基于智能儀表的高溫電阻爐溫度區(qū)別跟蹤測(cè)控系統(tǒng)研制

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,咸陽(yáng) 712000；2.川慶鉆探工程有限公司 長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西 西安 710021；3.長(zhǎng)慶油田分公司 機(jī)械制造總廠,陜西 西安 710201)

高溫電阻爐區(qū)別于常規(guī)中低溫電阻爐，通常以鎳鉻金屬、硅鉬棒、硅碳棒、石墨等復(fù)合材料分別作為低中高各溫度段的加熱體，超輕質(zhì)耐火高溫節(jié)能材料作為隔熱保溫爐襯，配套真空、水冷及溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最高溫度可達(dá)2 600 ℃的加熱及熱處理生產(chǎn)過(guò)程，加熱過(guò)程包含了低溫段、中溫段、高溫段工藝銜接控制，廣泛應(yīng)用于航天、機(jī)械、制造、新材料等領(lǐng)域。

現(xiàn)有的大部分高溫電阻爐采用中低溫和高溫分段分體實(shí)施，控溫系統(tǒng)受高低溫測(cè)溫手段及信號(hào)類型等因素的限制，直接采用高溫測(cè)溫計(jì)進(jìn)行控溫，中、低、高溫度過(guò)渡不能自然銜接，溫度測(cè)控過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)性差。對(duì)中低溫段的升溫速度以及功率輸出不能做到準(zhǔn)確實(shí)時(shí)控制，特別是對(duì)碳碳復(fù)合材料、耐火復(fù)合纖維、高性能功能陶瓷等新材料的生產(chǎn)，直接影響熱處理生產(chǎn)工藝過(guò)程的有效實(shí)施，對(duì)于某些工藝特殊，要求連續(xù)生產(chǎn)的熱處理任務(wù)，較難滿足要求[1]。另外，高溫電阻爐內(nèi)多個(gè)加熱分區(qū)獨(dú)立控制，控溫同步協(xié)調(diào)性較差，控制系統(tǒng)硬件成本較高，系統(tǒng)維護(hù)工作量大。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)一種基于智能儀表的高溫電阻爐溫度區(qū)別跟蹤測(cè)控系統(tǒng)，采用對(duì)高溫電阻爐同一加熱分區(qū)高低溫采用區(qū)別測(cè)量、獨(dú)立控制，多個(gè)加熱分區(qū)之間分別實(shí)行高低溫階段的主從跟隨控制的策略，主控儀表按照統(tǒng)一的加熱工藝曲線協(xié)同跟蹤控溫儀表，通過(guò)高低溫轉(zhuǎn)換溫度點(diǎn)切換信號(hào)，高溫和低溫儀表控制回路的輸出進(jìn)行無(wú)擾切換，分別實(shí)現(xiàn)多個(gè)加熱分區(qū)低溫和高溫協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高低溫?zé)o擾切換和全程溫度準(zhǔn)確控制，使多個(gè)加熱分區(qū)溫度能夠同步協(xié)調(diào)，爐內(nèi)溫度均勻性好，控溫精度高，控制回路硬件成本低廉，使用維護(hù)簡(jiǎn)單方便。

1 高溫電阻爐溫度區(qū)別跟蹤測(cè)控系統(tǒng)原理與系統(tǒng)組成

1.1 高低溫區(qū)別跟蹤測(cè)控系統(tǒng)原理

針對(duì)現(xiàn)有高溫電阻爐中、低、高溫度測(cè)控過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)性差的問(wèn)題，本文采用同一溫區(qū)內(nèi)高低溫區(qū)別測(cè)控和不同溫區(qū)之間主從跟蹤控制的策略，通過(guò)設(shè)置高低溫轉(zhuǎn)換溫度點(diǎn)切換信號(hào)，對(duì)高溫和低溫儀表控制回路的輸出進(jìn)行無(wú)擾切換，主控儀表按照統(tǒng)一的加熱工藝曲線協(xié)同輔控儀表跟蹤控溫，分別實(shí)現(xiàn)多個(gè)加熱分區(qū)低溫和高溫協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制。

