王猛 白晶

摘 要：熱處理爐是鋼鐵企業(yè)進(jìn)行熱處理的重要設(shè)備，其溫度控制的精確性直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了得到質(zhì)量優(yōu)異的產(chǎn)品，某企業(yè)設(shè)計(jì)了由西門子S7-300 PLC程序和歐陸2408溫控儀表組成的燃?xì)鉄崽幚頎t復(fù)合控溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工作過程的全自動化。該系統(tǒng)可以設(shè)置工藝參數(shù)，實(shí)時顯示控制數(shù)據(jù)。其引入模糊控制算法，可以實(shí)現(xiàn)熱處理爐生產(chǎn)過程的各種控制要求，使?fàn)t溫按照設(shè)計(jì)的溫控曲線精確調(diào)整，達(dá)到節(jié)能降耗和精確控溫的目的。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鉄崽幚頎t;PLC;模糊控制

中圖分類號：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0038-03

Abstract： Heat treatment furnace is an important equipment for heat treatment in iron and steel enterprises， and the accuracy of its temperature control directly affects product quality. In order to obtain high-quality products， a company designed a gas-fired heat treatment furnace compound temperature control system composed of Siemens S7-300 PLC program and Eurotherm 2408 temperature control instrument to realize the fully automatic working process. The system can set process parameters and display control data in real time. The introduction of fuzzy control algorithm can realize the various control requirements of the heat treatment furnace production process， make the furnace temperature accurately adjust according to the designed temperature control curve， and achieve the purpose of energy saving and consumption reduction and precise temperature control.

Keywords： gas heat treatment furnace;PLC;fuzzy control

熱處理是一種將材料及其制品加熱到適宜的溫度，保溫一定時間后，以不同的冷卻方式冷卻，最終獲得優(yōu)異性能的熱加工工藝[1-2]。熱處理后的鋼件可以實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒、降低硬度、易切削等目的。穩(wěn)定和精確的溫度控制是保證熱處理爐運(yùn)行質(zhì)量的根本[3-4]。近年來，人們對鋼材制品的性能要求越來越嚴(yán)格，使得熱處理爐的運(yùn)行質(zhì)量要求也越來越高。目前，燃?xì)鉄崽幚頎t常采用單回路手動和自動相結(jié)合的溫度控制方式，但這種方式也有難以克服的弊端，需要克服控制對象的多變性、非線性和較大純滯后等因素的影響。為了解決控溫精度不高、控溫過程平穩(wěn)性及爐內(nèi)溫度均勻性差的問題，本文以燃?xì)鉄崽幚頎t為研究對象，結(jié)合某企業(yè)設(shè)備改造需求，設(shè)計(jì)了以西門子S7-300 PLC程序和歐陸2408溫控儀表為核心的燃?xì)鉄崽幚頎t復(fù)合控溫系統(tǒng)，旨在提高熱處理爐的加熱效率。實(shí)踐表明，其在實(shí)際生產(chǎn)中取得了很好的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的初衷，較大幅度提高了企業(yè)利潤。

1 熱處理工藝要求

某企業(yè)鋼材產(chǎn)品的主要熱處理要求是細(xì)化晶粒、降低硬度、改善切削性能。根據(jù)相關(guān)要求，相關(guān)工作人員設(shè)計(jì)了其熱處理工藝的溫度-時間變化曲線，如圖1所示。燃?xì)鉄崽幚頎t按控溫工藝曲線設(shè)定的程序工作。一般工藝流程是在650～700 ℃的工作溫度下保溫一段時間后升溫，通常，溫度保持在800～1 000 ℃。升溫時，盡量保證升溫曲線貼近設(shè)定曲線，重點(diǎn)是保溫階段，為了保證工件處理過程的質(zhì)量，必須盡量將溫度波動控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。

2 控制原理

模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法。它適用于復(fù)雜的非線性時變系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制。模糊控制器根據(jù)設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的溫差及溫度變化率，利用模糊控制算法求出輸出值。模糊控制原理如圖2所示。本文選定的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用對象是燃?xì)鉄崽幚頎t，通過對爐內(nèi)溫度加以設(shè)定，采用熱電偶檢測爐內(nèi)的實(shí)際溫度。

3 燃?xì)鉄崽幚頎t的溫度控制

為了實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉄崽幚頎t溫度的精準(zhǔn)控制，本研究采用由西門子S7-300 PLC程序和歐陸2408溫控儀表組成的復(fù)合控溫系統(tǒng)。

3.1 爐內(nèi)各區(qū)溫度控制

爐內(nèi)各區(qū)溫度由歐陸表控制。若采用連續(xù)PID控制方法，則動態(tài)性能差，很難達(dá)到控溫精度，而且設(shè)備投入較大。燃?xì)夂涂諝饪偭髁空{(diào)節(jié)由PLC模塊通過控制燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)。因此，對于采用西門子S7-300 PLC程序和歐陸2408溫控儀表的復(fù)合控溫系統(tǒng)來說，當(dāng)熱電偶檢測的溫度與PLC程序設(shè)定的溫度相比超過10 ℃時，歐陸表就按程序控制輸出大火;當(dāng)熱電偶檢測的溫度與程序設(shè)定的溫度相比為2 ℃時，各燒嘴箱就按脈沖控制輸出小火來控制爐溫。

