萬 明

(中航工程集成設備有限公司,北京 102206)

溫度是工業(yè)爐系統(tǒng)的重要參數(shù),工業(yè)爐中根據(jù)加熱的方式分為電加熱方式和燃氣加熱方式,這兩種加熱方式各有特點[1-2]。由于加熱方式不同,電加熱和燃氣加熱需要從產品的熱處理精度要求、生產成本以及后期的維護成本等綜合多方面因素考慮[3-5]。從溫度控制角度而言,由于電加熱爐加熱器一般用電力電子器件晶閘管進行功率調節(jié),調節(jié)速度很快。燃氣加熱爐利用天然氣和助燃空氣閥門進行通斷控制或者連續(xù)調節(jié)控制,相對于電力電子器件而言,調節(jié)速度相對較慢,故電加熱爐的溫度控制精度相對較高[6-8]。

1 工業(yè)爐溫度控制系統(tǒng)

電加熱爐的溫度控制系統(tǒng)一般由熱電偶(傳感器)、溫度控制器和調功器(晶閘管執(zhí)行器)組成閉合回路[9]。熱電偶安裝在爐子溫度控制區(qū)域較高溫度場位置,這樣熱電偶檢測的溫度基本就反映了爐子對應溫度區(qū)的較高溫度,在進行溫度控制階段,可以確保爐子有效區(qū)的溫度不超溫。熱電偶檢測的實際溫度信號接到溫度控制器中,溫度控制器內部的運算模塊進行PID運算,輸出標準的工業(yè)控制信號觸發(fā)電力晶閘管,使其進行導通和關斷,電力晶閘管輸出接至爐子加熱器端子上,從而實現(xiàn)對爐子加熱器功率的調節(jié)[10]。溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)示意圖

工件被放置于加熱爐工作區(qū)內,加熱爐安裝加熱器和熱電偶檢測實際溫度,爐子工作時,溫度控制儀表給定調功單元控制信號,調功單元控制加熱器的接通和斷開,從而控制爐子加熱器,從而達到控制爐子溫度的目的。這樣實現(xiàn)爐子溫度控制。時效退火爐,一般通過空氣的對流達到爐子溫度場的均勻和零件的加熱,在爐內安裝循環(huán)風機達到爐內空氣的攪拌。

2 溫度控制儀表

2.1 溫度控制儀表要求

2.1.1 精度要求

我國大型鋁材料加工廠對鋁材時效和退火熱處理工藝一般都是在電爐中完成的。航空行業(yè),大多數(shù)的鋁加工企業(yè)和熱處理廠為了完成NADCAP認證工作,對時效、退火、固溶等熱處理爐的溫度控制儀也有明確的要求。在這種應用背景下,溫度控制儀的選型就顯得尤為重要。 表1為引自GJB509B對控制儀表的精度要求,精度≤±1.1 ℃或者溫度讀數(shù)的±0.2%。

表1 GJB—509B中儀表精度要求

除了國際上的高溫測量標準外,我國的國家標準對溫度控制儀表的精度也有要求,例如國家軍用標準“熱處理工藝質量要求GJB—509B”中規(guī)定的儀表系統(tǒng)的精度要求:對于一級加熱爐的儀表系統(tǒng)的準確度要求≤±1.1 ℃或者溫度讀數(shù)的±0.2%。航空行業(yè)標準“航空制件熱處理有效加熱區(qū)測定方法HB5452”中對于控溫儀表準確度等級也有明確規(guī)定,見表1和表2。

表2 HB5425中表準確度要求

2.1.2 溫度控制要求

在爐氣控制過程中,爐子的工藝熱電偶和測試熱電偶檢測溫度在任何時候不能超過溫度均勻性上限,這一點在AMS2750規(guī)范3.5.14.1.2條文明確。對于溫度控制儀表的控溫能力和控制穩(wěn)定性提出了較高的要求。

