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高溫電阻爐區(qū)別于常規(guī)中低溫電阻爐，通常以鎳鉻金屬、硅鉬棒、硅碳棒、石墨等復(fù)合材料分別作為低中高各溫度段的加熱體，超輕質(zhì)耐火高溫節(jié)能材料作為隔熱保溫爐襯，配套真空、水冷及溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)最高溫度可達2 600 ℃的加熱及熱處理生產(chǎn)過程，加熱過程包含了低溫段、中溫段、高溫段工藝銜接控制，廣泛應(yīng)用于航天、機械、制造、新材料等領(lǐng)域。

現(xiàn)有的大部分高溫電阻爐采用中低溫和高溫分段分體實施，控溫系統(tǒng)受高低溫測溫手段及信號類型等因素的限制，直接采用高溫測溫計進行控溫，中、低、高溫度過渡不能自然銜接，溫度測控過渡過程平穩(wěn)性差。對中低溫段的升溫速度以及功率輸出不能做到準確實時控制，特別是對碳碳復(fù)合材料、耐火復(fù)合纖維、高性能功能陶瓷等新材料的生產(chǎn)，直接影響熱處理生產(chǎn)工藝過程的有效實施，對于某些工藝特殊，要求連續(xù)生產(chǎn)的熱處理任務(wù)，較難滿足要求[1]。另外，高溫電阻爐內(nèi)多個加熱分區(qū)獨立控制，控溫同步協(xié)調(diào)性較差，控制系統(tǒng)硬件成本較高，系統(tǒng)維護工作量大。

本文設(shè)計開發(fā)一種基于智能儀表的高溫電阻爐溫度區(qū)別跟蹤測控系統(tǒng)，采用對高溫電阻爐同一加熱分區(qū)高低溫采用區(qū)別測量、獨立控制，多個加熱分區(qū)之間分別實行高低溫階段的主從跟隨控制的策略，主控儀表按照統(tǒng)一的加熱工藝曲線協(xié)同跟蹤控溫儀表，通過高低溫轉(zhuǎn)換溫度點切換信號，高溫和低溫儀表控制回路的輸出進行無擾切換，分別實現(xiàn)多個加熱分區(qū)低溫和高溫協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高低溫無擾切換和全程溫度準確控制，使多個加熱分區(qū)溫度能夠同步協(xié)調(diào)，爐內(nèi)溫度均勻性好，控溫精度高，控制回路硬件成本低廉，使用維護簡單方便。

1 高溫電阻爐溫度區(qū)別跟蹤測控系統(tǒng)原理與系統(tǒng)組成

1.1 高低溫區(qū)別跟蹤測控系統(tǒng)原理

針對現(xiàn)有高溫電阻爐中、低、高溫度測控過渡過程平穩(wěn)性差的問題，本文采用同一溫區(qū)內(nèi)高低溫區(qū)別測控和不同溫區(qū)之間主從跟蹤控制的策略，通過設(shè)置高低溫轉(zhuǎn)換溫度點切換信號，對高溫和低溫儀表控制回路的輸出進行無擾切換，主控儀表按照統(tǒng)一的加熱工藝曲線協(xié)同輔控儀表跟蹤控溫，分別實現(xiàn)多個加熱分區(qū)低溫和高溫協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制。

相比較于常規(guī)高溫電阻爐加熱分區(qū)獨立控制的模式，高低溫區(qū)別測控模式，實現(xiàn)了高低溫無擾切換和全工藝過程溫度準確控制，同時通過各分區(qū)的主從跟蹤控制方式，各分區(qū)溫度能夠同步協(xié)調(diào)控制，爐膛內(nèi)均溫性好，且控制回路硬件成本大為降低，使用維護簡單方便[2]。

