高溫電阻爐智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

賈 云，董玉和

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

高溫電阻爐智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

賈 云，董玉和

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

文章主要討論電阻爐溫度控制系統(tǒng)的非線性、大滯后的特點，由于加熱空間巨大，并且現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境惡劣，會造成溫場有著比較嚴(yán)重的耦合現(xiàn)象和干擾，是一種典型的難控對象。文章研究其優(yōu)化控制問題，通過組態(tài)王、PLC等技術(shù)進行智能溫度監(jiān)控，對于提高工件品質(zhì)有著較為現(xiàn)實的意義。

智能監(jiān)控；可編程序控制器；計算機控制

如今的自動化生產(chǎn)過程中，壓力、物位、溫度、流量以及各種物理量都是常用的被控量。這些被控參數(shù)被廣泛地應(yīng)用在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造以及視頻加工等諸多領(lǐng)域中。而在這些領(lǐng)域中各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐又被廣泛地使用，所以人們需要對以上各種類型爐子的溫度進行檢測和控制。其中由于電阻爐具有電路簡單、對爐料種類的限制少、爐溫控制精度高，容易實現(xiàn)在真空加熱等的優(yōu)點，近年來得到了廣泛的應(yīng)用。

1 高溫電阻爐的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)高溫電阻爐的溫度控制的控制指標(biāo)為：保溫精度≤±1 ℃；跟蹤工藝曲線溫差≤±5 ℃；工件表面溫差≤ ±10 ℃。

本論文研究的高溫電阻爐的加熱空間有340 m3，為了保證溫場的均勻性和方便控制，此處把加熱區(qū)分成了27個溫區(qū)進行加熱與控制。由于計算機處理速度很快，用一臺計算機對溫場進行調(diào)控，選用西門子S7-200對高溫電阻爐的爐門、臺車、電源車進行控制，并運用組態(tài)監(jiān)控軟件對整個生產(chǎn)過程進行監(jiān)控。

2 高溫電阻爐溫度控制系統(tǒng)的硬件選型

根據(jù)工藝要求，電阻爐加熱區(qū)進行溫度測量使用熱電偶，熱電偶把溫度信號轉(zhuǎn)換成電動式，基礎(chǔ)自動化部分選用了西門子S7-200 PLC對大型高溫電阻爐的爐門、砂封、電源車的運行進行控制，同時實現(xiàn)對整個運行過程的監(jiān)控[1]。通過組態(tài)王監(jiān)控軟件完成系統(tǒng)的組態(tài)，實現(xiàn)對采集過來溫度信號的實時顯示、報警和查詢等功能。

下面詳細(xì)介紹高溫溫度控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。

（1）調(diào)功器的選型。本系統(tǒng)采用了可控硅作為調(diào)功器，通過改變電阻爐的溫度是方法是利用改變可控硅的導(dǎo)通角，來改變其輸出的電壓的大小，控制其輸出不同的電壓來控制電阻絲發(fā)熱，從而控制電阻爐溫度。

（2）溫度檢測元件的選型。本文采用的是目前測溫應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器熱電偶鎳鉻-鎳硅。

選擇的依據(jù)：根據(jù)測溫范圍，該熱電偶的測溫范圍-200～1 300 ℃。而本文研究的高溫電阻爐的加溫范圍0～900 ℃，所以可以滿足其測溫要求。其次是它的分度號為K，精度為±0.159 6 ℃。滿足本系統(tǒng)的控制精度要求和滿足工藝測量精度要求。

（3）溫度的采集模塊的選型。因為我們選用的分度號為K的熱電偶的輸出信號是電壓信號，不能直接送到上位機，故需要選用溫度采集模塊把信號變成數(shù)字信號送給上位機。故本系統(tǒng)選用的溫度采集模塊為ADAM4018，其具體的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 溫度采集模塊4018的性能指標(biāo)

該溫度采集模塊在極其惡劣的工況下使用，可靠性較高，適合用于采樣點與控制柜距離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)采集的控制場合。該智能溫度采集模塊可以同時采集8路的熱電偶信號，同時把該信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過RS-485總線傳送給工控機[2]。

由于計算機本身只能處理RS-232的信號，該通信協(xié)議不僅通信距離短，而且只適應(yīng)點對點的通信，不太適應(yīng)工業(yè)控制的，故選用RS-485與RS-232轉(zhuǎn)換器。該模塊與計算機的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 溫度采集模塊與計算機接線

