管材熱處理試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

蘇海龍，駱宗安，馮瑩瑩

（東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng)110819）

管材熱處理試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

蘇海龍，駱宗安，馮瑩瑩

（東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng)110819）

為了改善研究石油鋼管熱處理的試驗(yàn)方法，研制一臺(tái)可以對(duì)大尺寸管材、板材試樣進(jìn)行多種熱處理的試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)采用西門(mén)子PLC和美國(guó)NI公司嵌入式控制器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)要求規(guī)格范圍內(nèi)的板材及管材的不同加熱溫度、不同加熱速率、不同保溫時(shí)間、不同冷卻速率下的各種熱處理工藝（正火、淬火、調(diào)質(zhì)、控冷）模擬，完成多個(gè)模擬量閉環(huán)控制、邏輯控制、高速數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的分析處理，達(dá)到了實(shí)際要求。

鋼管；電阻加熱；大尺寸試樣熱處理；實(shí)時(shí)控制；數(shù)據(jù)采集與分析

隨著超快冷技術(shù)的廣泛應(yīng)用，鋼鐵行業(yè)在減量化軋制方面取得了極大地進(jìn)步，即通過(guò)提高工藝技術(shù)水平，減少稀有金屬的添加，達(dá)到提高鋼材性能、節(jié)能降耗的目的。在此背景下，研制了管材及板材熱處理試驗(yàn)機(jī)，主要用于對(duì)不同材質(zhì)的油氣管材進(jìn)行熱處理工藝和機(jī)理研究，可在帶保護(hù)性氣氛的條件下對(duì)大尺寸管材、板材試樣進(jìn)行連續(xù)加熱及連續(xù)冷卻，為深入研究材料性能及管材熱處理技術(shù)提供指導(dǎo)。現(xiàn)對(duì)該管材熱處理試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1 控制系統(tǒng)的功能和任務(wù)

該試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)包含多個(gè)高精度模擬量閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及分析。為了高效地完成控制任務(wù)，將多個(gè)模擬量閉環(huán)控制、數(shù)字邏輯控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等任務(wù)分配給不同的控制器來(lái)完成，它們之間通過(guò)Profibus-DP和工業(yè)以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)交換。管材熱處理試驗(yàn)機(jī)主設(shè)備如圖1所示。

控制系統(tǒng)按照功能分為加熱系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、淬火系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)、邏輯控制系統(tǒng)等部分。其中，加熱系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)和淬火系統(tǒng)較復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高，即包含高精度、高速的閉環(huán)控制。對(duì)此將控制任務(wù)分別分配到嵌入式控制器和S7-300 PLC可編程序邏輯控制器，由美國(guó)國(guó)家儀器儀表公司（簡(jiǎn)稱美國(guó)NI公司）的嵌入式實(shí)時(shí)控制器完成溫度控制及對(duì)溫度、壓力、流量的數(shù)據(jù)采集；由S7-300 PLC完成帶動(dòng)環(huán)形噴嘴的液壓缸的位置閉環(huán)控制［1］，淬火系統(tǒng)的流量、壓力的閉環(huán)控制，以及對(duì)液壓站、真空系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、高位水箱液位等的閉環(huán)控制及邏輯控制。控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在控制系統(tǒng)中，選用美國(guó)NI公司PXI（PCI extensions for instrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展）總線的嵌入式控制器作為主控制器，并在基于VxWorks實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中，將溫度控制周期設(shè)置為10 ms。同時(shí)，控制器通過(guò)高精度數(shù)據(jù)采集卡［2］，對(duì)閉環(huán)控制過(guò)程中的溫度、壓力、流量等進(jìn)行采集并存儲(chǔ)，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)通信的方式發(fā)送到HMI（Human Machine Interface）計(jì)算機(jī)，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的溫度等物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖1 管材熱處理試驗(yàn)機(jī)主設(shè)備

圖2 控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意

一個(gè)高響應(yīng)和高精度的控制系統(tǒng)，同樣對(duì)其傳感器和執(zhí)行器的響應(yīng)速度和分辨率等性能指標(biāo)要求也很高。否則，即便控制器完成了控制算法的計(jì)算，若傳感器和執(zhí)行器滯后也無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的控制。因此所選擇傳感器和執(zhí)行器的分辨率和響應(yīng)頻率都必須完全滿足控制系統(tǒng)的要求。

