PID控制在電弧加熱裝置的應用研發

摘 要：針對目前電弧加熱裝置的自動控制需求，采用工控機、PLC為核心，設計制作鑄件端面電弧加熱自動控制系統，實現加熱工藝曲線的自動執行與重點數據的實時記錄。

關鍵詞：電弧加熱 自動控制 PLC 組態 工藝曲線可追溯

第一章 電弧加熱裝置的應用：

剛剛澆注完畢的鑄件或鑄件與外界冷空氣直接接觸，鑄件就會因為迅速冷卻而產生縮孔、端面不整齊等問題。為了防止澆注完畢的鑄件過快的冷卻，將裝有鋼液的冷型接電源負極，在一個石墨電極上加正電與冷型的液面形成電壓差，產生一個回路。通過放電拉弧產生電流，電流的大小對應加熱溫度的高低，進而控制鑄件的冷卻溫度。通過控制電極與冷型液面的距離來控制弧流大小，從而控制鑄件溫度的逐漸冷卻，這就是電加熱的工作原理。原理示意圖如下：

當石墨電極下降，電流增大，反之減小。

第二章 電弧加熱裝置的自動控制設計要求

傳統的鑄件電弧加熱裝置硬件組成包括0.75KW的交流電機一臺、與電機配套使用的減速器一臺、兩動一靜滑輪組一套與電極架四個部分。其工作原理是由三相交流電機帶動減速器，減速器通過鋼絲繩連動滑輪組，電極固定于滑輪組的動滑輪上來實現電極動作的，其控制原理是由兩臺交流接觸器控制交流電機的相序來實現電極的升、降運動。傳統的控制方式是采用人工控制接觸器通斷驅動電極升降使電極與鑄件的鋼鐵水液面產生電弧加熱，因為電弧的不穩定性使加熱電流控制非常困難，加熱工藝難以保障，當實際生產需求幾臺電弧加熱裝置同時工作時，就會導致工藝的執行性更加難以保證，其控制精度、可靠性、靈活性等日漸無法滿足越來越高的使用需求。針對上述問題需要準備制作一套鑄件冒口電加熱自動控制裝置，使加熱工藝參數穩定受控并具有自動記錄功能，減少人為因素的影響，從而實現電弧加熱過程的穩定性、一致性，解決鑄件快速冷卻造成的疏松、縮孔、探傷超標等缺陷，提高產品質量，為產品的工藝質量分析和改進提供準確的過程數據。

2.1自動控制裝置的設計要求

1）具備工藝曲線的輸入與記錄的功能，工藝曲線由電流變量和時間變量兩個變量組成，因為不同直徑和材質的鑄件電流的大小與保持的時間都是不同的，需要根據生產需要隨時進行變更。拿最簡單的鑄鋼類鑄件為例：要求電流約4000A（I1）保持4小時（T1），電流2500（I2）保持2小時（T2），電流2000（I3）保持6小時（T2），電流1500（I4）保持1小時（T4）。工藝曲線如下所示：

2）重點數據的時時采集與記錄，主要是指實際弧流曲線與工藝曲線的時時記錄，鑄件產品編號定時記錄。

第三章 鑄件端面電弧加熱自動控制裝置的研制過程。

3.1 方案的選擇

經過資料的查閱，預選方案如下：1、使用智能儀表為核心進行自動控制。2、以PLC與計算機為核心進行自動控制。

第一條方結：使用智能儀表為核心進行自動控制，結構簡單，難點在于智能儀表的選擇——輸出信號雙極性，且具備記憶功能。通過查找資料對川儀等儀表廠家咨詢，最終未能找到合適儀表，此項方案被迫放棄。

第二條方案：以PLC與計算機為核心進行自動控制較第一條稍顯復雜，難點有三 1、自動控制程序的編制;2、PLC與計算機的通訊;3、人機界面的制作。綜合考慮，第二項方案功能齊全，數據可實現數字、曲線雙形式顯示與記錄，且操作簡單直觀。最終選用此方案。

