歐陸儀表在電加熱爐溫度控制的應(yīng)用

萬 明

(中航工程集成設(shè)備有限公司,北京 102206)

溫度是工業(yè)爐系統(tǒng)的重要參數(shù),工業(yè)爐中根據(jù)加熱的方式分為電加熱方式和燃?xì)饧訜岱绞?這兩種加熱方式各有特點(diǎn)[1-2]。由于加熱方式不同,電加熱和燃?xì)饧訜嵝枰獜漠a(chǎn)品的熱處理精度要求、生產(chǎn)成本以及后期的維護(hù)成本等綜合多方面因素考慮[3-5]。從溫度控制角度而言,由于電加熱爐加熱器一般用電力電子器件晶閘管進(jìn)行功率調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)速度很快。燃?xì)饧訜釥t利用天然氣和助燃空氣閥門進(jìn)行通斷控制或者連續(xù)調(diào)節(jié)控制,相對于電力電子器件而言,調(diào)節(jié)速度相對較慢,故電加熱爐的溫度控制精度相對較高[6-8]。

1 工業(yè)爐溫度控制系統(tǒng)

電加熱爐的溫度控制系統(tǒng)一般由熱電偶(傳感器)、溫度控制器和調(diào)功器(晶閘管執(zhí)行器)組成閉合回路[9]。熱電偶安裝在爐子溫度控制區(qū)域較高溫度場位置,這樣熱電偶檢測的溫度基本就反映了爐子對應(yīng)溫度區(qū)的較高溫度,在進(jìn)行溫度控制階段,可以確保爐子有效區(qū)的溫度不超溫。熱電偶檢測的實(shí)際溫度信號接到溫度控制器中,溫度控制器內(nèi)部的運(yùn)算模塊進(jìn)行PID運(yùn)算,輸出標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制信號觸發(fā)電力晶閘管,使其進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷,電力晶閘管輸出接至爐子加熱器端子上,從而實(shí)現(xiàn)對爐子加熱器功率的調(diào)節(jié)[10]。溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)示意圖

工件被放置于加熱爐工作區(qū)內(nèi),加熱爐安裝加熱器和熱電偶檢測實(shí)際溫度,爐子工作時(shí),溫度控制儀表給定調(diào)功單元控制信號,調(diào)功單元控制加熱器的接通和斷開,從而控制爐子加熱器,從而達(dá)到控制爐子溫度的目的。這樣實(shí)現(xiàn)爐子溫度控制。時(shí)效退火爐,一般通過空氣的對流達(dá)到爐子溫度場的均勻和零件的加熱,在爐內(nèi)安裝循環(huán)風(fēng)機(jī)達(dá)到爐內(nèi)空氣的攪拌。

2 溫度控制儀表

2.1 溫度控制儀表要求

2.1.1 精度要求

我國大型鋁材料加工廠對鋁材時(shí)效和退火熱處理工藝一般都是在電爐中完成的。航空行業(yè),大多數(shù)的鋁加工企業(yè)和熱處理廠為了完成NADCAP認(rèn)證工作,對時(shí)效、退火、固溶等熱處理爐的溫度控制儀也有明確的要求。在這種應(yīng)用背景下,溫度控制儀的選型就顯得尤為重要。 表1為引自GJB509B對控制儀表的精度要求,精度≤±1.1 ℃或者溫度讀數(shù)的±0.2%。

表1 GJB—509B中儀表精度要求

除了國際上的高溫測量標(biāo)準(zhǔn)外,我國的國家標(biāo)準(zhǔn)對溫度控制儀表的精度也有要求,例如國家軍用標(biāo)準(zhǔn)“熱處理工藝質(zhì)量要求GJB—509B”中規(guī)定的儀表系統(tǒng)的精度要求:對于一級加熱爐的儀表系統(tǒng)的準(zhǔn)確度要求≤±1.1 ℃或者溫度讀數(shù)的±0.2%。航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“航空制件熱處理有效加熱區(qū)測定方法HB5452”中對于控溫儀表準(zhǔn)確度等級也有明確規(guī)定,見表1和表2。

表2 HB5425中表準(zhǔn)確度要求

2.1.2 溫度控制要求

在爐氣控制過程中,爐子的工藝熱電偶和測試熱電偶檢測溫度在任何時(shí)候不能超過溫度均勻性上限,這一點(diǎn)在AMS2750規(guī)范3.5.14.1.2條文明確。對于溫度控制儀表的控溫能力和控制穩(wěn)定性提出了較高的要求。