1.2 高低溫區(qū)別跟蹤測控系統(tǒng)組成

高溫電阻爐高低溫區(qū)別跟蹤測控系統(tǒng)原理組成示意圖，如圖1所示。高低溫區(qū)別跟蹤測控系統(tǒng)主要包括爐膛加熱分區(qū)單元、加熱電源主回路單元、高低溫區(qū)分測量變送單元、高低溫控制回路單元、高低溫切換控制單元、主從跟隨控制單元、工藝溫度設(shè)定單元等幾個部分。

1.2.1 爐膛加熱分區(qū)單元

關(guān)于高溫電阻爐的加熱分區(qū)，考慮均溫性指標，一般來說分區(qū)越多爐膛內(nèi)的均溫性越好，可根據(jù)爐膛空間、加熱工藝和功率要求進行合理設(shè)置分區(qū)，分區(qū)以偶數(shù)對稱布設(shè)，保證溫度均勻性并方便實施。為敘述方便和便于理解起見，高溫電阻爐的加熱分區(qū)以兩個加熱分區(qū)為對象進行描述說明，但并不僅限于兩個加熱分區(qū)。

據(jù)此，高溫電阻爐以空間對稱、功率均布和方便實施的原則，爐膛分為兩個加熱區(qū)，分別定義為加熱1區(qū)和加熱2區(qū)，將電阻加熱體通過絕緣支架固定的方式布置在兩個加熱區(qū)域，待燒工件或物料一般放置于爐膛有效加空間中央，兩個加熱分區(qū)的加熱體布置、功率分配、主回路配置、溫度測控等特性保持基本一致。

1.2.2 加熱電源主回路單元

加熱主回路單元與加熱分區(qū)單元相對應(yīng)，一個加熱分區(qū)對應(yīng)一個加熱主回路。加熱主回路通過電纜或銅排的連接方式和加熱分區(qū)的電阻發(fā)熱體連接，主要包含低壓斷路器、交流接觸器、快速熔斷器、功率調(diào)節(jié)裝置(SCR)以及主回路電參數(shù)檢測裝置等部分，實現(xiàn)加熱電源的啟停通斷控制、元器件保護和加熱功率調(diào)節(jié)控制功能。

SCR功率調(diào)節(jié)裝置是加熱電源回路的核心裝置，可選用帶通信功能的三相數(shù)字化功率調(diào)整器，配套PLC監(jiān)控系統(tǒng)，以通信的方式將加熱過程中的電壓、電流、功率、電度數(shù)等電參數(shù)進行實時監(jiān)測和記錄，為生產(chǎn)控制和管理提供數(shù)據(jù)支持。

1.2.3 高低溫區(qū)分測量變送單元

在每個加熱分區(qū)溫度場相對統(tǒng)一穩(wěn)定的區(qū)域，各布置一個高溫測溫計和一個可動熱電偶，分別用于高溫和中低溫檢測、變送與測量控制。圖1中加熱1區(qū)和2區(qū)的高溫、低溫測量傳感變送器的編號分別定義為光學測溫儀OC1、OC2和可動熱電偶TC1、TC2，每個測量變送傳感器選配的信號類型、測量范圍要與智能控溫儀表相匹配。

1.2.4 高低溫無擾切換單元

高低溫無擾切換單元與高低溫區(qū)分測量變送單元對應(yīng)，采用高低溫無擾切換的雙回路控制模式，即溫度檢測和溫控儀表按高低溫切換的模式，區(qū)分為高溫、低溫2個控制輸出回路，按照協(xié)調(diào)統(tǒng)一的溫度工藝曲線，共同作用于加熱主回路的功率調(diào)整器SCR，實時調(diào)節(jié)加熱電源的功率輸出。實現(xiàn)高溫控制輸出的溫控儀，需選擇輸入信號為4～20 mA或1～5 V的標準萬能信號，以方便接收高溫測溫計的電流信號。實現(xiàn)中低溫控制輸出的溫控儀，輸入選擇默認的熱電偶信號即可，原理框圖見圖2。

