步進(jìn)梁式高壓氣瓶熱處理爐自動(dòng)控制系統(tǒng)

周永強(qiáng)

（洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南洛陽 471000）

0 引言

隨著氣體工業(yè)的發(fā)展，高壓氣瓶已廣泛用于工礦企業(yè)和交通、海洋、航空、醫(yī)療等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門。氣瓶是高壓容器，多為鋼質(zhì)，為保證安全使用，除要求有相應(yīng)高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度外，還要求有高的伸長(zhǎng)率和沖擊韌性[1]，這就需要對(duì)氣瓶進(jìn)行相應(yīng)的熱處理。熱處理爐是高壓氣瓶生產(chǎn)線的重要組成部分，其控制精度直接影響到氣瓶的質(zhì)量，本文以氣瓶生產(chǎn)中常用的步進(jìn)梁式熱處理爐為例，采用PLC與智能儀表控制相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)高壓氣瓶熱處理爐的自動(dòng)控制。

1 控制方案

步進(jìn)梁式高壓氣瓶熱處理爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)氣瓶熱處理工藝和過程控制要求對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行控制和狀態(tài)監(jiān)控，包括運(yùn)送氣瓶的輥道啟停，爐門的開關(guān)，液壓站油泵的自動(dòng)控制，步進(jìn)梁的升降進(jìn)退，對(duì)熱處理爐各個(gè)區(qū)加熱溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)等，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的故障及時(shí)報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分，即時(shí)序控制和溫度控制。

1.1 時(shí)序控制

時(shí)序控制由進(jìn)料控制，步進(jìn)梁控制，出料控制組成。PLC是時(shí)序控制系統(tǒng)的核心，所有設(shè)備都保留手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制，手動(dòng)主要用于調(diào)試和單機(jī)試車，完成各種設(shè)備的單體動(dòng)作，自動(dòng)用于正常生產(chǎn)。

進(jìn)料控制是當(dāng)系統(tǒng)安裝于來料輥道上的行程開關(guān)檢測(cè)到來料輥道上有料時(shí)，延時(shí)后翻料氣缸動(dòng)作，將氣瓶坯料翻到與來料輥道垂直的進(jìn)料輥道上，進(jìn)料輥道安裝有光電傳感器，用來對(duì)氣瓶計(jì)數(shù)，完成生產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，之后經(jīng)過延時(shí)，安裝在進(jìn)料爐門前方的定位氣缸推出，將氣瓶坯料對(duì)中定位，以防入爐后發(fā)生跑偏。

氣瓶坯料在進(jìn)料輥道上對(duì)中定位后，進(jìn)料爐門開，坯料進(jìn)入爐內(nèi)，停放在固定梁上。步進(jìn)梁依次完成上升、前進(jìn)、下降、后退的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，配合固定梁將氣瓶坯料從爐子進(jìn)料端一步一步向出料端移動(dòng)，這是時(shí)序控制的重點(diǎn)。本系統(tǒng)步進(jìn)梁采用雙輪斜輥式，其傳動(dòng)機(jī)械有兩層互相獨(dú)立的框架，上層是平移框架，下層是升降框架。升降運(yùn)動(dòng)由一對(duì)液壓缸驅(qū)動(dòng)，它們靠整體升降框架的剛性同步，水平框架的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)。如圖1所示。

爐內(nèi)步進(jìn)梁的運(yùn)行軌跡，采用分別進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)的矩形軌跡，步進(jìn)梁的原始位置設(shè)在后下極限位置，步進(jìn)梁在垂直上升過程中將氣瓶坯料從固定梁上托起至上極限位置，步進(jìn)梁頂面由低于固定梁頂面升到高于固定梁頂面。步進(jìn)梁前進(jìn)一步，坯料在爐內(nèi)向前水平移動(dòng)一個(gè)步距，平移結(jié)束，步進(jìn)梁垂直下降，將坯料放置在固定梁上。步進(jìn)梁繼續(xù)下降到下極限位置，然后向后水平方向退回一個(gè)步距，回到原始位置，完成一個(gè)步進(jìn)動(dòng)作。這樣多次循環(huán)，氣瓶坯料從爐子進(jìn)料端一步步向出料端移動(dòng)，至出料爐門處氣瓶坯料已被加熱到預(yù)定的溫度[2]。

圖1 步進(jìn)梁結(jié)構(gòu)示意圖

出料主要完成出料爐門和出爐輥道的控制。當(dāng)坯料在熱處理爐中加熱完畢后出爐,根據(jù)氣瓶的工藝要求選擇是繼續(xù)往下進(jìn)行淬火處理還是進(jìn)行正火處理。