相比較于常規(guī)高溫電阻爐加熱分區(qū)獨(dú)立控制的模式，高低溫區(qū)別測(cè)控模式，實(shí)現(xiàn)了高低溫?zé)o擾切換和全工藝過(guò)程溫度準(zhǔn)確控制，同時(shí)通過(guò)各分區(qū)的主從跟蹤控制方式，各分區(qū)溫度能夠同步協(xié)調(diào)控制，爐膛內(nèi)均溫性好，且控制回路硬件成本大為降低，使用維護(hù)簡(jiǎn)單方便[2]。

1.2 高低溫區(qū)別跟蹤測(cè)控系統(tǒng)組成

高溫電阻爐高低溫區(qū)別跟蹤測(cè)控系統(tǒng)原理組成示意圖，如圖1所示。高低溫區(qū)別跟蹤測(cè)控系統(tǒng)主要包括爐膛加熱分區(qū)單元、加熱電源主回路單元、高低溫區(qū)分測(cè)量變送單元、高低溫控制回路單元、高低溫切換控制單元、主從跟隨控制單元、工藝溫度設(shè)定單元等幾個(gè)部分。

1.2.1 爐膛加熱分區(qū)單元

關(guān)于高溫電阻爐的加熱分區(qū)，考慮均溫性指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)分區(qū)越多爐膛內(nèi)的均溫性越好，可根據(jù)爐膛空間、加熱工藝和功率要求進(jìn)行合理設(shè)置分區(qū)，分區(qū)以偶數(shù)對(duì)稱布設(shè)，保證溫度均勻性并方便實(shí)施。為敘述方便和便于理解起見，高溫電阻爐的加熱分區(qū)以兩個(gè)加熱分區(qū)為對(duì)象進(jìn)行描述說(shuō)明，但并不僅限于兩個(gè)加熱分區(qū)。

據(jù)此，高溫電阻爐以空間對(duì)稱、功率均布和方便實(shí)施的原則，爐膛分為兩個(gè)加熱區(qū)，分別定義為加熱1區(qū)和加熱2區(qū)，將電阻加熱體通過(guò)絕緣支架固定的方式布置在兩個(gè)加熱區(qū)域，待燒工件或物料一般放置于爐膛有效加空間中央，兩個(gè)加熱分區(qū)的加熱體布置、功率分配、主回路配置、溫度測(cè)控等特性保持基本一致。

1.2.2 加熱電源主回路單元

加熱主回路單元與加熱分區(qū)單元相對(duì)應(yīng)，一個(gè)加熱分區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)加熱主回路。加熱主回路通過(guò)電纜或銅排的連接方式和加熱分區(qū)的電阻發(fā)熱體連接，主要包含低壓斷路器、交流接觸器、快速熔斷器、功率調(diào)節(jié)裝置(SCR)以及主回路電參數(shù)檢測(cè)裝置等部分，實(shí)現(xiàn)加熱電源的啟停通斷控制、元器件保護(hù)和加熱功率調(diào)節(jié)控制功能。

SCR功率調(diào)節(jié)裝置是加熱電源回路的核心裝置，可選用帶通信功能的三相數(shù)字化功率調(diào)整器，配套PLC監(jiān)控系統(tǒng)，以通信的方式將加熱過(guò)程中的電壓、電流、功率、電度數(shù)等電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，為生產(chǎn)控制和管理提供數(shù)據(jù)支持。

