基于PLC和組態王的鐘罩爐溫度控制系統*

魏翠琴，張建斌

(1.湖州職業技術學院，浙江 湖州 313000;2.湖州遠來工控有限公司，浙江 湖州 313000)

鐘罩爐廣泛應用于磁性材料、電子陶瓷元件、粉末冶金等產品的預燒和燒結，也可以滿足特種電子陶瓷元件在保護氣氛下燒結之用。溫度是工業控制對象中的主要被控參數之一，常用的溫度控制方式有溫控儀表控制、溫控模塊控制、PLC控制和PID調節器控制等。其中，儀表通訊慢，跟隨性差;溫控模塊造價高;PID調節器魯棒性強，即其控制品質對環境條件變化和被控對象參數的變化不太敏感，常用在系統性能要求較高的場合。本文應用歐姆龍PLC的自整定PID運算，實現加熱爐退火系統的溫度自適應調節，結構簡單，性價比高。使控制器能夠根據運行環境的變化，適時地改變其自身的參數整定值，以求達到預期的閉環運行，并有效地提高系統的魯棒性。

1 工藝流程及控制要求

1.1 工藝要求

本系統為350 kW鐘罩爐溫度控制系統，整套設備包括兩座爐臺(備有兩個爐臺風機)、兩只內罩(備有兩個冷卻風機)、一只加熱罩和一只冷卻罩，加熱罩和冷卻罩循環利用，一個爐臺加熱，另一個爐臺冷卻，循環反復使用。其工藝流程如下圖1所示。

圖1 工藝流程圖

當加熱時間結束后，應帶罩冷卻一段時間，一般要求在吊走加熱罩時，加熱罩溫度≤500℃，當工藝溫度接近500℃時，要求帶罩冷卻(保溫)0.5小時后方能吊走加熱罩，加熱完成報警聲響。

冷卻進行時，當爐氣溫度在350℃之前采用風冷模式，即只開兩臺冷卻風機，冷卻水處于關閉狀態。

當爐氣溫度在350℃-250℃之間時，自動開啟冷卻循環冷卻水，實行快速冷卻，當爐氣溫度在250℃時，關閉冷卻風機，打開噴淋水閥，使冷卻水從內罩頂部流下，實行快速冷卻，當爐氣溫度≤100℃時，冷卻結束。

出爐前，應關閉冷卻水總閥，開啟冷卻風機2分鐘，使內罩外壁的水分能快速散去，再吊走冷卻罩，然后吊走物料。

1.2 控制要求

鐘罩爐的溫度控制屬于退火控制，整個退火過程包括許多道工序，退火過程由PLC控制完成。

加熱系統:爐加熱罩就位，啟動加熱，風機低速啟動，電加熱器接觸器吸合，延時10秒，PID調節器按設定的加熱曲線開始工作，電加熱器開始加熱。當爐氣溫度達到設置溫度時，風機高速運行。

當爐氣溫度達到保溫溫度(上位機設定)時，鐘罩爐進入保溫區，PID調節器以保溫溫度為設定值進行控制，達到保溫時間(可設置)后，關閉加熱器，開始自然冷卻，當爐氣溫度低于出爐溫度(上位機設定)時，爐準備出料，加熱完成報警聲響。

在加熱控制系統中，有三個測溫點:爐罩溫度、爐氣溫度、爐料溫度。爐罩溫度點在加熱罩上，溫度較高，爐料溫度點在加熱物料中，溫度有點滯后，爐氣溫度是爐罩內循環熱氣的溫度。以爐氣溫度為測量溫度，以工控機上設定的加溫曲線為給定值，控制三個區的電加熱器，組成單回路閉環溫度調節系統，在PLC程序中，選用自動整定的PID調節器，可對系統參數進行自動整定。

圖2 控制系統原理圖

2 系統控制方案及硬件配置

本系統需要對兩臺爐子內的爐氣溫度和物料溫度及加熱罩溫度5路模擬量信號及一些開關量信號進行控制。由于客戶要求配置上位機參與操作和監控，對上位機的要求是能夠對系統的控制參數(物料和加熱罩溫度上下限)、兩臺爐子的相關參數和報警參數(物料、爐氣和鐘罩爐報警溫度)進行設置;能夠模擬顯示整個系統當前的運行狀況、工藝流程、調節器參數、溫度曲線、實時查詢打印歷史記錄及報表、實時報警等［1］。

