基于熱處理爐計算機集散控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

曹 震

(寶鈦集團 企業(yè)管理運行部,陜西 寶雞 721014)

0 引言

寶鈦集團自建廠以來有色金屬的深加工工序不斷完善,有色金屬產(chǎn)品需要可靠的質(zhì)量認證。為了取得標準的質(zhì)量體系認證獲得更可觀的經(jīng)濟效益,必須裝備配置國際先進的實驗、信息儀器、檢測裝置和檢驗設(shè)備,這些尖端的設(shè)備配置通過了美國波音公司等質(zhì)量體系認證和產(chǎn)品認可；鈦及鈦合金錠、棒、板產(chǎn)品被列入公司合格供方目錄等,但某些材料的性能檢測往往需要控溫加熱及退火處理為基礎(chǔ),熱處理退火是極其重要的工藝環(huán)節(jié),因此在考慮成本和自發(fā)研制控溫系統(tǒng)成本的對比之后,企業(yè)決定自行研制一套實用的控溫系統(tǒng)。隨著企業(yè)的不斷發(fā)展及技術(shù)的進步加快,對生產(chǎn)設(shè)備過程控制要求的顯著提高,企業(yè)紛紛采用計算機集散控制系統(tǒng)。由于其可靠性高、性能穩(wěn)定等特點,已被廣泛采用于工業(yè)控制領(lǐng)域。對于理化分析加熱爐的研制需要一套可以檢測與控制爐溫參數(shù)等的顯示系統(tǒng),本系統(tǒng)由上位計算機、智能程序溫控儀表FP21、SSR電力調(diào)壓一體化裝置、電阻加熱爐、輸出設(shè)備等為一體的控制系統(tǒng),其功能為能自動檢測、實現(xiàn)程序控制、自動打印輸出、超限參數(shù)報警等的控制系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的實時運行情況,實施這種控制系統(tǒng)及控溫原理,能達到控溫精度較高、系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定,充分滿足生產(chǎn)實際需要、系統(tǒng)運行平穩(wěn)、各項指標符合設(shè)計要求。

1 控制系統(tǒng)的特點

由于電子技術(shù)的快速發(fā)展,風冷固態(tài)繼電器的應用范圍更加廣泛,而且體積小,采用調(diào)壓式控制技術(shù),使爐溫的控制更為精確。智能溫度控制裝置的部件,集成化高、體積小、可靠性高,發(fā)生故障容易更換。其設(shè)定方式采用可編程序來設(shè)定,系統(tǒng)可按各種工藝曲線執(zhí)行溫度控制,實現(xiàn)了程序過程控制。系統(tǒng)還采用了多重保護,發(fā)生故障時保護動作快,故障顯示,利用智能可編程溫控儀,使系統(tǒng)控溫效果極大改善。由于采用了外部操作,使系統(tǒng)操作方便、簡捷。與微機進行通訊,多臺可組成一套集散系統(tǒng),現(xiàn)場實時監(jiān)督和控制各臺參數(shù),并打印爐溫曲線,柜體采用全密封防塵處理,可在較惡劣環(huán)境中使用,因此該系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和良好的控溫性?？刂葡到y(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集框圖,如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集框圖

2 系統(tǒng)的主要技術(shù)指標

生產(chǎn)型企業(yè)對于技術(shù)有高的要求,對本系統(tǒng)也采用可靠的技術(shù)指標來實現(xiàn)加熱系統(tǒng)的控制。因此加熱爐控制系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳送可靠、使用靈活、性能穩(wěn)定、精確度高,在整個系統(tǒng)研制中,依據(jù)的主要技術(shù)指標有：對溫度檢定的熱電偶檢定誤差進行修正后,溫度顯示及控制精度達到±1℃。實現(xiàn)加熱爐爐溫程序控制、可預設(shè)9條加熱溫度曲線、并實現(xiàn)無超調(diào)、無振蕩的自適應控制。采用PID調(diào)壓方式,使操作和運行流暢,其溫度要求比較穩(wěn)定。工作電源采用380 V/220 V/50 Hz。工作環(huán)境要求溫度在-13℃～42℃,濕度31%～82%、無腐蝕性氣體及無震動場合。為了盡可能消除系統(tǒng)性誤差,爐溫均勻性指標如下：箱式爐采用均衡三點依次標溫,且三點之間溫差不大于±10℃；管式爐采用均衡三點依次標溫,且三點之間溫差不大于±6℃,熱處理爐性能指標如表1所示。

表1 熱處理爐性能指標

3 加熱控制系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)是由上位計算機、智能溫度程序控制器、三相/單相電力調(diào)壓裝置、加熱爐、打印報警裝置及用戶組態(tài)軟件構(gòu)成的計算機集散控制系統(tǒng),其加熱控制系統(tǒng)原理如圖2所示。加熱控制原理具體內(nèi)容如下：

圖2 加熱控制系統(tǒng)原理圖

(1)以可編程序控制器(FP21-4I-2400)為下位機,實現(xiàn)6臺加熱爐的溫度檢測、智能程序控制,并通過以太網(wǎng)與上位機ipc810通信。