溫度控制儀表在爐氣全速升溫狀態(tài)下,實(shí)際溫度快速上升,PID進(jìn)行調(diào)節(jié)作用,滿足不超溫要求。對于有效區(qū)很大的爐子或者安裝有循環(huán)風(fēng)機(jī)的爐子而言,除了溫度控制儀表調(diào)節(jié)外,還需要對循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制和加熱器的功率上限進(jìn)行輔助調(diào)節(jié),才能達(dá)到對整個(gè)爐子溫度有效區(qū)的較好控制效果。

2.1.3 人機(jī)交互要求

工業(yè)爐控制系統(tǒng),一般采用上位機(jī)作為人機(jī)交互。上位機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集儀表溫度數(shù)據(jù),進(jìn)行溫度顯示和數(shù)據(jù)存儲,在上位機(jī)界面上編輯溫度工藝和下傳儀表。溫度控制儀表配置通信模塊和上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。設(shè)計(jì)的儀表和工控機(jī)連接方式如圖2所示。儀表模塊安裝MODBUS-RTU模塊,RS485通信方式,通過串口擴(kuò)展模塊和上位機(jī)系統(tǒng)連接。工控機(jī)安裝WINCC軟件作為人機(jī)交互。安裝KEPWARE軟件作為第三方OPC服務(wù)器用于采集儀表數(shù)據(jù),提供給WinCC。

圖2 儀表和上位機(jī)系統(tǒng)連接

2.2 歐陸溫度控制儀表特點(diǎn)

歐陸(Eurotherm)溫度控制器3500系列是高性能的過程控制器,融合液晶顯示及微處理,0.1%的顯示精度,滿足國際和國內(nèi)熱處理標(biāo)準(zhǔn)對溫度控制儀的精度要求。設(shè)定值程序發(fā)生器功能,上位機(jī)系統(tǒng)編輯溫度工藝曲線下載到儀表工藝寄存器中,儀表自動(dòng)按照編輯的工藝獨(dú)立運(yùn)行,上位機(jī)系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)。儀表配置MODBUS-RTU通信模塊,MODBUS-RTU為標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)通信協(xié)議,所有第三方OPC通信軟件都支持該種協(xié)議,上位機(jī)組態(tài)軟件很方便與儀表進(jìn)行通信。歐陸3500系列儀表內(nèi)部插槽可以安裝2塊通信模塊,3500儀表作為廣播主站,主站利用廣播通信的方式將設(shè)定溫度(SP)發(fā)送到其他的廣播從站,使用這樣的處理方式,上位機(jī)系統(tǒng)就可以向一塊廣播主站儀表傳送工藝曲線數(shù)據(jù),采集其他的3500儀表的實(shí)際值數(shù)據(jù)(PV)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)記錄,這種配置方式減輕了上位機(jī)和儀表的通信負(fù)擔(dān),提升了效率(特別適用于多溫度控制區(qū)的加熱爐)。除了MODBUS-RUT通信模塊外,儀表還可以配置profibus-DP模塊,profibus-DP總線協(xié)議作為西門子工控系統(tǒng)的總線協(xié)議,西門子PLC可以直接作為主站和儀表進(jìn)行通信。

本論文主要介紹歐陸3500儀表在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.3 溫度控制儀表控制設(shè)計(jì)

歐陸3504系列儀表的接線如圖3所示。儀表的輸入端V+,V-接熱電偶信號。儀表的檢測精度較高,儀表輸入端直接熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線。多次現(xiàn)場檢測的經(jīng)驗(yàn)表明,歐陸3504儀表利用內(nèi)部溫度補(bǔ)償就可以達(dá)到高溫測量規(guī)范的要求,可以不考慮配置熱電偶的冷端補(bǔ)償裝置(冰盒)。

圖3 歐陸3504儀表接線圖

儀表配置兩路輸出,一路輸出1A,1B是模擬量輸出模塊,用于輸出4～20 mA電流信號或0～10 V電壓信號控制晶閘管的通斷,從而調(diào)整加熱器的功率輸出。儀表的控制回路就是一個(gè)過程控制回路,控制回路的示意如圖4所示。

圖4 儀表的溫度控制回路示意圖

圖4所示虛線框內(nèi)部為儀表的控制框圖。熱電偶接到儀表輸入端,檢測實(shí)際溫度和上位機(jī)下傳的設(shè)定溫度進(jìn)行比較,根據(jù)偏差經(jīng)過PID運(yùn)算后輸出控制信號到執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電力晶閘管調(diào)功單元),控制爐子溫度,調(diào)節(jié)的效果又可以通過測量溫度反饋到控制器上,來進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

