铁矿石冶金性能试验炉温度控制及数据采集处理系统

骆炜

摘 要：文章叙述采用计算机控制铁矿石冶金性能试验炉温度，试样被控点温度控制精度高，三段温度一致，确保为试验提供一段恒温区。同时试验数据自动采集，结果自动处理，自动保存，确保试验结果准确性。

关键词：设定曲线；PI调节；数据采集；数据处理

1 前言

某钢厂技术中心原有的铁矿石冶金性能试验炉温度控制采用传统模拟仪表，试验炉产生的热量通过热辐射、对流等形式传到试验区中央圆筒，需3分钟左右，滞后时间长，为一大滞后系统，模拟仪表控制效果不理想。本系统采用现代计算机技术对温度进行控制，整个试验阶段，被控温度始终稳定在设定温度±1℃，为科研试验提供了恒定的温度环境。同时试验数据自动记录，试验结果自动计算并自动保存，提高了工作效率和试验数据的准确性。

2 标准试验要求

试验炉电炉丝分上中下三组均匀布置，采用四根K型热电偶采集温度数据，升温时三段同时加热，标准试验要求精确控制试样层温度，并保证试样层全部处于恒温区间，即炉子上中下三段温度要保持一致。冶金性能试验主要包括：还原试验、还原粉化试验、还原膨胀试验，试验温度分两档：还原粉化试验为500℃，还原试验和还原膨胀试验900℃。试验准备阶段，以最快速度将炉体中心温度升到设定试验温度，同时保证上中下三段温度相同，确保试验恒温区。温度恒定后，试验开始。在整个试验阶段（还原粉化试验时间为1小时、还原试验3小时、还原膨胀试验时间2小时），中心温度始终稳定在设定温度±1℃范围内，三段温度仍然要保持一致。

3 系统组成

本系统硬件设备由研华模拟量输入模块ADAM4018+、模拟量输出模块ADAM4024、数字量输出模块ADAM4068、三台调功器、数据采集卡一块、工控机一台组成。模拟量输入模块采集温度信号送计算机进行处理、显示与控制。模拟量输出模块将计算机处理后的信号转换成4～20mA电流控制调功器，通过调功器控制三段电炉丝升温。数字量输出模块允许或禁止调功器工作。本系统软件采用亚控组态王软件以及KINGACT软件。组态王软件用来开发系统监控画面， KINGACT软件开发温度控制程序。计算机与研华模块通过数据采集卡，以RS485通讯方式进行数据采集、控制和处理。系统结构图如下：

4 温度控制方案

根据试验炉中心温度，按温度设定曲线输出控制电流A；同时三段温度相加取平均值，各段温度减去平均值，结果乘以系数K输出控制电流B；当中心温度与设定温度误差在±5℃以内时，加入PID控制，输出控制电流C；控制电流D=A+B+C（A、B、C为4～20mA电流）控制各段调功器，各段调功器输出交流电流I1、I2、I3控制各段温度，使中心温度稳定在设定温度±1℃范围内，同时三段温度保持一致。

4.1 升温段控制

根据试验炉中心温度，按温度设定曲线输出控制电流，设定曲线如下表：

升温阶段按给定曲线进行开环控制。给定曲线定义了升温阶段中心温度与输出电流的关系，即根据给定的升温曲线控制中心温度升温速率。中心温度在300℃以前输出100（20mA）电流控制调功器；温度在300℃～495℃之间时，输出电流从100（20mA）按升温曲线关系降到90（18.4mA），以此类推，输出电流按升温曲线随中心温度变化而变化，到500℃时输出电流大概在20（7.2mA）左右。900℃设定曲线意义与之相同。升温阶段采取按设定曲线升温措施后，能较好地控制试验炉升温速率。

4.2 恒温段控制

恒温段采取PI控制方式。以中心温度为目标，当中心温度接近设定温度时，即进入恒温段控制过程。恒温控制阶段，主要目标是稳定温度，减小稳态误差。加入PI控制器，利用比例积分作用对恒温阶段的温度进行微调控制，能使中心温度较快地进入设定温度±1℃范围内，从而能较快的进入试验阶段。

4.3 三段温度控制

为保证中心温度的恒温区，试验炉三段温度必须保持一致。程序中将试验炉每一段温度减去三段平均温度，其结果乘以系数K，与设定曲线输出控制电流相加，相加后的电流控制各段调功器。采用该方法后三段温度相差较小，试验炉整体温度均恒，炉内形成一个较好的恒温区环境，保证了中心圆筒的温度上下均恒和长时间稳定。控制效果如下：

5 数据采集处理系统

本系统的数据采集、存储记录系统包括两大部分：温度和重量。采集的数据读入到组态王画面，一部分数据直接显示在历史趋势、还原实验实时数据报表和历史报表中，一部分数据按照公式进行计算处理，填写报表。

5.1 温度数据采集

试验炉中心温度，三段温度通过输入模块采集到组态王监控系统中进行控制、显示，并存储在历史数据库中，可供输出报表和绘制历史趋势曲线。温度数据采集的速率和准确程度将直接影响程序对加热炉温度的调节与控制。

5.2 重量数据采集

还原实验的整个过程需记录样品减重重量和绘制时间-减重曲线，系统使用德国Sarturius天平，通过串口通讯将重量信号读入计算机，进行重量信号处理、显示、以及输出报表，并存储记录在历史数据库中。还原实验实时报表中，计算机采集以及处理后的数据都将自动填写在报表中，实验结束，可保存、打印实时报表。若实验时有些数据未知，则可在还原实验历史数据报表选择读取以前保存的实时报表，输入未曾输入参数，也可完成数据计算处理。处理后报表仍能以同一文件名保存，并可打印历史报表。

6 系统功能及主要画面

铁矿石冶金性能试验炉温度控制及数据采集处理系统主要由如下画面组成：

7 结果分析

通过系统硬件设计以及软件编制，该系统能够按要求实现预定目的，试验炉中心温度以及三段温度在升温过程中，速率稳定，曲线平滑；在恒温阶段，温度恒定，控制精度达到了T±1℃，能够满足用户和实验温度要求。在三个试验画面中，可显示试验炉三段的温度曲线以及中心温度曲线，四根曲线有明显的色彩进行区分。试验炉温度有历史趋势可以查询，曲线可以保存30天。试验时，能显示即时时间，试验结束有声音提示。工控机作为操作站，可监控现场各数据采集点的数值，相应设备的启停及调功器的输出给定都通过上位机来控制。手动方式时，可人工控制调功器输出，调节炉子温度。还原实验时，其减重重量可通过串口读到报表中，并能进行一定的处理。本控制系统具有操作简便，准确可靠，自动化程度高的特点。对温度和称量数据做到自动采集、处理和计算，自动绘制实验曲线，生成实验原始记录，整个系统中实现了显示、报警、控制等功能。系统控制精度高，满足工艺实验的要求，同时提高了控制系统的自动化水平，降低了操作员劳动强度。

参考文献

[1]组态王6.5使用手册.

[2]研华模块ADAM使用说明书.

[3]组态王6.5命令语言函数速查手册.