基于PLC的工業(yè)燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李艷紅

(西安外事學(xué)院,陜西 西安 710077)

燒結(jié)爐是一種重要的化工設(shè)備,主要用于原料的加熱,使其在高溫環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。隨著粉末冶金行業(yè)的快速發(fā)展,粉末冶金材料在生物、醫(yī)學(xué)以及工業(yè)等多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重要的應(yīng)用,且滲透性越來越強(qiáng)。燒結(jié)爐作為粉末冶金行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備之一,能夠使得粉末狀材料在高溫環(huán)境下發(fā)生鍵聯(lián),減少分子間的空隙,提升合金的密度。材料燒結(jié)作為耗能最大的工序不僅影響了產(chǎn)品的燒結(jié)質(zhì)量,也直接關(guān)系到行業(yè)的能源利用效率。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升,我國粉末冶金行業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平不斷提高。如何提升燒結(jié)爐的控制精度成為研究的重點(diǎn)。本文結(jié)合燒結(jié)爐的工作原理介紹一種溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,希望能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)燒結(jié)爐溫度的精準(zhǔn)控制,保證工件的燒結(jié)質(zhì)量。

1 燒結(jié)爐組成及工作原理

燒結(jié)爐主要用于制造各種金屬和非金屬材料,如粉末冶金材料、氧化物陶瓷、 高溫?zé)峁趟芰?、花崗巖等,是一種非常重要的工業(yè)成型設(shè)備,可以用于制造各種復(fù)雜的金屬和非金屬材料[1]。通過精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)和高效的加熱器,燒結(jié)爐可以完成復(fù)雜的燒結(jié)操作,并實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的生產(chǎn)流程。

1.1 燒結(jié)爐組成

燒結(jié)爐由以下幾個(gè)主要組成部分構(gòu)成:

(1)爐體:爐體是燒結(jié)爐的主體,通常由一定厚度的高溫耐火材料制成。爐體內(nèi)部通常有安裝在固定位置的加熱器、溫度傳感器和其他控制器。

(2)加熱器:加熱器是燒結(jié)爐的核心部分。加熱器通常由電阻絲、電加熱管或燃?xì)饣馉t組成,將燃?xì)饣螂娔苻D(zhuǎn)化為熱能,從而加熱爐體的材料。

(3)控制系統(tǒng):燒結(jié)爐控制系統(tǒng)通?；谟?jì)算機(jī)或控制器,用于監(jiān)控和控制爐體內(nèi)的溫度、加熱器的運(yùn)行溫度、爐門的開閉狀態(tài)等操作[2-3]。如圖1所示。

圖1 真空燒結(jié)爐

1.2 燒結(jié)爐工作原理

燒結(jié)爐的工作原理主要是利用高溫材料的熱力學(xué)性質(zhì)對(duì)爐內(nèi)不同種類材料進(jìn)行加熱,使其燒結(jié)成為單個(gè)固體整體。通常,將要燒結(jié)的材料放入爐體中,然后關(guān)閉爐門,啟動(dòng)加熱器進(jìn)行加熱。加熱過程中,爐內(nèi)材料會(huì)逐漸變軟,并形成不同種類的物質(zhì)黏結(jié)在一起[4]。燒結(jié)材料形成的硬度和性質(zhì)以及燒結(jié)后的形狀取決于材料種類和燒結(jié)過程中的具體參數(shù)。

燒結(jié)爐工作流程包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié):

(1)準(zhǔn)備工作:對(duì)于初次使用的燒結(jié)爐,需要仔細(xì)檢查設(shè)備,確保設(shè)備運(yùn)行正常。然后將需要燒結(jié)的材料放置在爐中并嚴(yán)密封閉爐門。

(2)啟動(dòng)燃?xì)饣螂娏訜崞?啟動(dòng)加熱器以達(dá)到所需的加熱溫度。由控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)控爐體溫度,確保加熱過程的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性[5]。

