新型智能熱處理爐

楊 穎

（鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司，浙江 寧波 315207）

0 引言

三類容器屬于劇毒、高壓類容器，其工作壓力一般在（2.0～16.0）MPa，國家對該類容器熱處理質(zhì)量的要求也較高。熱處理爐主要用于對液氨貯罐、熱交換器及氮?dú)獍雀鞣N三類容器進(jìn)行熱處理。在對三類容器進(jìn)行熱處理時，熱處理系統(tǒng)的加熱速率、恒溫溫度和冷卻速率是決定熱處理質(zhì)量的幾個重要參數(shù)。操作人員要根據(jù)熱處理工藝要求一直監(jiān)視著熱處理爐中溫度的變化，要經(jīng)常調(diào)節(jié)熱處理熱處理爐進(jìn)氣量的大小以達(dá)到控制爐內(nèi)溫升速率或爐溫高低的目的。由于熱處理爐的容積較大（爐膛長12m、寬4m、高4m），常常會因為調(diào)節(jié)不當(dāng)造成熱處理爐內(nèi)各部分的溫差較大，影響了熱處理的質(zhì)量。在對三類容器設(shè)備的熱處理過程中，操作人員往往要對進(jìn)氣量進(jìn)行數(shù)十次的調(diào)整。這樣不僅增大了勞動強(qiáng)度，更重要的是由于熱處理爐進(jìn)氣量大小的調(diào)節(jié)幅度是操作人員憑經(jīng)驗來進(jìn)行控制的，且溫度變化的滯后性又很大，故常常會因為操作不當(dāng)而引起溫升速率偏離熱處理工藝要求過多（一般應(yīng)力退火工藝的溫升速率是100～150℃/h），從而使得被處理的設(shè)備可能會由于嚴(yán)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、碳化物粗厚等疵病。為提高熱處理過程的自動化程度，改善熱處理質(zhì)量，提出了采用STC12C2052AD單片機(jī)作為系統(tǒng)主控器件，利用軟件PID調(diào)節(jié)算法來實現(xiàn)對熱處理爐溫的智能控制，設(shè)計出一個新型的智能熱處理爐。

1 新型智能熱處理爐

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

新型智能熱處理爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。為實現(xiàn)對熱處理爐內(nèi)溫度的智能控制，首先要均勻控制智能熱處理爐的進(jìn)氣量，為此將原熱處理爐的一個進(jìn)氣點上只有一個噴嘴，改進(jìn)為一個進(jìn)氣點上有三個噴嘴（分別控制三個噴嘴的通斷可更靈活、均勻地控制進(jìn)氣量），這樣熱處理爐由原來的14個噴嘴增加至42個噴嘴。適當(dāng)調(diào)整每個噴嘴的直徑使總的進(jìn)氣量最大時約為原來的2倍，從而擴(kuò)展了可控溫度的范圍。控制系統(tǒng)在熱處理工作過程中視爐膛內(nèi)溫度的高低來決定打開幾個噴嘴。另外，為準(zhǔn)確反映爐內(nèi)溫度，爐內(nèi)溫度檢測點也由原來的爐膛左右各兩個變成左右各四個，再加頂部四個，總共設(shè)有12個溫度檢測點。由于單片機(jī)具有應(yīng)用靈活、可靠性好及性能/價格比高等特點，故系統(tǒng)選用了內(nèi)含A/D轉(zhuǎn)換功能的新型單片機(jī)STC12C2052AD作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、邏輯控制及實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)的主控器件；選用ZCZG高溫電磁閥作為進(jìn)氣控制的執(zhí)行元件。

圖1 新型智能熱處理爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

智能熱處理爐控制系統(tǒng)的人機(jī)對話功能由鍵盤、顯示器和聲光報警等模塊組成。鍵盤模塊用來完成對定熱處理爐爐溫的設(shè)定、系統(tǒng)的啟動、復(fù)位、進(jìn)氣通道的選擇和報警信號的整定等功能；通過鍵盤切換可方便地監(jiān)視爐內(nèi)任一個檢測點的溫度。系統(tǒng)的控制信號是根據(jù)傳感器所檢測到的溫度值與給定溫度值進(jìn)行PID運(yùn)算后得到一個寬度可調(diào)的脈沖信號，該信號經(jīng)I/O接口輸出，通過光電耦合隔離后對ZCZG高溫電磁閥進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)閥，靠壓差關(guān)閉主閥；當(dāng)系統(tǒng)溫升速率大于給定溫升速率或恒溫時溫度偏離給定范圍，系統(tǒng)都會為發(fā)出聲光報警。為便于事后分析爐內(nèi)各點溫度對設(shè)備熱處理效果的影響，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片數(shù)據(jù)存儲器用于存放熱處理過程中爐內(nèi)各點的溫度值。

1.3 軟件PID調(diào)節(jié)算法

在由數(shù)字PID調(diào)節(jié)算法來實現(xiàn)控制的系統(tǒng)中，PID調(diào)節(jié)器的控制已經(jīng)可以由軟件來實現(xiàn)，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加值，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(yùn)算時采用增量式算法，而輸出控制采用位置式算法。其運(yùn)算式為：

