歐陸2704溫控儀表在高溫真空燒結(jié)爐中的應(yīng)用

涂昌銀　楊勇　陳志

摘 要：隨著真空燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展，對高溫真空燒結(jié)爐控溫工藝要求越來越高，高精度2704溫控儀表在高溫真空燒結(jié)爐控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。主要介紹了2704溫控儀表信號輸入、控制輸出、PID參數(shù)、伺服啟動及報警的設(shè)置及使用后的效果。

關(guān)鍵詞：PID；冶金制備技術(shù)；陶瓷；溫控儀

中圖分類號：TQ054.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.150

真空燒結(jié)作為一種傳統(tǒng)粉末冶金制備技術(shù)，在合金、陶瓷等材料的燒結(jié)與熱處理中應(yīng)用非常廣泛。在真空燒結(jié)過程中，溫度是影響粉體原子擴(kuò)散、粉末中間層原子擴(kuò)散、粉體或塊體塑性變形的至關(guān)重要的參數(shù)，準(zhǔn)確地測量和有效地控制溫度是實現(xiàn)燒結(jié)致密化、去除材料內(nèi)熱應(yīng)力的重要條件。因此，有效采用各種高精度的溫控儀來控制與調(diào)節(jié)燒結(jié)爐的溫度成為了非常重要的一個環(huán)節(jié)。歐陸2704溫控儀表是一種模塊化的可自由組態(tài)的高精度、高性能的溫度及過程控制器，可以實現(xiàn)單、雙或三回路控制。每個回路都有獨立的PID控制，且各回路之間可以相互關(guān)聯(lián)、協(xié)調(diào)及進(jìn)行各種復(fù)雜的控制。其特點是程序給定器最多可以存儲50個程序，軟、硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，有可定義的多種輸入類型，包括熱偶、熱電阻、多種電壓和電流等過程輸入信號，每一回路的控制方式可以定義PID、on/Off或閥門位置控制，具有PID自整定和自適應(yīng)功能。以上這些特點為高溫真空燒結(jié)爐溫度控制提供了可靠的保障。

本文結(jié)合頂立ZJ8004D真空燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)（高溫?zé)Y(jié)、三區(qū)控制加熱）的性能特點、燒結(jié)處理材料的物性特征和溫度控制精度要求（溫差±1 ℃）、對2704溫控儀表特點的認(rèn)識，設(shè)置、調(diào)節(jié)了信號輸入、控制輸出、PID參數(shù)、伺服啟動及報警等參數(shù)，并檢驗了這些參數(shù)設(shè)置前后的應(yīng)用效果。

1 2704溫控儀表控溫參數(shù)的設(shè)置

1.1 輸入信號

頂立ZJ8004D高溫真空燒結(jié)爐采用鉑銠30/鉑銠6（B型）鎧裝熱電偶控制，該熱電偶長期最高使用溫度為1 600 ℃，短期最高使用溫度為1 800 ℃。配備的2704溫控儀表有熱電偶、鉑電阻、紅外高溫計及電壓（0～10 V）或毫安（4～20 mA）等信號輸入選項。該2704溫控儀表有3個回路對高溫真空燒結(jié)爐三區(qū)進(jìn)行控制，2704有3個輸入模塊，標(biāo)準(zhǔn)輸入I/O（STANDARDI/O）、模塊輸入I/O（Module 3A、Module 6A）。在設(shè)置參數(shù)之前必須先說明，2704控溫儀表的軟連線（用戶連線）用于模塊間的連接。通常在任何一個功能塊中至少要有一個輸入和一個輸出。輸入?yún)?shù)用來指定輸入數(shù)據(jù)的來源，定義這個輸入來源就是將前一個模塊的輸出連接到本模塊的軟連線。輸出參數(shù)通常通過軟連線傳送到下一模塊的輸入源。3個輸入模塊的輸入?yún)?shù)設(shè)置如圖1所示。

