基于PLC和溫控儀表的燃氣熱處理爐復合控溫系統研究

王猛 白晶

摘 要：熱處理爐是鋼鐵企業(yè)進行熱處理的重要設備，其溫度控制的精確性直接影響產品質量。為了得到質量優(yōu)異的產品，某企業(yè)設計了由西門子S7-300 PLC程序和歐陸2408溫控儀表組成的燃氣熱處理爐復合控溫系統，實現了工作過程的全自動化。該系統可以設置工藝參數，實時顯示控制數據。其引入模糊控制算法，可以實現熱處理爐生產過程的各種控制要求，使爐溫按照設計的溫控曲線精確調整，達到節(jié)能降耗和精確控溫的目的。

關鍵詞：燃氣熱處理爐;PLC;模糊控制

中圖分類號：TP29文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0038-03

Abstract： Heat treatment furnace is an important equipment for heat treatment in iron and steel enterprises， and the accuracy of its temperature control directly affects product quality. In order to obtain high-quality products， a company designed a gas-fired heat treatment furnace compound temperature control system composed of Siemens S7-300 PLC program and Eurotherm 2408 temperature control instrument to realize the fully automatic working process. The system can set process parameters and display control data in real time. The introduction of fuzzy control algorithm can realize the various control requirements of the heat treatment furnace production process， make the furnace temperature accurately adjust according to the designed temperature control curve， and achieve the purpose of energy saving and consumption reduction and precise temperature control.

Keywords： gas heat treatment furnace;PLC;fuzzy control

熱處理是一種將材料及其制品加熱到適宜的溫度，保溫一定時間后，以不同的冷卻方式冷卻，最終獲得優(yōu)異性能的熱加工工藝[1-2]。熱處理后的鋼件可以實現細化晶粒、降低硬度、易切削等目的。穩(wěn)定和精確的溫度控制是保證熱處理爐運行質量的根本[3-4]。近年來，人們對鋼材制品的性能要求越來越嚴格，使得熱處理爐的運行質量要求也越來越高。目前，燃氣熱處理爐常采用單回路手動和自動相結合的溫度控制方式，但這種方式也有難以克服的弊端，需要克服控制對象的多變性、非線性和較大純滯后等因素的影響。為了解決控溫精度不高、控溫過程平穩(wěn)性及爐內溫度均勻性差的問題，本文以燃氣熱處理爐為研究對象，結合某企業(yè)設備改造需求，設計了以西門子S7-300 PLC程序和歐陸2408溫控儀表為核心的燃氣熱處理爐復合控溫系統，旨在提高熱處理爐的加熱效率。實踐表明，其在實際生產中取得了很好的應用效果，實現了節(jié)能降耗、高產優(yōu)質的初衷，較大幅度提高了企業(yè)利潤。

1 熱處理工藝要求

某企業(yè)鋼材產品的主要熱處理要求是細化晶粒、降低硬度、改善切削性能。根據相關要求，相關工作人員設計了其熱處理工藝的溫度-時間變化曲線，如圖1所示。燃氣熱處理爐按控溫工藝曲線設定的程序工作。一般工藝流程是在650～700 ℃的工作溫度下保溫一段時間后升溫，通常，溫度保持在800～1 000 ℃。升溫時，盡量保證升溫曲線貼近設定曲線，重點是保溫階段，為了保證工件處理過程的質量，必須盡量將溫度波動控制在設定的范圍內。

2 控制原理

模糊控制系統是一種自動控制系統，它是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種智能控制方法。它適用于復雜的非線性時變系統，廣泛應用于工業(yè)控制。模糊控制器根據設定溫度與實際溫度的溫差及溫度變化率，利用模糊控制算法求出輸出值。模糊控制原理如圖2所示。本文選定的模糊控制系統應用對象是燃氣熱處理爐，通過對爐內溫度加以設定，采用熱電偶檢測爐內的實際溫度。

3 燃氣熱處理爐的溫度控制

為了實現燃氣熱處理爐溫度的精準控制，本研究采用由西門子S7-300 PLC程序和歐陸2408溫控儀表組成的復合控溫系統。

3.1 爐內各區(qū)溫度控制

爐內各區(qū)溫度由歐陸表控制。若采用連續(xù)PID控制方法，則動態(tài)性能差，很難達到控溫精度，而且設備投入較大。燃氣和空氣總流量調節(jié)由PLC模塊通過控制燃氣調節(jié)閥和空氣調節(jié)閥實現。因此，對于采用西門子S7-300 PLC程序和歐陸2408溫控儀表的復合控溫系統來說，當熱電偶檢測的溫度與PLC程序設定的溫度相比超過10 ℃時，歐陸表就按程序控制輸出大火;當熱電偶檢測的溫度與程序設定的溫度相比為2 ℃時，各燒嘴箱就按脈沖控制輸出小火來控制爐溫。