3.2 自動控制裝置的選型

此自動控制裝置主要硬件選用1、上位機（研華工控機），2、下位機（西門子200型PLC系統），3、變頻器，4、隔離端子，5、電流變送器，6、PC/PPI通訊電纜等。以上硬件部分全部集成于控制操作臺上，電機電纜通過操作臺底部與變頻器輸出端連接。

主要應用軟件：1、組態軟件Windows Control Center 6.0，用于人機界面的編輯，實現上位機與下位機之間的通訊與數據的時時采集、記錄;2、編程軟件V4.0 STEP 7 MicroWIN，用于西門子200型PLC自動控制程序的編制，是自動控制裝置的核心部分;3、由于Windows Control Center 6.0不支持與西門子200型PLC的直接通訊，為了不再增加其它硬件加大費用，使用OPC sever軟件實現組態軟件Windows Control Center 6.0與西門子S7-200系列PLC之間的通訊。

3.3 自動控制裝置結構與工作原理

1）自動控制裝置結構組成如上圖所示：

2）原理框圖：

如圖所示：有兩路模擬信號輸入PLC，其中包括：1、電流的給定信號即工藝曲線，此信號由操作人員通過上位工控機經PC/PPI通訊電纜向PLC內部進行輸入，提前進行工藝曲線的設定;2、該系統工作時由電流互感器采集電弧電流，電流信號通過電壓變送器轉換輸出一個0至5V的電壓模擬信號送入PLC。這兩路信號通過雙PID回路與設定曲線進行計算，得到變頻器的控制參數，此參數由PLC通過隔離開關后輸入變頻器中，變頻器根據給定值控制電機的轉動方向和速度，從而實現加熱電流跟隨工藝設定的自動調節。

3.4程序的編寫

程序包括上位機組態程序與下位機PLC控制程序。

1）上位機——人機界面程序使用軟件Windows Control Center 6.0編寫，操作者通過人機界面向設備輸入工藝曲線、鑄件號等產品信息，完成對重點數據的時時采集與記錄，并可以觀察設備的運行情況。

2）下位機——PLC控制程序使用軟件V4.0 STEP 7 MicroWIN編寫，包括手動控制、自動控制兩個部分，其中手動部分主要應用于加熱前期或發生異常情況急需處理時，通過升降按鈕以恒定速度升降電極。自動控制部分用于實現工藝曲線的自動執行，將外部采集的電流模擬信號與現階段執行的工藝信號進行雙PID計算后輸出雙極性的模擬信號控制電極升降，形成閉環控制，以達到外部電流執行設定的工藝曲線。工藝曲線完成后，自動斷電結束。流程圖如下：

難點：自動控制系統采用PID算法，但實際試驗過程中，調用系統PID計算，雖然可以實現雙極性信號的輸出，但是得出的雙極性信號正負值不對稱，其計算輸出值不屬于線性輸出無法應用于本控制系統，對于此種情況，我們采用雙PID進行并聯選擇調用，分別控制其上升、下降運動，且對下扎速度進行限定，避免造成短路跳閘的故障，最終實現了系統穩定的自動控制。

后記：

該裝置采用工控機、PLC、變頻器實現對加熱電極升降的手動、自動控制，反應速度快，加熱電流控制精度高，弧流誤差<10A，可控制多臺電加熱設備同時進行鑄件的加熱緩冷處理，并對加熱過程數據自動記錄，可靠性高，且大大減少了人工操作提高了工作效率。

該裝置可按照工藝設定的電流、時間可以自動進行調節，工藝結束后自動抬起電極，切斷電源，且實現了加熱工藝的再現和過程數據的歷史記錄查詢功能，可以后續對原始數據進行追溯。

該裝置系統運行穩定可靠，為解決鑄件的疏松等探傷超標缺陷提供了可靠的設備保障。可廣泛應用于大型鑄鋼和鑄鐵工件的澆注后二次加熱緩冷處理中，效果良好。

作者簡介：

張勇（1984年10月），男性，漢族，籍貫：河北省邢臺縣，電氣工程及其自動化工程師，大學學歷，主要從事企業設備管理工作。