基于智能儀表的高溫電阻爐溫度區別跟蹤測控系統研制

(1.陜西能源職業技術學院,咸陽 712000；2.川慶鉆探工程有限公司 長慶井下技術作業公司，陜西 西安 710021；3.長慶油田分公司 機械制造總廠,陜西 西安 710201)

高溫電阻爐區別于常規中低溫電阻爐，通常以鎳鉻金屬、硅鉬棒、硅碳棒、石墨等復合材料分別作為低中高各溫度段的加熱體，超輕質耐火高溫節能材料作為隔熱保溫爐襯，配套真空、水冷及溫度控制系統，實現最高溫度可達2 600 ℃的加熱及熱處理生產過程，加熱過程包含了低溫段、中溫段、高溫段工藝銜接控制，廣泛應用于航天、機械、制造、新材料等領域。

現有的大部分高溫電阻爐采用中低溫和高溫分段分體實施，控溫系統受高低溫測溫手段及信號類型等因素的限制，直接采用高溫測溫計進行控溫，中、低、高溫度過渡不能自然銜接，溫度測控過渡過程平穩性差。對中低溫段的升溫速度以及功率輸出不能做到準確實時控制，特別是對碳碳復合材料、耐火復合纖維、高性能功能陶瓷等新材料的生產，直接影響熱處理生產工藝過程的有效實施，對于某些工藝特殊，要求連續生產的熱處理任務，較難滿足要求[1]。另外，高溫電阻爐內多個加熱分區獨立控制，控溫同步協調性較差，控制系統硬件成本較高，系統維護工作量大。

本文設計開發一種基于智能儀表的高溫電阻爐溫度區別跟蹤測控系統，采用對高溫電阻爐同一加熱分區高低溫采用區別測量、獨立控制，多個加熱分區之間分別實行高低溫階段的主從跟隨控制的策略，主控儀表按照統一的加熱工藝曲線協同跟蹤控溫儀表，通過高低溫轉換溫度點切換信號，高溫和低溫儀表控制回路的輸出進行無擾切換，分別實現多個加熱分區低溫和高溫協調統一控制。該系統能夠實現高低溫無擾切換和全程溫度準確控制，使多個加熱分區溫度能夠同步協調，爐內溫度均勻性好，控溫精度高，控制回路硬件成本低廉，使用維護簡單方便。

1 高溫電阻爐溫度區別跟蹤測控系統原理與系統組成

1.1 高低溫區別跟蹤測控系統原理

針對現有高溫電阻爐中、低、高溫度測控過渡過程平穩性差的問題，本文采用同一溫區內高低溫區別測控和不同溫區之間主從跟蹤控制的策略，通過設置高低溫轉換溫度點切換信號，對高溫和低溫儀表控制回路的輸出進行無擾切換，主控儀表按照統一的加熱工藝曲線協同輔控儀表跟蹤控溫，分別實現多個加熱分區低溫和高溫協調統一控制。

相比較于常規高溫電阻爐加熱分區獨立控制的模式，高低溫區別測控模式，實現了高低溫無擾切換和全工藝過程溫度準確控制，同時通過各分區的主從跟蹤控制方式，各分區溫度能夠同步協調控制，爐膛內均溫性好，且控制回路硬件成本大為降低，使用維護簡單方便[2]。

1.2 高低溫區別跟蹤測控系統組成

高溫電阻爐高低溫區別跟蹤測控系統原理組成示意圖，如圖1所示。高低溫區別跟蹤測控系統主要包括爐膛加熱分區單元、加熱電源主回路單元、高低溫區分測量變送單元、高低溫控制回路單元、高低溫切換控制單元、主從跟隨控制單元、工藝溫度設定單元等幾個部分。

1.2.1 爐膛加熱分區單元

關于高溫電阻爐的加熱分區，考慮均溫性指標，一般來說分區越多爐膛內的均溫性越好，可根據爐膛空間、加熱工藝和功率要求進行合理設置分區，分區以偶數對稱布設，保證溫度均勻性并方便實施。為敘述方便和便于理解起見，高溫電阻爐的加熱分區以兩個加熱分區為對象進行描述說明，但并不僅限于兩個加熱分區。

