鐵礦石冶金性能試驗爐溫度控制及數據采集處理系統

駱煒

摘 要：文章敘述采用計算機控制鐵礦石冶金性能試驗爐溫度，試樣被控點溫度控制精度高，三段溫度一致，確保為試驗提供一段恒溫區。同時試驗數據自動采集，結果自動處理，自動保存，確保試驗結果準確性。

關鍵詞：設定曲線；PI調節；數據采集；數據處理

1 前言

某鋼廠技術中心原有的鐵礦石冶金性能試驗爐溫度控制采用傳統模擬儀表，試驗爐產生的熱量通過熱輻射、對流等形式傳到試驗區中央圓筒，需3分鐘左右，滯后時間長，為一大滯后系統，模擬儀表控制效果不理想。本系統采用現代計算機技術對溫度進行控制，整個試驗階段，被控溫度始終穩定在設定溫度±1℃，為科研試驗提供了恒定的溫度環境。同時試驗數據自動記錄，試驗結果自動計算并自動保存，提高了工作效率和試驗數據的準確性。

2 標準試驗要求

試驗爐電爐絲分上中下三組均勻布置，采用四根K型熱電偶采集溫度數據，升溫時三段同時加熱，標準試驗要求精確控制試樣層溫度，并保證試樣層全部處于恒溫區間，即爐子上中下三段溫度要保持一致。冶金性能試驗主要包括：還原試驗、還原粉化試驗、還原膨脹試驗，試驗溫度分兩檔：還原粉化試驗為500℃，還原試驗和還原膨脹試驗900℃。試驗準備階段，以最快速度將爐體中心溫度升到設定試驗溫度，同時保證上中下三段溫度相同，確保試驗恒溫區。溫度恒定后，試驗開始。在整個試驗階段（還原粉化試驗時間為1小時、還原試驗3小時、還原膨脹試驗時間2小時），中心溫度始終穩定在設定溫度±1℃范圍內，三段溫度仍然要保持一致。

3 系統組成

本系統硬件設備由研華模擬量輸入模塊ADAM4018+、模擬量輸出模塊ADAM4024、數字量輸出模塊ADAM4068、三臺調功器、數據采集卡一塊、工控機一臺組成。模擬量輸入模塊采集溫度信號送計算機進行處理、顯示與控制。模擬量輸出模塊將計算機處理后的信號轉換成4～20mA電流控制調功器，通過調功器控制三段電爐絲升溫。數字量輸出模塊允許或禁止調功器工作。本系統軟件采用亞控組態王軟件以及KINGACT軟件。組態王軟件用來開發系統監控畫面， KINGACT軟件開發溫度控制程序。計算機與研華模塊通過數據采集卡，以RS485通訊方式進行數據采集、控制和處理。系統結構圖如下：

4 溫度控制方案

根據試驗爐中心溫度，按溫度設定曲線輸出控制電流A；同時三段溫度相加取平均值，各段溫度減去平均值，結果乘以系數K輸出控制電流B；當中心溫度與設定溫度誤差在±5℃以內時，加入PID控制，輸出控制電流C；控制電流D=A+B+C（A、B、C為4～20mA電流）控制各段調功器，各段調功器輸出交流電流I1、I2、I3控制各段溫度，使中心溫度穩定在設定溫度±1℃范圍內，同時三段溫度保持一致。

4.1 升溫段控制

根據試驗爐中心溫度，按溫度設定曲線輸出控制電流，設定曲線如下表：

升溫階段按給定曲線進行開環控制。給定曲線定義了升溫階段中心溫度與輸出電流的關系，即根據給定的升溫曲線控制中心溫度升溫速率。中心溫度在300℃以前輸出100（20mA）電流控制調功器；溫度在300℃～495℃之間時，輸出電流從100（20mA）按升溫曲線關系降到90（18.4mA），以此類推，輸出電流按升溫曲線隨中心溫度變化而變化，到500℃時輸出電流大概在20（7.2mA）左右。900℃設定曲線意義與之相同。升溫階段采取按設定曲線升溫措施后，能較好地控制試驗爐升溫速率。

