熱處理爐控制參數(shù)調(diào)節(jié)方法的技術(shù)探討

張 鵬，吉玖男，范志山，楊亞斐，黃麗芳

(西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

加熱爐是熱處理車間的必備設(shè)備，承擔(dān)著物料熱加工的各個(gè)環(huán)節(jié)，而過程控制器便是熱處理爐的核心控制元件，對(duì)熱處理爐的溫度均勻性控制起著不可或缺的作用。根據(jù)2750《宇航材料技術(shù)規(guī)范高溫測(cè)定法》，熱處理設(shè)備被分為6級(jí)，溫度均勻性要求分別為±3 ℃(1級(jí)爐)、±6 ℃(2級(jí)爐)、±8 ℃(3級(jí)爐)、±10 ℃(4級(jí)爐)、±14 ℃(5級(jí)爐)、±28 ℃(6級(jí)爐)[1]。為了使得熱處理效果更好，對(duì)熱處理設(shè)備的溫均性要求也就越來越高，因此對(duì)于測(cè)試的要求也越來越嚴(yán)格。由于經(jīng)典參數(shù)調(diào)節(jié)方法過程復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用較難，因此，能有效應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需要的調(diào)節(jié)方法就越加重要。

1 爐溫均勻性測(cè)試儀表配置

1.1 爐溫均勻性測(cè)試儀表配置

根據(jù)2750《宇航材料技術(shù)規(guī)范高溫測(cè)定法》與HB5425《航空制件熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》，測(cè)定布置示意圖及實(shí)際圖分別見圖1、圖2，熱處理爐工藝儀表按照其傳感器和相關(guān)儀表的配置形式分為A、B、C、D、E五種類型，每種類型的所對(duì)應(yīng)的溫度傳感器及相應(yīng)儀表配置要求見表1[1-2]。

圖1 五點(diǎn)布置示意圖

圖2 五點(diǎn)布置實(shí)際圖

1.2 爐溫均勻性測(cè)量系統(tǒng)的組成與判定標(biāo)準(zhǔn)

熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定的測(cè)溫系統(tǒng)通常由溫度傳感器、補(bǔ)償導(dǎo)線、測(cè)量?jī)x表及測(cè)溫架組成。有效加熱區(qū)測(cè)定多采用體積法測(cè)試，傳感器的數(shù)量應(yīng)按照表2的要求[2]。

檢測(cè)時(shí)，數(shù)據(jù)采集與記錄應(yīng)在爐內(nèi)第一只傳感器溫度到達(dá)每一個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)要求的溫度均勻性允許的偏差范圍下限之前開始，測(cè)定過程中的任何時(shí)間內(nèi)，任何測(cè)量、控制或記錄傳感器的讀數(shù)均不應(yīng)超過爐子類別及測(cè)試溫度點(diǎn)要求的溫度均勻性允差的范圍上限，當(dāng)所有測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定后應(yīng)在連續(xù)至少30 min記錄所有測(cè)量傳感器的溫度數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)都應(yīng)保持在測(cè)量溫度點(diǎn)所要求的溫度均勻性允許的偏差范圍內(nèi)。一個(gè)規(guī)定的測(cè)試溫度點(diǎn)的有效加熱區(qū)測(cè)定要求在2 h內(nèi)完成，應(yīng)在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)定。

表1 儀表類型及對(duì)應(yīng)的溫度傳感器和配置要求

注：“●”表示要求配置：“×”表示不要求配置。

a 可以使用插在同一保護(hù)管內(nèi)的雙芯熱電偶結(jié)構(gòu)的溫度傳感器，一支用于控溫，一支用于記錄。

b最低和最高溫度記錄傳感器的初始安放位置根據(jù)有效加熱區(qū)初始測(cè)定結(jié)果決定，并在隨后的周期測(cè)定中可能會(huì)根據(jù)最近一次的測(cè)定結(jié)果而重新定位。

c如果載荷溫度傳感器用作溫度控制傳感器，則載荷溫度記錄儀應(yīng)為溫度顯示及控制儀或具有溫度顯示及控制功能。

d生產(chǎn)記錄檔案必須注明該溫控區(qū)是完全空置的。

e當(dāng)利用最高溫度記錄傳感器作保護(hù)傳感器時(shí)，與其連接的記錄儀表應(yīng)具有相應(yīng)的超溫保護(hù)功能。

表2 體積法測(cè)量傳感器數(shù)量 支(不少于)

注：傳感器數(shù)量適用于周期爐和采用體積法的連續(xù)爐。當(dāng)使用單支測(cè)量傳感器對(duì)鹽浴爐、溫度控制液體槽和流態(tài)床爐進(jìn)行溫度均勻性測(cè)量時(shí)，該數(shù)量即標(biāo)識(shí)測(cè)量傳感器需要移動(dòng)的位置數(shù)。

a當(dāng)有效加熱區(qū)體積大于113 m3時(shí)，根據(jù)爐子類別按下列要求計(jì)算測(cè)量傳感器數(shù)量，當(dāng)有效加熱區(qū)體積不大于113 m3范圍時(shí)，測(cè)量傳感器數(shù)量可按下列要求或根據(jù)本表采用內(nèi)插法計(jì)算。