據此，高溫電阻爐以空間對稱、功率均布和方便實施的原則，爐膛分為兩個加熱區，分別定義為加熱1區和加熱2區，將電阻加熱體通過絕緣支架固定的方式布置在兩個加熱區域，待燒工件或物料一般放置于爐膛有效加空間中央，兩個加熱分區的加熱體布置、功率分配、主回路配置、溫度測控等特性保持基本一致。

1.2.2 加熱電源主回路單元

加熱主回路單元與加熱分區單元相對應，一個加熱分區對應一個加熱主回路。加熱主回路通過電纜或銅排的連接方式和加熱分區的電阻發熱體連接，主要包含低壓斷路器、交流接觸器、快速熔斷器、功率調節裝置(SCR)以及主回路電參數檢測裝置等部分，實現加熱電源的啟停通斷控制、元器件保護和加熱功率調節控制功能。

SCR功率調節裝置是加熱電源回路的核心裝置，可選用帶通信功能的三相數字化功率調整器，配套PLC監控系統，以通信的方式將加熱過程中的電壓、電流、功率、電度數等電參數進行實時監測和記錄，為生產控制和管理提供數據支持。

1.2.3 高低溫區分測量變送單元

在每個加熱分區溫度場相對統一穩定的區域，各布置一個高溫測溫計和一個可動熱電偶，分別用于高溫和中低溫檢測、變送與測量控制。圖1中加熱1區和2區的高溫、低溫測量傳感變送器的編號分別定義為光學測溫儀OC1、OC2和可動熱電偶TC1、TC2，每個測量變送傳感器選配的信號類型、測量范圍要與智能控溫儀表相匹配。

1.2.4 高低溫無擾切換單元

高低溫無擾切換單元與高低溫區分測量變送單元對應，采用高低溫無擾切換的雙回路控制模式，即溫度檢測和溫控儀表按高低溫切換的模式，區分為高溫、低溫2個控制輸出回路，按照協調統一的溫度工藝曲線，共同作用于加熱主回路的功率調整器SCR，實時調節加熱電源的功率輸出。實現高溫控制輸出的溫控儀，需選擇輸入信號為4～20 mA或1～5 V的標準萬能信號，以方便接收高溫測溫計的電流信號。實現中低溫控制輸出的溫控儀，輸入選擇默認的熱電偶信號即可，原理框圖見圖2。

圖2 高低溫無擾切換雙回路控制原理框圖

1.2.5 主從跟蹤控制單元

主從跟蹤控制單元實現對多個加熱分區按照高溫、低溫主從跟蹤的模式進行控制，用一臺多程序段的主控溫控儀拖帶多臺同精度的定值普通溫控儀，實現多個加熱分區按同一溫度工藝曲線同步協調控制的目的。圖2中所述的1區和2區兩個加熱區，1區作為主控加熱區拖帶2區跟隨控制，分別按照高溫、低溫主從跟蹤的模式對爐內兩個加熱分區溫度按同一溫度工藝曲線進行同步協調控制。

1.2.6 溫度工藝曲線的設定單元

溫度工藝曲線的設定可通過主控溫控儀的操作面板按鍵輸入，或儀表和計算機通信的方式，通過組態軟件人機界面設定溫度曲線。將中低溫段(可動熱電偶最高測溫溫度以下)的工藝曲線輸入到低溫主控溫控儀，將整條工藝曲線盡量完整地輸入到高溫主控溫控儀，再通過高低溫無擾切換開關，實現整個加熱過程按照同一溫度工藝曲線進行協調統一控制。

2 高低溫區別跟蹤測控系統關鍵環節的實施

2.1 高、低溫溫度測量與變送

每個加熱分區分別布置一個高溫測溫計和一個可動熱電偶，用于高溫和中低溫檢測變送，1區和2區的高、低溫測量裝置的編號分別為光學測溫儀OC1、可動熱電偶TC1和光學測溫儀OC2、可動熱電偶TC2，并按下述要求選配：

