王 艷 林文海

(1. 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2. 天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384)

臺(tái)車(chē)式退火爐是相關(guān)行業(yè)應(yīng)用最廣泛的工業(yè)爐之一，是工件處理的重要設(shè)備。退火爐的溫度控制系統(tǒng)直接決定著工件的質(zhì)量，因此對(duì)退火爐的爐膛溫度進(jìn)行控制是控制過(guò)程中的關(guān)鍵。退火爐溫度控制系統(tǒng)根據(jù)工藝要求設(shè)定的曲線對(duì)工件進(jìn)行精確的升溫、保溫和降溫控制，并確保退火爐的爐溫均勻性。采用智能控制理論和組態(tài)軟件相結(jié)合的方法開(kāi)發(fā)智能、穩(wěn)定、安全、可靠的溫度控制系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用最多的方法?；赑LC的智能控制使退火爐的溫度控制系統(tǒng)更適于優(yōu)化設(shè)計(jì)，整個(gè)控制操作調(diào)節(jié)更方便。采用具有專(zhuān)家思想的PID 限幅控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]，不僅提高了控溫系統(tǒng)的精確性，更進(jìn)一步提高了爐膛溫度的均勻性。

臺(tái)車(chē)式退火爐的有效面積13.8m2，額定裝載量15t，最高爐溫700℃，工作溫度580℃，工藝曲線要求溫差必須控制在±5℃之內(nèi)，同一時(shí)刻爐膛內(nèi)不同位置的溫差在10℃以?xún)?nèi)。升/降溫速度30～100℃/h，天然氣最大耗量120Nm3/h，爐前燃?xì)鈮毫?±1kPa。退火爐的工藝要求確定了其控溫策略和各種參數(shù)，進(jìn)一步?jīng)Q定了工件的質(zhì)量。

2 溫度控制系統(tǒng)

根據(jù)臺(tái)車(chē)式退火爐的工藝要求，對(duì)其溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。退火爐溫度控制系統(tǒng)有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種，由PLC程序?qū)販叵到y(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，由人工處理對(duì)燒嘴的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行手動(dòng)控制，這樣在某些緊急狀況下也能達(dá)到控溫的目的。為了提高爐膛溫度的均勻性，對(duì)爐膛溫度進(jìn)行區(qū)域控制。該退火爐設(shè)有3對(duì)(6個(gè))燒嘴，它們之間交錯(cuò)布置并按前、中、后分成3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由兩個(gè)燒嘴構(gòu)成基于PLC的溫度控制系統(tǒng)(圖1)。

圖1 退火爐燒嘴分布示意圖

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)臺(tái)車(chē)式退火爐燃燒技術(shù)的工作原理，通過(guò)比較幾種燃燒控制方式、控制策略和現(xiàn)場(chǎng)可行性條件，最終筆者決定采用基于脈沖燃燒控制方式[2]、具有專(zhuān)家思想的 PID 限幅控制策略，并在此基礎(chǔ)上確定了退火爐溫度控制方案(圖2)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)硬件部分主要由傳感器、PLC、工控機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和通信部分組成。整個(gè)控制系統(tǒng)分為兩級(jí)：基礎(chǔ)控制級(jí)和監(jiān)控級(jí)?；A(chǔ)控制級(jí)由傳感器采集實(shí)時(shí)溫度，經(jīng)過(guò)PLC復(fù)雜的溫度控制程序運(yùn)算后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在PLC的控制下進(jìn)行溫度控制等，PLC在整個(gè)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，PLC采集傳感器的各種過(guò)程變量并根據(jù)設(shè)定的程序控制目標(biāo)值分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)過(guò)程變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)的爐膛溫度的調(diào)節(jié)控制；監(jiān)控級(jí)采用中國(guó)研華工控機(jī)，由組態(tài)王軟件來(lái)進(jìn)行組態(tài)編程，操作人員在工控機(jī)上對(duì)退火爐的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)可隨時(shí)查詢(xún)各種歷史數(shù)據(jù)或報(bào)表，報(bào)警系統(tǒng)可及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警[3]。