上位機(jī)的LabVIEW軟件與PLC之間的通信是通過(guò)西門(mén)子的OPC［3］軟件包，以西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)模板為介質(zhì)完成的。

1.1 加熱系統(tǒng)

通常被加熱的試樣尺寸較大時(shí)，會(huì)采用中頻加熱或感應(yīng)加熱，但中頻加熱后需要均溫處理，設(shè)備較復(fù)雜；而感應(yīng)加熱會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，使試樣的溫度從外到內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度，也存在均溫的問(wèn)題；因此采用直接電阻加熱的方式，試樣升溫速度快，溫度均勻。

加熱控制系統(tǒng)中的難點(diǎn)在于溫度信號(hào)采集過(guò)程中的抗干擾問(wèn)題。采用同步電壓跟蹤判斷相位、同步電流檢測(cè)確認(rèn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)斷電采集的控制方法，即通過(guò)同步電壓判斷電壓相位，并檢測(cè)此時(shí)的實(shí)際電流大小，以確保溫度信號(hào)的采集時(shí)刻是主電路斷電時(shí)刻。

溫度控制的方法是采用加熱變壓器原側(cè)調(diào)節(jié)雙向可控硅［4］觸發(fā)角度，從而調(diào)節(jié)變壓器原側(cè)的電壓，進(jìn)而改變變壓器副側(cè)試樣兩端的電壓。在夾持試樣兩端的夾具內(nèi)，通有循環(huán)冷卻水。當(dāng)水流帶走的熱量小于電流流過(guò)試樣產(chǎn)生的熱量時(shí)，試樣的溫度就升高；反之試樣的溫度就降低；當(dāng)二者相等時(shí)試樣的溫度就保持不變。

加熱系統(tǒng)包括循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。加熱過(guò)程中，由于被加熱的試樣尺寸較大，加熱變壓器、可控硅及試樣的夾頭都會(huì)發(fā)熱，因此采用循環(huán)冷卻水對(duì)變壓器、可控硅及試樣夾頭進(jìn)行冷卻降溫。

循環(huán)冷卻水及提供給淬火水泵的水源是通過(guò)高位水箱供給的，高位水箱內(nèi)的水是由控制系統(tǒng)根據(jù)液位高低自動(dòng)控制上水水泵來(lái)補(bǔ)充。

1.1.1 加熱變壓器的功率計(jì)算

由于試樣的尺寸較大，使得加熱變壓器的功率較大，直接電阻加熱是將試樣直接接到加熱變壓器的副側(cè)（變壓器副側(cè)工作在短路狀態(tài)下），即使用了電源中A相與C相，因此會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的三相不平衡，使變壓器的實(shí)際輸出功率大幅度降低。由此可見(jiàn)，有必要計(jì)算加熱變壓器的功率。這里以管材為例進(jìn)行討論。

加熱試樣時(shí)輸入的電功率Pe，一部分轉(zhuǎn)化為試樣的內(nèi)能功率Ph，加熱試樣；另一部分則用于彌補(bǔ)因輻射功率Pr、對(duì)流功率Pv以及試樣和電極間的熱傳導(dǎo)功率Pd等而產(chǎn)生的熱量損失。將由焦耳定律計(jì)算出的Pe、由斯蒂夫-波爾茲曼定律求得的Pr、Pv代入瞬態(tài)熱平衡方程Pe=Ph+Pr+Pv+Pd中，化簡(jiǎn)后可得：

式中d——鋼管直徑，mm；

δ——試樣厚度，mm；

c——試樣材質(zhì)的平均比熱容，J/（kg·℃）；

Ts——環(huán)境溫度，℃；

t——時(shí)間，s。

鋼管試樣規(guī)格見(jiàn)表1。

以表1中的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)負(fù)載功率P=600 kW時(shí)，Pe=270 kW；當(dāng)P=800 kW時(shí)，Pe=360 kW。由此可見(jiàn)，變壓器的實(shí)際輸出功率比較低。

1.1.2 大功率直接電阻加熱的問(wèn)題

由于采用單相加熱，即A相和C相之間施加380 V（交流），在加熱過(guò)程中，A、C兩項(xiàng)的電流較大，而B(niǎo)相的電流較小，造成了三相不平衡，使得波形畸變。三相負(fù)載不平衡［5］運(yùn)行會(huì)造成變壓器零序電流過(guò)大，局部金屬件升溫，甚至?xí)?dǎo)致變壓器燒毀；因此，采用了智能化的有源動(dòng)態(tài)濾波裝置，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)、動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償。鋼管實(shí)際溫度控制曲線如圖3所示。