1.2 溫度控制

溫度控制貫穿于氣瓶坯料進(jìn)入熱處理爐到出爐的整個(gè)過程。溫度控制部分主要由控制對(duì)象（爐溫）、測(cè)溫元件（熱電偶）、智能溫度控制儀和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，構(gòu)成溫度負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)示意圖

智能溫度控制儀采用人工智能模糊控制技術(shù)調(diào)節(jié)爐溫，可進(jìn)行模糊PID自整定，其中比例調(diào)節(jié)可產(chǎn)生強(qiáng)大的穩(wěn)定作用，積分調(diào)節(jié)可消除靜差，微分調(diào)節(jié)可加速過濾過程，克服因積分作用而引起的滯后。控制過程中，由熱電偶實(shí)時(shí)檢測(cè)采集爐溫，輸出模擬量信號(hào)至智能溫度控制儀，與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，進(jìn)行PID運(yùn)算[4]，然后向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出模擬量控制信號(hào)（4～20 mA），自動(dòng)調(diào)節(jié)氣閥開度，改變空燃比，最終達(dá)到控制爐溫的目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文以某高壓容器廠生產(chǎn)?219 mm中小型高壓氣瓶所用的步進(jìn)梁式熱處理爐為實(shí)例，簡(jiǎn)要介紹其自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

該廠用于氣瓶熱處理的爐子長(zhǎng)20米，為了保證沿爐寬方向的爐溫均勻，全部采用側(cè)加熱方式。爐體兩側(cè)面共間隔安裝燒嘴13套，用于點(diǎn)火，從進(jìn)料爐門到出料爐門依次分為4個(gè)區(qū)，其中1區(qū)配備4個(gè)燒嘴，2、3、4區(qū)各配備3個(gè)，每個(gè)燒嘴都由一個(gè)燒嘴控制器用于點(diǎn)火控制，燒嘴控制器有故障檢測(cè)功能，輸出接至PLC輸入模塊。

按照不同的功能和強(qiáng)弱電分開的原則，整個(gè)控制系統(tǒng)分4個(gè)控制柜，分別是電源柜、PLC柜、儀表柜和電腦柜。電腦柜配備研華工控機(jī)作為上位機(jī)，與PLC和智能儀表通訊，通過力控組態(tài)軟件設(shè)置人機(jī)畫面，采集現(xiàn)場(chǎng)信息，監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

進(jìn)料爐門旁設(shè)置一個(gè)操作臺(tái)，用于需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試或當(dāng)PLC或通信線路發(fā)生故障時(shí)，直接進(jìn)行手動(dòng)操作。操作臺(tái)上設(shè)置可以控制進(jìn)料輥道啟停、翻料缸升降、定位缸進(jìn)退、油泵啟停、進(jìn)料爐門開關(guān)、出料爐門開關(guān)、步進(jìn)梁的升降進(jìn)退等動(dòng)作的開關(guān)，以及急停按鈕、自動(dòng)啟動(dòng)/自動(dòng)停止按鈕和自動(dòng)/手動(dòng)切換旋鈕，并且由指示燈指示相應(yīng)的狀態(tài)。

2.1 PLC選型及輸入輸出設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)時(shí)序控制中有大量主令電器和執(zhí)行元件，且輸入和輸出控制信號(hào)都是開關(guān)量信號(hào)，故選用PLC控制。系統(tǒng)共需輸入點(diǎn)48個(gè)（其中燒嘴故障輸入共有13個(gè)），輸出點(diǎn)34個(gè)，輸入輸出信號(hào)如圖3所示，分配地址從略。采用歐姆龍C200HE型PLC，考慮到留余量，用4個(gè)C200H—ID212模塊，3個(gè)C200C-OD212模塊。

2.2 熱電偶的選擇

為了精確測(cè)量爐溫，選擇適應(yīng)氧化性氣氛，線性度好的K型熱電偶，測(cè)量溫度范圍為0℃～1 300℃，為了保證測(cè)量結(jié)果能充分反映爐內(nèi)實(shí)際情況，在每個(gè)區(qū)的爐頂中央各裝有一熱電偶深入爐內(nèi)檢測(cè)爐溫，檢測(cè)信號(hào)接至溫度控制儀，為了節(jié)省昂貴的熱電極金屬以及避免熱電偶冷端受爐體熱輻射等的影響，在熱電偶和溫控儀之間用補(bǔ)償導(dǎo)線連接。

