基于S7-300PLC的退火爐控制系統設計

周紅芳，王娟娟

(西安交通工程學院 電氣工程學院，陜西 西安 710300)

近年來，隨著航空、醫學器材等對鋁合金質量要求越來越高，因此，對金屬熱處理的要求也越來越高。箱式退火爐用于對鋁板材或鋁卷材進行熱處理的大型熱處理設備，經過退火去除內部應力，減少工件的硬度，增加塑性，便于進一步加工。本文設計了西門子S7-300PLC作為控制中心，編寫控制精度高的溫度PID控制程序，精度范圍為±5 ℃，實現恒溫控制，組態西門子上位機軟件WinCC實現溫度實時監控。

1 真空退火爐的基本結構

箱式退火爐系統采用電阻帶加熱方式，爐體組成1 500 mm(長)×750 mm(寬)×450 mm(高)。退火爐基本組成包括爐體、進出料臺車、8個加熱區和冷卻部分。箱式退火爐的基本組成結構如圖1所示。

圖1 退火爐基本組成結構

(1)爐體。爐體由爐門、箱體、加熱元件組成。進出料小車送料時，安全銷拔出，壓緊缸放松，爐門上升到位，送料結束時，爐門下降到位，安全銷插入，壓緊缸壓緊，退火爐準備加熱。

(2)進出料臺車。進出料臺車由電動機進行驅動，限位開關控制臺車在退火爐內運動的極限位置。被加熱的鋁材由移動式臺車送料到退火爐內，加熱完成后，由臺車送料到爐體外，進行自然冷卻。

(3)加熱部分。加熱元件采用電阻帶加熱，電阻帶在爐體內表面均勻分布成8個加熱區，每個加熱區的電阻采用星型接法，加熱電阻帶采用PID控制方法，實現恒溫過程。加熱過程分為三個階段，一次加熱設定溫度為800 ℃，加熱時間為90 min，一次加熱時間到，改溫開始二次加熱，設定溫度為600 ℃，加熱時間60 min，二次加熱時間到，停電保溫，保溫時間到，出爐自然冷卻。加熱曲線如圖2所示。

圖2 退火爐加熱曲線

(4)冷卻部分。停電保溫時間到，開始降溫，快速降溫的過程是：往爐體夾層中布置的冷卻水管中通入冷卻水進行降溫，在滿足退火曲線要求的情況下有效地縮短了退火時間。

2 控制系統的硬件設計

退火爐硬件控制系統用S7-300PLC作為控制中心，組態CPU315-2DP為主站，且站地址為2，組態從站變頻器MM440，站地址為3，MM440變頻器用來驅動退火爐的風機，組態遠程從站ET200M，站地址為4，MM440變頻器、ET200M為標準DP從站。因退火爐距離電磁站較遠，因此選用ET200M作為遠程控制站，組態接口IM153-1，其中，數字量輸入模塊控制風機起停、按鈕，爐門上升、下降按鈕，爐門限位。數字量輸出控制爐門電動機上升、下降，風機運行、停止，壓緊缸壓緊、放松，安全銷插入、拔出。模擬量輸入模塊控制8個加熱區熱電偶的檢測溫度值。上位機與CPU315-2DP之間通過MPI進行數據傳輸，溫度設定值等通過上位機寫入PLC，在上位機上組態各類電動機按鈕，實現遠程控制。控制系統硬件組成如圖3 所示。

圖3 控制系統硬件組成

3 控制系統軟件設計

退火爐溫度控制采用PID控制程序，調用連續PID控制器FB41，設置FB41的接口，FB41的運算結果作為脈沖發生器FB43的輸入，設置FB43的接口，形成具有固定周期脈沖。脈沖信號觸發固態繼電器的通斷，固態繼電器導通后，將三相電壓接至加熱電阻帶，退火爐開始加熱工作[1]。退火爐的實時溫度值通過熱電偶檢測，作為PID運算的反饋值，與溫度設定值進行比較形成溫度閉環控制系統。

3.1 連續PID控制器FB41的設置

退火爐溫度控制系統采用PID閉環控制原理，FB41功能塊實現閉環控制，FB41主要參數設置如下：當退火爐系統風機啟動，生產準備好，溫度沒有超限，則開始生產，即M10.0為1，MAN_ON設置為自動控制方式，退火爐開始自動加熱；溫度設定值寫入上位機，通過MPI傳輸給PLC的MW200 ，作為PID運算SP_INT的輸入值；熱電偶檢測退火爐實際溫度，經模擬量輸入模塊A/D轉換為數字量，存入PIW304，作為PID運算PV_PER的反饋信號，當設定溫度與反饋溫度的差值小于5 ℃時，M20.0為1，PID死區DEADB_W為1，死區工作，FB41運算結果為0；設置比例GAIN系數、積分時間TI和微分時間TD；PID運算結果LMN以百分數的形式輸出，作為FB43的輸入值，形成脈沖[2]。FB41的參數設置如圖4所示。