圖2 退火爐溫度控制方案

2.3 軟件設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)臺(tái)車(chē)式退火爐的燃燒特點(diǎn)和控制策略分析比較后，最終采用脈沖燃燒控制系統(tǒng)，并用三菱GX Developer軟件進(jìn)行PLC編程。脈沖燃燒控制的特點(diǎn)是將普通的連續(xù)調(diào)節(jié)改為占空比調(diào)節(jié)，而且每個(gè)燒嘴的脈沖周期一定，在固定的周期內(nèi)溫度均勻，且燒嘴控制器系統(tǒng)簡(jiǎn)單。使用脈沖燃燒控制系統(tǒng)不僅能提高爐膛溫度的均勻性，還能保證正常工作過(guò)程中較好地過(guò)渡和對(duì)溫度的有效、精確控制。脈沖燃燒控制方式溫度設(shè)定值與溫度檢測(cè)值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算輸出，輸出0%～100%的模擬控制量，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)占空比的脈沖輸出，從而控制電動(dòng)電磁閥的打開(kāi)與關(guān)閉。

在溫度控制系統(tǒng)的編程中，通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)溫度大小，并將其傳給PLC，與工藝曲線所要求的溫度(即溫度設(shè)定值)進(jìn)行比較運(yùn)算，再經(jīng)PID算法模塊運(yùn)算后，得到一個(gè)糾錯(cuò)因子。由糾錯(cuò)因子來(lái)決定大小火脈沖的輸出，并且得到大小火脈沖的占空比。

對(duì)單個(gè)控溫區(qū)域，為了提高溫度的控制精度和均勻性，采用三菱GX Developer軟件中的 PID 模塊編程，以對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在程序的優(yōu)化過(guò)程中，采用具有專(zhuān)家思想的溫度控制策略[4]，即經(jīng)過(guò)對(duì)溫度設(shè)定值和溫度檢測(cè)值的比較運(yùn)算得到偏差D，然后在專(zhuān)家思想的應(yīng)用下，根據(jù)偏差D的大小對(duì) PID 的糾錯(cuò)因子設(shè)定相應(yīng)的最大限幅值Max和最小限幅值Min。當(dāng)D>25K時(shí)(K為偏差分度)，Max=20%；當(dāng)20K

圖3 溫度控制系統(tǒng)流程

3 運(yùn)行結(jié)果與分析

退火爐控制系統(tǒng)調(diào)試后，分別對(duì)各個(gè)控溫區(qū)的溫度曲線進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過(guò)溫度曲線來(lái)說(shuō)明控制系統(tǒng)的精確性和爐膛溫度的均勻性。在退火爐爐膛3個(gè)區(qū)域的溫度曲線上提取升溫階段(13∶38∶32時(shí)刻)、保溫階段(23∶14∶32時(shí)刻)和降溫階段(01∶42∶00時(shí)刻)的溫度值，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析(表1、2)。

表1 升、降溫階段溫度數(shù)據(jù)分析

表2 保溫階段溫度數(shù)據(jù)分析

分析表1、2可得，3個(gè)時(shí)刻每個(gè)區(qū)域的絕對(duì)誤差最大值為4.0℃，最小值為0.3℃，相對(duì)誤差最大值為0.97%，最小值為0.11%，且爐膛每個(gè)控溫區(qū)與工藝曲線溫度的差值均低于5.0℃，相互之間的溫差均低于10.0℃。表1、2充分說(shuō)明了整個(gè)退火過(guò)程溫度控制的準(zhǔn)確性，表明該溫度控制系統(tǒng)具有控溫精確高和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)要求的控溫精度高、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)、高效率低能耗及抗干擾等控制要求，同時(shí)滿足了工藝曲線的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析了退火爐溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和工藝要求的前提下，確定采用基于PLC的具有專(zhuān)家思想的PID限幅策略方案對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的溫度曲線和數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的分析，結(jié)果表明基于PLC的溫度控制系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，且該系統(tǒng)控制方式靈活、控制精度高、控制方案合理，操作成本低、熱處理質(zhì)量高，自投入運(yùn)行以來(lái)，保證了燃燒質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

[1] 姜長(zhǎng)生，王從慶，魏海坤，等.智能控制與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2] 李界家，王麗娜，喬楓，等.基于模糊自整定PID的退火爐脈沖燃燒控制方法[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24(6)：1114～1117.

[3] 單學(xué)軍. 基于PLD的燃煤鍋爐脫硝控制系統(tǒng)[J]. 化工自動(dòng)化及儀表，2014，41(7)：823～828.

[4] 崔席勇，花福安，李建平，等.連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的模糊專(zhuān)家溫度控制系統(tǒng)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，31(7)：957～961.