3.2 燒嘴箱的脈沖控制

燒嘴箱是燃?xì)鉄崽幚頎t的重要部件，工作方式是脈沖控制，燒嘴采用大小火脈沖控制方式。燒嘴中心距臺車面1 400 mm，溫控系統(tǒng)根據(jù)工藝的溫度變化，通過PLC控制單個燒嘴進(jìn)行大小火切換，控溫更加均勻。脈沖燃燒溫度控制系統(tǒng)是燃?xì)鉄崽幚頎t控制系統(tǒng)的核心，有助于保證控制的精確性。傳統(tǒng)控制理論對明確系統(tǒng)的控制能力較強(qiáng)，但對于過于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)來說，其控制精度較低，難以達(dá)到較好的效果。因此，本文嘗試?yán)媚：刂葡到y(tǒng)解決這些生產(chǎn)中常見的控制問題。下面分析其理論依據(jù)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，設(shè)定溫度和實(shí)際測定溫度總是存在一定差異，因此將設(shè)定溫度和實(shí)際測定溫度的差值與正負(fù)兩方向的誤差范圍相比較，分出若干等級：PS為正方向小的偏差（Positive Small）;PM為正方向中的偏差（Positive Medium）;PB為正方向大的偏差（Positive Big）;NB為負(fù)方向大的偏差（Negative Big）;NM為負(fù)方向中的偏差（Negative Medium）;NS為負(fù)方向小的偏差（Negative Small）;ZO為近于零的偏差（Zero）。

為了精確控制爐膛溫度，人們需要在燃燒方式、燃燒時間等方面下功夫，并且需要按照誤差等級進(jìn)行分配。應(yīng)用程序如下：

FUNCTION_BLOCK ?fb1007

VAR_INPUT

Temperature_infact： REAL;

Temperature_set：REAL;

END_VAR

VAR_OUTPUT

Fuzzy_ctrl_B，F(xiàn)uzzy_ctrl_S： REAL;

END_VAR

VAR_TEMP

temperature_error ： REAL;

END_VAR

BEGIN

IF temperature_set>temperature_infact

THEN temperature_error：= temperature_set-temperature_infact ;

ELSE temperature_error：=2.0;

END_IF;

IF ?temperature_error<2.1

THEN ?fuzzy_ctrl_S：=0.5;

END_IF;

IF ?temperature_error>=2.1 AND temperature_error<2.2

THEN fuzzy_ctrl_S：=0.6;

END_IF;

IF ?temperature_error>=2.2 AND temperature_error<2.3

THEN fuzzy_ctrl_S：=0.7;

END_IF;

IF ?temperature_error>=2.3 AND temperature_error<2.4

THEN fuzzy_ctrl_S：=0.8;

END_IF;

IF ?temperature_error>=2.5

THEN fuzzy_ctrl_S：=1.0;

END_IF;

IF ?temperature_error<2.5

THEN ?fuzzy_ctrl_B：=0;

END_IF;

IF ?temperature_error>=2.5 ?AND temperature_error<5.0

THEN fuzzy_ctrl_B：=0.65;

END_IF;

IF ?temperature_error>=5.0 ?AND temperature_error<8.0

THEN fuzzy_ctrl_B：=0.7;

END_IF;

IF ?temperature_error>=8.0 AND temperature_error<10.0

THEN fuzzy_ctrl_B：=0.8;

END_IF;

IF ?temperature_error>=10.0 AND temperature_error<12.0

THEN fuzzy_ctrl_B：=0.9;

END_IF;

IF ?temperature_error>=12.0

THEN fuzzy_ctrl_B：=1.0;

END_IF;

END_FUNCTION_BLOCK

4 結(jié)論

某企業(yè)積極進(jìn)行設(shè)備改造，設(shè)計(jì)出燃?xì)鉄崽幚頎t復(fù)合控溫系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，投入少，控溫精度高。工控機(jī)作為上位機(jī)，可以提供良好的人機(jī)界面，方便進(jìn)行全系統(tǒng)的監(jiān)控和管理;PLC作為下位機(jī)，執(zhí)行有效、可靠的分散控制。人們通過優(yōu)化控制軟件，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)定的技術(shù)要求。這種新型復(fù)合控溫系統(tǒng)不僅滿足熱處理工藝的精度要求，而且節(jié)約能源，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，最終為燃?xì)鉄崽幚頎t的生產(chǎn)過程提供更為有效的控制方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]方紅，葛一楠.基于Fuzzy推理的自調(diào)整PID控制器設(shè)計(jì)[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（1）：443-445.

[2]紀(jì)宗南.FUZZY-PID控制器的自動調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)[J].電氣自動化，1996（1）：13-15.

[3]李丙旺，張友照，陳文建.基于PID分段式溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動化應(yīng)用，2011（4）：21-22.

[4]劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：67-82.