溫度控制儀表在爐氣全速升溫狀態(tài)下,實際溫度快速上升,PID進行調節(jié)作用,滿足不超溫要求。對于有效區(qū)很大的爐子或者安裝有循環(huán)風機的爐子而言,除了溫度控制儀表調節(jié)外,還需要對循環(huán)風機轉速控制和加熱器的功率上限進行輔助調節(jié),才能達到對整個爐子溫度有效區(qū)的較好控制效果。

2.1.3 人機交互要求

工業(yè)爐控制系統(tǒng),一般采用上位機作為人機交互。上位機系統(tǒng)自動采集儀表溫度數(shù)據(jù),進行溫度顯示和數(shù)據(jù)存儲,在上位機界面上編輯溫度工藝和下傳儀表。溫度控制儀表配置通信模塊和上位機系統(tǒng)進行通信。設計的儀表和工控機連接方式如圖2所示。儀表模塊安裝MODBUS-RTU模塊,RS485通信方式,通過串口擴展模塊和上位機系統(tǒng)連接。工控機安裝WINCC軟件作為人機交互。安裝KEPWARE軟件作為第三方OPC服務器用于采集儀表數(shù)據(jù),提供給WinCC。

圖2 儀表和上位機系統(tǒng)連接

2.2 歐陸溫度控制儀表特點

歐陸(Eurotherm)溫度控制器3500系列是高性能的過程控制器,融合液晶顯示及微處理,0.1%的顯示精度,滿足國際和國內熱處理標準對溫度控制儀的精度要求。設定值程序發(fā)生器功能,上位機系統(tǒng)編輯溫度工藝曲線下載到儀表工藝寄存器中,儀表自動按照編輯的工藝獨立運行,上位機系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)。儀表配置MODBUS-RTU通信模塊,MODBUS-RTU為標準的工業(yè)通信協(xié)議,所有第三方OPC通信軟件都支持該種協(xié)議,上位機組態(tài)軟件很方便與儀表進行通信。歐陸3500系列儀表內部插槽可以安裝2塊通信模塊,3500儀表作為廣播主站,主站利用廣播通信的方式將設定溫度(SP)發(fā)送到其他的廣播從站,使用這樣的處理方式,上位機系統(tǒng)就可以向一塊廣播主站儀表傳送工藝曲線數(shù)據(jù),采集其他的3500儀表的實際值數(shù)據(jù)(PV)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)記錄,這種配置方式減輕了上位機和儀表的通信負擔,提升了效率(特別適用于多溫度控制區(qū)的加熱爐)。除了MODBUS-RUT通信模塊外,儀表還可以配置profibus-DP模塊,profibus-DP總線協(xié)議作為西門子工控系統(tǒng)的總線協(xié)議,西門子PLC可以直接作為主站和儀表進行通信。

本論文主要介紹歐陸3500儀表在溫度控制系統(tǒng)中的應用。

2.3 溫度控制儀表控制設計

歐陸3504系列儀表的接線如圖3所示。儀表的輸入端V+,V-接熱電偶信號。儀表的檢測精度較高,儀表輸入端直接熱電偶補償導線。多次現(xiàn)場檢測的經(jīng)驗表明,歐陸3504儀表利用內部溫度補償就可以達到高溫測量規(guī)范的要求,可以不考慮配置熱電偶的冷端補償裝置(冰盒)。

圖3 歐陸3504儀表接線圖

儀表配置兩路輸出,一路輸出1A,1B是模擬量輸出模塊,用于輸出4～20 mA電流信號或0～10 V電壓信號控制晶閘管的通斷,從而調整加熱器的功率輸出。儀表的控制回路就是一個過程控制回路,控制回路的示意如圖4所示。

圖4 儀表的溫度控制回路示意圖

圖4所示虛線框內部為儀表的控制框圖。熱電偶接到儀表輸入端,檢測實際溫度和上位機下傳的設定溫度進行比較,根據(jù)偏差經(jīng)過PID運算后輸出控制信號到執(zhí)行機構(電力晶閘管調功單元),控制爐子溫度,調節(jié)的效果又可以通過測量溫度反饋到控制器上,來進一步調節(jié)。