圖2 高低溫無擾切換雙回路控制原理框圖

1.2.5 主從跟蹤控制單元

主從跟蹤控制單元實現(xiàn)對多個加熱分區(qū)按照高溫、低溫主從跟蹤的模式進行控制，用一臺多程序段的主控溫控儀拖帶多臺同精度的定值普通溫控儀，實現(xiàn)多個加熱分區(qū)按同一溫度工藝曲線同步協(xié)調(diào)控制的目的。圖2中所述的1區(qū)和2區(qū)兩個加熱區(qū)，1區(qū)作為主控加熱區(qū)拖帶2區(qū)跟隨控制，分別按照高溫、低溫主從跟蹤的模式對爐內(nèi)兩個加熱分區(qū)溫度按同一溫度工藝曲線進行同步協(xié)調(diào)控制。

1.2.6 溫度工藝曲線的設(shè)定單元

溫度工藝曲線的設(shè)定可通過主控溫控儀的操作面板按鍵輸入，或儀表和計算機通信的方式，通過組態(tài)軟件人機界面設(shè)定溫度曲線。將中低溫段(可動熱電偶最高測溫溫度以下)的工藝曲線輸入到低溫主控溫控儀，將整條工藝曲線盡量完整地輸入到高溫主控溫控儀，再通過高低溫無擾切換開關(guān)，實現(xiàn)整個加熱過程按照同一溫度工藝曲線進行協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制。

2 高低溫區(qū)別跟蹤測控系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實施

2.1 高、低溫溫度測量與變送

每個加熱分區(qū)分別布置一個高溫測溫計和一個可動熱電偶，用于高溫和中低溫檢測變送，1區(qū)和2區(qū)的高、低溫測量裝置的編號分別為光學測溫儀OC1、可動熱電偶TC1和光學測溫儀OC2、可動熱電偶TC2，并按下述要求選配：

高溫測溫計可選用雙比色高溫計、三色光電高溫計、紅外測溫計等非接觸式測溫裝置，量程在500～3 000 ℃，24 VDC供電，為適合溫控儀表信號輸入，保證信號穩(wěn)定可靠傳輸，選用4～20 mA標準電流信號作為傳感器變送輸出信號?，F(xiàn)有市場上的光學測溫計主要以非接觸式輻射法單色測量儀為主，其測溫原理是受熱物體的溫度愈高，其顏色就愈亮，單色輻射強度也就越大，受熱物體的亮度大小反映了物體的溫度數(shù)值，通常都支持對應(yīng)測量量程的標準電信號。

中低溫段檢測選配鎧裝熱電偶來測量，爐體測溫區(qū)設(shè)置測溫孔和遮蓋板，配套循環(huán)冷卻水裝置，并加裝氣缸動作裝置和測溫孔遮蓋裝置。在加熱溫度未達到高溫段前，通過高低溫轉(zhuǎn)換溫度點開關(guān)信號控制氣缸，抽出熱電偶，并使遮蓋裝置覆蓋測溫孔以減少漏熱?？蓜訜犭娕几鶕?jù)爐膛內(nèi)情況選用適當長度，熱電偶分度號、量程和信號類型與低溫溫控儀相匹配，最好選用標準統(tǒng)一信號。

2.2 高低溫切換功能實現(xiàn)

高低溫切換功能由切換開關(guān)來控制實施，切換開關(guān)的信號PLC控制輸出，驅(qū)動中間繼電器的一對常開常閉信號給出，分別串接于高溫、低溫控制輸出回路。其中，高溫切換開關(guān)為H，選用常開信號；低溫切換開關(guān)為L，選用常閉信號。在每個加熱分區(qū)的高溫溫控儀和低溫溫控儀上分別設(shè)置報警事件輸出，根據(jù)具體工藝選擇適當?shù)闹?，?00 、1 000、1 100 ℃等，以低于可動熱電偶量程上限附近的某一溫度值作為高低溫切換事件報警值，通過邏輯程序判斷，切換開關(guān)。