1.2 控制輸出

燒結(jié)爐控制原理如圖2所示。該高溫?zé)Y(jié)爐采用晶閘管調(diào)壓器與電爐變壓器形成一個輸出回路，晶閘管調(diào)壓器控制信號有0～5 V、4～20 mA等信號，此高溫?zé)Y(jié)爐晶閘管調(diào)壓器采用4～20 mA控制信號。

圖3中為3個回路LP1、LP2、LP3復(fù)制地址[ch1（1p1）、ch1（1p2）、ch1（1p3）]到3個輸出模塊Module1A、Module4A、Module5A的粘貼，從而構(gòu)成3個輸出回路，由1A、1B、4A、4B、5A、5B端子輸出4～20 mA控制功率控制器，最終控制變壓器輸出加熱電流，從而控制高溫?zé)Y(jié)爐的溫度，達(dá)到控制溫度的目的。

1.3 PID參數(shù)設(shè)定

PID控制器有3個參數(shù)，即比例系數(shù)KP、積分時間TI、和微分時間Td，其設(shè)定數(shù)值的大小決定了比例、積分和微分控制作用的強(qiáng)弱，直接影響了PID控制器的控制性能。高溫?zé)Y(jié)爐維修人員了解PID參數(shù)的設(shè)定是必要的，當(dāng)控制效果不能滿足控制要求時，可重新設(shè)定PID參數(shù)。2704控溫儀表PID模塊如圖4所示。

在應(yīng)用過程中，因某種原因不能進(jìn)行自整定或自整定的結(jié)果不滿意。比如，為了防止大電流損壞變壓器或功率控制器高溫?zé)Y(jié)爐而不允許自整定。本研究則采用手工整定，采用了臨界比例帶法來控制溫度，步驟為：①設(shè)置積分時間和微分時間為“Off”。②設(shè)置高過沖抑制和低過沖抑制為“Auto”。③不考慮實際溫度是否與設(shè)定值相等；④如果溫度穩(wěn)定，則減小比例帶，直至溫度開始振蕩；如果溫度已經(jīng)開始振蕩，則增加比例帶，直至停止振蕩。每次改變比例帶后要留有足夠的時間來觀察回路的反應(yīng)，并記錄此時的比例帶數(shù)值（用“B”表示）和振蕩的周期時間（用“T”表示）。④按照表1計算出比例帶、積分時間和微分時間等參數(shù)的數(shù)值。

2704溫控儀表PID參數(shù)切換有5種：①根據(jù)顯示值（PV）大小進(jìn)行切換；②根據(jù)設(shè)定值（SP）大小進(jìn)行切換；③根據(jù)偏差（Error）大小進(jìn)行切換；④根據(jù)控制輸出值（OP）大小進(jìn)行切換；⑤根據(jù)數(shù)字輸入或數(shù)字通信輸入值（Set）進(jìn)行切換。

根據(jù)PV切換，3個回路切換的PV值為：①LP1回路（上區(qū)）的PID1為0～300 ℃，PID2為300～800 ℃，PID3為800～1 100 ℃，PID4為1 100 ℃；②LP2回路（中區(qū)）的PID1為0～350 ℃，PID2為300～800 ℃，PID3為800～1 200 ℃，PID4為1 200 ℃；LP3回路（下區(qū)）的PID1為0～300 ℃，PID2為300～800 ℃，PID3為800～1 200 ℃，PID4為1 200 ℃。

手工整定的參數(shù)如圖5所示。

經(jīng)過多次調(diào)試運行，溫度曲線PV與SV曲線完全重合，溫度控制性能好，控制精度高，PID參數(shù)滿足工藝要求。

1.4 PV伺服啟動（Servo）

當(dāng)程序開始運行時，設(shè)定值可以從設(shè)定值（SV）或當(dāng)前的過程值（PV）開始運行。無論采用哪個作為起始點，均稱為伺服點，可在程序中設(shè)置。通常情況下，是由伺服到過程值（PV）的，因為這樣可以使啟動比較平滑，并減少對過程的沖擊（適合溫度控制）；如果為了保證第一段的時間周期準(zhǔn)確，可由伺服到設(shè)定值（SV）。