Ⅰ、Ⅱ類爐：9+1/2×[35.3×(有效加熱區(qū)體積-6.4)]1/2

Ⅲ～Ⅵ類爐：9+1/4×[35.3×(有效加熱區(qū)體積-6.4)]1/2

2 參數(shù)調(diào)節(jié)方法

本文的參數(shù)調(diào)節(jié)是基于歐陸3504過程控制器。

2.1 經(jīng)典調(diào)節(jié)方法(臨界比例帶法)

核心思想為:P=定值，I=0，D=0，調(diào)節(jié)P值使過程曲線得到等幅震蕩曲線。

如果系統(tǒng)震蕩，增加比例帶直至剛剛穩(wěn)定；如果系統(tǒng)穩(wěn)定，減小比例帶直至剛剛震蕩[3]。注意：不用關(guān)心過程值是否達(dá)到設(shè)定值。

通過實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)，臨界比例帶法在加熱爐控制系統(tǒng)中只能得到相對(duì)等幅震蕩曲線。

如圖3所示：從750 ℃升至900 ℃，波谷1點(diǎn)坐標(biāo)(18:59，892.9)，波峰2點(diǎn)坐標(biāo)(19:06，895.4)，3點(diǎn)坐標(biāo)(19:02，894.1)。其中：橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表溫度。

圖3 臨界比例帶法實(shí)際震蕩曲線

溫度：3點(diǎn)—1點(diǎn)=1.2 ℃，2點(diǎn)—3點(diǎn)=1.3 ℃，振幅基本一致。

時(shí)間：3點(diǎn)—1點(diǎn)=180 s，2點(diǎn)—3點(diǎn)=240 s，存在較大差值(相對(duì)等幅震蕩)。

分析始終不能得到等幅震蕩原因：

臨界比例帶法適用于系統(tǒng)能量散失較少的對(duì)象(如等水位調(diào)節(jié)等)，而加熱爐的控制對(duì)象為溫度，系統(tǒng)散熱量較大(保溫過程輸出功率在20%～30%)，熱量散失無法忽略。

2.2 改進(jìn)型調(diào)節(jié)方法(初始參數(shù)賦值法與自整定后PI調(diào)節(jié)法)

加熱爐控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵控制參數(shù)主要包含：比例、積分、微分、高過沖抑制參數(shù)，低過沖抑制參數(shù)。

圖4 溫度抑制作用點(diǎn)變化曲線

1)初始參數(shù)賦值法

初始參數(shù)賦值法，即給予過程控制器一個(gè)基礎(chǔ)控制參數(shù)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)情況，根據(jù)沖溫、升溫速率，再對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將系統(tǒng)調(diào)至小幅沖溫甚至不沖溫情況時(shí)，引入微分參數(shù)，微分參數(shù)自小向大調(diào)節(jié)(微分參數(shù)可以設(shè)為零，逐步增加)。

通過大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，控制參數(shù)賦值基礎(chǔ)選為：P=13，I=680，D=0，高低過沖抑制參數(shù)均設(shè)為AUTO，能夠較快調(diào)節(jié)成功。

2)自整定后PI調(diào)節(jié)法

自整定后PI調(diào)節(jié)法，即利用過程控制器自整定功能，得到一組控制參數(shù)，再令微分參數(shù)為零，以此控制參數(shù)為基礎(chǔ)，測(cè)試過程中根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到小幅沖溫或者不沖溫?cái)?shù)據(jù)，之后再引入微分參數(shù)。

改進(jìn)型參數(shù)調(diào)節(jié)的方法的高效調(diào)試，需要結(jié)合參數(shù)調(diào)節(jié)理論。

(1)比例參數(shù)，在控制系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用，對(duì)系統(tǒng)的震幅作用顯著。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大幅沖溫時(shí)，增加比例參數(shù)P，將系統(tǒng)調(diào)節(jié)至小幅沖溫甚至不沖溫后，P基本不再發(fā)生變化，后續(xù)調(diào)節(jié)用微分積分進(jìn)行。(爐內(nèi)沖溫在2 ℃以內(nèi)可利用微分調(diào)節(jié))

3504過程控制器的最大優(yōu)勢(shì)，能夠進(jìn)行定量抑制，溫度抑制作用點(diǎn)=SV-3P(SV為設(shè)定溫度，P為比例參數(shù))，可根據(jù)沖溫幅值，調(diào)節(jié)比例參數(shù)。增加了比例參數(shù)后，溫度抑制作用點(diǎn)將降低。即：SV與SV-3P的反應(yīng)區(qū)間將增大，提供給系統(tǒng)更大的溫度反應(yīng)，可明顯消除大幅沖溫現(xiàn)象，如圖4所示。