熱處理控制系統(tǒng)的調(diào)試過程中，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。簡單地用試湊法來整定PID的調(diào)節(jié)參數(shù)，需要進(jìn)行多次的模擬及現(xiàn)場試驗才能得到所需參數(shù)。若先將調(diào)節(jié)器設(shè)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(yīng)達(dá)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)驗公式就可以由以上兩個基準(zhǔn)參數(shù)求得不同類型調(diào)節(jié)器的參數(shù)見表1。考慮到控制對象是溫度，經(jīng)過反復(fù)的試驗最后確定比例常數(shù)Kp＝4.5、積分常數(shù)Ti＝9.0、微分常數(shù)Td＝2.16。PID調(diào)節(jié)算法中還有一個重要的參數(shù)：系統(tǒng)的采樣周期T。從物理意義上看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(yīng)快慢。理論上講采樣周期越短越好，但采樣周期過短，則有可能將高頻噪聲當(dāng)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＝18(s)。

表1 臨界比例法確定調(diào)節(jié)器參數(shù)

熱處理爐控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)算法是采用三字節(jié)的浮點數(shù)進(jìn)行運(yùn)算的，每個浮點數(shù)占用三個字節(jié)的RAM單元。首字節(jié)存放的是階碼，其中第7位存放數(shù)符、第6位存放階符、剩下6位存放階碼；其余二個字節(jié)存放尾數(shù)。

為提高熱處理爐控制系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)中除了在硬件方面采用濾波、屏蔽、光電隔離、設(shè)置了WatchDog電路外；在軟件方面也設(shè)立了軟件陷阱，用以克服可能的程序“跑飛”現(xiàn)象；在數(shù)據(jù)采集中則采用了適合溫度控制的中值濾波技術(shù)，以此來保證系統(tǒng)工作準(zhǔn)確性和可靠性。

2 熱處理爐控制系統(tǒng)的調(diào)試

在對新型智能熱處理爐進(jìn)行實際調(diào)試之前，要先借助于仿真機(jī)對系統(tǒng)的硬、軟件進(jìn)行仿真調(diào)試?？赏ㄟ^由電阻箱和直流電源構(gòu)成的電路來提供一個模擬溫度檢測輸出電壓變化的信號，并將該電壓送到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。若將電阻箱打到1250歐姆檔，對應(yīng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)整定為00H，相當(dāng)于智能熱處理爐剛開始加溫，于是單片機(jī)送出打開全部噴嘴進(jìn)氣的命令；若把電阻箱打到2000歐姆檔，相當(dāng)于智能熱處理爐已達(dá)到給定的最高工作溫度，對應(yīng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)為0FFH，于是單片機(jī)送出關(guān)閉全部噴嘴進(jìn)氣的命令；若使電阻箱的阻值在1250～2000歐姆之間變化，對應(yīng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)在00H～0FFH之間變化，單片機(jī)會根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)出關(guān)閉部分燃?xì)鈬娮爝M(jìn)氣的命令，保證智能熱處理爐中的溫度變化符合熱處理工藝的要求。

智能熱處理爐系統(tǒng)在進(jìn)行實際調(diào)試時首先要注意選擇性能良好的溫度檢測元件，它是決定智能熱處理爐控制系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵因素這一；另外，要利用軟件做好對非線性的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理的工作；A/D轉(zhuǎn)換器件的選擇也是影響系統(tǒng)性能的重要因素；為確保數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)不丟失，應(yīng)在數(shù)據(jù)存儲器上設(shè)計掉電保護(hù)電路；在實際調(diào)試時還要注意溫升速率和冷卻速率相關(guān)參數(shù)的整定，以使有關(guān)算法能符合實際系統(tǒng)的要求。

3 結(jié)束語

新型智能熱處理爐投入使用后，操作人員只需在對設(shè)備進(jìn)行熱處理前通過鍵盤輸入欲保溫的溫度值、恒溫的時間和允許的溫升速率等系統(tǒng)所需參數(shù)，之后系統(tǒng)就能自動地完成整個熱處理過程。這不僅大大降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，更重要的是由于采用了自動控制使得智能熱處理爐內(nèi)的溫差由原來的65～80度左右降低至50度以內(nèi) （一般對這種容積較大的智能熱處理爐，爐內(nèi)溫差在65度以內(nèi)就屬于允許范圍），從而保證設(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。

［1］李國彬,主編.熱處理工藝規(guī)范與數(shù)據(jù)手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2013-1-1.

［2］胡漢才,編著.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].3版.清華大學(xué)出版社,2010-5-1.

［3］鮮浩,等,編著.單片機(jī)原理及工程設(shè)計方法[M].國防工業(yè)出版社,2012-7-1.

［4］國家機(jī)械工業(yè)局.鋼制壓力容器焊接規(guī)程[S].國家石油和化學(xué)工業(yè)局,2000-8-15.