基于PLC和組態(tài)王的鐘罩爐溫度控制系統(tǒng)*

魏翠琴，張建斌

(1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000;2.湖州遠來工控有限公司，浙江 湖州 313000)

鐘罩爐廣泛應(yīng)用于磁性材料、電子陶瓷元件、粉末冶金等產(chǎn)品的預(yù)燒和燒結(jié)，也可以滿足特種電子陶瓷元件在保護氣氛下燒結(jié)之用。溫度是工業(yè)控制對象中的主要被控參數(shù)之一，常用的溫度控制方式有溫控儀表控制、溫控模塊控制、PLC控制和PID調(diào)節(jié)器控制等。其中，儀表通訊慢，跟隨性差;溫控模塊造價高;PID調(diào)節(jié)器魯棒性強，即其控制品質(zhì)對環(huán)境條件變化和被控對象參數(shù)的變化不太敏感，常用在系統(tǒng)性能要求較高的場合。本文應(yīng)用歐姆龍PLC的自整定PID運算，實現(xiàn)加熱爐退火系統(tǒng)的溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，性價比高。使控制器能夠根據(jù)運行環(huán)境的變化，適時地改變其自身的參數(shù)整定值，以求達到預(yù)期的閉環(huán)運行，并有效地提高系統(tǒng)的魯棒性。

1 工藝流程及控制要求

1.1 工藝要求

本系統(tǒng)為350 kW鐘罩爐溫度控制系統(tǒng)，整套設(shè)備包括兩座爐臺(備有兩個爐臺風(fēng)機)、兩只內(nèi)罩(備有兩個冷卻風(fēng)機)、一只加熱罩和一只冷卻罩，加熱罩和冷卻罩循環(huán)利用，一個爐臺加熱，另一個爐臺冷卻，循環(huán)反復(fù)使用。其工藝流程如下圖1所示。

圖1 工藝流程圖

當加熱時間結(jié)束后，應(yīng)帶罩冷卻一段時間，一般要求在吊走加熱罩時，加熱罩溫度≤500℃，當工藝溫度接近500℃時，要求帶罩冷卻(保溫)0.5小時后方能吊走加熱罩，加熱完成報警聲響。

冷卻進行時，當爐氣溫度在350℃之前采用風(fēng)冷模式，即只開兩臺冷卻風(fēng)機，冷卻水處于關(guān)閉狀態(tài)。

當爐氣溫度在350℃-250℃之間時，自動開啟冷卻循環(huán)冷卻水，實行快速冷卻，當爐氣溫度在250℃時，關(guān)閉冷卻風(fēng)機，打開噴淋水閥，使冷卻水從內(nèi)罩頂部流下，實行快速冷卻，當爐氣溫度≤100℃時，冷卻結(jié)束。

出爐前，應(yīng)關(guān)閉冷卻水總閥，開啟冷卻風(fēng)機2分鐘，使內(nèi)罩外壁的水分能快速散去，再吊走冷卻罩，然后吊走物料。

1.2 控制要求

鐘罩爐的溫度控制屬于退火控制，整個退火過程包括許多道工序，退火過程由PLC控制完成。

加熱系統(tǒng):爐加熱罩就位，啟動加熱，風(fēng)機低速啟動，電加熱器接觸器吸合，延時10秒，PID調(diào)節(jié)器按設(shè)定的加熱曲線開始工作，電加熱器開始加熱。當爐氣溫度達到設(shè)置溫度時，風(fēng)機高速運行。

當爐氣溫度達到保溫溫度(上位機設(shè)定)時，鐘罩爐進入保溫區(qū)，PID調(diào)節(jié)器以保溫溫度為設(shè)定值進行控制，達到保溫時間(可設(shè)置)后，關(guān)閉加熱器，開始自然冷卻，當爐氣溫度低于出爐溫度(上位機設(shè)定)時，爐準備出料，加熱完成報警聲響。

在加熱控制系統(tǒng)中，有三個測溫點:爐罩溫度、爐氣溫度、爐料溫度。爐罩溫度點在加熱罩上，溫度較高，爐料溫度點在加熱物料中，溫度有點滯后，爐氣溫度是爐罩內(nèi)循環(huán)熱氣的溫度。以爐氣溫度為測量溫度，以工控機上設(shè)定的加溫曲線為給定值，控制三個區(qū)的電加熱器，組成單回路閉環(huán)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在PLC程序中，選用自動整定的PID調(diào)節(jié)器，可對系統(tǒng)參數(shù)進行自動整定。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)控制方案及硬件配置

本系統(tǒng)需要對兩臺爐子內(nèi)的爐氣溫度和物料溫度及加熱罩溫度5路模擬量信號及一些開關(guān)量信號進行控制。由于客戶要求配置上位機參與操作和監(jiān)控，對上位機的要求是能夠?qū)ο到y(tǒng)的控制參數(shù)(物料和加熱罩溫度上下限)、兩臺爐子的相關(guān)參數(shù)和報警參數(shù)(物料、爐氣和鐘罩爐報警溫度)進行設(shè)置;能夠模擬顯示整個系統(tǒng)當前的運行狀況、工藝流程、調(diào)節(jié)器參數(shù)、溫度曲線、實時查詢打印歷史記錄及報表、實時報警等［1］。