（4）工控計算機的選型。根據(jù)前面提到的工控機選擇的要求我們選用的是IPC-610的專用機。

（5）電源的選型：DC24V。

（6）D/A板卡的選型。模擬量輸出本課題選用的是PC-7462（12位8路）和PC-7463（12位12路）光電隔離獨立模擬量輸出接口板，PC-7462 是面向工業(yè)過程而設(shè)計的12位8路光電隔離獨立模擬量輸出接口板，符合PC總線標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)（Industry Standard Architecture，ISA），適合于所有PC機。本板采用光電隔離技術(shù)，使被控對象同計算機之間完全電氣隔離。可在惡劣環(huán)境下的工業(yè)現(xiàn)場工作。供電方式為電源隔離模塊供電，該光電隔離模擬量輸出接口板具有適用范圍廣、電壓輸出量程多、操作使用簡單、抗干擾能力強等特點，用戶可根據(jù)控制對象的需要，選擇電壓或電流輸出方式輸出[3]。

（7）基礎(chǔ)自動化級選型。西門子公司的S7-200系列PLC，CPU 224 CN主機有24個輸入/輸出點（其中輸入繼電器14個，輸出繼電器10個），根據(jù)分析臺車式電阻的控制要求共有開關(guān)量輸入信號40個，輸出繼電器32個，所以需要擴展4個I/O模塊[4]。

（8）實時輸出報表。具體的用組態(tài)王類C語言開發(fā)的部分程序如下所示：系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器用的是以比例、積分、微分控制器（Proportion，Integral，Differentiation，PID）控制算法為基礎(chǔ)的，下面是利用組態(tài)王中的自定義函數(shù)編寫的PID控制程序程序：

3 組態(tài)王監(jiān)控畫面的制作

系統(tǒng)是在組態(tài)王軟件6.53的基礎(chǔ)上進行開發(fā)的，人機交換界面友好，系統(tǒng)的設(shè)計采用全中文菜單，操作方便、簡單實用。溫度監(jiān)控系統(tǒng)的主畫面根據(jù)要求設(shè)計了進入、退出監(jiān)控系統(tǒng)和管理員登錄的界面，形成了一個比較完善的權(quán)限管理體系[5]。具體畫面與程序如圖2所示。

實現(xiàn)停電保存功能具體實現(xiàn)如下：

圖2 溫度監(jiān)控畫面

溫度報警畫面的制作可以進行溫度的下限和上限的報警，而且考慮到選擇不同的工藝要選擇不同的溫度，所以操作人員可以根據(jù)具體的情況，改變溫度的上限和下限的設(shè)定值[6]。實現(xiàn)實時報警和報警查詢，具體如圖3所示。

數(shù)據(jù)庫：在通用控件—KVDBGridclass—在歷史報警查詢畫面畫出—右鍵點擊—控制屬性：數(shù)據(jù)源—選擇開放數(shù)據(jù)庫互連（Open Database Connectivity，ODBC）定義的數(shù)據(jù)源替數(shù)據(jù)庫存儲（設(shè)置）字節(jié)數(shù)[7-8]。

本系統(tǒng)還提供了在溫度控制過程中根據(jù)工藝要求控制效果較好的工藝曲線并保存，也可以通過這個界面進行PID值的改變，不過改PID的值是由權(quán)限限制的。

4 結(jié)語

通過本次高溫電阻爐智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，通過PLC、組態(tài)軟件以圖形的直觀方式實時顯示出計算機與現(xiàn)場輸入輸出設(shè)備通信、信息采集、交換的情況，最終根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)過程的要求或工程人員、操作人員的要求對現(xiàn)場溫度的輸入輸出設(shè)備進行控制，達到最終目的。

圖3 加熱區(qū)溫度報警監(jiān)控畫面

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[3]王春霞.模糊自整定PID溫控系統(tǒng)的仿真研究及設(shè)計[D].長春：東北師范大學(xué)，2005.

[4]伍乾永.一種簡單的控制對象建模方法[J].重慶師范學(xué)院學(xué)報.1999，21（6）：34-36.

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[7]ALPET’YAN N A, BEREZHNOV Y M, GORDEEV G L, et al. Automatic line for providing pipes with ribs from wire[J].Chemical and Petroleum Engineering, 1989（1）: 49-50.

[8]陳新海，李言俊，周軍.自適應(yīng)控制及應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

Design and implementation of intelligent temperature monitoring system for high temperature resistance furnace

Jia Yun, Dong Yuhe
（Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014030, China）

This paper mainly discusses the characteristics of nonlinearity and large lag in the temperature control system of resistance furnace, for its heating space is huge and the production environment is bad, it will cause severe coupling and interference of temperature field, which is an object typical difficult to control. This paper studies the optimization control problem, and carries out intelligent temperature monitoring by Kingview, PLC and other technology, which has more practical significance for improving the quality of the workpiece.

intelligent monitoring; programmable logic controller; computer control

賈云（1988— ），女，內(nèi)蒙古包頭人，館員，碩士；研究方向：計算機控制。