高溫測溫計可選用雙比色高溫計、三色光電高溫計、紅外測溫計等非接觸式測溫裝置，量程在500～3 000 ℃，24 VDC供電，為適合溫控儀表信號輸入，保證信號穩定可靠傳輸，選用4～20 mA標準電流信號作為傳感器變送輸出信號。現有市場上的光學測溫計主要以非接觸式輻射法單色測量儀為主，其測溫原理是受熱物體的溫度愈高，其顏色就愈亮，單色輻射強度也就越大，受熱物體的亮度大小反映了物體的溫度數值，通常都支持對應測量量程的標準電信號。

中低溫段檢測選配鎧裝熱電偶來測量，爐體測溫區設置測溫孔和遮蓋板，配套循環冷卻水裝置，并加裝氣缸動作裝置和測溫孔遮蓋裝置。在加熱溫度未達到高溫段前，通過高低溫轉換溫度點開關信號控制氣缸，抽出熱電偶，并使遮蓋裝置覆蓋測溫孔以減少漏熱。可動熱電偶根據爐膛內情況選用適當長度，熱電偶分度號、量程和信號類型與低溫溫控儀相匹配，最好選用標準統一信號。

2.2 高低溫切換功能實現

高低溫切換功能由切換開關來控制實施，切換開關的信號PLC控制輸出，驅動中間繼電器的一對常開常閉信號給出，分別串接于高溫、低溫控制輸出回路。其中，高溫切換開關為H，選用常開信號；低溫切換開關為L，選用常閉信號。在每個加熱分區的高溫溫控儀和低溫溫控儀上分別設置報警事件輸出，根據具體工藝選擇適當的值，如900 、1 000、1 100 ℃等，以低于可動熱電偶量程上限附近的某一溫度值作為高低溫切換事件報警值，通過邏輯程序判斷，切換開關。

當兩個儀表的報警事件條件同時滿足時，中間繼電器線圈帶電，驅動切換控制繼電器觸點動作，實現高低溫控制的無擾切換功能。對于主控溫控儀而言，若選用新型高精度高分辨率高性能程序智能溫控儀，加FP23智能溫控儀，其傳感器支持雙輸入測量運算功能，在儀表的UNIT/RANGE窗口群，高低溫過度閾值的輸出測量值可以選擇DEV差值模式或平均值AVE模式來確定實際測量值PV。

2.3 多溫區區域跟蹤控制

為方便系統信號聯絡和通信數據采集，選用同品牌相關系列智能溫控儀表，來搭建多溫區溫度跟蹤測控系統。采用一臺多程序段的日本島電FP23系列0.1級智能PID調節器作為主控溫控儀，拖帶一臺同精度的日本島電SR23系列0.1級智能定值PID調節器作為跟蹤控溫儀，高溫主控儀表和跟蹤儀表分別定義為FP23_H和SR23_H，低溫主控儀表和跟蹤儀表分別定義為FP23_L和SR23_L。高溫階段時，FP23_H通過通信或信號現連接的方式拖帶SR23_H進行高溫統一協同控制控制，低溫階段時， FP23_L通過通信或信號現連接的方式拖帶SR23_L進行低溫統一協同控制控制。

溫控儀的模擬遙控功能選件，可利用外部輸入信號代替機內設定值，實現多臺儀表的多溫區調節和串級跟蹤控制。以0～10V 非隔離模擬輸入為基本配置，隔離輸入型為選件，通過其他外部模擬信號輸入作為SR23的模擬遙控設定值，實現數臺儀表的區域控制。在遙控功能設置窗口可設定遙控跟蹤開啟或關閉，機內選擇方式時，選擇REM SV確認后完成。同樣，也可以利用外部PLC或DI功能開關設置遙控工作方式轉換開關，便于實現機外遙控與機內控制的轉換。

當系統處于遙控跟蹤模式時，對于遙控跟蹤信號的各種運算都能夠被執行，所得出的計算結果作為遙控設定，當存在第二輸出時，遙控模式能被指定到獨立通道，遙控方式有以下6種模式可供選擇：

