基于可编程控制器的热加工控制系统的应用研究

乔东凯，廖 辉，杨向宇，赵世伟，蔡业彬

（1.广东石油化工学院机电工程学院，广东 茂名 525000；2.华南理工大学电力学院，广东 广州 510641）

0 引言

加热炉是将物料或工件加热的关键设备，也是能量转换和主要的耗能设备。它在工业生产中的应用极为广泛，尤其是在金属热处理工艺生产中［1］。传统的加热炉控制系统通常采用继电器－接触器控制，该方法控制的设备体积大，接线复杂，故障率高，维修不方便。硬件采用固定的接线方式来实现系统的逻辑控制，若生产工艺发生变化，系统将不能满足要求，控制系统就存在柔性差、功耗大、加热炉升温慢和炉温均匀度差等缺点。一旦系统出现故障，有时很难排查到原因，特别是一些软故障，更是使检修工作增大，严重地影响到了企业生产的顺利进行［2］。针对以上原因，采用研华AIMB－740－6CB1工业控制计算机和三菱FX3U系列可编程控制器构成集散控制系统，实现对加热炉温度、压力、传动装置和变频风机的实时精确控制，保证了产品的质量，提高了能源利用率。系统在上位机上安装了报警和监控系统，实时监测现场的各种工作状况，及时发现和排查故障，为企业生产的顺利进行和提高劳动生产率提供有效保障。

1 控制系统组成与功能

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。加热炉控制系统的主要任务就是对工件进行热处理，从而保证金属产品的质量［3］。整个控制系统由3大部分构成，如图1所示。第1部分为上位机监控站，包括研华AIMB－740－6CB1工控机、显示器和打印机等设备；第2部分为可编程控制器，它是控制系统的核心，包括CPU模块、电源模块、温度控制模块、模拟量输入／输出和开关量输入／输出等［4］；第3部分为系统的执行器件，包括接触器、燃烧器和变频器柜等。

通过PLC的通信接口，工控机可以实现和PLC各模块之间的数据通信，实现实时监测炉内各点的温度、油（煤气）压、空气系数、塔顶压力、烟气残氧、助燃风压、进料流量和助燃风流量等参数。通过限位开关、光电耦合管、热电阻和热电偶等监测元件传送给PLC的输入和输出端口，经过PLC的程序处理，给系统输出的执行元件发出相应的动作信号。该方法与传统的继电器－接触器控制相比，系统控制的可靠性、稳定性和自动化程度等都显著提高。

图1 加热炉控制系统的组成

2 PLC控制系统

PLC控制系统是整个系统的核心部分，主要任务是采集现场信号，通过程序控制炉内多点压力、温度和空燃比等重要参数，使整个系统能够可靠、稳定和高效地运行。

2.1 PLC控制系统的硬件配置

PLC主控单元的控制信号构成如图2所示。系统配置三菱 FX3UPLC、研华 AIMB－740－6CB1工控机、压力流量传感器、SBWZ系列全数字多功能温度变送器、FX3U－4AD－PT温度控制模块、变频器和热电偶等器件。

图2 PLC主控单元的控制信号构成

2.2 温度控制

炉内温度控制包括升温、保温和降温3个阶段。对应每个阶段，炉内的各个区段都有相应的炉温控制回路。每个炉段安装一个热电偶，采集现场炉温，通过温度变送器检测炉内水温和夹套温度，产生0～100mV的微电压信号，传送给PLC的FX3U－4AD－PT温度模拟量模块；再由PLC的主控系统部分进行运算和处理，经过SBWZ系列全数字多功能温度变送器产生0～5V的标准控制信号传送给调功器；调功器根据不同的控制信号输出不同的电压信号，控制加热炉内的加热器，实现对水温的加热和控制，由此产生的水温升高或降低会影响温度检测元件，从而产生了一个闭环回路控制，达到平衡水温控制的目的。

由于温度变化具有滞后性和惯性等特点，为了提高控制精度，设计中引进增量PID控制算法，其控制规律为:

KP为比例系数；KPε（t）为比例控制项；TI为积分时间常数；为积分控制项；TD为微分时间常数为微分控制项［5］。

采样周期越小，信息精度越高，但数据处理量会明显增大，控制效果就越接近连续控制。对多数算法，可以采用缩短采样周期的方法改善系统性能，但采样周期的缩短，频繁的采样必然会占用较多的计算时间，同时也会降低CPU的运行效率。三菱FX3U－4AD－PT温控模块自带有PID调节功能，不占用PLC主机运行时间，所以对PLC的扫描周期不产生影响，从而缩短了程序的执行时间［6］，同时，CPU可以把现场温度数据读出供上位机监控。

2.3 压力控制

传统的加热炉燃烧控制系统通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量，其输出功率恒定，大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中，造成了能源的极大浪费。同时，电机的额定运行也造成了电能和电机本体的很大损耗。由于鼓风机和引风机大多为离心式通风机型负载特性，负载转矩和转速的平方成正比，负载功率与转速成立方关系，当风机、水泵转速下降时，消耗的功率将大大下降，因此节能潜力非常大。最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量、风量，应用变频器节电率为20%～50%。所以，系统采用的控制方式不仅可以减少电机的能耗和故障率，降低电机的温升，还可显著地节约电能。