2.3 智能儀表的選擇

熱處理爐溫度控制系統(tǒng)是純滯后，大慣性系統(tǒng)，還極易受到影響，如環(huán)境溫度、添加物料、開關(guān)爐門以及電網(wǎng)電壓變化等都會(huì)影響溫度的控制過程。為了提高溫度控制精度，本系統(tǒng)選用虹潤(rùn)HR-WP-X D925型智能溫度控制儀，它集溫度數(shù)碼顯示、智能控制于一體，采用了人工智能模糊控制，采樣速率250 ms，而且在外給定基礎(chǔ)上采用微分先行的控制方式有效的抑制了溫度的擾動(dòng)問題，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU通信協(xié)議，可通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換器與工控機(jī)通信，同時(shí)可取代伺服放大器直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

采用廣州施能公司的ST50E型電動(dòng)執(zhí)行器，用于驅(qū)動(dòng)需要0～90°旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的所有場(chǎng)合。電動(dòng)執(zhí)行器接收智能溫度控制儀發(fā)出的4～20 mA電流連續(xù)控制信號(hào)，然后由兩個(gè)軸端輸出扭矩，通過標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)凸輪對(duì)燃?xì)忾y閥位做精確的調(diào)節(jié)，從而控制燃?xì)饬髁亢涂杖急?，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)爐溫的目的。

3 控制程序設(shè)計(jì)與調(diào)試

3.1 智能溫度控制儀的設(shè)定

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的精確控制，溫控儀需要設(shè)置合適的參數(shù)。熱處理工藝中，時(shí)間和溫度是最基本的參數(shù)，工件的大小、材料、用途不同，對(duì)加熱的時(shí)間和溫度要求也不同，因此儀表參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。

3.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

圖3 PLC輸入輸出模塊信號(hào)簡(jiǎn)圖

本系統(tǒng)PLC控制程序設(shè)計(jì)主要包括報(bào)警程序、手動(dòng)/自動(dòng)切換程序和步進(jìn)梁控制程序。報(bào)警程序是當(dāng)燒嘴故障或步進(jìn)梁走完一個(gè)循環(huán)所用時(shí)間超過設(shè)定值時(shí)，輸出警報(bào)。手動(dòng)與自動(dòng)控制方式要聯(lián)鎖，不能同時(shí)有效，手動(dòng)/自動(dòng)切換使用跳轉(zhuǎn)指令，當(dāng)選擇手動(dòng)方式時(shí)，程序順序執(zhí)行，手動(dòng)控制程序有效；當(dāng)選擇自動(dòng)方式時(shí)，跳過JMP（04）和JME（05）之間的程序，執(zhí)行JME（05）后邊的自動(dòng)控制程序，如圖4所示。步進(jìn)梁走完一個(gè)循環(huán)所用時(shí)間稱為熱處理爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的節(jié)拍，根據(jù)不同類型氣瓶的熱處理要求，在上位機(jī)組態(tài)畫面中設(shè)置相應(yīng)節(jié)拍時(shí)間，變量連接至PLC的DM10，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)開始，程序用累加定時(shí)器指令TTIM（87）計(jì)時(shí)，同時(shí)用傳送指令MOV（21）將當(dāng)前值傳送至DM102，然后用比較指令CMP（20）比較DM102和DM10中的值，當(dāng)DM102中數(shù)值大于DM10中的設(shè)定值時(shí)，輸出節(jié)拍超時(shí)報(bào)警，由于篇幅所限，程序從略。步進(jìn)梁控制程序根據(jù)控制流程圖用步進(jìn)指令編程，步進(jìn)梁控制流程圖如圖5所示。

圖4 手動(dòng)控制程序

3.3 控制系統(tǒng)程序調(diào)試

圖5 步進(jìn)梁控制流程圖

在CX-Programmer軟件中完成熱處理爐自動(dòng)控制系統(tǒng)PLC梯形圖程序編寫?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，在保證位置檢測(cè)開關(guān)的安裝準(zhǔn)確可靠的前提下，按照先手動(dòng)后自動(dòng)，先單個(gè)設(shè)備運(yùn)行調(diào)試，后整體系統(tǒng)調(diào)試。自動(dòng)方式下，結(jié)合氣瓶具體生產(chǎn)情況，設(shè)定合適的智能溫度控制儀參數(shù)以及PLC程序中各部分動(dòng)作的延時(shí)時(shí)間，分段調(diào)試程序，反復(fù)調(diào)整，直到滿足工藝要求。

4 結(jié)束語

通過對(duì)步進(jìn)梁式高壓氣瓶熱處理爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試和對(duì)氣瓶進(jìn)行試生產(chǎn)試驗(yàn)，結(jié)果表明采用PLC和智能儀表結(jié)合的方法控制熱處理爐，動(dòng)作可靠，調(diào)溫精度高，清晰直觀，減少了產(chǎn)品缺陷，進(jìn)一步提高了氣瓶工藝質(zhì)量。

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