1.2.3 高低溫區(qū)分測(cè)量變送單元

在每個(gè)加熱分區(qū)溫度場(chǎng)相對(duì)統(tǒng)一穩(wěn)定的區(qū)域，各布置一個(gè)高溫測(cè)溫計(jì)和一個(gè)可動(dòng)熱電偶，分別用于高溫和中低溫檢測(cè)、變送與測(cè)量控制。圖1中加熱1區(qū)和2區(qū)的高溫、低溫測(cè)量傳感變送器的編號(hào)分別定義為光學(xué)測(cè)溫儀OC1、OC2和可動(dòng)熱電偶TC1、TC2，每個(gè)測(cè)量變送傳感器選配的信號(hào)類型、測(cè)量范圍要與智能控溫儀表相匹配。

1.2.4 高低溫?zé)o擾切換單元

高低溫?zé)o擾切換單元與高低溫區(qū)分測(cè)量變送單元對(duì)應(yīng)，采用高低溫?zé)o擾切換的雙回路控制模式，即溫度檢測(cè)和溫控儀表按高低溫切換的模式，區(qū)分為高溫、低溫2個(gè)控制輸出回路，按照協(xié)調(diào)統(tǒng)一的溫度工藝曲線，共同作用于加熱主回路的功率調(diào)整器SCR，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加熱電源的功率輸出。實(shí)現(xiàn)高溫控制輸出的溫控儀，需選擇輸入信號(hào)為4～20 mA或1～5 V的標(biāo)準(zhǔn)萬(wàn)能信號(hào)，以方便接收高溫測(cè)溫計(jì)的電流信號(hào)。實(shí)現(xiàn)中低溫控制輸出的溫控儀，輸入選擇默認(rèn)的熱電偶信號(hào)即可，原理框圖見圖2。

圖2 高低溫?zé)o擾切換雙回路控制原理框圖

1.2.5 主從跟蹤控制單元

主從跟蹤控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)加熱分區(qū)按照高溫、低溫主從跟蹤的模式進(jìn)行控制，用一臺(tái)多程序段的主控溫控儀拖帶多臺(tái)同精度的定值普通溫控儀，實(shí)現(xiàn)多個(gè)加熱分區(qū)按同一溫度工藝曲線同步協(xié)調(diào)控制的目的。圖2中所述的1區(qū)和2區(qū)兩個(gè)加熱區(qū)，1區(qū)作為主控加熱區(qū)拖帶2區(qū)跟隨控制，分別按照高溫、低溫主從跟蹤的模式對(duì)爐內(nèi)兩個(gè)加熱分區(qū)溫度按同一溫度工藝曲線進(jìn)行同步協(xié)調(diào)控制。

1.2.6 溫度工藝曲線的設(shè)定單元

溫度工藝曲線的設(shè)定可通過(guò)主控溫控儀的操作面板按鍵輸入，或儀表和計(jì)算機(jī)通信的方式，通過(guò)組態(tài)軟件人機(jī)界面設(shè)定溫度曲線。將中低溫段(可動(dòng)熱電偶最高測(cè)溫溫度以下)的工藝曲線輸入到低溫主控溫控儀，將整條工藝曲線盡量完整地輸入到高溫主控溫控儀，再通過(guò)高低溫?zé)o擾切換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)加熱過(guò)程按照同一溫度工藝曲線進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制。

2 高低溫區(qū)別跟蹤測(cè)控系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實(shí)施

2.1 高、低溫溫度測(cè)量與變送

每個(gè)加熱分區(qū)分別布置一個(gè)高溫測(cè)溫計(jì)和一個(gè)可動(dòng)熱電偶，用于高溫和中低溫檢測(cè)變送，1區(qū)和2區(qū)的高、低溫測(cè)量裝置的編號(hào)分別為光學(xué)測(cè)溫儀OC1、可動(dòng)熱電偶TC1和光學(xué)測(cè)溫儀OC2、可動(dòng)熱電偶TC2，并按下述要求選配：