2704溫度控制器啟動時，一般是從程序設(shè)置的起始點開始運行（起始點由工藝參數(shù)決定），而實際上當(dāng)前溫度實際值大多數(shù)情況下都大于設(shè)定的起始點。如果從程序設(shè)置的起始點開始，需要經(jīng)過一段時間才能執(zhí)行與當(dāng)前的溫度值一致，浪費了時間。而利用PV伺服啟動可解決這一問題，PV伺服啟動也適合當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障重新運行程序時，程序根據(jù)實際溫度（PV）伺服運行，這樣無需重新設(shè)定程序，啟動比較平滑，并能減少對過程的沖擊，控制精度高。

2704控溫儀表在程序設(shè)定的軟連線中【PROGRAM EDIT（wiring Page）】，PSP1復(fù)位值信號源（00001為LP1 PV、01025為LP2 PV、02049為LP3 PV），3個復(fù)位信號源是3個回路的PV值，PSP1信號源也可設(shè)為3個回路的SV值，因為PSP1復(fù)位信號源決定程序開始的條件。將其連接到SP，則程序從當(dāng)前SP值開始運行；將其連接到PV，則程序從當(dāng)前的PV值開始運行。被連接來的信號源的數(shù)值就是程序開始時的輸出值，選用3個回路PV信號源中的任意一個就可實現(xiàn)PV伺服啟動。

1.5 報警設(shè)置

報警是指溫度控制器滿足或超過預(yù)設(shè)條件時，輸出控制信號或向操作者發(fā)出的警示信息。通常用來控制某一輸出（一般是繼電器輸出）的開或關(guān)，使控制裝置互鎖，達(dá)到保護(hù)設(shè)備和提供報警信息的目的。

2704控溫儀表中的報警分為多種，報警組有Loop Alarms（回路報警）、PV Input Alarms（PV輸入報警）、Analogue Input Alarms（模擬輸入報警）、Module Alarms（模塊報警）、User Alarms（用戶自定義報警）。

報警組中又分為Full Scale Low（下限報警）、Full Scale High（高限報警）、Deviation Band（偏差帶報警）、Deviation High（上偏差報警）、Deviation Low（下偏差報警）、Rate of Change（變化率報警）。

本文主要介紹用戶自定義報警，如圖6所示。

圖6中對LP2回路高限報警進(jìn)行了設(shè)置，報警溫度為1 500 ℃，復(fù)制地址為“Output”，并將此地址粘貼到標(biāo)準(zhǔn)I/O模塊（STANDARD IO）的Relay AA繼電器。通過繼電器AA（觸點AA和AB）輸出數(shù)字信號，從而觸發(fā)報警信號（此信號通過PLC輸入去觸發(fā)報警程序），達(dá)到保護(hù)設(shè)備和提示報警信息的目的。

2 歐陸2704控溫儀表使用后的效果

高溫真空燒結(jié)爐的溫度控制非常嚴(yán)格，控制溫度對燒結(jié)產(chǎn)品的影響非常大，越來越多的高溫真空燒結(jié)爐都使用精度高的

進(jìn)口溫控儀表，比如歐陸2704、歐陸3500系列、島電FP21、FP23、FP93等。所以，此次用歐陸2704控溫儀表控制頂立ZJ8004D高溫真空燒結(jié)爐，通過試驗調(diào)試，控溫曲線平滑，控制精度高，完全達(dá)到了燒結(jié)工藝的要求，使用了60多爐，燒結(jié)的產(chǎn)品無任何質(zhì)量問題，收到了較好的效果。

3 應(yīng)用體會

歐陸2704溫控儀表是一種模塊化的可自由組態(tài)的高精度、高性能的溫度及過程控制器，采用了模塊化設(shè)計，便于擴(kuò)展。其可與RS485通訊，適合各種大型高溫真空燒結(jié)爐控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]張凱軍，呂黎.WT80S溫控儀在真空爐溫控系統(tǒng)技術(shù)改造中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程，2009，25（04）.

[2]余順園.快速電阻燒結(jié)溫度曲線實時采集記錄系統(tǒng)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（20）.

〔編輯：張思楠〕