PDF《基于 PLC 的退火炉温度控制系统》

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36 卷第5期ol.

36 No.5

2010 年3月Ma 基于 PLC 的退火炉温度控制系统 李硕1,李鹏阳

2 (1. 电子科技大学自动化工程学院,成都 610054;

2. 西安理工大学机械与精密仪器工程学院,西安 710048) 摘要:退火炉是金属热处理中的重要设备,其温度控制的稳定性和控制精度直接影响产品的质量.以可编程逻辑控制器(PLC)为核心、 以组态软件和 VB 为开发工具, 结合某企业的实际需要开发燃气退火炉智能控制系统. 在该系统中, 天然气、 空气流量和炉压采用模糊 PID 控制,可对工艺参数进行设置,对控制过程数据实时显示,并能保存历史数据.实践证明该系统控制精高,退火质量好,能达到节能减排 的目的. 关键词:可编程逻辑控制器;

退火炉;

温度控制 Temperature Control System of Annealing Furnace Based on PLC LI Shuo1 , LI Peng-yang2 (1. School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054;

2. College of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi'

an University of Technology, Xi'

an 710048) 【Abstract】Annealing furnace is an important equipment in metal heat treatment whose stability of temperature control and accuracy of control directly affect the product quality. Aiming at the needs of an enterprise, an intelligent control system of gas-burning annealing furnace based on PLC is developed by selecting configuration software and VB as the development tools. Through this system, the parameters can be set, the process data can be displayed in time, and the historical data can be saved for later use. Experimental results show that this temperature control system has characteristics such as high-precision, good dynamic performance, excellent control effect, energy saving and emission reduction. 【Key words】Programmable Logic Controller(PLC);

annealing furnace;

temperature control 计算机工程Computer Engineering 第Vy2010 用技术与实现・ 文章编号:1000―3428(2010)05―0245―03 文献标识码:A 中图分类号:TP391 ・工程应

1 概述 退火是金属热处理中的重要工序,通过退火可以达到细 化组织、降低硬度、改善切削性能、消除内应力等目的.在 退火炉的运行过程中,需要检测并控制的参数较多,但基本 上都围绕温度这个核心.在燃气退火炉燃烧过程控制中,需 要克服控制对象的多变性、非线性、噪声、不对称增益、较 大纯滞后等多方面因素的影响,实现较精确的炉温和压力控 制[1] .根据统计分析,燃烧过程中空气过剩率控制要合适, 因此,控制系统应该通过控制空气和天然气的比例保持最佳 燃烧状态.此外,炉膛压力是随工况变化的,其变化影响炉 温和热效率.要维持稳定的炉温,还需对炉膛压力进行调节. 由此可见,要保证退火质量,实现最佳燃烧状态,控制系统 应包括以下组成部分:天然气、空气流量调节回路;

空气燃 气最佳比例调节回路;

炉膛压力调节回路.本文以燃气退火 炉为研究对象,结合某企业设备改造的需求,采用可编程逻 辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)和工控组态软 件以及 VB 语言完成对燃气退火炉的智能控制的开发,包括 硬件系统平台和软件系统平台.

2 退火工艺过程 退火是将钢件或各种机械零件加热到临界点 Ac3 以上的 适当温度、在炉内保温缓慢冷却的工艺方法.其目的是细化 组织、降低硬度、改善机械切削加工性能及去除内应力. 图1为某企业常用退火材料的工艺曲线,所要求的一般工作 情况是, 在一段时间内(如3.0 h~3.5 h)从常温较平稳地升温到 640℃~800℃之间的某一工艺要求温度(根据待退火材料的种 类而设定,常在 700℃左右),在此退火工艺温度下保温一段 时间(如5h).整个控制过程分为升温与保温

2 个阶段.升温 时,无须使实际升温曲线紧跟设定曲线,只要求温度曲线是 平稳上升的趋势;

保温阶段是控制的重点,为了获得好的退 火效果,需以尽量小的波动稳定在设定的保温温度,一般要 求限于±5℃范围内波动;

保温结束后要求缓慢随炉冷却,此 阶段无需控制.

150 0

900 750

600 450

300 温度 /( ℃ )

10 8

6 4

2 1 时间/h

2 0 图1某企业常用材料退火工艺曲线 某企业的燃气退火炉采用传统手动控制方式,在这种方 式下现场操作人员需不断地将炉温观测值与给定值做比较, 然后根据经验直接在操作器上手动设定天然气、空气和炉压 阀位,以增大或减小供给炉体的热量,使炉温保持给定温度. 但由于燃气退火炉的燃烧过程受到多种因素的干扰,因此即 使是经验丰富的操作工人, 也很难全面考虑各种因素的影响, 准确控制燃烧过程,常常造成产品质量不能保证.有时,对 助燃风调节的盲目性造成烟囱冒出大量黑烟和能量消耗过大 基金项目:陕西省自然科学基础研究计划基金资助项目(2006E123) 作者简介:李硕(1988-),女,学士,主研方向:测控技术;

李鹏阳,副教授 收稿日期:2009-12-21 E-mail:[email protected] 等,对环境造成污染.图2是该燃气退火炉改造前的一次退 火热处理的温度记录曲线,从曲线中不难看出,这种手动控 制时炉温波动大、控制精度低.实际生产中退火材料容易脱 碳,难以达到工艺要求,严重影响了退火质量,限制了该企 业的生产发展.

150 10

8 6

4 2

0 900

750 600

450 300

12 时间/h 温度 /( ℃ )

0 图2退火炉改造前一次退火热处理温度记录曲线

3 系统控制原理 模糊控制系统是一种自动控制系统,它是以模糊数学、 模糊语言形式以及模糊逻辑理论为基础,采用计算机控制技 术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统[2] .模糊控制原 理如图

3 所示. A/D 计算 控制 变量 模糊 量化 处理 模糊 控制 规则 模糊 决策 反模 糊化 处理 D/A 执行机构被控对象模糊控制器 传感器 给定值 输出值 + _ 图3模糊控制原理 燃气退火炉是一个复杂的受控对象,具有多参数、非线 性、时变性、纯滞后、多干扰等特点,对其进行精确的数学 建模非常困难,模糊控制不需要被控对象的精确数学模型, 并且可以引入专家经验,因此,可以较好地解决燃气退火炉 的温度控制问题.但由于单独使用模糊控制不易消除稳态误 差,且对控制器运算性能要求较高,而PID 算法简单又可以 较好地消除稳态误差, 因此本文将模糊控制与 PID 控制结合, 利用模糊控制实时修正 PID 参数,提高了系统的控制精度和 鲁棒性,其控制原理如图

4 所示,该方法实质是根据操作经 验与模糊理论, 在线自整定 PID 控制器的

3 个基本控制参数, 输出控制变量;

该控制器具备自适应性.若再对 ec 求导并将 其作为控制输入量,则变为三维模糊控制器.分析可得,模 糊控制器维数越高,控制精度固然越高,但控制规则必然越 复杂, 基于模糊合成推理的控制算法的计算机实现也越困难. 由于三维模糊控制器结构较复杂,推理运算时间长,因此本 文采用图

4 所示的二维结构. + _ PID 控制器 模糊推理 de/dt 被控对象 输出 误差e ec Kp Ki Kd 图4自整定........