铝箔连续退火炉控制系统介绍

2017-04-08徐锦华陈清罗华

电脑知识与技术 2017年5期

徐锦华　陈清　罗华

摘要：在铝箔退火生产过程中，常使用单体立式的退火炉，不但能耗高，而且各工艺段的温度控制时滞性差，导致退火生产效率低。该文重点介绍设计了新型连续式退火炉系统的基本构造、控制原理，简述了实际应用中涉及的全局直接补偿与全局线性补偿优化控制策略，并总结了生产实践中的优缺点，对退火炉的后续改进具有指导意义。

关键词：连续退火炉；温度控制；控制系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）05-0216-03

Abstract： In the process of aluminum foil annealing， the vertical annealing furnace is often used， which not only has high energy consumption， but also has poor temperature control delay， which leads to the low efficiency of annealing production. This paper focuses on the design of the basic structure， a new kind of continuous annealing furnace control system principle， the global application relates to the direct compensation and global linear compensation control strategy optimization， and summarizes the advantages and disadvantages of production practice， which provides guidance for the further improvement of annealing furnace.

Key words： continuous of annealing furnace； temperature control； control system

1 背景

退火爐是铝箔生产的最后一个主要程序热处理，它作为铝箔生产的至关重要的步骤，可以优化铝箔的性能，在产品的质量和效率方面有显著的影响。退火炉在这重要的岗位上，对公司起着节能省钱的作用，所以退火炉的温度如果把握好就有助于生产效率和产品质量提高以及减少耗能。退火炉的炉温如果没有把握好，很容易导致产品不合格，达不到要求[1]。

在铝箔退火生产过程中，常用使用单体立式的退火炉，整个退火工艺完全在一个炉体内完成。这样的退火方式，不但能耗高，而且各工艺段的温度控制时滞性差，导致退火生产效率低。本文设计的连续式退火炉系统是基于流水线生产的原理，依据铝箔的退火工艺要求，由多个单体炉组成的，可连续实现铝箔退火工艺从升温、保温、降温等过程的自动温控退火炉系统，能统筹控制单个退火工艺环节的铝箔温度，从而有效节省能耗，提高退火生产效率，温度均匀性好。

2 退火炉结构原理

2.1 常用单体退火炉结构

立式退火炉一般由热风机、温度控制器、炉体、温度传感器等构成。如图1所示，当

物料在退火炉内退火时，温度控制器根据不

同的工艺段温度设定值，自动控制调节炉内温度。

2.2 连续退火炉结构

简单地说，连续退火炉就是由多个单体炉拼凑而成的，可一次实现整个退火工艺的退火系统。如图2所示，连续退火炉根据铝箔退火工艺，分为进料口、升温区、保温区、降温区、出料口等区，每个区根据退火工艺

需求由多个单炉体组成，各炉体之间由可升降隔离门分断，保证炉体温度控制的独立性。由于整个退火工艺的连贯性、以及所有炉体的全局可控性，从而连续退火炉极大的提供了生产效率与热能利用率。

3 退火炉控制原理

3.1 单体退火炉控制原理

退火炉作为典型的温度控制系统，具有时滞特性。

如图3所示，单炉体温度控制系统由PID温度控制器、热风机、温度检测反馈等组成。温度设定由上位机PLC给定，温度反馈由2路热电偶提供，实现一用一备，通过调节炉体供热的热风机出风口温度来实现炉体温度的可控性。

3.2 连续退火炉控制原理

如图4 所示，连续退火炉控制系统由整个工艺段单炉体的控制器单元组成，单炉体温度控制原理类似，主PLC实现控制信息集中采集、分析、决策、存储。由于温度控制的时滞性问题存在、以及退火工艺过程已连贯性实现，从而要求主PLC控制系统具备温度超前控制优化策略设计。

4 电控系统硬件设计

本系统的硬件设置如图5所示，在工控机上运行罗克韦尔的RSVIEW32监控软件，通过以太网与连续退火炉控制器通讯；温度控制单元由欧姆龙的可编程控制器、欧姆龙温控智能仪表、以及数字量、模拟量输入输出模块组成。欧姆龙PLC与温控智能仪表之间通过485通讯连接，实现温度控制参数的读写操作。电加热系统通过上位机设定温度值后，每个加温区配置2只热电偶，一用一备的设计反馈给控制器，由温控智能仪表驱动台湾的桦特调功器输出驱动各区加热风机，根据热电偶反馈值进行温度自动调节。

