基于PLC的退火爐溫度控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

王 艷 林文海

(1. 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津 300384；2. 天津理工大學(xué)自動化學(xué)院，天津 300384)

臺車式退火爐是相關(guān)行業(yè)應(yīng)用最廣泛的工業(yè)爐之一，是工件處理的重要設(shè)備。退火爐的溫度控制系統(tǒng)直接決定著工件的質(zhì)量，因此對退火爐的爐膛溫度進行控制是控制過程中的關(guān)鍵。退火爐溫度控制系統(tǒng)根據(jù)工藝要求設(shè)定的曲線對工件進行精確的升溫、保溫和降溫控制，并確保退火爐的爐溫均勻性。采用智能控制理論和組態(tài)軟件相結(jié)合的方法開發(fā)智能、穩(wěn)定、安全、可靠的溫度控制系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用最多的方法。基于PLC的智能控制使退火爐的溫度控制系統(tǒng)更適于優(yōu)化設(shè)計，整個控制操作調(diào)節(jié)更方便。采用具有專家思想的PID 限幅控制的優(yōu)化設(shè)計[1]，不僅提高了控溫系統(tǒng)的精確性，更進一步提高了爐膛溫度的均勻性。

臺車式退火爐的有效面積13.8m2，額定裝載量15t，最高爐溫700℃，工作溫度580℃，工藝曲線要求溫差必須控制在±5℃之內(nèi)，同一時刻爐膛內(nèi)不同位置的溫差在10℃以內(nèi)。升/降溫速度30～100℃/h，天然氣最大耗量120Nm3/h，爐前燃?xì)鈮毫?±1kPa。退火爐的工藝要求確定了其控溫策略和各種參數(shù)，進一步?jīng)Q定了工件的質(zhì)量。

2 溫度控制系統(tǒng)

根據(jù)臺車式退火爐的工藝要求，對其溫度控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。退火爐溫度控制系統(tǒng)有手動控制和自動控制兩種，由PLC程序?qū)販叵到y(tǒng)進行自動控制，由人工處理對燒嘴的運行狀態(tài)進行手動控制，這樣在某些緊急狀況下也能達(dá)到控溫的目的。為了提高爐膛溫度的均勻性，對爐膛溫度進行區(qū)域控制。該退火爐設(shè)有3對(6個)燒嘴，它們之間交錯布置并按前、中、后分成3個區(qū)域，每個區(qū)域由兩個燒嘴構(gòu)成基于PLC的溫度控制系統(tǒng)(圖1)。

圖1 退火爐燒嘴分布示意圖

2.1 總體設(shè)計

根據(jù)臺車式退火爐燃燒技術(shù)的工作原理，通過比較幾種燃燒控制方式、控制策略和現(xiàn)場可行性條件，最終筆者決定采用基于脈沖燃燒控制方式[2]、具有專家思想的 PID 限幅控制策略，并在此基礎(chǔ)上確定了退火爐溫度控制方案(圖2)。

2.2 硬件設(shè)計

溫度控制系統(tǒng)硬件部分主要由傳感器、PLC、工控機、執(zhí)行機構(gòu)和通信部分組成。整個控制系統(tǒng)分為兩級：基礎(chǔ)控制級和監(jiān)控級?；A(chǔ)控制級由傳感器采集實時溫度，經(jīng)過PLC復(fù)雜的溫度控制程序運算后，執(zhí)行機構(gòu)在PLC的控制下進行溫度控制等，PLC在整個系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，PLC采集傳感器的各種過程變量并根據(jù)設(shè)定的程序控制目標(biāo)值分別驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)節(jié)過程變量，實現(xiàn)對各區(qū)的爐膛溫度的調(diào)節(jié)控制；監(jiān)控級采用中國研華工控機，由組態(tài)王軟件來進行組態(tài)編程，操作人員在工控機上對退火爐的各個參數(shù)進行設(shè)定，同時可隨時查詢各種歷史數(shù)據(jù)或報表，報警系統(tǒng)可及時對故障進行報警[3]。

