基于PLC和组态王的钟罩炉温度控制系统*

2013-10-17魏翠琴张建斌

湖州职业技术学院学报 2013年1期

魏翠琴，张建斌

(1.湖州职业技术学院，浙江湖州 313000;2.湖州远来工控有限公司，浙江湖州 313000)

钟罩炉广泛应用于磁性材料、电子陶瓷元件、粉末冶金等产品的预烧和烧结，也可以满足特种电子陶瓷元件在保护气氛下烧结之用。温度是工业控制对象中的主要被控参数之一，常用的温度控制方式有温控仪表控制、温控模块控制、PLC控制和PID调节器控制等。其中，仪表通讯慢，跟随性差;温控模块造价高;PID调节器鲁棒性强，即其控制品质对环境条件变化和被控对象参数的变化不太敏感，常用在系统性能要求较高的场合。本文应用欧姆龙PLC的自整定PID运算，实现加热炉退火系统的温度自适应调节，结构简单，性价比高。使控制器能够根据运行环境的变化，适时地改变其自身的参数整定值，以求达到预期的闭环运行，并有效地提高系统的鲁棒性。

1 工艺流程及控制要求

1.1 工艺要求

本系统为350 kW钟罩炉温度控制系统，整套设备包括两座炉台(备有两个炉台风机)、两只内罩(备有两个冷却风机)、一只加热罩和一只冷却罩，加热罩和冷却罩循环利用，一个炉台加热，另一个炉台冷却，循环反复使用。其工艺流程如下图1所示。

图1 工艺流程图

当加热时间结束后，应带罩冷却一段时间，一般要求在吊走加热罩时，加热罩温度≤500℃，当工艺温度接近500℃时，要求带罩冷却(保温)0.5小时后方能吊走加热罩，加热完成报警声响。

冷却进行时，当炉气温度在350℃之前采用风冷模式，即只开两台冷却风机，冷却水处于关闭状态。

当炉气温度在350℃-250℃之间时，自动开启冷却循环冷却水，实行快速冷却，当炉气温度在250℃时，关闭冷却风机，打开喷淋水阀，使冷却水从内罩顶部流下，实行快速冷却，当炉气温度≤100℃时，冷却结束。

出炉前，应关闭冷却水总阀，开启冷却风机2分钟，使内罩外壁的水分能快速散去，再吊走冷却罩，然后吊走物料。

1.2 控制要求

钟罩炉的温度控制属于退火控制，整个退火过程包括许多道工序，退火过程由PLC控制完成。

加热系统:炉加热罩就位，启动加热，风机低速启动，电加热器接触器吸合，延时10秒，PID调节器按设定的加热曲线开始工作，电加热器开始加热。当炉气温度达到设置温度时，风机高速运行。

当炉气温度达到保温温度(上位机设定)时，钟罩炉进入保温区，PID调节器以保温温度为设定值进行控制，达到保温时间(可设置)后，关闭加热器，开始自然冷却，当炉气温度低于出炉温度(上位机设定)时，炉准备出料，加热完成报警声响。

在加热控制系统中，有三个测温点:炉罩温度、炉气温度、炉料温度。炉罩温度点在加热罩上，温度较高，炉料温度点在加热物料中，温度有点滞后，炉气温度是炉罩内循环热气的温度。以炉气温度为测量温度，以工控机上设定的加温曲线为给定值，控制三个区的电加热器，组成单回路闭环温度调节系统，在PLC程序中，选用自动整定的PID调节器，可对系统参数进行自动整定。

图2 控制系统原理图

2 系统控制方案及硬件配置

本系统需要对两台炉子内的炉气温度和物料温度及加热罩温度5路模拟量信号及一些开关量信号进行控制。由于客户要求配置上位机参与操作和监控，对上位机的要求是能够对系统的控制参数(物料和加热罩温度上下限)、两台炉子的相关参数和报警参数(物料、炉气和钟罩炉报警温度)进行设置;能够模拟显示整个系统当前的运行状况、工艺流程、调节器参数、温度曲线、实时查询打印历史记录及报表、实时报警等［1］。

根据系统的大小、控制对象的复杂程度及成本考虑，宜选用欧姆龙PLC和研华工控机。一般而言，I/O点数最后要留出足够余量(15%左右)作为备用，便于将来系统增容扩建或改造。图3给出了控制系统的PLC排列图，图4给出了控制系统方框图，表1为系统配置一览表。

图3 系统控制PLC排列图

图4 控制系统方框图

表1 硬件配置一览表

3 系统软件设计

控制系统的软件包括下位机和上位机两部分。下位机PLC编程在欧姆龙 CX－Programmer6.1上实现，上位机人机界面采用研华工控机组态王软件来完成。

3.1 下位机软件设计

PLC的控制软件完成系统工艺要求的全部任务，该部分的设计是本控制系统的设计关键。可以在CX－One开发平台上，采样“分页式”编程，将系统中相对独立的段“分页”，即有相对独立的程序块，方便查阅和修改。

本系统有风机系统、加热系统、冷却系统、模拟量输入、设定值、PID调节器、调节器参数、参数转换、一号炉加热控制、二号炉加热控制、温度梯度计算、输出设置、故障、阀位、输出共15段程序。

钟罩炉温度控制系统中的温度由热电偶进行采集，热电偶的输出信号为4～20mA的电流信号，在对模拟量进行采样的基础上，一般还要对采样值进行PID运算，并根据运算结果，形成对模拟量的控制作用。PID运算中积分作用可以消除系统的静态误差，提高精度，加强对系统参数变化的适应能力;而微分作用可以克服惯性滞后，提高抗干扰能力和系统的稳定性，可改善系统动态响应速度［2］。

在系统稳态运行时，PID控制器的作用就是通过调节其输出使偏差为零。偏差由给定量(希望值，由上位机设定)与过程变量(实际值)之差来确定。连续系统PID调节的微分方程式由比例项、积分项和微分项3部分组成［3］。如式(1)所示。

式中，Y(t)是回路控制算法的输出;KC是回路增益;TI是积分时间常数;TD是微分时间常数;e(t)是误差(给定值与过程变量之差);Minitial是回路控制算法输出的初始值。

图5 系统程序流程图

3.2 上位机软件设计

上位机人机界面(HMI)的开发采用组态王KingView6.53软件。系统监控操作画面有多屏，系统设有欢迎画面、主菜单等，具体如下表2所示。

表2 上位机监控画面组成

图6给出了工艺流程画面。在工艺流程画面中，可以形象生动的反映现场阀门的启停状态，泵的启停状态，并均有颜色变化来显示其运行情况，如气动阀(或泵)开启时颜色为绿色，关闭时为红色［4］。内罩中循环风的流动也通过箭头显示出流动的方向和快慢。总之，画面中，主体设备位置确切，工作状态形象生动，各种参数“就地显示”，整个系统运行工况集于一屏，一目了然，为现场操作人员提供了方便。图7给出了炉温数据查询画面。