根據系統的大小、控制對象的復雜程度及成本考慮，宜選用歐姆龍PLC和研華工控機。一般而言，I/O點數最后要留出足夠余量(15%左右)作為備用，便于將來系統增容擴建或改造。圖3給出了控制系統的PLC排列圖，圖4給出了控制系統方框圖，表1為系統配置一覽表。

圖3 系統控制PLC排列圖

圖4 控制系統方框圖

表1 硬件配置一覽表

3 系統軟件設計

控制系統的軟件包括下位機和上位機兩部分。下位機PLC編程在歐姆龍 CX－Programmer6.1上實現，上位機人機界面采用研華工控機組態王軟件來完成。

3.1 下位機軟件設計

PLC的控制軟件完成系統工藝要求的全部任務，該部分的設計是本控制系統的設計關鍵。可以在CX－One開發平臺上，采樣“分頁式”編程，將系統中相對獨立的段“分頁”，即有相對獨立的程序塊，方便查閱和修改。

本系統有風機系統、加熱系統、冷卻系統、模擬量輸入、設定值、PID調節器、調節器參數、參數轉換、一號爐加熱控制、二號爐加熱控制、溫度梯度計算、輸出設置、故障、閥位、輸出共15段程序。

鐘罩爐溫度控制系統中的溫度由熱電偶進行采集，熱電偶的輸出信號為4～20mA的電流信號，在對模擬量進行采樣的基礎上，一般還要對采樣值進行PID運算，并根據運算結果，形成對模擬量的控制作用。PID運算中積分作用可以消除系統的靜態誤差，提高精度，加強對系統參數變化的適應能力;而微分作用可以克服慣性滯后，提高抗干擾能力和系統的穩定性，可改善系統動態響應速度［2］。

在系統穩態運行時，PID控制器的作用就是通過調節其輸出使偏差為零。偏差由給定量(希望值，由上位機設定)與過程變量(實際值)之差來確定。連續系統PID調節的微分方程式由比例項、積分項和微分項3部分組成［3］。如式(1)所示。

式中，Y(t)是回路控制算法的輸出;KC是回路增益;TI是積分時間常數;TD是微分時間常數;e(t)是誤差(給定值與過程變量之差);Minitial是回路控制算法輸出的初始值。

圖5 系統程序流程圖

3.2 上位機軟件設計

上位機人機界面(HMI)的開發采用組態王KingView6.53軟件。系統監控操作畫面有多屏，系統設有歡迎畫面、主菜單等，具體如下表2所示。

表2 上位機監控畫面組成

圖6給出了工藝流程畫面。在工藝流程畫面中，可以形象生動的反映現場閥門的啟停狀態，泵的啟停狀態，并均有顏色變化來顯示其運行情況，如氣動閥(或泵)開啟時顏色為綠色，關閉時為紅色［4］。內罩中循環風的流動也通過箭頭顯示出流動的方向和快慢。總之，畫面中，主體設備位置確切，工作狀態形象生動，各種參數“就地顯示”，整個系統運行工況集于一屏，一目了然，為現場操作人員提供了方便。圖7給出了爐溫數據查詢畫面。

圖6 系統工藝流程

圖7 爐溫數據查詢

4 結論

此控制系統經過運行調試后，自適應PID參數控制三區溫度，三個參數分別為:P:6%，I:7961，D:1194，溫度誤差為±1℃。該系統已在寧波某化工系統中使用，運行穩定、可靠，系統運行表明節省了時間，提高了整定精度，增加了經濟效益。

［1］秦長海，李安伏.基于RS-485總線的污水處理集散控制系統［J］.環境污染治理技術與設備，2006，7(12):145-149.

［2］張大磊，李媛媛.基于PLC變頻器的煤礦軸流風機改造［J］.煤礦機械，2011，32(6):192-195.

［3］陳永超.基于PLC的清洗機控制研究［D］.遼寧工程技術大學碩士論文，2009.

［4］魏翠琴，張建斌.PLC和無紙記錄儀在純凈水處理控制系統中的應用［J］.湖州職業技術學院學報，2011，9(3):4-7.