圖3 鋼管實(shí)際溫度控制曲線

1.2 位置控制系統(tǒng)

在淬火試驗(yàn)過(guò)程中，必須精確控制環(huán)狀噴嘴的運(yùn)動(dòng)速度及位置，因?yàn)樵撛囼?yàn)機(jī)的試樣是不動(dòng)的，而在實(shí)際生產(chǎn)中冷卻（水冷、氣冷、氣霧冷卻）時(shí)，噴嘴不動(dòng)，鋼管在輥道上移動(dòng)，因此必須對(duì)帶動(dòng)噴嘴移動(dòng)的液壓缸位置進(jìn)行閉環(huán)控制，才能保證試樣與噴嘴之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制不同的氣動(dòng)閥選擇不同的冷卻方式，通過(guò)改變環(huán)狀噴嘴的流量及液壓缸的移動(dòng)速度，來(lái)達(dá)到不同的冷卻效果。

當(dāng)進(jìn)行內(nèi)噴外淋試驗(yàn)時(shí)，首先按工藝要求對(duì)試樣進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱到所需要淬火溫度時(shí)，溫度控制系統(tǒng)停止加熱；主水泵及內(nèi)噴水泵同時(shí)工作，模擬內(nèi)噴外淋的試驗(yàn)；計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的溫度、水流量、壓力等參數(shù)進(jìn)行記錄，以便后期分析、改進(jìn)試驗(yàn)方法；控制冷卻介質(zhì)為水。液壓缸位置閉環(huán)控制如圖4所示。

圖4 液壓缸位置閉環(huán)控制示意

1.3 淬火介質(zhì)流量及壓力控制系統(tǒng)

為了更好地模擬超快冷、內(nèi)噴外淋等工藝，淬火過(guò)程中，通過(guò)改變主水泵工作頻率（西門(mén)子的MM430風(fēng)機(jī)水泵專用變頻器［6］）來(lái)控制水壓，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)口度控制流量；通過(guò)改變冷卻水的壓力和流量，來(lái)模擬多種淬火工藝，通過(guò)焊接在試樣上的熱電偶測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程的溫度。

在試驗(yàn)機(jī)的右側(cè)設(shè)有內(nèi)噴水管，通過(guò)內(nèi)噴水泵的調(diào)節(jié)閥來(lái)控制水的流量，當(dāng)模擬內(nèi)噴外淋［7］工藝時(shí)，主水泵及內(nèi)噴水泵同時(shí)工作，通過(guò)改變環(huán)狀噴嘴（外淋）和內(nèi)噴水管不同的水流量和水壓力，完成不同的試驗(yàn)。

在試驗(yàn)過(guò)程中由于主水泵和內(nèi)噴水泵同時(shí)工作，噴出的大量冷卻水通過(guò)試驗(yàn)機(jī)下部的大直徑排水管排到蓄水池，蓄水池的水通過(guò)潛水泵排到室外。

淬火介質(zhì)流量閉環(huán)控制如圖5所示。

圖5 淬火介質(zhì)流量閉環(huán)控制示意

1.4 邏輯控制系統(tǒng)

在邏輯控制系統(tǒng)中，主要對(duì)以下的設(shè)備進(jìn)行控制：加熱變壓器、油泵、油冷卻泵、循環(huán)水站、真空泵，淬火系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)以及各系統(tǒng)中的電磁閥、真空閥等，控制任務(wù)由PLC完成。

1.5 上位計(jì)算機(jī)

上位計(jì)算機(jī)完成試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、繪制試驗(yàn)過(guò)程設(shè)定曲線、試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析處理等。

實(shí)時(shí)檢測(cè)計(jì)算機(jī)完成對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中主要參數(shù)（溫度、壓力、流量、位移等）的檢測(cè)及實(shí)時(shí)顯示［8］。管材熱處理設(shè)備人機(jī)界面如圖6所示。