(2)針對不同的加熱工藝,由下位機(FP21)編制9條加熱工藝曲線,使用時根據(jù)要求可任意調(diào)用。

(3)采用研華工控機IPC-610,實現(xiàn)上位機監(jiān)控。對6臺熱處理爐的溫度、及各臺熱處理爐工作狀況,進行實時過程監(jiān)控,主要包括工況圖顯示、參數(shù)打印、曲線打印、歷史數(shù)據(jù)存儲及打印、報警顯示。同時可以通過上位機對下位機傳輸工藝加熱曲線,方便操作與使用。

根據(jù)加熱控制系統(tǒng)原理,針對理化分析熱處理爐控溫精度高,溫場均勻性要求高的特點,研制成一套計算機集散控制系統(tǒng),實現(xiàn)多臺熱處理爐信號采集與控制。

4 計算機集散控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

(1)可編程控制器I/O接口電路設(shè)計

本控制系統(tǒng)采用FP21-41-2400可編程控制器,具有18路輸入、輸出開關(guān)量信號,根據(jù)理化實驗加熱爐控制系統(tǒng)所需要完成的控制功能,具體進行設(shè)定和操作。在系統(tǒng)設(shè)計過程中,運用可編程控制器I/O接口電路為溫控系統(tǒng)設(shè)置了執(zhí)行、保持、跳步、自整定等四個外部開關(guān)按鈕和編碼器,使得生產(chǎn)操作人員在生產(chǎn)中,只需調(diào)節(jié)好編碼數(shù)字對應的工藝曲線號,按動幾個簡單的按鈕,就高效的完成整個加熱爐的溫度控制。本系統(tǒng)的設(shè)計大大簡化了手動操作過程,改變了以往費工,費時的現(xiàn)象,極大降低了工作人員的勞動強度,生產(chǎn)效率有了顯著提高,可編程控制器I/O接口電路,如圖3所示。

圖3 可編程控制器I/O接口電路

(2)控制系統(tǒng)的主要檢測信號

控制系統(tǒng)檢測信號包括加熱爐溫度信號、控制輸出信號、溫度報警信號、開關(guān)量輸入、數(shù)字量輸入等,其功能及物理范圍、數(shù)量如表2所示。

表2 控制系統(tǒng)檢測信號表

(3)集散控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

熱處理爐計算機集散控制系統(tǒng)是由上位計算機、智能程序溫控儀表、SSR電力調(diào)壓一體化裝置、電阻加熱爐、打印輸出設(shè)備等結(jié)合而成的一套可靠系統(tǒng),其功能具備自動檢測、程序控制、自動打印、溫度超限報警等。上位計算機的控制數(shù)據(jù)是通過FP21溫控儀表的控制信號,通過計算機接口轉(zhuǎn)換,接入C2286光電隔離轉(zhuǎn)換器(RS422/RS232C),實現(xiàn)RS232C和RS422的信號轉(zhuǎn)換,最大通信速率115 200 bps；因為RS422側(cè)使用光耦隔離,所以RS422傳輸線中的噪聲會被屏蔽,RS232C側(cè)的接口為Dsub25針式插座(DCE),可直接連接到個人電腦、工作站、終端機器等RS232C端口(DTE)來使用,信號線轉(zhuǎn)換包含：RS232C側(cè)數(shù)據(jù)線TXD/RXD,控制信號線RTS/CTS或者DTR/DSR,RS422側(cè)的連接器接口為Dsub15孔。將6臺加熱爐溫度及控制信號傳入上位計算機ipc-810進行顯示及控制,實現(xiàn)了對加熱爐的系統(tǒng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)控制。熱處理爐計算機集散控制系統(tǒng)信號傳輸接線如圖4所示。

圖4 熱處理爐計算機集散控制系統(tǒng)信號傳輸接線圖

5 結(jié)束語

通過對本系統(tǒng)的技術(shù)改造及實施,在有色金屬產(chǎn)品實際生產(chǎn)中提高了理化分析熱處理爐的爐溫控制精度,同時也提高了爐內(nèi)溫度的均勻性,性能指標優(yōu)于±14℃的要求。從生產(chǎn)實際使用效果來看,采用該控制系統(tǒng)滿足了生產(chǎn)技術(shù)指標的實際需要,系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定,各項技術(shù)指標完全符合系統(tǒng)設(shè)計要求。由于提高了自動化管理水平,爐溫實現(xiàn)了無超調(diào)、無震蕩快速跟隨的自適應智能控制,具有明顯的節(jié)電作用。本系統(tǒng)的研制達到了理化試驗生產(chǎn)加熱產(chǎn)品的技術(shù)性能指標,節(jié)省了20%研制費用,每年節(jié)約生產(chǎn)設(shè)備所需電能的30%,提高了實驗熱處理爐的控溫精度,極大改善了熱處理爐溫場均勻性,提升了設(shè)備的自動化、信息化水平,為生產(chǎn)設(shè)備加工帶來了先進的技術(shù)加工手段,在行業(yè)內(nèi)有一定的借鑒價值。