當兩個儀表的報警事件條件同時滿足時，中間繼電器線圈帶電，驅(qū)動切換控制繼電器觸點動作，實現(xiàn)高低溫控制的無擾切換功能。對于主控溫控儀而言，若選用新型高精度高分辨率高性能程序智能溫控儀，加FP23智能溫控儀，其傳感器支持雙輸入測量運算功能，在儀表的UNIT/RANGE窗口群，高低溫過度閾值的輸出測量值可以選擇DEV差值模式或平均值A(chǔ)VE模式來確定實際測量值PV。

2.3 多溫區(qū)區(qū)域跟蹤控制

為方便系統(tǒng)信號聯(lián)絡(luò)和通信數(shù)據(jù)采集，選用同品牌相關(guān)系列智能溫控儀表，來搭建多溫區(qū)溫度跟蹤測控系統(tǒng)。采用一臺多程序段的日本島電FP23系列0.1級智能PID調(diào)節(jié)器作為主控溫控儀，拖帶一臺同精度的日本島電SR23系列0.1級智能定值PID調(diào)節(jié)器作為跟蹤控溫儀，高溫主控儀表和跟蹤儀表分別定義為FP23_H和SR23_H，低溫主控儀表和跟蹤儀表分別定義為FP23_L和SR23_L。高溫階段時，F(xiàn)P23_H通過通信或信號現(xiàn)連接的方式拖帶SR23_H進行高溫統(tǒng)一協(xié)同控制控制，低溫階段時， FP23_L通過通信或信號現(xiàn)連接的方式拖帶SR23_L進行低溫統(tǒng)一協(xié)同控制控制。

溫控儀的模擬遙控功能選件，可利用外部輸入信號代替機內(nèi)設(shè)定值，實現(xiàn)多臺儀表的多溫區(qū)調(diào)節(jié)和串級跟蹤控制。以0～10V 非隔離模擬輸入為基本配置，隔離輸入型為選件，通過其他外部模擬信號輸入作為SR23的模擬遙控設(shè)定值，實現(xiàn)數(shù)臺儀表的區(qū)域控制。在遙控功能設(shè)置窗口可設(shè)定遙控跟蹤開啟或關(guān)閉，機內(nèi)選擇方式時，選擇REM SV確認后完成。同樣，也可以利用外部PLC或DI功能開關(guān)設(shè)置遙控工作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)，便于實現(xiàn)機外遙控與機內(nèi)控制的轉(zhuǎn)換。

當系統(tǒng)處于遙控跟蹤模式時，對于遙控跟蹤信號的各種運算都能夠被執(zhí)行，所得出的計算結(jié)果作為遙控設(shè)定，當存在第二輸出時，遙控模式能被指定到獨立通道，遙控方式有以下6種模式可供選擇：

(1)RSV:直接將外部輸入用作標準遙控設(shè)定輸入并分配在通道1；

(2)RT:將外部輸入經(jīng)過偏差運算處理后的結(jié)果用作標準遙控設(shè)定輸入并分配在通道1；

(3)RSV:CH2直接將外部輸入用作標準遙控設(shè)定輸入并分配在通道2；

(4)RT:CH2將外部輸入經(jīng)過偏差運算處理后的結(jié)果用作標準遙控設(shè)定輸入并分配在通道2；

(5)RSV:CH1+2直接將外部輸入用作標準遙控設(shè)定輸入并分配在通道1與通道2；

(6)RT:CH1+2將外部輸入經(jīng)過偏差運算處理后的結(jié)果用作標準遙控設(shè)定輸入并分配在通道1與通道2。

當設(shè)定模式為RT運算模式時，按式(1)進行：

SV = A× X + B

(1)

式中：A為遙控輸入信號；X為遙控比率；B為遙控信號補償；SV為執(zhí)行遙控設(shè)定值。

通常而言，選用RSV模式即可實現(xiàn)本方案所述功能，RT功能模式更能滿足一些特殊工藝和工況的實際需求。圖3為偏差運算處理對標準遙控設(shè)定輸入的作用模式比較。

