以中心溫度為目標(biāo)，當(dāng)中心溫度接近設(shè)定溫度時，即進(jìn)入恒溫段控制過程。恒溫控制階段，主要目標(biāo)是穩(wěn)定溫度，減小穩(wěn)態(tài)誤差。加入PI控制器，利用比例積分作用對恒溫階段的溫度進(jìn)行微調(diào)控制，能使中心溫度較快地進(jìn)入設(shè)定溫度±1℃范圍內(nèi)，從而能較快的進(jìn)入試驗階段。

4.3 三段溫度控制

為保證中心溫度的恒溫區(qū)，試驗爐三段溫度必須保持一致。程序中將試驗爐每一段溫度減去三段平均溫度，其結(jié)果乘以系數(shù)K，與設(shè)定曲線輸出控制電流相加，相加后的電流控制各段調(diào)功器。采用該方法后三段溫度相差較小，試驗爐整體溫度均恒，爐內(nèi)形成一個較好的恒溫區(qū)環(huán)境，保證了中心圓筒的溫度上下均恒和長時間穩(wěn)定?？刂菩Ч缦拢?/p>

5 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲記錄系統(tǒng)包括兩大部分：溫度和重量。采集的數(shù)據(jù)讀入到組態(tài)王畫面，一部分?jǐn)?shù)據(jù)直接顯示在歷史趨勢、還原實驗實時數(shù)據(jù)報表和歷史報表中，一部分?jǐn)?shù)據(jù)按照公式進(jìn)行計算處理，填寫報表。

5.1 溫度數(shù)據(jù)采集

試驗爐中心溫度，三段溫度通過輸入模塊采集到組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行控制、顯示，并存儲在歷史數(shù)據(jù)庫中，可供輸出報表和繪制歷史趨勢曲線。溫度數(shù)據(jù)采集的速率和準(zhǔn)確程度將直接影響程序?qū)訜釥t溫度的調(diào)節(jié)與控制。

5.2 重量數(shù)據(jù)采集

還原實驗的整個過程需記錄樣品減重重量和繪制時間-減重曲線，系統(tǒng)使用德國Sarturius天平，通過串口通訊將重量信號讀入計算機(jī)，進(jìn)行重量信號處理、顯示、以及輸出報表，并存儲記錄在歷史數(shù)據(jù)庫中。還原實驗實時報表中，計算機(jī)采集以及處理后的數(shù)據(jù)都將自動填寫在報表中，實驗結(jié)束，可保存、打印實時報表。若實驗時有些數(shù)據(jù)未知，則可在還原實驗歷史數(shù)據(jù)報表選擇讀取以前保存的實時報表，輸入未曾輸入?yún)?shù)，也可完成數(shù)據(jù)計算處理。處理后報表仍能以同一文件名保存，并可打印歷史報表。

6 系統(tǒng)功能及主要畫面

鐵礦石冶金性能試驗爐溫度控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要由如下畫面組成：

7 結(jié)果分析

通過系統(tǒng)硬件設(shè)計以及軟件編制，該系統(tǒng)能夠按要求實現(xiàn)預(yù)定目的，試驗爐中心溫度以及三段溫度在升溫過程中，速率穩(wěn)定，曲線平滑；在恒溫階段，溫度恒定，控制精度達(dá)到了T±1℃，能夠滿足用戶和實驗溫度要求。在三個試驗畫面中，可顯示試驗爐三段的溫度曲線以及中心溫度曲線，四根曲線有明顯的色彩進(jìn)行區(qū)分。試驗爐溫度有歷史趨勢可以查詢，曲線可以保存30天。試驗時，能顯示即時時間，試驗結(jié)束有聲音提示。工控機(jī)作為操作站，可監(jiān)控現(xiàn)場各數(shù)據(jù)采集點的數(shù)值，相應(yīng)設(shè)備的啟停及調(diào)功器的輸出給定都通過上位機(jī)來控制。手動方式時，可人工控制調(diào)功器輸出，調(diào)節(jié)爐子溫度。還原實驗時，其減重重量可通過串口讀到報表中，并能進(jìn)行一定的處理。本控制系統(tǒng)具有操作簡便，準(zhǔn)確可靠，自動化程度高的特點。對溫度和稱量數(shù)據(jù)做到自動采集、處理和計算，自動繪制實驗曲線，生成實驗原始記錄，整個系統(tǒng)中實現(xiàn)了顯示、報警、控制等功能。系統(tǒng)控制精度高，滿足工藝實驗的要求，同時提高了控制系統(tǒng)的自動化水平，降低了操作員勞動強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1]組態(tài)王6.5使用手冊.

[2]研華模塊ADAM使用說明書.

[3]組態(tài)王6.5命令語言函數(shù)速查手冊.