高溫測(cè)溫計(jì)可選用雙比色高溫計(jì)、三色光電高溫計(jì)、紅外測(cè)溫計(jì)等非接觸式測(cè)溫裝置，量程在500～3 000 ℃，24 VDC供電，為適合溫控儀表信號(hào)輸入，保證信號(hào)穩(wěn)定可靠傳輸，選用4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)作為傳感器變送輸出信號(hào)?，F(xiàn)有市場(chǎng)上的光學(xué)測(cè)溫計(jì)主要以非接觸式輻射法單色測(cè)量?jī)x為主，其測(cè)溫原理是受熱物體的溫度愈高，其顏色就愈亮，單色輻射強(qiáng)度也就越大，受熱物體的亮度大小反映了物體的溫度數(shù)值，通常都支持對(duì)應(yīng)測(cè)量量程的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。

中低溫段檢測(cè)選配鎧裝熱電偶來(lái)測(cè)量，爐體測(cè)溫區(qū)設(shè)置測(cè)溫孔和遮蓋板，配套循環(huán)冷卻水裝置，并加裝氣缸動(dòng)作裝置和測(cè)溫孔遮蓋裝置。在加熱溫度未達(dá)到高溫段前，通過(guò)高低溫轉(zhuǎn)換溫度點(diǎn)開關(guān)信號(hào)控制氣缸，抽出熱電偶，并使遮蓋裝置覆蓋測(cè)溫孔以減少漏熱。可動(dòng)熱電偶根據(jù)爐膛內(nèi)情況選用適當(dāng)長(zhǎng)度，熱電偶分度號(hào)、量程和信號(hào)類型與低溫溫控儀相匹配，最好選用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)。

2.2 高低溫切換功能實(shí)現(xiàn)

高低溫切換功能由切換開關(guān)來(lái)控制實(shí)施，切換開關(guān)的信號(hào)PLC控制輸出，驅(qū)動(dòng)中間繼電器的一對(duì)常開常閉信號(hào)給出，分別串接于高溫、低溫控制輸出回路。其中，高溫切換開關(guān)為H，選用常開信號(hào)；低溫切換開關(guān)為L(zhǎng)，選用常閉信號(hào)。在每個(gè)加熱分區(qū)的高溫溫控儀和低溫溫控儀上分別設(shè)置報(bào)警事件輸出，根據(jù)具體工藝選擇適當(dāng)?shù)闹?，?00 、1 000、1 100 ℃等，以低于可動(dòng)熱電偶量程上限附近的某一溫度值作為高低溫切換事件報(bào)警值，通過(guò)邏輯程序判斷，切換開關(guān)。

當(dāng)兩個(gè)儀表的報(bào)警事件條件同時(shí)滿足時(shí)，中間繼電器線圈帶電，驅(qū)動(dòng)切換控制繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)高低溫控制的無(wú)擾切換功能。對(duì)于主控溫控儀而言，若選用新型高精度高分辨率高性能程序智能溫控儀，加FP23智能溫控儀，其傳感器支持雙輸入測(cè)量運(yùn)算功能，在儀表的UNIT/RANGE窗口群，高低溫過(guò)度閾值的輸出測(cè)量值可以選擇DEV差值模式或平均值A(chǔ)VE模式來(lái)確定實(shí)際測(cè)量值PV。

2.3 多溫區(qū)區(qū)域跟蹤控制

為方便系統(tǒng)信號(hào)聯(lián)絡(luò)和通信數(shù)據(jù)采集，選用同品牌相關(guān)系列智能溫控儀表，來(lái)搭建多溫區(qū)溫度跟蹤測(cè)控系統(tǒng)。采用一臺(tái)多程序段的日本島電FP23系列0.1級(jí)智能PID調(diào)節(jié)器作為主控溫控儀，拖帶一臺(tái)同精度的日本島電SR23系列0.1級(jí)智能定值PID調(diào)節(jié)器作為跟蹤控溫儀，高溫主控儀表和跟蹤儀表分別定義為FP23_H和SR23_H，低溫主控儀表和跟蹤儀表分別定義為FP23_L和SR23_L。高溫階段時(shí)，F(xiàn)P23_H通過(guò)通信或信號(hào)現(xiàn)連接的方式拖帶SR23_H進(jìn)行高溫統(tǒng)一協(xié)同控制控制，低溫階段時(shí)， FP23_L通過(guò)通信或信號(hào)現(xiàn)連接的方式拖帶SR23_L進(jìn)行低溫統(tǒng)一協(xié)同控制控制。

