王首峰 盧宗遠(yuǎn)

摘 要：金屬冶煉過程中，電弧爐冶煉技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，電弧爐利用電極電弧產(chǎn)生的高溫進(jìn)行熔煉。為了更好地控制電弧爐溫度，設(shè)計(jì)了一種基于PLC組態(tài)的溫控器，其溫控系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地完成目標(biāo)溫度值的控制輸出，加熱裝置可以快速響應(yīng)PLC指令，有效提升溫度曲線的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：PLC;電弧爐;溫控

中圖分類號(hào)：TP273;TM924.4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）10-0062-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.016

0? ? 引言

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的控制環(huán)節(jié)，在溫度控制領(lǐng)域更是得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。在電弧爐冶煉過程中，需要將爐內(nèi)溫度保持在特定區(qū)間[3-6]。工業(yè)中傳感量測(cè)得的溫度信號(hào)為模擬量，通過A/D轉(zhuǎn)換可以將溫度的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性輸出的數(shù)字信號(hào)以供PLC處理，PLC也可以將處理好的數(shù)字信號(hào)再通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)PLC與電弧爐之間的通信。電弧爐的熔煉過程是利用石墨電極與鐵液產(chǎn)生電弧所產(chǎn)生的熱能來熔化鐵料并使鐵液過熱。鐵液熔清后，爐內(nèi)溫度進(jìn)一步升高，調(diào)整化學(xué)成分的冶煉操作就是在熔渣覆蓋鐵液的條件下進(jìn)行。其爐用變壓器可以單獨(dú)進(jìn)行電流、電壓的調(diào)節(jié)，通過控制其功率就可以調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度。使用PLC接收溫度信號(hào)并對(duì)變壓器發(fā)送指令，即可控制溫度。

1? ? 設(shè)計(jì)方案

1.1? ? 測(cè)溫裝置選型

測(cè)量鐵水及高溫熔融金屬的溫度時(shí)，通常選用快速熱電偶，它根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)可以測(cè)得當(dāng)期鐵水的溫度。要做到實(shí)時(shí)檢測(cè)爐內(nèi)溫度則需要預(yù)埋多個(gè)熱電偶，但爐內(nèi)長期高溫，容易導(dǎo)致熱電偶故障。因此，溫控器選用紅外測(cè)溫儀對(duì)電弧爐的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)得的溫度信號(hào)為模擬量，通過擴(kuò)展模塊EM AM03進(jìn)行模擬量的輸入與輸出，可與模擬量電壓信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。

1.2? ? 配置方案

經(jīng)過對(duì)比，溫控器使用西門子推出的S7-200 SMART PLC，其本體CPU為ST30，它是西門子公司經(jīng)過大量調(diào)研，為自動(dòng)化市場(chǎng)量身打造的一款PLC產(chǎn)品。編程軟件使用西門子官方提供的STEP7-Micro/WIN SMART，相比較而言，其不論是在界面布局還是基本環(huán)境設(shè)置上都更加美觀、簡潔，在保持強(qiáng)大功能的同時(shí)，使得初次接觸它的使用者可以快速入手。西門子S7-200 SMART PLC如圖1所示。

本溫控器設(shè)計(jì)有4種工作狀態(tài)，分別為加熱、停止、過熱報(bào)警以及正常運(yùn)行，其中除停止外的3種狀態(tài)都對(duì)應(yīng)一種顏色的指示燈。啟動(dòng)電弧爐后，加熱裝置會(huì)持續(xù)運(yùn)行，通過紅外測(cè)溫儀對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)。電弧爐構(gòu)造原理圖如圖2所示[3-4]。

隨著溫度上升，通過EM AM03將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并輸入PLC。PLC在溫控過程中調(diào)用PID指令，可使電弧爐溫度在加熱過程中快速上升到接近要求的溫度區(qū)間，而后又會(huì)降低增益防止超調(diào)，最后使溫度平穩(wěn)保持在區(qū)間內(nèi)。其控制系統(tǒng)的輸入、輸出I/O分配表定義如表1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和硬件設(shè)備對(duì)PLC進(jìn)行硬件接線，如圖3所示。

按照電弧爐的溫控要求和串口接線，接線完成后使用計(jì)算機(jī)編寫完整的PID智能溫控程序，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)智能的溫度控制。設(shè)定電弧爐冶煉溫度需控制在1 500～1 750 ℃。首先對(duì)PID溫控系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過PLC梯形圖完成PID溫控參數(shù)主程序，內(nèi)含Kp、Ki、Kd三個(gè)控制參數(shù)。PID控制器為PID（s）=Kp+Ki■+Kds，在預(yù)熱階段，按照加熱速率要求，可以計(jì)算得到Kp的大致取值范圍，然后根據(jù)這個(gè)Kp和振蕩周期來計(jì)算其余兩個(gè)參數(shù)的值。PID參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)綜合的、各參數(shù)互相影響的過程，實(shí)際調(diào)試需要多次嘗試。通過多次實(shí)驗(yàn)及調(diào)試使溫度曲線快速上升并保持，最終得到最佳PID控制參數(shù)。PLC溫控參數(shù)梯形圖如圖4所示，PID子程序的調(diào)用如圖5所示。

2? ? 測(cè)試

將所有程序通過網(wǎng)線用計(jì)算機(jī)上傳至PLC，檢查硬件之間接線情況，確保線路正確。確認(rèn)無誤后通電進(jìn)行測(cè)試，PID溫控參數(shù)主程序運(yùn)行圖如圖6所示。

通過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以得出：設(shè)計(jì)的程序可使溫度上升曲線達(dá)到最優(yōu)，溫度波動(dòng)誤差始終控制在極小的范圍內(nèi)。

3? ? 結(jié)語

本文通過測(cè)溫裝置的選型、配置方案的設(shè)定與測(cè)試，完成了基于PLC組態(tài)的溫控器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，該溫控器不僅能將溫度控制在所需范圍內(nèi)，還具有快速升溫和穩(wěn)定控溫的優(yōu)點(diǎn)。此外，其通用性強(qiáng)，通過更改初始數(shù)值便可實(shí)現(xiàn)其他溫度范圍的控制。

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收稿日期：2022-03-03

作者簡介：王首峰（1979—），男，遼寧人，工程師，主要從事基于PLC控制類設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)與應(yīng)用、電氣傳動(dòng)自動(dòng)化類設(shè)備的應(yīng)用分析與研究等工作。