3.2 燒嘴箱的脈沖控制

燒嘴箱是燃氣熱處理爐的重要部件，工作方式是脈沖控制，燒嘴采用大小火脈沖控制方式。燒嘴中心距臺車面1 400 mm，溫控系統根據工藝的溫度變化，通過PLC控制單個燒嘴進行大小火切換，控溫更加均勻。脈沖燃燒溫度控制系統是燃氣熱處理爐控制系統的核心，有助于保證控制的精確性。傳統控制理論對明確系統的控制能力較強，但對于過于復雜或難以精確描述的系統來說，其控制精度較低，難以達到較好的效果。因此，本文嘗試利用模糊控制系統解決這些生產中常見的控制問題。下面分析其理論依據。

在實際生產中，設定溫度和實際測定溫度總是存在一定差異，因此將設定溫度和實際測定溫度的差值與正負兩方向的誤差范圍相比較，分出若干等級：PS為正方向小的偏差（Positive Small）;PM為正方向中的偏差（Positive Medium）;PB為正方向大的偏差（Positive Big）;NB為負方向大的偏差（Negative Big）;NM為負方向中的偏差（Negative Medium）;NS為負方向小的偏差（Negative Small）;ZO為近于零的偏差（Zero）。

為了精確控制爐膛溫度，人們需要在燃燒方式、燃燒時間等方面下功夫，并且需要按照誤差等級進行分配。應用程序如下：

FUNCTION_BLOCK ?fb1007

VAR_INPUT

Temperature_infact： REAL;

Temperature_set：REAL;

END_VAR

VAR_OUTPUT

Fuzzy_ctrl_B，Fuzzy_ctrl_S： REAL;

END_VAR

VAR_TEMP

temperature_error ： REAL;

END_VAR

BEGIN

IF temperature_set>temperature_infact

THEN temperature_error：= temperature_set-temperature_infact ;

ELSE temperature_error：=2.0;

END_IF;

IF ?temperature_error<2.1

THEN ?fuzzy_ctrl_S：=0.5;

END_IF;

IF ?temperature_error>=2.1 AND temperature_error<2.2

THEN fuzzy_ctrl_S：=0.6;

END_IF;

IF ?temperature_error>=2.2 AND temperature_error<2.3

THEN fuzzy_ctrl_S：=0.7;

END_IF;

IF ?temperature_error>=2.3 AND temperature_error<2.4

THEN fuzzy_ctrl_S：=0.8;

END_IF;

IF ?temperature_error>=2.5

THEN fuzzy_ctrl_S：=1.0;

END_IF;

IF ?temperature_error<2.5

THEN ?fuzzy_ctrl_B：=0;

END_IF;

IF ?temperature_error>=2.5 ?AND temperature_error<5.0

THEN fuzzy_ctrl_B：=0.65;

END_IF;

IF ?temperature_error>=5.0 ?AND temperature_error<8.0

THEN fuzzy_ctrl_B：=0.7;

END_IF;

IF ?temperature_error>=8.0 AND temperature_error<10.0

THEN fuzzy_ctrl_B：=0.8;

END_IF;

IF ?temperature_error>=10.0 AND temperature_error<12.0

THEN fuzzy_ctrl_B：=0.9;

END_IF;

IF ?temperature_error>=12.0

THEN fuzzy_ctrl_B：=1.0;

END_IF;

END_FUNCTION_BLOCK

4 結論

某企業(yè)積極進行設備改造，設計出燃氣熱處理爐復合控溫系統，其結構簡單，操作方便，投入少，控溫精度高。工控機作為上位機，可以提供良好的人機界面，方便進行全系統的監(jiān)控和管理;PLC作為下位機，執(zhí)行有效、可靠的分散控制。人們通過優(yōu)化控制軟件，達到了項目預定的技術要求。這種新型復合控溫系統不僅滿足熱處理工藝的精度要求，而且節(jié)約能源，取得顯著的經濟效益和環(huán)保效益，最終為燃氣熱處理爐的生產過程提供更為有效的控制方法。

參考文獻：

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[2]紀宗南.FUZZY-PID控制器的自動調節(jié)設計[J].電氣自動化，1996（1）：13-15.

[3]李丙旺，張友照，陳文建.基于PID分段式溫度控制系統的設計與實現[J].自動化應用，2011（4）：21-22.

[4]劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：67-82.