溫控儀的模擬遙控功能選件，可利用外部輸入信號(hào)代替機(jī)內(nèi)設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)儀表的多溫區(qū)調(diào)節(jié)和串級(jí)跟蹤控制。以0～10V 非隔離模擬輸入為基本配置，隔離輸入型為選件，通過(guò)其他外部模擬信號(hào)輸入作為SR23的模擬遙控設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)數(shù)臺(tái)儀表的區(qū)域控制。在遙控功能設(shè)置窗口可設(shè)定遙控跟蹤開啟或關(guān)閉，機(jī)內(nèi)選擇方式時(shí)，選擇REM SV確認(rèn)后完成。同樣，也可以利用外部PLC或DI功能開關(guān)設(shè)置遙控工作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)外遙控與機(jī)內(nèi)控制的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)系統(tǒng)處于遙控跟蹤模式時(shí)，對(duì)于遙控跟蹤信號(hào)的各種運(yùn)算都能夠被執(zhí)行，所得出的計(jì)算結(jié)果作為遙控設(shè)定，當(dāng)存在第二輸出時(shí)，遙控模式能被指定到獨(dú)立通道，遙控方式有以下6種模式可供選擇：

(1)RSV:直接將外部輸入用作標(biāo)準(zhǔn)遙控設(shè)定輸入并分配在通道1；

(2)RT:將外部輸入經(jīng)過(guò)偏差運(yùn)算處理后的結(jié)果用作標(biāo)準(zhǔn)遙控設(shè)定輸入并分配在通道1；

(3)RSV:CH2直接將外部輸入用作標(biāo)準(zhǔn)遙控設(shè)定輸入并分配在通道2；

(4)RT:CH2將外部輸入經(jīng)過(guò)偏差運(yùn)算處理后的結(jié)果用作標(biāo)準(zhǔn)遙控設(shè)定輸入并分配在通道2；

(5)RSV:CH1+2直接將外部輸入用作標(biāo)準(zhǔn)遙控設(shè)定輸入并分配在通道1與通道2；

(6)RT:CH1+2將外部輸入經(jīng)過(guò)偏差運(yùn)算處理后的結(jié)果用作標(biāo)準(zhǔn)遙控設(shè)定輸入并分配在通道1與通道2。

當(dāng)設(shè)定模式為RT運(yùn)算模式時(shí)，按式(1)進(jìn)行：

SV = A× X + B

(1)

式中：A為遙控輸入信號(hào)；X為遙控比率；B為遙控信號(hào)補(bǔ)償；SV為執(zhí)行遙控設(shè)定值。

通常而言，選用RSV模式即可實(shí)現(xiàn)本方案所述功能，RT功能模式更能滿足一些特殊工藝和工況的實(shí)際需求。圖3為偏差運(yùn)算處理對(duì)標(biāo)準(zhǔn)遙控設(shè)定輸入的作用模式比較。

圖3 偏差運(yùn)算處理對(duì)標(biāo)準(zhǔn)遙控設(shè)定輸入的作用

3 多溫區(qū)高低溫區(qū)別跟蹤測(cè)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

多溫區(qū)高低溫區(qū)別跟蹤測(cè)控系統(tǒng)，采用研華IPC工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，西門子smart200系列PLC、日本島電PID調(diào)節(jié)器、英杰數(shù)字式調(diào)功器、安東智能電力監(jiān)測(cè)儀等作為下位數(shù)據(jù)采集和調(diào)節(jié)控制設(shè)備。該系統(tǒng)上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)機(jī)與西門子PLC之間通過(guò)以太網(wǎng)連接，同時(shí)與PID調(diào)節(jié)器、數(shù)字式調(diào)功器等其他下位設(shè)備通過(guò)RS485總線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]，構(gòu)成一種典型的DCS集散控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)組成原理如圖4所示。