(3)燒結(jié)材料:在爐內(nèi)加熱一段時(shí)間后,材料逐漸燒結(jié)成為一個(gè)整體。燒結(jié)后,關(guān)停加熱器,并讓整個(gè)爐體冷卻至室溫。

(4)清洗燒結(jié)爐:在燒結(jié)完成后,需要清理內(nèi)部的材料殘留物,保持設(shè)備的清潔和衛(wèi)生。

2 燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

2.1 穩(wěn)定性

燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)應(yīng)該具有穩(wěn)定性,能夠盡可能地保持系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài),防止溫度波動(dòng)過大,從而導(dǎo)致爐內(nèi)物料無法得到規(guī)律的加熱,進(jìn)而影響爐內(nèi)反應(yīng)的進(jìn)行[6]。在設(shè)計(jì)過程中,必須考慮到系統(tǒng)的各種因素,以確保溫度控制系統(tǒng)能夠在良好的狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行。

2.2 精度高

燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)必須具備高精度的特點(diǎn),以確保溫度的測(cè)量和控制能夠做到極致,并且對(duì)于爐內(nèi)物料的加熱提供及時(shí)有效的控制,從而保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。精度高的溫度控制系統(tǒng)需要精確計(jì)算好各種因素的影響,如爐內(nèi)物料的傳熱、發(fā)熱、外界溫度等等,確保溫度測(cè)量值的準(zhǔn)確性[7]。

2.3 靈活性

溫度控制系統(tǒng)需要具有靈活性,以便能夠及時(shí)根據(jù)爐內(nèi)物料的變化實(shí)時(shí)調(diào)整溫度控制,以適應(yīng)各種不同的生產(chǎn)需求和條件變化。為此,需要采用先進(jìn)的控制算法和軟件,實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的溫度調(diào)節(jié)功能[8]。

2.4 經(jīng)濟(jì)可靠性

燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)需要具備經(jīng)濟(jì)性,要以最小的成本實(shí)現(xiàn)最高的效益,確保溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)是高效的,能夠有效地降低生產(chǎn)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。除此之外,燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)需要具有高度的可靠性,以確保在嚴(yán)峻的工業(yè)條件下能夠長時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行,不受震動(dòng)、振動(dòng)等外部因素的干擾,從而確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和效率的提高[9-10]。

3 基于PLC工業(yè)燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)架構(gòu)

PLC燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)主要由以下模塊組成:

(1)人機(jī)交互模塊:包括人機(jī)界面、觸摸屏、按鍵等,可通過PLC控制爐子的工作狀態(tài)、溫度、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)。人機(jī)交互模塊選用昆侖通態(tài)觸摸屏,采用Cortex-A8作為核心控制單元以及MCGS作為組態(tài)軟件,能夠支持對(duì)燒結(jié)爐實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集以及監(jiān)測(cè),為數(shù)據(jù)的控制和處理提供參考依據(jù)[11]。

(2)輸入輸出模塊:包括傳感器、執(zhí)行器等,用于監(jiān)測(cè)爐子狀態(tài),控制爐子溫度、加熱、冷卻等。由于在燒結(jié)爐的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要將溫度傳感器采集到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào),因此系統(tǒng)配備模擬量實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換[12]。選擇西門子EM235模擬量輸入/輸出模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換,用戶可以使用DIP開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入輸出模塊的控制。

(3)PLC溫度控制模塊:采用可編程控制器(PLC)進(jìn)行燒結(jié)爐的自動(dòng)化控制,通過PLC對(duì)電磁閥、溫度傳感器等進(jìn)行控制。PLC硬件選擇日本三菱的FX3U-64MR主控制器進(jìn)行組態(tài)編程與數(shù)據(jù)庫實(shí)施對(duì)應(yīng)。

(4)通信模塊:可將燒結(jié)爐的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)等信息上傳到計(jì)算機(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立在通信方案基礎(chǔ)上,選用符合通信協(xié)議的自由口通信設(shè)計(jì),物理層協(xié)議為RS485,數(shù)據(jù)層協(xié)議包含數(shù)據(jù)信息、地址信息等,應(yīng)用層協(xié)議定義系統(tǒng)的信息格式以及封裝方法,盡可能提升系統(tǒng)通信的可靠性[13]。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