系统还配置了调节负压、温度、排污等管路调节阀，由控制器输出模拟量信号来进行动作，可实现自动、手动灵活操作。

5 电控系统软件设计

5.1 单炉体单元的温度控制

如图3所示，单体炉的温控控制单元是以循环热空气为控制对象，通过PID调节器控制热风机加热丝来调节热风温度，从而实现炉体内温度的稳定、可控。但退火炉的炉温设定值要随着物料规格、工艺参数的改变而进行调整，进而影响到炉温稳定性。

主控制PLC通过将炉体温度的实际值为参考进行简单计算，限制热风温度设定值的上下波动幅度控制在合理值以内，以有效保证无论在过渡情况下还是在稳态情况下，炉体温度都能保持一个较好的稳定性。

PID控制器[2]对温度系统进行控制，通常不需要微分作用。如果加入微分作用，微小的炉温控制器输出变化都会引起可控硅开度的大幅度变化，进而影响到控制的效果。热电偶温度检测处于炉体中，主要用于对物料炉体内的温度进行检测，然后在主控制器中经过滤波处理后，参与控制策略运行，最后修改PID控制器的设定值。

5.2 炉体的全局补偿策略[3]

本文根据实际生产经验，重点介绍两种料温统筹控制补偿策略，结合不同炉温工艺条件下的料温经验值，通过对各炉段温控控制器的设定值补偿来实现退火物料料温的精确控制。

5.2.1 直接补偿法

主PLC控制器基于工艺经验值对各炉体温度控制器设定值进行修正，通过改变单炉体炉温控制温度来达到控制物料料温的目的，如图6所示。

图6以升温段前4区为列，SP为主控PLC在退火工艺段的基准温度设定值，由人为或自动程序设置；MV0为人工经验获取的不同炉温工艺条件下物料与炉温的保温时间的变化关系后，经主控制器全局统筹原则修正作用于温控器控制的补偿输出。

这种补偿策略将人工经驗获取的料温变化所需的能量变化平均分布到各个炉区，因而各炉区的温控波动相对比较小，有利于炉体温度稳定。但是人工经验毕竟存在缺陷，在不同物料的温度退火时，这种经验式的各区均衡补偿可能会成为一种扰动，从而影响单炉体的温度稳定性。各区的炉温波动之间相互影响，从而大大增加炉温稳定调整时间，影响物料的退火质量。

5.2.2 线性补偿法

为了克服直接补偿法对整个炉区炉温影响大、炉温调整滞后的缺点，参考人工智能策略，根据炉区对物料影响的大小，将主控制器对温控仪表的设定值的补偿分段作用于各个炉区。

同样以升温段前4区为列，当炉内能量交换达到平衡后，物料温度本身波动就比较小。当各炉体温度控制器输出调节值很小时，只需对第4区的炉体温度控制器进行修正即可达到对物料温度的修正；当炉内负荷波动变化较大时，比如新物料加入时，能量交换需求巨大，故此时需对第1、2、3、4区炉体温度控制器均进行差异修正，通过这种方式可以减小对炉区温度的影响，大大缩减炉温调整的时间，提供生产效率。

如图7所示，主控制器修正的时间t，修正量MV1、MV2、MV3、MV4等均由上位机控制系统中，根据以往人工生产经验建立的人工智能专家库数据提供，并可随时调整优化后，供主控制器读取，实现温度控制的人工智能超前控制优化。

由于这种优化策略也是基于人工经验建立的专家库系统，故在调试过程中只能得出一些特定物料的退火控制工艺参数修正值，需人工在后续生产过程中，根据经验对新产品优化策略参数不断完善、补充。

6 连续退火炉的使用优缺点

通过实际生产实践，连续退火炉系统具有以下特点：

1）通过流水线生产方式的退火工艺，可以极大的提供生产效率，降低能耗；

2）由于极大的细化各工艺环节的时间、温度控制，能很好地改进温度控制的均匀性、可控性，降低铝箔退火的废品率；

3）通过加入全局优化补偿控制策略后，相比简单的PID温度控制方式，能较好的优化温度滞后的缺陷，减少人工干预的次数，提供设备自动化水平；

4）由于炉体只有一进一出的物料口，当生产过程出现异常情况时，不能及时将中间炉体中的物料转运出来，存在增大了一次废品量的概率。

7 结束语

本文主要简单介绍铝箔连续退火炉的结构、控制系统原理，简述了基于人工智能专家库系统的退火优化补偿策略思想，并对实际生产使用过程中优缺点进行了总结。由于此设计是源于生产实践，设计实施于生产实践，因此具有较高的改进指导意义。

参考文献：

[1] 李伟. PLC 在电加热退火炉温度控制中的应用[J]. 技术应用， 2015（20）.