例如：工作區(qū)為尺寸為300 mm×400 mm×250 mm的熱處理爐，溫均性為±5 ℃，從300 ℃升至450 ℃。

(a)P=13，I=680，D=0，高低過沖抑制參數(shù)設(shè)為AUTO，11:42時(shí)，爐內(nèi)溫度沖溫達(dá)峰值12.8 ℃，此時(shí)控溫表溫度并未達(dá)到設(shè)定溫度，仍然升溫，但升溫功率降低，爐內(nèi)溫度開始回落，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

(b)將P增至17，其余參數(shù)不變(相對(duì)于a階段，過程抑制提前12 ℃介入)。20:38時(shí)，爐內(nèi)最高點(diǎn)達(dá)到峰值452.4 ℃，并未達(dá)到上限455 ℃，測(cè)試合格。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(P=13,I=680,D=0)

時(shí)間控溫表溫度/℃爐內(nèi)傳感器溫度最大值/℃11:34381.3435.711:36396.5441.211:38405.6450.611:40411.1458.511:42425.2462.811:44430.0462.411:46434.7462.311:48437.1462.211:50439.2462.211:52440.0462.111:54440.3462.011:56440.7461.811:58441.1461.1

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(P=17,I=680,D=0)

時(shí)間控溫表溫度/℃爐內(nèi)傳感器溫度最大值/℃20:24429.8440.920:26438.5446.120:28439.9451.320:30441.7450.820:32443.5450.120:34445.6451.820:36446.2452.120:38447.0452.420:40447.8451.320:42448.0450.120:44448.2450.720:46448.9451.520:48449.6451.9

(2)積分參數(shù)，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，與系統(tǒng)的響應(yīng)速率有關(guān)。

積分參數(shù)增加，穩(wěn)態(tài)誤差將減小，但是系統(tǒng)的響應(yīng)速率將變慢，增長(zhǎng)了升溫時(shí)間。另外，增加積分參數(shù)，也可以減小沖溫現(xiàn)象(見圖5、圖6)。

圖5 實(shí)驗(yàn)曲線(P=14.5,I=455,D=50)

圖6 實(shí)驗(yàn)曲線(P=14.5,I=505,D=50)

例如：設(shè)定值為900 ℃，19:50在到達(dá)上限溫度905℃時(shí)，升溫速率開始降低，19:55，爐內(nèi)傳感器溫度最大值為907.3 ℃，沖溫7.3 ℃，之后溫度回落，但是溫度回落速率較慢。如圖5所示。

設(shè)定值為700 ℃，16:03在到達(dá)上限溫度755 ℃時(shí)，16:05爐內(nèi)沖溫達(dá)到極值756.5 ℃，沖溫6.5 ℃。如圖6所示。

對(duì)比積分參數(shù)增加前后，沖溫幅值減小了0.8 ℃，并且自到達(dá)沖溫上限后，溫度回落速率變快，控制效果更佳。

(3)微分參數(shù)，它對(duì)系統(tǒng)的影響情況并沒有比例與積分參數(shù)的影響那么大，增加微分參數(shù)可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速率，但是同時(shí)又增加系統(tǒng)沖溫的可能性。

結(jié)合經(jīng)典控制理論與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，微分參數(shù)的調(diào)節(jié)原則為：自小向大調(diào)節(jié)，其典型值可取積分參數(shù)的1/4 至1/3。

實(shí)際測(cè)試時(shí)，可將微分參數(shù)直接置0，再逐漸小幅增加；也可在比例與積分參數(shù)基本確定后，賦值(1/4～1/3)×I。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在加熱爐系統(tǒng)中，PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響并不是等量的，比例參數(shù)影響最大，其次為積分，微分影響最弱。

比較兩種調(diào)節(jié)方法，初始參數(shù)賦值法更適用于周期性測(cè)試，原因在于賦值參數(shù)可在上一周期的基礎(chǔ)上進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，節(jié)省了自整定過程。自整定后PI調(diào)節(jié)法更適用于新增設(shè)備調(diào)試，原因在于新增設(shè)備無前期調(diào)節(jié)參數(shù)參考，只能通過自整定后得到基礎(chǔ)控制參數(shù)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)經(jīng)典參數(shù)調(diào)節(jié)方法在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的技術(shù)難點(diǎn)，以經(jīng)典參數(shù)調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)際，提出了改進(jìn)型參數(shù)調(diào)節(jié)方法并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，且效果良好，同時(shí)又給出了兩種方法的測(cè)試優(yōu)缺點(diǎn)。通過改進(jìn)型參數(shù)調(diào)節(jié)方法，將爐溫均勻性檢測(cè)的參數(shù)調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了系統(tǒng)化與便捷化，為檢測(cè)人員提供了高效的參數(shù)調(diào)節(jié)指導(dǎo)。