4.2 恒溫段控制

恒溫段采取PI控制方式。以中心溫度為目標，當中心溫度接近設定溫度時，即進入恒溫段控制過程。恒溫控制階段，主要目標是穩定溫度，減小穩態誤差。加入PI控制器，利用比例積分作用對恒溫階段的溫度進行微調控制，能使中心溫度較快地進入設定溫度±1℃范圍內，從而能較快的進入試驗階段。

4.3 三段溫度控制

為保證中心溫度的恒溫區，試驗爐三段溫度必須保持一致。程序中將試驗爐每一段溫度減去三段平均溫度，其結果乘以系數K，與設定曲線輸出控制電流相加，相加后的電流控制各段調功器。采用該方法后三段溫度相差較小，試驗爐整體溫度均恒，爐內形成一個較好的恒溫區環境，保證了中心圓筒的溫度上下均恒和長時間穩定。控制效果如下：

5 數據采集處理系統

本系統的數據采集、存儲記錄系統包括兩大部分：溫度和重量。采集的數據讀入到組態王畫面，一部分數據直接顯示在歷史趨勢、還原實驗實時數據報表和歷史報表中，一部分數據按照公式進行計算處理，填寫報表。

5.1 溫度數據采集

試驗爐中心溫度，三段溫度通過輸入模塊采集到組態王監控系統中進行控制、顯示，并存儲在歷史數據庫中，可供輸出報表和繪制歷史趨勢曲線。溫度數據采集的速率和準確程度將直接影響程序對加熱爐溫度的調節與控制。

5.2 重量數據采集

還原實驗的整個過程需記錄樣品減重重量和繪制時間-減重曲線，系統使用德國Sarturius天平，通過串口通訊將重量信號讀入計算機，進行重量信號處理、顯示、以及輸出報表，并存儲記錄在歷史數據庫中。還原實驗實時報表中，計算機采集以及處理后的數據都將自動填寫在報表中，實驗結束，可保存、打印實時報表。若實驗時有些數據未知，則可在還原實驗歷史數據報表選擇讀取以前保存的實時報表，輸入未曾輸入參數，也可完成數據計算處理。處理后報表仍能以同一文件名保存，并可打印歷史報表。

6 系統功能及主要畫面

鐵礦石冶金性能試驗爐溫度控制及數據采集處理系統主要由如下畫面組成：

7 結果分析

通過系統硬件設計以及軟件編制，該系統能夠按要求實現預定目的，試驗爐中心溫度以及三段溫度在升溫過程中，速率穩定，曲線平滑；在恒溫階段，溫度恒定，控制精度達到了T±1℃，能夠滿足用戶和實驗溫度要求。在三個試驗畫面中，可顯示試驗爐三段的溫度曲線以及中心溫度曲線，四根曲線有明顯的色彩進行區分。試驗爐溫度有歷史趨勢可以查詢，曲線可以保存30天。試驗時，能顯示即時時間，試驗結束有聲音提示。工控機作為操作站，可監控現場各數據采集點的數值，相應設備的啟停及調功器的輸出給定都通過上位機來控制。手動方式時，可人工控制調功器輸出，調節爐子溫度。還原實驗時，其減重重量可通過串口讀到報表中，并能進行一定的處理。本控制系統具有操作簡便，準確可靠，自動化程度高的特點。對溫度和稱量數據做到自動采集、處理和計算，自動繪制實驗曲線，生成實驗原始記錄，整個系統中實現了顯示、報警、控制等功能。系統控制精度高，滿足工藝實驗的要求，同時提高了控制系統的自動化水平，降低了操作員勞動強度。

參考文獻

[1]組態王6.5使用手冊.

[2]研華模塊ADAM使用說明書.

[3]組態王6.5命令語言函數速查手冊.