感應(yīng)加熱爐溫度控制系統(tǒng)研究

宋云濤

摘要：針對(duì)在稀有金屬加工過程中，根據(jù)感應(yīng)加熱爐的工藝特點(diǎn)及溫度控制的要求，提出了基于智能算法控制和功率智能調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)溫度控制策略，通過WINCC軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)加熱過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。生產(chǎn)運(yùn)行表明：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)加熱爐溫度高精度和均溫性的要求，對(duì)提高稀有金屬材料的性能具有重要意義。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱爐；溫度控制；均溫性；WINCC

中圖分類號(hào)：TP135 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）23-0226-02

近些年來，隨著航空、航天、航海、核電、高鐵等國家戰(zhàn)略制工業(yè)的發(fā)展，對(duì)鈦、鋯、鉬等稀有金屬材料的技術(shù)性能要求極高。感應(yīng)加熱是稀有金屬材料生產(chǎn)中的重要工藝過程，嚴(yán)格控制多感應(yīng)加熱爐爐室溫度的準(zhǔn)確度與均溫性，對(duì)提高鈦、鋯等稀有金屬的技術(shù)性能具有重要的意義。

在鈦及其他稀有金屬擠壓成型工藝生產(chǎn)過程中，感應(yīng)加熱爐溫度控制對(duì)擠壓成品率及材料質(zhì)量極其重要。本文某稀有金屬加工企業(yè)擠壓機(jī)配套多感應(yīng)加熱爐爐溫控制系統(tǒng)為背景，結(jié)合鈦、鋯等稀有金屬感應(yīng)加熱對(duì)控溫精度及爐室均溫性控制的要求，引進(jìn)紅外測(cè)溫技術(shù)，采用智能控制算法，使用智能溫控儀表，介紹多感應(yīng)加熱爐系統(tǒng)的測(cè)溫、控溫、示溫及數(shù)據(jù)處理等溫度過程控制。感應(yīng)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，不僅提高溫度控制的精度，滿足控溫要求，提升鈦棒的成品率，而且為爐溫控制系統(tǒng)的工程實(shí)踐提供了思路，并具有一定的指導(dǎo)意義。

1 溫度控制系統(tǒng)概況

本文針對(duì)感應(yīng)加熱爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，整個(gè)系統(tǒng)主要包括智能溫度控制器單元，感應(yīng)加熱電源單元，爐溫檢測(cè)單元等組成。溫度控制系統(tǒng)的裝置圖如圖1所示：

1）感應(yīng)加熱電源單元：感應(yīng)加熱包括電磁感應(yīng)和熱傳導(dǎo)過程感應(yīng)加熱電源主要向感應(yīng)加熱爐的線圈提供足夠的能量，通過控制電源的輸出，來控制能量的輸出，來滿足鈦棒加熱到目標(biāo)溫度所需的能量。

2）爐溫檢測(cè)單元：感應(yīng)加熱爐溫度的檢測(cè)過程，其主要檢測(cè)對(duì)感應(yīng)加熱過程中工件表面所能承受的最大溫度，選用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行檢測(cè)；在感應(yīng)加熱過程中，爐體的目標(biāo)點(diǎn)溫度采用熱電偶進(jìn)行多點(diǎn)均溫標(biāo)定，當(dāng)溫度達(dá)到該目標(biāo)點(diǎn)溫度時(shí)，就認(rèn)為熱加工效果達(dá)到了。

3）溫度控制器單元：智能溫度控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)于感應(yīng)加熱爐溫度數(shù)據(jù)的處理。通過溫度傳感器采集到的顯示溫度和根據(jù)工藝參數(shù)所設(shè)定的溫度進(jìn)行比較獲得偏差，智能控制算法根據(jù)模型參數(shù)對(duì)偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，輸出結(jié)果進(jìn)入下一控制單元，以此來滿足感應(yīng)加熱爐控溫精度的要求。

2 溫度控制系統(tǒng)的策略及實(shí)現(xiàn)

稀有金屬加工企業(yè)擠壓機(jī)配套6臺(tái)感應(yīng)加熱爐系統(tǒng)，主要是為了進(jìn)行鈦材的前期熱加工處理，以利于后面工件的擠壓成型工藝。在稀有金屬擠壓生產(chǎn)過程中，多感應(yīng)加熱爐溫度控制精度和均溫性對(duì)擠壓材料成品率及技術(shù)性能十分重要。該溫度控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制原理，調(diào)功器溫度控制為內(nèi)閉環(huán)，進(jìn)行功率調(diào)節(jié)；智能算法溫度控制為外閉環(huán)，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。感應(yīng)加熱溫度雙閉環(huán)控制原理圖如圖2所示。

感應(yīng)加熱過程中，電源輸出功率的大小及加熱時(shí)間的長短決定著工件的溫度分布情況，而溫度分布情況又決定著工件熱處理的效果。通過智能溫控儀表單元和電源調(diào)功器單元組成的雙閉環(huán)控制回路，可以實(shí)現(xiàn)爐體溫度的高精度和均溫性控制。