1.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行的，將試樣的溫度、壓力、流量、位移等物理參數(shù)記錄下來(lái)，并以二進(jìn)制的形式存儲(chǔ)［9］起來(lái)，在上位機(jī)中繪制出試驗(yàn)所需要的相應(yīng)曲線。由于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量精度和速度要求很高，采用了美國(guó)NI公司的同步數(shù)據(jù)采集卡及其LabVIEW圖形化軟件，實(shí)現(xiàn)了高速、高精度的數(shù)據(jù)采集［10］和分析。

1.7 控制系統(tǒng)的通信方式

PXI總線的嵌入式［11］控制器PXI-8108RT為實(shí)時(shí)控制器，具有控制周期確定性和可靠性高的特點(diǎn)，其通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與S7-300 PLC、上位機(jī)、實(shí)時(shí)檢測(cè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信［12］，CPU315-2DP與遠(yuǎn)程I/O站即ET200M之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP進(jìn)行通信［13］，這樣充分利用了現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，也充分發(fā)揮了工業(yè)以太網(wǎng)［14］的可靠性和通用性，使控制系統(tǒng)中的所有控制器之間可以靈活地通信，保證了整個(gè)控制系統(tǒng)的同步運(yùn)行和良好的實(shí)時(shí)信息交換。

圖6 管材熱處理設(shè)備人機(jī)界面

2 控制系統(tǒng)的軟件

由于控制系統(tǒng)中采用了不同種類的控制器，因此使用了不同種類的編程語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。其中，上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集控制器、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制器的應(yīng)用程序是利用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)的［15］，PLC中的模擬量閉環(huán)控制程序是由LAD、SCL、SFC語(yǔ)言編寫(xiě)的，邏輯控制程序是由LAD、STL、Graph語(yǔ)言編寫(xiě)的。模擬量閉環(huán)控制軟件的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

上位機(jī)的主程序是LabVIEW軟件的一種“狀態(tài)機(jī)”結(jié)構(gòu)，它可以在需要時(shí)人為地觸發(fā)調(diào)用相應(yīng)的子程序，而其他未被調(diào)用的子程序均處于休眠狀態(tài)，使程序結(jié)構(gòu)清晰、運(yùn)行速度快、運(yùn)行結(jié)束后立刻釋放內(nèi)存。在實(shí)時(shí)控制器中的多個(gè)子程序，根據(jù)功能要求的不同被分配到不同的控制循環(huán)中，不同的控制循環(huán)以一個(gè)特定的時(shí)間周期運(yùn)行，完成控制任務(wù)。

3 結(jié)語(yǔ)

圖7 模擬量閉環(huán)控制軟件的結(jié)構(gòu)示意

利用美國(guó)NI公司的LabVIEW圖形化軟件和先進(jìn)的PXI系列的嵌入式控制器及數(shù)據(jù)采集卡，成功地開(kāi)發(fā)出管材熱處理試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)要求規(guī)格范圍內(nèi)的板材及管材的不同加熱溫度、不同加熱速率、不同保溫時(shí)間、不同冷卻速率下的各種熱處理工藝（正火、淬火、調(diào)質(zhì)、控冷）模擬，可實(shí)時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)機(jī)性能完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；可以完成大尺寸管材、板材的超快冷、內(nèi)噴外淋等各種熱處理試驗(yàn)，是開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品及改善產(chǎn)品質(zhì)量的得力助手。

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Research and Development of Control System for Tubular Heat Treatment Testing Machine

SU Hailong，LUO Zongan，F(xiàn)eng Yingying
（The State Key Laboratory of Rolling&Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

To improve the testing method for oil pipe heat treatment，a testing machine suitable for different heat treatment processes for large-sized steel tubular products and steel plates is developed.The control system of the machine is equipped with the Siemens PLC hardware，and the US NI Company-made built-in controller so as to enable the machine to perform various simulations of different heat treatment processes with different heating temperature，heating rate，holding time and cooling rate，etc（including normalizing，quenching，quenching and tempering，and air cooling），and fulfill multi-analog quantity closed-loop control，logic control，high-speed data acquisition and data analysis/processing.The testing machine has met the actual requirements.

steel pipe；ER heating；large-sized sample heat treatment；real-time control；data acqu-isition and analysis

TG155

B

1001-2311（2016）04-0033-05

2015-09-23；修定日期：2016-05-13）

蘇海龍（1964-），男，高級(jí)工程師，主要從事過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)及大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。