加热炉降温助燃空气主管压力闭环调节回路如图3所示。在加热炉的主管空气压力控制中，通过采用BP801扩散硅压阻式压力变送器采集炉膛内压力，转换成4～20mA的标准电流信号，和主管压力给定值的对应电流信号比较，经过PID运算调节方式，控制变频器从而控制风机的转速，最终调节了风量，实现了恒压控制。

图3 工业炉降温助燃空气主管压力闭环调节回路

2.4 空燃比调节

脉冲燃烧控制采用的是一种间歇燃烧的方式，使用PWM技术，通过调节燃烧时间的占空比（通断比）实现加热炉的温度控制。可通过压力调整预先设定燃料流量，烧嘴只要开始工作，就处于满负荷状态，从而保证了烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。当降温时，烧嘴燃烧时间将会缩短，间歇时间延长；当升温时，烧嘴燃烧时间将会延长，间歇时间就会缩短。脉冲燃烧控制的主要优点为传热效率高，降低了能耗，可提高炉内温度场的均匀性；无需在线调整，即可实现燃烧气氛的精确控制；可提高烧嘴的负荷调节比；系统简单可靠，造价低。脉冲燃烧控制时，脉冲信号可以控制烧嘴点燃时间，烧嘴的燃烧时间是由炉膛实际温度和设定温度的偏差决定的。因此，在具体实施过程中采用PLC控制，通过设置脉冲发生器和采样时间等参数，提高系统控制的精度。当温差大时，脉冲持续时间长，当温差小时，则脉冲持续时间相应缩短。

在脉冲燃烧技术的实际应用中，空燃比是加热炉的一项重要的性能指标，它关系到能源消耗和炉内气氛等系统指标。空燃比闭环调节回路如图4所示。设置在炉膛处的助燃空气流量变送器，将不同的空燃比数据信号转换成电流信号反馈给PLC，通过数据处理，调节燃气阀，改变助燃空气流量的大小，使助燃空气得到充分燃烧，减少生成的污染气体，保证炉内温场的均匀。

图4 空燃比闭环调节回路

2.5 传动回路

加热炉传动回路的核心元件是增量式编码器，增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置［7］。在实际应用中，增量式编码器将采集到的电机转速和设定的主传动速度进行比较判断，发出指令调节控制主传动电机的变频器，达到精确控制窑炉传动速度的目的。

2.6 脉冲控制烧嘴的自动点火

针对工业炉烧嘴，系统配有自动点火和火焰检测装置，如遇烧嘴熄火会自动输出报警信号，自动点火及火焰检测装置会立即关闭电磁阀，同时蜂鸣器鸣响和指示灯闪烁。烧嘴点火的流程如图5所示。

图5 烧嘴点火流程

3 控制软件

系统采用三菱 GX－DEVELOPER 7和 GX Simulator 7c全系列编程仿真调试软件，该软件支持梯形图、指令表、SFC和语言程序设计，可进行程序的在线更改、监控及调试。仿真软件相当于编程软件的一个插件，在该软件上可实时监测炉内各点的温度、油（气）压、空气系数、塔顶压力、烟气残氧、助燃风压、进料流量和助燃风流量等各种参数；可根据用户要求对加热炉内各区段的温度进行升降控制；可按设定的燃烧气氛对炉内的烟气残氧和助燃风压等进行控制；可对加热炉的进出料进行控制；可对炉膛压力进行控制；可实时动态显示炉内各点参数，显示整个加热炉的工艺流程图，实时动态显示炉内火焰燃烧状态等。

4 结束语

从电气控制方案、元器件选型及现场环境等诸多因素综合考虑，并根据用户需求，对加热炉进行了电气自动化设计。对于加热炉的各段温度、压力、风机和传动装置进行自动控制，提高了设备的自动化水平，相对以前的继电器－接触器控制，系统的可靠性、稳定性和安全性都得到很好保证。该技术具有广泛的应用前景，可降低劳动成本，提高系统工作的稳定性和可靠性。2010年7月，广东茂名重力机械股份有限公司实施该项目后，到目前为止，设备从未出现过故障，工作效率为100%，炉温稳态偏差和超调量较小，炉内温度场均匀，稳态偏差≤6℃，超调量≤8℃，产品各项指标完全符合工艺要求，受到了行业人员的一致好评。

［1］任福东.热加工工艺基础［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［2］邓星钟.机电传动控制［M］.武汉:华中科技大学出版社，2006.

［3］袁春坤.基于现场总线的变频调速系统在电厂锅炉给粉中的应用［J］.变频器世界，2005，（7）:84－86.

［4］邓则名，邝穗芳，程良伦.电器与可编程序控制器应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［5］杨叔子，杨克冲，吴 波，等.机械工程控制基础［M］.武汉:华中科技大学出版社，2009.

［6］乔东凯.基于PLC和变频器控制异步电动机转速的研究［J］.机械与电子，2008，（7）:71－72，80.

［7］韩念琛，薛应芳，秦 将.增量式编码器输出信号细分方法研究［J］.太原理工大学学报，2011，42（1）:51－54.