時(shí)效退火爐控制方案

萬(wàn)明

（中航工程集成設(shè)備有限公司，北京102206）

時(shí)效退火爐控制方案

萬(wàn)明

（中航工程集成設(shè)備有限公司，北京102206）

主要討論了時(shí)效退火爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的解決方案。控制系統(tǒng)核心采用西門子S7-300系列可編程邏輯控制器（PLC）。上位機(jī)人機(jī)交互界面采用GE公司的IFIX4.0作為組態(tài)軟件。上位機(jī)和底層控制器PLC數(shù)據(jù)可靠連接，大大提高了工業(yè)爐控制系統(tǒng)的可靠性、人機(jī)交互的友好性、可操作性以及后期設(shè)備維護(hù)的方便性。

時(shí)效退火爐；自動(dòng)控制；可編程邏輯控制器（PLC）；IFIX4.0組態(tài)軟件

隨著我國(guó)工業(yè)快速發(fā)展，航空航天領(lǐng)域和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域?qū)τ阡X型材和鋁板材等鋁加工產(chǎn)品需求日益增加，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量要求提高，這就對(duì)用于鋁產(chǎn)品時(shí)效和退火的熱處理工業(yè)爐控制精度上要求更高。時(shí)效退火爐主要用于鋁合金型材和板材進(jìn)行時(shí)效和退火。目前我國(guó)工業(yè)爐行業(yè)的能源消耗大、浪費(fèi)嚴(yán)重，普遍存在過(guò)剩，工業(yè)爐溫度控制精度不高，因此提高熱工檢測(cè)與控制水平，具有很大潛力。

本解決方案采用GE公司IFIX4.0軟件為上位軟件，底層連接西門子S7-300系列PLC作為核心控制系統(tǒng)。選用高精度N型熱電偶采集溫度數(shù)據(jù)，PLC自身PID模塊通過(guò)計(jì)算輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)調(diào)功單元控制加熱功率，達(dá)到精確溫度控制。在時(shí)效溫度階段，通過(guò)溫度關(guān)聯(lián)循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達(dá)到溫度的精確控制。針對(duì)工業(yè)爐行業(yè)特點(diǎn)，上位機(jī)系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，自動(dòng)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)和曲線，生成Excel報(bào)表等功能，優(yōu)化工業(yè)爐的自動(dòng)控制。

1　原理與設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)組成

時(shí)效退火爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括配電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)、上位機(jī)管理系統(tǒng)等組成。

1.2基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)

西門子S7-300系列PLC系統(tǒng)組態(tài)方框如圖1所示。

PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)主站和從站模式，適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求。PLC子站安裝熱電偶模塊采集現(xiàn)場(chǎng)熱電偶檢測(cè)的溫度信號(hào)，根據(jù)上位機(jī)設(shè)定工藝數(shù)據(jù)在PLC內(nèi)部的PID模塊自動(dòng)計(jì)算，通過(guò)模擬量輸出模塊輸出工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)到加熱器執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行溫度控制；PLC子站數(shù)字量模塊檢測(cè)設(shè)備按鈕、行程開(kāi)關(guān)信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等開(kāi)關(guān)量，根據(jù)邏輯運(yùn)算通過(guò)數(shù)據(jù)量輸出模塊控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作。

圖1　自動(dòng)化方框圖

1.3上位機(jī)控制系統(tǒng)

上位機(jī)控制系統(tǒng)選用GE公司IFIX4.0作為組態(tài)軟件，通過(guò)安裝第三方OPC軟件Kapmware直接讀取PLC底層數(shù)據(jù)，并將其顯示在上位機(jī)人機(jī)界面上。能非常直觀了解與PLC連接的各類傳感器及動(dòng)力機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況。上位機(jī)控制系統(tǒng)界面包括通訊狀態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)、工藝管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警總覽，如圖2所示。

圖2　上位機(jī)控制系統(tǒng)畫面

畫面中的通訊狀態(tài)指示、工藝管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均通過(guò)Kapware軟件直接從PLC讀取，如圖3所示。IFIX4.0的驅(qū)動(dòng)軟件Powertool軟件讀取Kapware采集的數(shù)據(jù)（如圖4所示）后傳送到上位機(jī)內(nèi)存中，通過(guò)在畫面上插入數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行顯示。

1.3.1上位機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

PLC采集的現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)通過(guò)OPC軟件傳送到上位機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器當(dāng)中，利用上位機(jī)IFIX4.0軟件的調(diào)度功能和鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)功能完成內(nèi)存數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)硬盤的存儲(chǔ)。IFIX4.0的調(diào)度按照每分鐘定時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是運(yùn)用ADO實(shí)現(xiàn)的。ADO實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為5步：（1）創(chuàng)建ADO對(duì)象；（2）建立連接；（3）構(gòu)造并執(zhí)行SQL語(yǔ)句；（4）處理查詢結(jié)果；（5）關(guān)閉和釋放ADO對(duì)象，如圖5所示。

圖3　KAPWARE軟件讀取PLC數(shù)據(jù)界面圖

圖4　POWERTOOL軟件讀取數(shù)據(jù)界面圖

圖5　IFIX4.0調(diào)度腳本實(shí)現(xiàn)ADO數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面圖

