連續(xù)式熱處理調(diào)質(zhì)PLC溫度模糊控制系統(tǒng)

黃 偉，黃甦昕

HUANG Wei1, HUANG Su-xin2

（1. 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，句容 212400；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 徐海學(xué)院，徐州 221008）

連續(xù)式熱處理調(diào)質(zhì)PLC溫度模糊控制系統(tǒng)

Temperature fuzzy control of quench and tempering furnace based on PLC

黃 偉1，黃甦昕2

HUANG Wei1, HUANG Su-xin2

（1. 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，句容 212400；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 徐海學(xué)院，徐州 221008）

本文介紹了連續(xù)調(diào)質(zhì)爐進(jìn)行鏈條調(diào)質(zhì)的工作過(guò)程和溫度控制精度要求，用三菱FX3U系列PLC實(shí)現(xiàn)溫度模糊控制，提出了模糊控制與狀態(tài)區(qū)間轉(zhuǎn)換思路及邏輯運(yùn)算的編程方法。系統(tǒng)控制實(shí)際精度滿足工藝要求，運(yùn)行可靠。

連續(xù)調(diào)質(zhì)爐；溫度；模糊控制；PLC

1 調(diào)質(zhì)工件的生產(chǎn)工藝流程

調(diào)質(zhì)處理的設(shè)備為調(diào)質(zhì)爐，調(diào)質(zhì)是熱處理的一個(gè)工藝過(guò)程，連續(xù)調(diào)質(zhì)處理包括淬火和回火兩個(gè)過(guò)程，淬火就是將工件加熱至工藝溫度，然后在水或油介質(zhì)中快速冷卻，回火是將工件加熱至工藝溫度然后在空氣中自然冷卻的過(guò)程，上述兩個(gè)過(guò)程分別連續(xù)完成即完成了連續(xù)調(diào)質(zhì)處理。連續(xù)調(diào)質(zhì)就被處理的工件是理論上連續(xù)無(wú)限長(zhǎng)的，熱處理的過(guò)程是工件在調(diào)質(zhì)爐中慢速連續(xù)運(yùn)行的過(guò)程，因此連續(xù)調(diào)質(zhì)過(guò)程熱處理工藝復(fù)雜。調(diào)質(zhì)處理過(guò)程的關(guān)鍵在于溫度控制。

需要調(diào)質(zhì)的工件材料是直徑22m/m～120 m/m的棒材按照如下過(guò)程生產(chǎn)成符合GB549-1995標(biāo)準(zhǔn)的鏈環(huán)鏈條產(chǎn)品：

1）將相應(yīng)直徑的棒材按照工藝要求下料，其長(zhǎng)度L=6D，其中D為兩頭半圓圓形的直徑；

2）在350KVA電加熱設(shè)備上將長(zhǎng)度L的棒材電阻加熱至700℃～800℃，便于折彎；

3）在折彎單機(jī)設(shè)備上將熱的棒材彎成兩頭為半圓形狀、中間局部為直線型整體為橢圓的連環(huán)產(chǎn)品；

4）在250KVA大功率閃光對(duì)焊機(jī)上進(jìn)行預(yù)熱連續(xù)閃光對(duì)焊焊接，將橢圓的連環(huán)形狀的接頭處焊接牢固。閃光對(duì)焊屬于電阻焊接的范疇。

5）在削刺單機(jī)設(shè)備上將焊縫處的焊接毛刺修整掉，使產(chǎn)品整體表面光滑美觀。

以上即完成了一個(gè)連環(huán)的制造過(guò)程，連續(xù)的連環(huán)產(chǎn)品生產(chǎn)即構(gòu)成了完整的鏈條。該生產(chǎn)線的每一個(gè)單機(jī)均為大型機(jī)電液壓一體化設(shè)備。

鏈環(huán)經(jīng)過(guò)閃光對(duì)焊焊接及折彎變形，產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，為消除內(nèi)應(yīng)力并提高鏈環(huán)整體的機(jī)械性能和延伸效果，要進(jìn)行熱處理，熱處理由連續(xù)調(diào)質(zhì)爐完成。鏈條產(chǎn)品才符合海洋工程的強(qiáng)度要求。