2 1 功率閉環(huán)控制

根據(jù)工件熱處理的工藝要求，整個(gè)感應(yīng)加熱過程可分為兩個(gè)階段：溫升階段和均熱階段。針對(duì)加熱過程中的兩個(gè)階段，電源功率輸出是調(diào)功器根據(jù)智能溫控儀表通過控制算法計(jì)算輸出的結(jié)果作為輸入，在經(jīng)過基于DSP的數(shù)字PID控制方法來確定的。

加熱階段，電源以額定功率進(jìn)行輸出，在此階段不進(jìn)行閉環(huán)控制，目的是實(shí)現(xiàn)加熱工件表面的快速升溫，從常溫升至表面承受的最大溫度附近。均熱階段，考慮感應(yīng)加熱爐溫度場(chǎng)的復(fù)雜性及溫度導(dǎo)的滯后性，調(diào)節(jié)感應(yīng)電源的供電功率。當(dāng)工件表面溫度高于要求溫度時(shí)，取數(shù)字PID比例系數(shù)為0.30來降低電源的輸出功率，當(dāng)?shù)陀谧畲蟪惺軠囟纫欢ǚ秶鷷r(shí)，取數(shù)字PID比例系數(shù)為0.30來提高電源輸出功率，根據(jù)溫度控制儀表的實(shí)際輸出調(diào)節(jié)數(shù)字PID積分系數(shù)。當(dāng)溫度達(dá)到工藝要求的目標(biāo)溫度時(shí)，均熱階段結(jié)束。

2.2 多段溫閉環(huán)控制

根據(jù)工件熱加工的工藝要求，為了提高錠料感應(yīng)加熱質(zhì)量，降低坯錠表面和坯錠芯部的溫度差，故采用不同的感應(yīng)加熱規(guī)范或多段溫控的工藝曲線來確定控制策略。紅外測(cè)溫傳感器將采集到的坯料表面實(shí)時(shí)溫度，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換傳輸?shù)娇刂栖浖?，與設(shè)定的最佳工藝曲線進(jìn)行比較求得偏差，考慮一定的溫度裕量和溫度慣性，通過溫度控制模型計(jì)算及誤差修正，在經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行控制輸出。

根據(jù)鈦及鈦金屬的材料特性和感應(yīng)加熱的熱傳導(dǎo)過程，按最佳工藝進(jìn)行升溫一均溫一保溫優(yōu)化后的熱加工工藝曲線可以擬合達(dá)到工業(yè)控制要求的溫度曲線。在感應(yīng)加熱過程中，溫度和功率構(gòu)成的雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，減少了調(diào)節(jié)時(shí)間和動(dòng)態(tài)誤差，滿足感應(yīng)加熱的溫度要求，將工件表面溫度穩(wěn)定在785℃左右。此時(shí)，系統(tǒng)不僅向工件內(nèi)部提供了穩(wěn)定的熱源，而且可以進(jìn)行良好的導(dǎo)熱傳熱，最終實(shí)現(xiàn)工件的穩(wěn)定加熱。

3 爐溫?cái)?shù)據(jù)處理及分析

該系統(tǒng)的上位處理界面采用西門子公司的WINCC界面處理軟件，對(duì)6臺(tái)爐子溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，在線顯示，處理，分析等作用，實(shí)現(xiàn)多爐群全過程溫度實(shí)時(shí)控制。感應(yīng)加熱爐溫度控制軟件平臺(tái)如圖3所示。

WINCC開發(fā)的感應(yīng)加熱爐設(shè)備參數(shù)顯示界面，創(chuàng)建溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)記錄觀測(cè)對(duì)象的參數(shù)數(shù)值，數(shù)據(jù)歸檔和保存；創(chuàng)建參數(shù)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線，感應(yīng)加熱爐溫度的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線可以在WINCC上進(jìn)行顯示，并跟蹤溫度的變化趨勢(shì)，形成過程控制；通過對(duì)實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線與設(shè)定曲線的對(duì)比，進(jìn)行工藝參數(shù)解釋；WINCC軟件可以將溫度數(shù)據(jù)以Excel表格形式導(dǎo)出，供技術(shù)人員進(jìn)行工藝分析。

4 結(jié)論

該感應(yīng)加熱溫度控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了溫度精確度和感應(yīng)爐的均溫性的工藝要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)有較大提高，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，而且減少了調(diào)節(jié)時(shí)間和動(dòng)態(tài)誤差。該系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)化材料技術(shù)性能、提高擠壓材料的成品率等有顯著效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張乃祿，任源.稀有金屬感應(yīng)加熱爐微機(jī)群控系統(tǒng)[J].稀有金屬材料與工程，1994，23（4）.

[2] 潘宇.軋鋼廠加熱爐溫度控制系統(tǒng)研究[D].安徽理工大學(xué)，2014.

[3] 張乃祿，李鑫.大型板材真空退火爐多溫區(qū)均溫性控制研究[J].真空，2010，47（5）.