井式电阻炉电控系统的改造

2012-10-21殷纯宇钟广明

中国设备工程 2012年12期

殷纯宇，陈甫，钟广明

(中国北车集团大连机车车辆有限公司，辽宁大连 116022)

一、前言

大连机车车辆有限公司有多台RJ2井式电阻炉，是上世纪80年代和90年代的产品，主要用于加温机车从动齿轮、齿圈以及车轮轮芯和整体车轮。其工作原理是将电能转化为热能，借助热辐射与对流的传热方式加温工件。

原炉电气控制方面根据其作用分为机械装置的电气控制(炉门的开启、工件进和风扇开启等)和温度的测量控制。温度控制部分是模拟仪表(中型圆图衡仪)控制和数字式仪表控制，这种控制由人工选择，不但需要配置专用的仪表人员，费时、费力，控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产发生变化就需重新设置，操作不便，加热温度的数据无记录，不利于对生产工艺的控制，还会因温度控制不准确而产生废品和返工品，甚至造成产品质量性能下降，为行车埋下安全隐患。为此在原有电气控制基础上进行改造，增加了带有工控机的温控系统，该系统不但具有性能可靠、降低电耗、控制精度高和操作简单等特点，而且还有良好人机界面和温度曲线记录，弥补了原系统的不足，提高了产品的质量。

二、系统功能

电炉控制是一个具有多输入、多输出、多回路、具有非线性和耦合特性的调节系统，包括炉盖升降控制、风机启停控制、炉内温度控制和炉内温度记录。为此，本系统应具有如下功能。

1.实时控制功能

实时控制功能是计算机控制系统应当完成的基本功能，是保证系统正常工作的必要条件。在此基础上要保证系统具有良好的控制品质，以达到提高劳动效率和电炉热效率、降低耗能的目的。

2.显示功能

系统能够以数字及图表两种形式将当前的工艺过程、工艺条件、重要的现场数据、设备当前工况及实时趋势曲线图显示在监控器上，便于操作人员随时掌握当前的生产状况。

3.记录和打印功能

系统自动记录炉内温度数据、曲线及工况参数，并可以随时查看阅读或打印，以便决策分析之用。

4.报警和连锁保护功能

当发生异常情况时，有完善的声光报警机制，同时自动停止加温，并对引起异常情况的原因进行分析，以便操作人员及时判断故障原因并加以排除。另外在启机时，启动风扇电机后加热器才能工作，必须按照一定的次序进行操作，否则加热器不工作。

5.操作指导功能

帮助是系统良好的人机对话部分，它不但能给操作人员提示信息，而且可以指导操作。

三、硬件系统

为了完成上述功能，硬件系统采用“工控机+温控模块”的结构，如图1所示。整个硬件系统由工控机、温控模块、电源、打印机及输出、输入执行元件等组成。

1.工控机的选择

工控机是整个控制系统的核心，它要完成指令执行、算法实现、逻辑判断、数据处理、数据和图表的显示以及打印等任务。其性能的好坏直接决定了控制系统的控制效果和控制质量，因此要求工控机的可靠性高，实时性准、抗干扰能力强。本系统选用研华公司生产的PPC-L128T工控机，其平板电脑是一款基于IntelAtomN270处理器的低功耗电脑，带有12.1"的彩色TFTLCD显示屏、板载PCTe以太网控制器和多COM端口界面控制器。

2.控制模块的选择

系统需处理的数据量包括2路模拟量输入、5路开关量输入和6路开关量输出。模拟量输入是用于测量炉内温度，开关量输入是读入工作状态，开关量输出用来执行控制。考虑系统抗干扰性、实用性以及安装空间，选择了研华公司生产的USB-4718温控模块。该模块提供了8路热电偶输入、16-bit分辨率、高达0.1%的输入范围精度或者4～20mA输入。工作性能稳定、可应用于恶劣的工业环境，是一款支持USB模块的计算机测量与控制功能的理想解决方案。该模块易于使用，是USB即插即用设备，可从USB接口取电，无需外接电源。

3.防止超温自动保护

为了防止执行元件失控而导致超温的现象，采用多层自动保护。当温度超过设定温度上限值时报警黄灯闪烁，同时关闭全部加热器；当超过设定报警值时，报警红灯闪烁蜂鸣响，同时再次关闭全部加热器，如果在单位时间内温度还继续上升，控制器断开该设备电源，可及时提醒操作人员，帮助操作人员迅速判断故障并加以有效排除。以保护工件和设备的安全。

四、软件系统

在计算机控制系统中，计算机除了完成正常的显示，处理工作外，更重要的是要实时完成炉内温度检测控制任务以及报警和连锁等工作。这些任务之间是并行工作的关系，软件系统必须具有处理多任务的能力，否则将会影响系统的性能。

1.软件的选择

运行平台为Windows操作系统，具有多线程序执行机制，可满足实时性要求。采用面向对象的程序设计技术VisualBasic为可视化开发环境，是Windows环境下优秀的程序设计工具之一。VisualBasic6.0语言提供的多线程序编程技术，功能性、易用性突出，适于应用程序、数据库及人机界面的开发。

2.控件的选择

ActiveDAQ控件是研华公司提供的一套高效数据采集开发组件，可以方便地应用于VisualBasic、VisualC++等以及支持ActiveX控件的组态软件中，通过控件的属性、事件、方法可以方便地进行编程，用来开发数据采集的的各种功能，包括模拟量输入输出(软件中断)、数字量输入输出、脉冲输入和输出等。

3.系统控制软件的简单介绍

应用VisualBasic软件和ActiveDAQ控件进行开发的软件系统流程如图2所示。系统依据工件类型选择设定炉温、自动供给电炉热源能量或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定在设定范围，满足热处理工艺的需要。温度自动控制常用调节规律中有二位式、三位式、比例、比例积分和比例积分微分等几种。电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程：比较实际炉温和需要炉温得到偏差—通过对偏差的处理获得控制信号—调节电阻炉的热功率—实现对炉温的控制。

在系统控制中程序采用嵌套方式设计。首先使Timer1计时器产生定时系统的采样周期。启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波、PID计算、上下限报警处理，然后输出控制脉冲信号。采用三位式调节：有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时加热器全开；当炉温在上、下限给定值之间时加热器部分开启；当炉温超过上限给定值时加热器全关闭。三位式调节实现加热与保温的功能。根据生产现场的运行情况，这种控温方法，精度比较高，系统性能稳定，满足生产的实际需要。改进后工控机运行主界面如图3所示。