2 調(diào)質(zhì)爐構(gòu)造介紹

大容量連續(xù)式調(diào)質(zhì)爐由淬火爐和回火爐組成，兩爐近靠，立式結(jié)構(gòu)，爐體高約12.5米，中心線高約11米，淬火爐下方設(shè)有大容積容器，存放冷卻介質(zhì)。淬火過(guò)程要求加熱升溫快、溫度高，但溫度控制精度要求不很高；回火過(guò)程要求升溫速度較慢，保溫時(shí)間長(zhǎng)，溫度控制精度高，因此淬火爐采用油加熱，回火爐采用電加熱。由于爐體容積大，為提高溫度控制精度和調(diào)節(jié)方便，回火爐爐壁內(nèi)砌分區(qū)布置大功率電阻絲。根據(jù)測(cè)算，由上而下共分8個(gè)區(qū)，其中1區(qū)～4區(qū)，每區(qū)電功率90KW，計(jì)360KW；5區(qū)～8區(qū)，每區(qū)電功率75KW，計(jì)300KW，共660KW。鏈條從淬火爐下方由傳送機(jī)構(gòu)傳送進(jìn)爐，在爐體內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)爐頂導(dǎo)輪，再在爐體內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)，然后出淬火爐，完成了淬火加熱過(guò)程，出爐的同時(shí)在水介質(zhì)中快速降溫冷卻，然后由傳送機(jī)構(gòu)送入回火爐，在回火爐體內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)爐頂導(dǎo)輪，再在爐體內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)，出回火爐后，在空氣介質(zhì)中自然冷卻，完成了回火處理，即為鏈條的整個(gè)調(diào)質(zhì)過(guò)程。鏈條的運(yùn)動(dòng)速度由工藝決定并能夠調(diào)節(jié)。淬火爐和回火爐的溫度根據(jù)產(chǎn)品工藝調(diào)整，淬火爐溫度在1100℃左右，溫度絕對(duì)誤差≤±10℃，即相對(duì)誤差≤±1%，回火爐溫度在800℃左右，溫度絕對(duì)誤差≤±5℃，相對(duì)誤差基本達(dá)到±0.5%，控制精度較高。溫度控制過(guò)程包括升溫—保溫階段，保溫階段時(shí)間長(zhǎng)，要求溫度恒定，誤差不能超過(guò)±5℃，由于加熱工件在爐體中連續(xù)緩慢運(yùn)動(dòng)，影響爐中的溫度，因此控制難度大。

3 控制方式確定

溫度控制擬可采用以下方式：

1）采用PID調(diào)節(jié)，具有控制方便等優(yōu)點(diǎn)，可以提高溫度控制精度，但考慮到鏈條在運(yùn)動(dòng)中，加熱分區(qū)多，可能不同區(qū)域的溫度相互影響，調(diào)節(jié)困難，效果難確定，而且控制系統(tǒng)構(gòu)成成本高。特別是，采用500A可控硅元件調(diào)節(jié)加熱功率，由功率控制單元的信號(hào)控制可控硅元件的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。由于回火爐內(nèi)部整個(gè)周圍布滿了大直徑加熱電阻絲，鏈條在爐中的運(yùn)動(dòng)速度緩慢，相當(dāng)于大電感中加了鐵芯，狀態(tài)復(fù)雜，控制困難，經(jīng)常產(chǎn)生可控硅元件擊穿。

2）分析FX3U系列PLC控制功能，結(jié)合溫度控制特點(diǎn)，將溫度控制范圍區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，用邏輯功能實(shí)現(xiàn)細(xì)分的溫度區(qū)域狀態(tài)控制，實(shí)質(zhì)上用PLC構(gòu)成溫度模糊控制系統(tǒng)。模糊控制不需要精確的公式，是基于經(jīng)驗(yàn)得出控制規(guī)則。

3）PLC的強(qiáng)大功能是邏輯控制，可以將溫度的模糊控制狀態(tài)轉(zhuǎn)變成開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)，再通過(guò)固態(tài)繼電器控制大功率加熱元件的通/斷，可靠方便。

三菱FX3U系列PLC的指令豐富，專用的溫度控制模塊FX3U-4AD-TC-ADP，可以選擇K型熱點(diǎn)偶與之配套，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度控制滿足控制工藝要求。

4 模糊控制原理介紹

模糊控制的核心是利用模糊理論，將人的控制策略的自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為PLC的知識(shí)庫(kù)和程序，模擬人的思維，對(duì)一些無(wú)法構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型被控對(duì)象達(dá)到有效控制。

在模糊控制器中，就是將確定輸入模糊化，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模糊子集，根據(jù)工藝要求及產(chǎn)品特性，我們將該模糊化過(guò)程按照偏差劃分為7個(gè)子集，即表示為e={NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}，其中NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL分別表示負(fù)大偏差、負(fù)中偏差、負(fù)小偏差、零偏差、正小偏差、正中偏差、正大偏差。