圖4 溫度PID控制原理

3.2 脈沖發生器FB43的設置

FB43為脈沖發生器，與FB41控制器配合使用形成脈沖寬度調制的二級PID控制器。FB43的設置如下：FB41運算結果輸出值LMN作為FB43的INV的輸入值，執行FB43將輸入值INV轉換為周期恒定的脈沖列；固定周期用PER_TM來設置，且與FB41的采樣周期相同，每個固定周期輸出的脈沖寬度與輸入變量INV成正比，即

脈沖寬度=INV×PER_TM/100

(1)

脈沖寬度通過開關量QPOS_P輸出單極性脈沖。當實際溫度值小于設定溫度時，FB41的輸出值百分比較大，則FB43形成的脈沖寬度較寬，Q0.0為高電平，固態繼電器導通，三相電源與退火爐加熱電阻接通；當實際溫度大于等于設定溫度時，FB43的輸出為0，Q0.0為低電平，固態繼電器關閉，三相電源與加熱電阻斷開，退火爐停止加熱[3]。

設置最小脈沖時間P_B_TM，當熱電偶檢測的溫度實際值接近設定值或者等于設定值時，PID運算結果輸出值LMN很小，按式(1)計算出的脈沖寬度小于P_B_TM設置值，將不輸出脈沖，可以減少開關元件的動作次數，提高執行機構的使用壽命。如剛開始解熱時，實際溫度值與設定值相差較大，PID運算結果LMN的接近于100%，按式(1)計算出的脈沖寬度大于PER_TM與P_B_TM的差值，此時的脈沖寬度等于脈沖周期PER_TM，即連續輸出脈沖，固態繼電器連續導通，加熱電阻持續加熱，爐溫快速上升，達到調功的目的[4]。退火爐溫度脈沖控制方式如圖5所示。

圖5 退火爐溫度脈沖控制方式

3.3 K型熱電偶測溫原理

K型熱電偶可以測量0～1 300 ℃的溫度，具有測溫范圍寬大，反映速度快，誤差小等特點。熱電偶是將物體測量點的溫度值轉換為電動勢，退火爐在加熱鋁材時，熱電偶的工作端或熱端置于爐體內鋁材中間部位，實時檢測退火爐加熱溫度；熱電偶的自由端或冷端，也就是參比點應置于恒溫環境中，既有空調的電磁控制站，熱電偶冷端的補償方法采用補償導線法和軟件計算法，編寫PLC控制程序[5]。

因控制室內有空調，所對應溫度T0是常數，且存儲于DB10.DBW0- DB10.DBW14中，將熱電偶產生的電動勢信號接至模擬量輸入模塊SM331， SM331將模擬量信號電動勢轉換為數字量溫度，則8個區測量值儲存在PIW304- PIW318中，根據式(2)：

T=TC+T0

(2)

式中：T為退火爐內實際溫度，℃；TC為直接通過熱電偶測得的溫度，℃；T0為電控室環境溫度，℃。編寫相應的PLC程序將DB10.DBW0+PIW304÷10，便可得到1～8區退火爐內測量點實際攝氏溫度。熱電偶溫度采集如圖6所示。

圖6 熱電偶溫度采集

4 CPU315-2DP與變頻器MM440的通信

當退火爐開始加熱時，循環風機同時開始啟動運行，使爐腔室內溫度分布均勻。退火爐由8個加熱區組成，每2個加熱區有一臺循環風機。CPU315-2DP通過PROFIBUS-DP總線控制變頻器MM440，PLC調用系統功能SFC14與SFC15進行讀寫變頻器通信區數據。風機轉速設定值寫入上位機，控制字設置過程為：第0位上升沿啟動，第1位OFF2自由慣性停車，第2位OFF3快速停車，第10位由PLC進行控制，第14位電動機正向運行， 因此控制字設置值為16# 0477，SFC15將設置好的控制字與設定值寫入變頻器通信區，控制變頻器運行；風機的轉速實際值以及當前運行的電流值以及風機的運行狀態字通過SFC14讀入PLC，顯示在上位機畫面上[6]。變頻器通信控制程序如圖7所示。

圖7 變頻器通信控制程序

5 上位機監控畫面

組態上位機參數設置畫面(見圖8)，設置退火爐的加熱時間，設置風機的運行轉速，退火爐工作設定溫度，及退火爐當前實際檢測溫度，方便工作人員及時查看。組態控制畫面，遠程控制風機、爐門等的電動機起停。

6 結 論

針對工業退火爐恒溫控制，本文設計了西門子S7-300PLC作為控制中心，編寫連續PID控制程序，實現了溫度恒定，產品質量得到極大地提高。設計了三層控制結構，上位層為工控機，中間層為S7-300PLC，下位層為變頻器與風機以及電阻加熱帶。組態上位機監控畫面，實時監控退火爐當前溫度，實現PLC執行過程的可視化，提高了控制系統的自動化水平。