PLC燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)包括以下方面:

(1)溫度控制功能:通過PLC對(duì)燒結(jié)爐的加熱、冷卻進(jìn)行控制,保證燒結(jié)爐溫度在設(shè)定范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)工藝參數(shù)設(shè)定功能:可通過人機(jī)界面對(duì)燒結(jié)爐的燒結(jié)時(shí)間、溫度、加熱功率、冷卻時(shí)間、冷卻速度等工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

(3)自動(dòng)控制功能:燒結(jié)爐控制系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù),自動(dòng)控制燒結(jié)爐的加熱、冷卻等操作,提高生產(chǎn)效率。

(4)報(bào)警功能:燒結(jié)爐控制系統(tǒng)可對(duì)燒結(jié)爐的異常情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)溫度過高、電流異常、傳感器斷開等情況發(fā)生時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示。

3.3 PLC燒結(jié)爐溫度控制程序設(shè)計(jì)

1)確定I/O口

明確控制系統(tǒng)所需要的信號(hào),即:溫度傳感器信號(hào)與加熱器控制信號(hào)。通常燒結(jié)爐的溫度控制系統(tǒng)需要使用模擬信號(hào),因此需要確定模擬輸入口和模擬輸出口的設(shè)置。

2) 程序框圖設(shè)計(jì)

在PLC開發(fā)軟件中,可以使用ladder圖或SFC圖等編程語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。針對(duì)燒結(jié)爐的溫度控制,可以采用SFC圖進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。SFC圖中,可以將程序分為不同的步驟,也可在不同步驟間進(jìn)行跳轉(zhuǎn),直接實(shí)現(xiàn)程序的控制邏輯[14]。

3) 設(shè)定PID控制算法

PID控制是常見的控制算法之一,常用于工業(yè)應(yīng)用中?？墒褂肞LC開發(fā)軟件中的PID控制模塊,將其與模擬輸入口進(jìn)行關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)溫度控制過程,并將結(jié)果通過模擬輸出口發(fā)送給加熱器。

4)監(jiān)控與報(bào)警設(shè)定

針對(duì)燒結(jié)爐溫度控制,監(jiān)控程序的總體運(yùn)行情況非常必要?？赏ㄟ^監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)對(duì)程序以及控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè),并及時(shí)給出相關(guān)的報(bào)警信息,如溫度過高或過低[15]。

5) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

完成以上步驟后,需要對(duì)程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)際調(diào)試中,應(yīng)先保證特定的燒結(jié)點(diǎn)可穩(wěn)定達(dá)到所需溫度,再進(jìn)一步進(jìn)行程序優(yōu)化。

3.4 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

PLC燒結(jié)爐控制系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)需要考慮以下方面:

(1)燒結(jié)爐環(huán)境安全:必須確保燒結(jié)爐的外觀不燙傷,同時(shí)需要設(shè)置保護(hù)裝置,以避免機(jī)器意外啟動(dòng)。

(2)加熱安全:必須確保燒結(jié)爐的加熱能力正常,并采取措施以保護(hù)人員不受高溫影響。

(3)冷卻安全:必須確保燒結(jié)爐的冷卻能力正常,并采取措施以避免冷卻部件損壞。

(4)PLC系統(tǒng)安全:需要對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芎桶踩刂?以避免信息泄露和不正當(dāng)訪問。

4 結(jié) 語

采用PLC控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)爐的自動(dòng)化控制水平,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。燒結(jié)爐的溫度控制直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量,采用PLC控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精確控制溫度,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性。此外,采用PLC控制系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)燒結(jié)爐的運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并提示維修,降低了維護(hù)成本。但設(shè)計(jì)PLC燒結(jié)爐溫度控制程序時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行具體的設(shè)置,方案的最終效果也需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)完成后,還需要考慮系統(tǒng)的可維護(hù)性與穩(wěn)定性,以確保在生產(chǎn)落地中的順利使用。