根據(jù)系統(tǒng)的大小、控制對象的復(fù)雜程度及成本考慮，宜選用歐姆龍PLC和研華工控機。一般而言，I/O點數(shù)最后要留出足夠余量(15%左右)作為備用，便于將來系統(tǒng)增容擴建或改造。圖3給出了控制系統(tǒng)的PLC排列圖，圖4給出了控制系統(tǒng)方框圖，表1為系統(tǒng)配置一覽表。

圖3 系統(tǒng)控制PLC排列圖

圖4 控制系統(tǒng)方框圖

表1 硬件配置一覽表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件包括下位機和上位機兩部分。下位機PLC編程在歐姆龍 CX－Programmer6.1上實現(xiàn)，上位機人機界面采用研華工控機組態(tài)王軟件來完成。

3.1 下位機軟件設(shè)計

PLC的控制軟件完成系統(tǒng)工藝要求的全部任務(wù)，該部分的設(shè)計是本控制系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵?？梢栽贑X－One開發(fā)平臺上，采樣“分頁式”編程，將系統(tǒng)中相對獨立的段“分頁”，即有相對獨立的程序塊，方便查閱和修改。

本系統(tǒng)有風(fēng)機系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、模擬量輸入、設(shè)定值、PID調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)器參數(shù)、參數(shù)轉(zhuǎn)換、一號爐加熱控制、二號爐加熱控制、溫度梯度計算、輸出設(shè)置、故障、閥位、輸出共15段程序。

鐘罩爐溫度控制系統(tǒng)中的溫度由熱電偶進行采集，熱電偶的輸出信號為4～20mA的電流信號，在對模擬量進行采樣的基礎(chǔ)上，一般還要對采樣值進行PID運算，并根據(jù)運算結(jié)果，形成對模擬量的控制作用。PID運算中積分作用可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高精度，加強對系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)能力;而微分作用可以克服慣性滯后，提高抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可改善系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度［2］。

在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，PID控制器的作用就是通過調(diào)節(jié)其輸出使偏差為零。偏差由給定量(希望值，由上位機設(shè)定)與過程變量(實際值)之差來確定。連續(xù)系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)的微分方程式由比例項、積分項和微分項3部分組成［3］。如式(1)所示。

式中，Y(t)是回路控制算法的輸出;KC是回路增益;TI是積分時間常數(shù);TD是微分時間常數(shù);e(t)是誤差(給定值與過程變量之差);Minitial是回路控制算法輸出的初始值。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機人機界面(HMI)的開發(fā)采用組態(tài)王KingView6.53軟件。系統(tǒng)監(jiān)控操作畫面有多屏，系統(tǒng)設(shè)有歡迎畫面、主菜單等，具體如下表2所示。

表2 上位機監(jiān)控畫面組成

圖6給出了工藝流程畫面。在工藝流程畫面中，可以形象生動的反映現(xiàn)場閥門的啟停狀態(tài)，泵的啟停狀態(tài)，并均有顏色變化來顯示其運行情況，如氣動閥(或泵)開啟時顏色為綠色，關(guān)閉時為紅色［4］。內(nèi)罩中循環(huán)風(fēng)的流動也通過箭頭顯示出流動的方向和快慢?？傊?，畫面中，主體設(shè)備位置確切，工作狀態(tài)形象生動，各種參數(shù)“就地顯示”，整個系統(tǒng)運行工況集于一屏，一目了然，為現(xiàn)場操作人員提供了方便。圖7給出了爐溫數(shù)據(jù)查詢畫面。

圖6 系統(tǒng)工藝流程

圖7 爐溫數(shù)據(jù)查詢

4 結(jié)論

此控制系統(tǒng)經(jīng)過運行調(diào)試后，自適應(yīng)PID參數(shù)控制三區(qū)溫度，三個參數(shù)分別為:P:6%，I:7961，D:1194，溫度誤差為±1℃。該系統(tǒng)已在寧波某化工系統(tǒng)中使用，運行穩(wěn)定、可靠，系統(tǒng)運行表明節(jié)省了時間，提高了整定精度，增加了經(jīng)濟效益。

［1］秦長海，李安伏.基于RS-485總線的污水處理集散控制系統(tǒng)［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，7(12):145-149.

［2］張大磊，李媛媛.基于PLC變頻器的煤礦軸流風(fēng)機改造［J］.煤礦機械，2011，32(6):192-195.

［3］陳永超.基于PLC的清洗機控制研究［D］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士論文，2009.

［4］魏翠琴，張建斌.PLC和無紙記錄儀在純凈水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011，9(3):4-7.