上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)帶有RS-232C標(biāo)準(zhǔn)通信接口及打印機(jī)數(shù)據(jù)接口，可以方便與下位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。溫度控制采用自帶的多段可編程曲線的日本島電FP23程序溫控儀和SR23定值溫控儀，利用區(qū)域PID算法和多組自整定專家PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)6個(gè)加熱區(qū)的多溫區(qū)區(qū)域跟蹤控制。6個(gè)加熱溫區(qū)的電壓、電流和功率由英杰數(shù)字式調(diào)功器KTY3S進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)通信的方式在上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)上顯示。通過(guò)查看各區(qū)電流的趨勢(shì)曲線，可對(duì)電阻帶使用壽命進(jìn)行判斷。通過(guò)安東智能電力監(jiān)測(cè)儀LU192A對(duì)各區(qū)總電流、有功功率和電能進(jìn)行檢測(cè)，顯示并記錄在上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)上，據(jù)此用戶可以及時(shí)的了解整個(gè)設(shè)備的能耗情況，為生產(chǎn)電能分配以及廠區(qū)的整體生產(chǎn)規(guī)劃提供依據(jù)[4-5]。

圖4 控制系統(tǒng)組成原理框圖

溫度工藝曲線的設(shè)定，可通過(guò)主控溫控儀的操作面板操作按鍵，按步驟將溫度和時(shí)間對(duì)應(yīng)輸入，也可通過(guò)儀表和計(jì)算機(jī)通信的人機(jī)界面設(shè)定溫度曲線，以通信的方式將工藝曲線數(shù)值下傳給智能溫控儀。跟蹤溫控儀會(huì)自動(dòng)根據(jù)主控溫控儀的實(shí)時(shí)給定值自動(dòng)更新儀表設(shè)定值，跟蹤主控儀表同步實(shí)現(xiàn)溫度控制。

通過(guò)主從跟蹤控制，智能溫控儀的配置有原來(lái)的6臺(tái)程序溫控儀變成同精度的1臺(tái)程序溫控儀和5臺(tái)定值溫控儀的組合，在保證按工藝曲線自動(dòng)實(shí)現(xiàn)加熱工藝的同時(shí)，硬件控制成本大為降低。在此過(guò)程中，將可動(dòng)熱電偶最高測(cè)溫溫度以下的中低溫段工藝曲線輸入到低溫主控溫控儀，將整條工藝曲線盡量完整地輸入到高溫主控溫控儀，再通過(guò)高低溫切換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)加熱過(guò)程按照同一溫度工藝曲線進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有高溫電阻爐溫度測(cè)控過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)性差的問(wèn)題，采用對(duì)同一控溫區(qū)之內(nèi)高低溫區(qū)別測(cè)控和不同溫區(qū)之間主從跟蹤控制的策略，通過(guò)設(shè)置高低溫轉(zhuǎn)換溫度點(diǎn)切換信號(hào)，對(duì)高溫和低溫儀表控制回路的輸出進(jìn)行無(wú)擾切換，主控儀表按照統(tǒng)一的加熱工藝曲線協(xié)同跟蹤控溫儀表，分別實(shí)現(xiàn)多個(gè)加熱分區(qū)低溫和高溫協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高低溫?zé)o擾切換和全程溫度準(zhǔn)確控制，多個(gè)加熱分區(qū)溫度能夠同步協(xié)調(diào)控制，爐內(nèi)均溫性好，儀表控制回路硬件成本大幅降低，使用維護(hù)簡(jiǎn)單方便，具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值。