PLC在熱處理爐控制系統(tǒng)中的應用

1 引言
工程公司主要生產(chǎn)液氯鋼瓶、液氨貯罐及氮氣包等各種三類容器。由于該類容器屬于劇毒、高壓類容器，其工作壓力一般在(2.0~16.0)MPa，因此對熱處理的要求也特別高。
公司原有熱處理爐的爐膛長12m、寬3.6m、高4m，熱處理爐共有14個加熱點，即14個燃氣噴嘴，左右兩側(cè)的下方各均勻地排列7個。另有4個溫度檢測點。在熱處理過程中，工人要密切注視著熱處理爐中溫度的變化，根據(jù)熱處理工藝要求及當前溫度值的大小，經(jīng)常調(diào)節(jié)進氣量的大小以達到控制爐溫高低的目的。由于熱處理爐的容積較大，故熱處理爐內(nèi)各部分的溫差也較大。在一次設(shè)備的熱處理過程中，工人往往要進行數(shù)十次進氣量的調(diào)整。這種控制方法不僅增大了工人的勞動強度，更重要的是熱處理爐進氣量調(diào)節(jié)的幅度是工人憑經(jīng)驗來進行控制的，加上溫度變化的滯后性較大，常常會因為操作不當而引起爐內(nèi)各處溫差較大或溫升速率偏離熱處理工藝要求過多(一般要求溫升速率為100℃/h)，使得被處理的設(shè)備可能會由于“嚴重網(wǎng)狀”而產(chǎn)生裂紋;有時也可能會因為加熱不足或過熱等現(xiàn)象，使得被處理的設(shè)備表現(xiàn)出硬度不足、球化不完全或晶粒粗大、碳化物粗厚等疵病。
熱處理質(zhì)量一般需要通過專門的儀器才能得到鑒定，而要對出廠的每一個設(shè)備都做這樣的鑒定是有一定困難的。所以熱處理質(zhì)量的好壞關(guān)系到設(shè)備使用的安全性能。為提高熱處理過程中的自動化程度，改善熱處理效果，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提出了對原有熱處理爐進行改造，設(shè)計一個新型的熱處理爐。
2 熱處理爐控制系統(tǒng)的設(shè)計
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
熱處理爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。為實現(xiàn)對熱處理爐進氣量的均勻控制，將原來1個點上只有1個噴嘴改成1個點上有3個噴嘴，這樣熱處理爐由原來的14個噴嘴增加至42個噴嘴。但總的進氣量基本保持不變。熱處理爐控制系統(tǒng)在工作中視爐內(nèi)溫度的高低來決定打開幾個噴嘴。另外，為準確反映爐內(nèi)溫度，溫度檢測點也由原來的左右各2個變成左右各4個，再加頂部4個，總共有12個溫度檢測點。系統(tǒng)選用日本三菱公司的FX2N-128MR作為數(shù)據(jù)采集、邏輯控制及實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)的主控單元;選用上海嘉松機器有限公司生產(chǎn)的ZCZG高溫電磁閥作為進氣控制的執(zhí)行元件。

圖1 熱處理爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)人機對話功能模塊由BCD碼撥盤、顯示模塊和聲光報警等部分組成。BCD碼撥盤用來完成給定溫度的設(shè)定和溫度檢測點的選擇等功能;通過BCD碼撥盤的切換可顯示爐內(nèi)任一個溫度檢測點的溫度;系統(tǒng)的控制信號是根據(jù)傳感器所檢測到的溫度與給定溫度進行PID運算后直接驅(qū)動可控硅對ZCZG高溫電磁閥進行控制;電磁閥通電后，閥中的連桿被提升，之后轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動并作用于導閥從而打開主閥，斷電后，在銜鐵自重及返回彈簧作用下關(guān)上導閥，靠壓差關(guān)閉主閥;當系統(tǒng)檢測到溫升速率大于給定溫升速率或恒溫時溫度偏離允許的范圍，系統(tǒng)都會為發(fā)出聲光報警。
2.3 PID調(diào)節(jié)算法及系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)定
在由數(shù)字PID調(diào)節(jié)算法來實現(xiàn)控制的系統(tǒng)中，過程控制對象需要的是控制對象的絕對值，而不是其增量。目前常用的PID調(diào)節(jié)算法有位置式算法和增量式算法兩種。位置式算法每次輸出均與整個過去的狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去誤差的累計值，因此容易產(chǎn)生較大的積累誤差。而增量式PID算法只需要計算其增量，計算誤差或精度不足對控制量的影響相對較小。故系統(tǒng)數(shù)據(jù)運算時采用增量式算法，而輸出控制采用位置式算法。其運算式為:

PID調(diào)節(jié)算法中參數(shù)的選擇是關(guān)系到PID調(diào)節(jié)性能好壞的關(guān)鍵所在。若簡單地用試湊法來整定PID的調(diào)節(jié)參數(shù)，需要進行多次的模擬或現(xiàn)場試驗才能得到所需參數(shù)。若先將調(diào)節(jié)器選為純比例調(diào)節(jié)器，并使之形成閉環(huán)，再根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)對階躍輸入響應達到臨界振蕩狀態(tài)，這時的比例系數(shù)記為Kr，臨界振蕩的周期記為Tr。根據(jù)齊格勒－尼柯爾斯(Ziegle-Nichols)提供的經(jīng)驗公式，可求得不同類型調(diào)節(jié)器的參數(shù)。考慮到控制對象的特點，經(jīng)過試驗，最后確定比例常數(shù)Kp=4.5、積分常數(shù)Ti=8.0、微分常數(shù)Td=2.8。
系統(tǒng)的采樣周期T也是PID調(diào)節(jié)算法中的重要參數(shù):從物理意義上講采樣周期的大小取決于被控參數(shù)的變化速率和被控過程對控制量的響應快慢。從理論上講采樣周期越短越好，但若采樣周期過短，則有可能將高頻噪聲當作有用信號引入系統(tǒng)，至使系統(tǒng)發(fā)生不必要的升階。系統(tǒng)實際選取的采樣周期T=18s。
3 可控熱處理爐控制系統(tǒng)的調(diào)試
首先，在PLC的輸入X0－X77加開關(guān)量，看PLC上X0－X77相應的燈是否亮。再通過三菱編程軟件FXGP_WIN_C強制輸出Y0－Y77，看PLC上Y0－Y77相應的燈是否亮。由此鑒定PLC本身的性能好壞。
接著，可用電阻箱來模擬溫度檢測模塊輸出的變化情況。把電阻箱打到1000Ω檔，相當于熱處理爐剛開始加溫，于是PLC送出打開全部噴嘴進氣的命令;把電阻箱打到2000Ω檔，相當于熱處理爐已達到給定的最高工作溫度，PLC送出關(guān)閉全部噴嘴進氣的命令;若使電阻箱的阻值在1250～2000Ω之間變化，PLC根據(jù)當前數(shù)據(jù)及PID運算的結(jié)果，發(fā)出關(guān)閉部分燃氣噴嘴進氣的命令，以保證熱處理爐中的溫度符合熱處理工藝的要求。
4 結(jié)束語
新型熱處理爐投入使用后，工人只需在設(shè)備進行熱處理前通過BCD碼撥盤輸入欲保溫的溫度值、恒溫的時間和允許的溫升速率，系統(tǒng)就能自動地完成整個熱處理過程。這不僅大大降低了工人的勞動強度，更重要的是它能使設(shè)備的熱處理效果更符合熱處理工藝的要求，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。