儀表正式工作前,需要對儀表進行溫度整定,設置與爐子系統(tǒng)特性相匹配的控制參數(shù)來達到較好的控制效果。

在控制過程中達到穩(wěn)定、沒有過沖的控制效果。根據(jù)多年實踐經(jīng)驗,儀表溫度自整定溫度點一般選擇在常用的工作點,當工作溫度涵蓋低溫到中溫(例如爐子具備時效退火兩種工藝過程),那么優(yōu)先按照低溫進行整定。也可以根據(jù)不同的工作溫度段切換不同的PID參數(shù),3500系列儀表具備此種功能。整定開始的條件初始溫度應為室溫且溫度穩(wěn)定不波動。關于整定的更多細節(jié)可參考儀表說明書。當儀表實際運行過沖較大時,還可以調節(jié)儀表的過充抑制值參數(shù)來調整儀表的控制效果。也可以采用溫度偏差值縮小時,通過自動控制儀表的加熱輸出上限參數(shù)等多種手段對溫度進行控制。圖5是某現(xiàn)場根據(jù)溫度偏差對儀表的輸出上限進行自動控制的上位機設定界面。

圖5 控溫儀輸出功率上限設定界面

圖6是歐陸表溫度控制的實際運行曲線,斜率最大的是設定曲線,該爐子的溫度有效空間很大,在控制溫度不超溫的前提下,還要兼顧爐膛內部溫度場檢測熱電偶不能超溫,故在升溫段通過上位機腳本代碼對溫度控制儀表的功率進行了控制,降低了升溫速率,爐子工藝熱電偶和測試熱電偶均不超溫。

圖6 現(xiàn)場溫度曲線圖

根據(jù)爐子加熱功率和使用溫度段,爐子的實際溫度和設定溫度的偏差,逐步調整儀表的加熱輸出上限,偏差范圍分的越細,溫度的控制越平滑。

第二路輸出為繼電器輸出模塊,該模塊用于儀表的斷偶報警輸出,當接到儀表的熱電偶斷開時,觸發(fā)儀表的內部報警信號,報警輸出關聯(lián)繼電器輸出模塊,當熱電偶信號斷開后,繼電器11KA15繼電器通電,從而可以斷開加熱器的控制信號。起到保護作用。

儀表配置雙RS485通信模塊,模塊安裝于HE,HF和JE,JF端子上。其中HE,HF用于和上位機系統(tǒng)通信使用。JE,JF用于和其他儀表相連接用于廣播通信使用。此種方法特別適用于有多個溫度控制區(qū)工業(yè)爐,每個溫度控制區(qū)由獨立溫度控制儀進行控制,每個區(qū)的設定溫度都是相同的,這樣上位機下傳工藝時,就可以只下傳到主站儀表,主站儀表將設定值以廣播通信方式發(fā)送給其他儀表,這種方式極大減少了上位機的通信負擔。相反,如果上位機系統(tǒng)分別和多臺儀表進行工藝下傳,就需要分時去和每個儀表進行通信,會造成很大的延時,導致每塊儀表不同時間下載工藝和啟動工藝,造成爐子每個區(qū)的溫度由于工藝啟動時間的不一致而產生偏差。主站廣播通信的示意如圖7所示。儀表啟用廣播通信功能時,儀表的面板上的J符號閃爍,表明通信正常,廣播通信的參數(shù)可在儀表通信配置中進行編輯,只有一個參數(shù)可以作為廣播信息進行傳送。

圖7 廣播通信示意圖

歐陸儀表的設計和應用基本如上所述。

3 結 論

筆者2007年開始接觸歐陸儀表,當時應用2400系列,用于工業(yè)爐窯的溫度控制過程,后來隨著美國宇航規(guī)范AMS2750的引入對儀表的精度要求提升,用更高精度的3500系列和2600系列。儀表的穩(wěn)定性和可靠性均得到了設備使用方的認可,筆者將儀表在設計和使用過程中的一些方法和思路進行了總結。望得到更多幫助和指正。