圖2 退火爐溫度控制方案

2.3 軟件設(shè)計

經(jīng)過對臺車式退火爐的燃燒特點和控制策略分析比較后，最終采用脈沖燃燒控制系統(tǒng)，并用三菱GX Developer軟件進行PLC編程。脈沖燃燒控制的特點是將普通的連續(xù)調(diào)節(jié)改為占空比調(diào)節(jié)，而且每個燒嘴的脈沖周期一定，在固定的周期內(nèi)溫度均勻，且燒嘴控制器系統(tǒng)簡單。使用脈沖燃燒控制系統(tǒng)不僅能提高爐膛溫度的均勻性，還能保證正常工作過程中較好地過渡和對溫度的有效、精確控制。脈沖燃燒控制方式溫度設(shè)定值與溫度檢測值進行比較，經(jīng)過數(shù)學(xué)運算輸出，輸出0%～100%的模擬控制量，經(jīng)過轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)占空比的脈沖輸出，從而控制電動電磁閥的打開與關(guān)閉。

在溫度控制系統(tǒng)的編程中，通過溫度傳感器檢測溫度大小，并將其傳給PLC，與工藝曲線所要求的溫度(即溫度設(shè)定值)進行比較運算，再經(jīng)PID算法模塊運算后，得到一個糾錯因子。由糾錯因子來決定大小火脈沖的輸出，并且得到大小火脈沖的占空比。

對單個控溫區(qū)域，為了提高溫度的控制精度和均勻性，采用三菱GX Developer軟件中的 PID 模塊編程，以對溫度控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。在程序的優(yōu)化過程中，采用具有專家思想的溫度控制策略[4]，即經(jīng)過對溫度設(shè)定值和溫度檢測值的比較運算得到偏差D，然后在專家思想的應(yīng)用下，根據(jù)偏差D的大小對 PID 的糾錯因子設(shè)定相應(yīng)的最大限幅值Max和最小限幅值Min。當(dāng)D>25K時(K為偏差分度)，Max=20%；當(dāng)20K

圖3 溫度控制系統(tǒng)流程

3 運行結(jié)果與分析

退火爐控制系統(tǒng)調(diào)試后，分別對各個控溫區(qū)的溫度曲線進行了詳細(xì)的分析，通過溫度曲線來說明控制系統(tǒng)的精確性和爐膛溫度的均勻性。在退火爐爐膛3個區(qū)域的溫度曲線上提取升溫階段(13∶38∶32時刻)、保溫階段(23∶14∶32時刻)和降溫階段(01∶42∶00時刻)的溫度值，然后對數(shù)據(jù)進行整理和分析(表1、2)。

表1 升、降溫階段溫度數(shù)據(jù)分析

表2 保溫階段溫度數(shù)據(jù)分析

分析表1、2可得，3個時刻每個區(qū)域的絕對誤差最大值為4.0℃，最小值為0.3℃，相對誤差最大值為0.97%，最小值為0.11%，且爐膛每個控溫區(qū)與工藝曲線溫度的差值均低于5.0℃，相互之間的溫差均低于10.0℃。表1、2充分說明了整個退火過程溫度控制的準(zhǔn)確性，表明該溫度控制系統(tǒng)具有控溫精確高和實用性強的特點，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)要求的控溫精度高、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強、高效率低能耗及抗干擾等控制要求，同時滿足了工藝曲線的要求。

4 結(jié)束語

在分析了退火爐溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和工藝要求的前提下，確定采用基于PLC的具有專家思想的PID限幅策略方案對其進行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過對該系統(tǒng)的溫度曲線和數(shù)據(jù)進行細(xì)致的分析，結(jié)果表明基于PLC的溫度控制系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，且該系統(tǒng)控制方式靈活、控制精度高、控制方案合理，操作成本低、熱處理質(zhì)量高，自投入運行以來，保證了燃燒質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

[1] 姜長生，王從慶，魏海坤，等.智能控制與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2] 李界家，王麗娜，喬楓，等.基于模糊自整定PID的退火爐脈沖燃燒控制方法[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報，2008，24(6)：1114～1117.

[3] 單學(xué)軍. 基于PLD的燃煤鍋爐脫硝控制系統(tǒng)[J]. 化工自動化及儀表，2014，41(7)：823～828.

[4] 崔席勇，花福安，李建平，等.連續(xù)退火模擬實驗機的模糊專家溫度控制系統(tǒng)[J].東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，31(7)：957～961.