調(diào)質(zhì)爐中的溫度通過(guò)大功率電阻絲加熱產(chǎn)生，每個(gè)區(qū)域的電阻絲功率分別是60KW或75KW，調(diào)節(jié)電阻絲的發(fā)熱功率，即可控制爐中的溫度，而調(diào)節(jié)電阻絲發(fā)熱功率的依據(jù)就是爐

中的實(shí)際測(cè)量的溫度與工藝設(shè)定溫度之間的偏差，通過(guò)功率調(diào)整單元實(shí)現(xiàn)加熱功率的調(diào)節(jié)，從而使?fàn)t中溫度符合工藝要求。

5 控制系統(tǒng)構(gòu)成與溫度采樣

結(jié)合工藝要求和現(xiàn)場(chǎng)的具體環(huán)境，確定用三菱FX3U-48MT PLC晶體管輸出的基本單元和2臺(tái)特殊功能單元FX3U-4AD-TC-ADP構(gòu)成控制系統(tǒng)。

5.1 控制單元性能

三菱FX3U系列PLC產(chǎn)品剛剛推出，體積小，功能強(qiáng)大，具有其他產(chǎn)品中大型規(guī)模檔次的部分功能。

溫度控制模塊FX3U-4AD-TC-ADP有4路溫度測(cè)量輸入通道，有4個(gè)K型或J型熱電偶的信號(hào)輸入到PLC。選擇K型熱電偶作為溫度輸入，K型熱電偶分辨率為0.4℃，綜合精度可達(dá)到±（0.5%滿量程+1℃），額定溫度范圍為-100～+1000℃，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出為-1000～+10000。

調(diào)質(zhì)爐的回火部分共分為8個(gè)加熱區(qū)，每個(gè)FX3U-4AD-TC-ADP單元有4路輸入，用三菱FX3U-48MT基本單元和2臺(tái)溫度控制特殊功能單元FX3U-4AD-TC-ADP構(gòu)成控制系統(tǒng)。

5.2 溫度補(bǔ)償

通過(guò)熱電偶測(cè)量溫度，存在溫度誤差，因此必須對(duì)熱電偶冷端補(bǔ)償。工藝溫度在800℃左右，采用KX或KC等型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線即能滿足要求，一般長(zhǎng)度不超過(guò)50米。

5.3 溫度采樣設(shè)定

由于熱處理現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，加熱區(qū)域多，存在較多的干擾。為提高采樣精度，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和模糊控制前，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。濾波的方法是對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量取平均值。對(duì)8個(gè)加熱區(qū)域中，每個(gè)區(qū)域安裝一個(gè)測(cè)量熱電偶，第一個(gè)FX3U-4AD-TC-ADP模塊的4個(gè)熱電偶測(cè)量加熱1區(qū)～4區(qū)，第二個(gè)FX3U-4AD-TCADP模塊的4個(gè)熱電偶測(cè)量加熱5區(qū)～8區(qū)?；締卧狥X3U-48MT和2臺(tái)特殊功能單元FX3U-4ADTC-ADP構(gòu)成控制單元時(shí)，第一個(gè)FX3U-4AD-TC-ADP模塊緊靠基本單元接于左端，功能模塊編號(hào)為1#，特殊輔助繼電器M8260的ON/OFF狀態(tài)選擇測(cè)量溫度為華氏或攝氏單位，M8261的ON/OFF選擇測(cè)量溫度的熱電偶為K型或J型，數(shù)據(jù)寄存器D8264～D8267為第一通道至第四通道設(shè)定采樣次數(shù)的平均值，D8260～D8263為第一功能模塊第一通道至第四通道采樣值。第二個(gè)FX3U-4AD-TCADP模塊接于第一個(gè)溫度模塊的左端，功能模塊編號(hào)為2#，特殊輔助繼電器M8270的ON/OFF選擇測(cè)量溫度為華氏或攝氏單位，M8271的ON/OFF選擇測(cè)量溫度的熱電偶為K型或J型，數(shù)據(jù)寄存器D8274～D8277為第一通道至第四通道設(shè)定采樣次數(shù)的平均值，D8270～D8273為第二功能模塊的第一通道至第四通道采樣值?？紤]到爐體空間較大，溫度的慣性大，每個(gè)通道溫度采樣32次后再取平均值作為測(cè)量輸入，8個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕既窟x擇K型作為溫度測(cè)量輸入，溫度測(cè)量設(shè)定如圖1所示，1#模塊4個(gè)通道溫度采樣設(shè)定32次采樣處理特殊輸入單元分別為D8264、D8265、D8266和 D8267。