(1)RSV:直接將外部輸入用作標準遙控設定輸入并分配在通道1；

(2)RT:將外部輸入經過偏差運算處理后的結果用作標準遙控設定輸入并分配在通道1；

(3)RSV:CH2直接將外部輸入用作標準遙控設定輸入并分配在通道2；

(4)RT:CH2將外部輸入經過偏差運算處理后的結果用作標準遙控設定輸入并分配在通道2；

(5)RSV:CH1+2直接將外部輸入用作標準遙控設定輸入并分配在通道1與通道2；

(6)RT:CH1+2將外部輸入經過偏差運算處理后的結果用作標準遙控設定輸入并分配在通道1與通道2。

當設定模式為RT運算模式時，按式(1)進行：

SV = A× X + B

(1)

式中：A為遙控輸入信號；X為遙控比率；B為遙控信號補償；SV為執行遙控設定值。

通常而言，選用RSV模式即可實現本方案所述功能，RT功能模式更能滿足一些特殊工藝和工況的實際需求。圖3為偏差運算處理對標準遙控設定輸入的作用模式比較。

圖3 偏差運算處理對標準遙控設定輸入的作用

3 多溫區高低溫區別跟蹤測控系統的整體設計

多溫區高低溫區別跟蹤測控系統，采用研華IPC工業計算機作為上位機，西門子smart200系列PLC、日本島電PID調節器、英杰數字式調功器、安東智能電力監測儀等作為下位數據采集和調節控制設備。該系統上位監控計算機機與西門子PLC之間通過以太網連接，同時與PID調節器、數字式調功器等其他下位設備通過RS485總線連接進行數據傳輸[3]，構成一種典型的DCS集散控制系統，控制系統組成原理如圖4所示。

上位監控計算機帶有RS-232C標準通信接口及打印機數據接口，可以方便與下位機通信，實現數據采集與監控。溫度控制采用自帶的多段可編程曲線的日本島電FP23程序溫控儀和SR23定值溫控儀，利用區域PID算法和多組自整定專家PID參數，實現6個加熱區的多溫區區域跟蹤控制。6個加熱溫區的電壓、電流和功率由英杰數字式調功器KTY3S進行檢測，通過通信的方式在上位監控計算機上顯示。通過查看各區電流的趨勢曲線，可對電阻帶使用壽命進行判斷。通過安東智能電力監測儀LU192A對各區總電流、有功功率和電能進行檢測，顯示并記錄在上位監控計算機上，據此用戶可以及時的了解整個設備的能耗情況，為生產電能分配以及廠區的整體生產規劃提供依據[4-5]。

圖4 控制系統組成原理框圖

溫度工藝曲線的設定，可通過主控溫控儀的操作面板操作按鍵，按步驟將溫度和時間對應輸入，也可通過儀表和計算機通信的人機界面設定溫度曲線，以通信的方式將工藝曲線數值下傳給智能溫控儀。跟蹤溫控儀會自動根據主控溫控儀的實時給定值自動更新儀表設定值，跟蹤主控儀表同步實現溫度控制。

通過主從跟蹤控制，智能溫控儀的配置有原來的6臺程序溫控儀變成同精度的1臺程序溫控儀和5臺定值溫控儀的組合，在保證按工藝曲線自動實現加熱工藝的同時，硬件控制成本大為降低。在此過程中，將可動熱電偶最高測溫溫度以下的中低溫段工藝曲線輸入到低溫主控溫控儀，將整條工藝曲線盡量完整地輸入到高溫主控溫控儀，再通過高低溫切換開關，實現整個加熱過程按照同一溫度工藝曲線進行協調統一控制。

4 結 語

本文針對現有高溫電阻爐溫度測控過渡過程平穩性差的問題，采用對同一控溫區之內高低溫區別測控和不同溫區之間主從跟蹤控制的策略，通過設置高低溫轉換溫度點切換信號，對高溫和低溫儀表控制回路的輸出進行無擾切換，主控儀表按照統一的加熱工藝曲線協同跟蹤控溫儀表，分別實現多個加熱分區低溫和高溫協調統一控制。該系統能夠實現高低溫無擾切換和全程溫度準確控制，多個加熱分區溫度能夠同步協調控制，爐內均溫性好，儀表控制回路硬件成本大幅降低，使用維護簡單方便，具有一定推廣應用價值。