采集數(shù)據(jù)在上位機(jī)以曲線形式顯示，可以讓操作人員直觀查看工藝運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)第三方Teechart軟件實(shí)現(xiàn)，此軟件提供了完整、快速易用的圖表解決方案，支持 .NET、Java、ActiveX/COM、PHP和Delphi VCL格式，適合一些實(shí)時(shí)、科學(xué)計(jì)算以及金融應(yīng)用程序等。同時(shí)支持查看曲線擴(kuò)大和縮小功能。

1.4溫度控制

溫度控制是時(shí)效退火爐控制系統(tǒng)的核心。本設(shè)計(jì)采用西門子S7-300專用溫度控制軟件FB58作為溫度控制模塊，具有溫度自整定功能。在使用FB58進(jìn)行溫度控制前，必須進(jìn)行溫度自整定操作，使得FB58模塊根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體工況得到最優(yōu)PID參數(shù)，從而更好發(fā)揮控制作用。溫度整定分以下幾個(gè)步驟：（1）整定前保持爐內(nèi)溫度穩(wěn)定，保持模塊的設(shè)定值（SP）等于實(shí)際值（PV）；（2）將整定變量TUN_ON置位；（3）給模塊設(shè)定值（SP）一個(gè)階躍變化；（4）模塊就啟動(dòng)自整定過(guò)程，過(guò)程參數(shù)的計(jì)算、控制器設(shè)計(jì)、使控制器處理新的可調(diào)節(jié)變量、檢查過(guò)程類型；（5）整定結(jié)束。整定過(guò)程模塊的各個(gè)階段可以從相對(duì)應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊DBX.DBW108讀取。整定過(guò)程如圖6所示。

圖6　FB58自整定各階段描述圖

整定完成后，記錄PID參數(shù)，按照設(shè)定曲線升溫，檢測(cè)控制效果，手動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，直到達(dá)到滿意的控制效果。

2　試驗(yàn)

2.1溫度曲線

按照上述設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制中得到了驗(yàn)證，升溫階段爐氣溫度超調(diào)2℃之內(nèi)，從上位機(jī)操作系統(tǒng)的歷史曲線得到曲線圖如圖7所示。

在歷史曲線界面，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊，可以實(shí)現(xiàn)曲線的擴(kuò)大和縮放，如圖8所示。

用Teechart軟件制成歷史曲線畫面還支持打印功能。直觀的歷史曲線還可以通過(guò)按鈕導(dǎo)出Excel報(bào)表的格式，便于用戶存儲(chǔ)和打印數(shù)據(jù)。導(dǎo)出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在上位機(jī)的硬盤上，如圖9所示。

2.2系統(tǒng)報(bào)警信息記錄和顯示

設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障信息均通過(guò)IFIX4.0的報(bào)警總覽空間記錄在上位機(jī)的硬盤中，便于操作人員換班和維護(hù)人員的檢查，如圖10所示。

圖7　歷史曲線圖

圖8　歷史曲線擴(kuò)大圖

圖9　歷史曲線導(dǎo)出Excel報(bào)表

圖10　報(bào)警總覽界面

3　結(jié)論

（1）本次設(shè)計(jì)調(diào)試的時(shí)效退火爐設(shè)備滿足美國(guó)宇航標(biāo)準(zhǔn)AMS2750E的要求，系統(tǒng)精度≤±1.1℃。設(shè)備溫度均勻性≤±2℃，滿足用戶要求。本次控制系統(tǒng)增加了對(duì)于設(shè)備產(chǎn)品溫度的檢測(cè)和判斷工藝。每次帶料生產(chǎn)時(shí)在料上安裝熱電偶對(duì)料溫進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)料溫到達(dá)工藝要求溫度后，工藝自動(dòng)跳段到下一工藝段。在工藝程序設(shè)計(jì)過(guò)程中增加對(duì)于料溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)料溫滿足工藝要求后執(zhí)行下段工藝。

（2）本次設(shè)計(jì)選用西門子S7-300系列PLC的溫度采集模塊采集熱電偶溫度并讀取到上位機(jī)系統(tǒng)。由于PLC溫度模塊采取內(nèi)部補(bǔ)償?shù)姆绞阶x取熱端溫度，當(dāng)溫度采集模塊所處的環(huán)境溫度有較大波動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致采集的溫度出現(xiàn)相對(duì)較大偏差，在參考了其他國(guó)外工業(yè)爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中增加冰點(diǎn)參考裝置，將熱電偶冷端放置于0℃的穩(wěn)定環(huán)境中，冰點(diǎn)參考裝置輸出信號(hào)再進(jìn)入PLC的溫度采集模塊，這樣就會(huì)提高設(shè)備的檢測(cè)精度，達(dá)到更好的控制效果。

Control Solution of Aging Annealing Furnace

WAN Ming
（China Aviation Engineering Integrated Equipment Co.，Ltd，Beijing 102206，China）

The solution of the automatic control system of the aging annealing furnace is discussed. The SIEMENS S7-300 series programmable logic controller（PLC）is used in the control system center.The human-machine interaction interface of the host computer selects IFIX4.0 of GE Company as the configuration software.The data connection between the upper computer and the bottom controller PLC is reliable，which greatly improves the reliability of the control system of the industrial furnace，the friendliness and maneuverability of human computer interaction，and the convenience of the later maintenance.

aging annealing furnace；automatic control；programmable logic controller（PLC）；IFIX4.0 configuration software

TG155.1

B

1001-6988（2016）04-0064-04

2016-04-25

萬(wàn)明（1982—），男，工程師，主要從事工業(yè)自動(dòng)化方面工作.