5.4 溫度測(cè)量輸入

2個(gè)溫度功能模塊的8個(gè)測(cè)量輸入通道的輸入方式設(shè)為采樣輸入平均值，1#溫度功能模塊的4個(gè)加熱區(qū)測(cè)量實(shí)時(shí)溫度平均值送到D10～D13，2#溫度功能模塊的4個(gè)加熱區(qū)測(cè)量實(shí)時(shí)溫度平均值送到D20～D23。將實(shí)際溫度與設(shè)定工藝溫度比較，求出偏差e,并將該偏差e送入數(shù)據(jù)寄存器中，加熱1區(qū)～4區(qū)的偏差存放于D50～D53中，加熱5區(qū)～8區(qū)的偏差存放于D50～D57中。1#溫度功能模塊的溫度測(cè)量輸入如圖2所示。

圖1 1#模塊4個(gè)通道的溫度測(cè)量設(shè)定

圖2 溫度測(cè)量輸入

6 程序編制

6.1 模糊化量推理過(guò)程

根據(jù)調(diào)質(zhì)爐的特點(diǎn)和熱處理工藝要求，確定模糊控制器的偏差輸入量e的范圍為[-20℃，+20℃]，模糊子集為{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}，也就是負(fù)大偏差、負(fù)中偏差、負(fù)小偏差、零偏差、正小偏差、正中偏差、正大偏差，即可以得出模糊控制推理規(guī)則。

為分析方便，僅以1#模塊的第一通道為例。根據(jù)溫度調(diào)整的實(shí)際，按照模糊控制推理規(guī)則，確定幾個(gè)偏差點(diǎn)溫度值存放于PLC數(shù)據(jù)寄存器D60～D65中，用實(shí)際測(cè)量的溫度偏差e（即寄存器D50中的數(shù)據(jù)）與D60～D65中的值比較，比較得到的結(jié)果確定偏差的隸屬度，可以得出相應(yīng)的偏差模糊化量。因此得出區(qū)域的比較模糊化量、比較范圍和偏差數(shù)據(jù)寄存器的示意圖見(jiàn)圖3。

區(qū)域比較的模糊化量 NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL

偏差比較點(diǎn)的數(shù)據(jù)寄存器設(shè)定 D60、D61、D62、D63、D64、D65

圖3 偏差比較范圍示意圖

6.2 程序編制

從上分析可知，模糊化量就是不需要確定溫度的精確數(shù)，而是確定了測(cè)量溫度與工藝設(shè)定溫度之間的差值范圍，將連續(xù)量轉(zhuǎn)化為滿足工藝要求的區(qū)域范圍，通過(guò)程序編程，實(shí)現(xiàn)溫度控制。

如果將區(qū)域范圍看成一種狀態(tài)，以上可以得到相應(yīng)的不同狀態(tài)，利用PLC的輔助繼電器，可以非常方便的將模糊化的量轉(zhuǎn)化為輔助繼電器的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際上將溫度連續(xù)的物理量轉(zhuǎn)化為邏輯量運(yùn)算，再利用PLC的強(qiáng)大的邏輯量運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。狀態(tài)是一個(gè)溫度范圍，F(xiàn)X3U系列PLC采用區(qū)間比較指令與比較指令，即可方便完成狀態(tài)的比較。如圖4為模糊化的狀態(tài)比較程序

6.3 程序調(diào)試

在調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)熱處理工藝要求，不斷地調(diào)整NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL的區(qū)間范圍，逐步滿足工藝。

圖4 模糊化的狀態(tài)比較程序

7 加熱功率控制

連續(xù)式調(diào)質(zhì)爐有8個(gè)電加熱區(qū)，電加熱元件功率大，控制元件選用300A的交流固態(tài)繼電器,模糊控制程序轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC輔助繼電器的不同狀態(tài),進(jìn)行邏輯運(yùn)算,這是PLC最強(qiáng)大最方便的控制功能, 邏輯運(yùn)算通過(guò)輸出繼電器驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器的通/斷,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電加熱撕的功率。

采用上述辦法實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)質(zhì)過(guò)程回火處理溫度控制,實(shí)際控制溫度偏差≤±5℃，溫度精度符合熱處理工藝要求，控制成本低，控制裝置體積小，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

[1] 三菱公司.FX3U、FX3UC可編程控制器用戶手冊(cè)[模擬量控制篇] [Z].2006.

[2] 三菱公司.FX3U、FX3UC可編程控制器編程手冊(cè)[基本·應(yīng)用指令說(shuō)明書(shū)] [Z].2005.

[3] 宋伯生.PLC編程實(shí)用指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

N945.13

B

1009-0134(2010)11(下)-0124-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).44

2010-09-13

黃偉（1962 -），男，江蘇鎮(zhèn)江人，副教授，學(xué)士，研究方向?yàn)樯a(chǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。