圖3 偏差運算處理對標準遙控設(shè)定輸入的作用

3 多溫區(qū)高低溫區(qū)別跟蹤測控系統(tǒng)的整體設(shè)計

多溫區(qū)高低溫區(qū)別跟蹤測控系統(tǒng)，采用研華IPC工業(yè)計算機作為上位機，西門子smart200系列PLC、日本島電PID調(diào)節(jié)器、英杰數(shù)字式調(diào)功器、安東智能電力監(jiān)測儀等作為下位數(shù)據(jù)采集和調(diào)節(jié)控制設(shè)備。該系統(tǒng)上位監(jiān)控計算機機與西門子PLC之間通過以太網(wǎng)連接，同時與PID調(diào)節(jié)器、數(shù)字式調(diào)功器等其他下位設(shè)備通過RS485總線連接進行數(shù)據(jù)傳輸[3]，構(gòu)成一種典型的DCS集散控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)組成原理如圖4所示。

上位監(jiān)控計算機帶有RS-232C標準通信接口及打印機數(shù)據(jù)接口，可以方便與下位機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。溫度控制采用自帶的多段可編程曲線的日本島電FP23程序溫控儀和SR23定值溫控儀，利用區(qū)域PID算法和多組自整定專家PID參數(shù)，實現(xiàn)6個加熱區(qū)的多溫區(qū)區(qū)域跟蹤控制。6個加熱溫區(qū)的電壓、電流和功率由英杰數(shù)字式調(diào)功器KTY3S進行檢測，通過通信的方式在上位監(jiān)控計算機上顯示。通過查看各區(qū)電流的趨勢曲線，可對電阻帶使用壽命進行判斷。通過安東智能電力監(jiān)測儀LU192A對各區(qū)總電流、有功功率和電能進行檢測，顯示并記錄在上位監(jiān)控計算機上，據(jù)此用戶可以及時的了解整個設(shè)備的能耗情況，為生產(chǎn)電能分配以及廠區(qū)的整體生產(chǎn)規(guī)劃提供依據(jù)[4-5]。

圖4 控制系統(tǒng)組成原理框圖

溫度工藝曲線的設(shè)定，可通過主控溫控儀的操作面板操作按鍵，按步驟將溫度和時間對應(yīng)輸入，也可通過儀表和計算機通信的人機界面設(shè)定溫度曲線，以通信的方式將工藝曲線數(shù)值下傳給智能溫控儀。跟蹤溫控儀會自動根據(jù)主控溫控儀的實時給定值自動更新儀表設(shè)定值，跟蹤主控儀表同步實現(xiàn)溫度控制。

通過主從跟蹤控制，智能溫控儀的配置有原來的6臺程序溫控儀變成同精度的1臺程序溫控儀和5臺定值溫控儀的組合，在保證按工藝曲線自動實現(xiàn)加熱工藝的同時，硬件控制成本大為降低。在此過程中，將可動熱電偶最高測溫溫度以下的中低溫段工藝曲線輸入到低溫主控溫控儀，將整條工藝曲線盡量完整地輸入到高溫主控溫控儀，再通過高低溫切換開關(guān)，實現(xiàn)整個加熱過程按照同一溫度工藝曲線進行協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制。

4 結(jié) 語

本文針對現(xiàn)有高溫電阻爐溫度測控過渡過程平穩(wěn)性差的問題，采用對同一控溫區(qū)之內(nèi)高低溫區(qū)別測控和不同溫區(qū)之間主從跟蹤控制的策略，通過設(shè)置高低溫轉(zhuǎn)換溫度點切換信號，對高溫和低溫儀表控制回路的輸出進行無擾切換，主控儀表按照統(tǒng)一的加熱工藝曲線協(xié)同跟蹤控溫儀表，分別實現(xiàn)多個加熱分區(qū)低溫和高溫協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高低溫無擾切換和全程溫度準確控制，多個加熱分區(qū)溫度能夠同步協(xié)調(diào)控制，爐內(nèi)均溫性好，儀表控制回路硬件成本大幅降低，使用維護簡單方便，具有一定推廣應(yīng)用價值。