儀表正式工作前,需要對儀表進(jìn)行溫度整定,設(shè)置與爐子系統(tǒng)特性相匹配的控制參數(shù)來達(dá)到較好的控制效果。

在控制過程中達(dá)到穩(wěn)定、沒有過沖的控制效果。根據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),儀表溫度自整定溫度點(diǎn)一般選擇在常用的工作點(diǎn),當(dāng)工作溫度涵蓋低溫到中溫(例如爐子具備時(shí)效退火兩種工藝過程),那么優(yōu)先按照低溫進(jìn)行整定。也可以根據(jù)不同的工作溫度段切換不同的PID參數(shù),3500系列儀表具備此種功能。整定開始的條件初始溫度應(yīng)為室溫且溫度穩(wěn)定不波動(dòng)。關(guān)于整定的更多細(xì)節(jié)可參考儀表說明書。當(dāng)儀表實(shí)際運(yùn)行過沖較大時(shí),還可以調(diào)節(jié)儀表的過充抑制值參數(shù)來調(diào)整儀表的控制效果。也可以采用溫度偏差值縮小時(shí),通過自動(dòng)控制儀表的加熱輸出上限參數(shù)等多種手段對溫度進(jìn)行控制。圖5是某現(xiàn)場根據(jù)溫度偏差對儀表的輸出上限進(jìn)行自動(dòng)控制的上位機(jī)設(shè)定界面。

圖5 控溫儀輸出功率上限設(shè)定界面

圖6是歐陸表溫度控制的實(shí)際運(yùn)行曲線,斜率最大的是設(shè)定曲線,該爐子的溫度有效空間很大,在控制溫度不超溫的前提下,還要兼顧爐膛內(nèi)部溫度場檢測熱電偶不能超溫,故在升溫段通過上位機(jī)腳本代碼對溫度控制儀表的功率進(jìn)行了控制,降低了升溫速率,爐子工藝熱電偶和測試熱電偶均不超溫。

圖6 現(xiàn)場溫度曲線圖

根據(jù)爐子加熱功率和使用溫度段,爐子的實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的偏差,逐步調(diào)整儀表的加熱輸出上限,偏差范圍分的越細(xì),溫度的控制越平滑。

第二路輸出為繼電器輸出模塊,該模塊用于儀表的斷偶報(bào)警輸出,當(dāng)接到儀表的熱電偶斷開時(shí),觸發(fā)儀表的內(nèi)部報(bào)警信號,報(bào)警輸出關(guān)聯(lián)繼電器輸出模塊,當(dāng)熱電偶信號斷開后,繼電器11KA15繼電器通電,從而可以斷開加熱器的控制信號。起到保護(hù)作用。

儀表配置雙RS485通信模塊,模塊安裝于HE,HF和JE,JF端子上。其中HE,HF用于和上位機(jī)系統(tǒng)通信使用。JE,JF用于和其他儀表相連接用于廣播通信使用。此種方法特別適用于有多個(gè)溫度控制區(qū)工業(yè)爐,每個(gè)溫度控制區(qū)由獨(dú)立溫度控制儀進(jìn)行控制,每個(gè)區(qū)的設(shè)定溫度都是相同的,這樣上位機(jī)下傳工藝時(shí),就可以只下傳到主站儀表,主站儀表將設(shè)定值以廣播通信方式發(fā)送給其他儀表,這種方式極大減少了上位機(jī)的通信負(fù)擔(dān)。相反,如果上位機(jī)系統(tǒng)分別和多臺儀表進(jìn)行工藝下傳,就需要分時(shí)去和每個(gè)儀表進(jìn)行通信,會造成很大的延時(shí),導(dǎo)致每塊儀表不同時(shí)間下載工藝和啟動(dòng)工藝,造成爐子每個(gè)區(qū)的溫度由于工藝啟動(dòng)時(shí)間的不一致而產(chǎn)生偏差。主站廣播通信的示意如圖7所示。儀表啟用廣播通信功能時(shí),儀表的面板上的J符號閃爍,表明通信正常,廣播通信的參數(shù)可在儀表通信配置中進(jìn)行編輯,只有一個(gè)參數(shù)可以作為廣播信息進(jìn)行傳送。

圖7 廣播通信示意圖

歐陸儀表的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基本如上所述。

3 結(jié) 論

筆者2007年開始接觸歐陸儀表,當(dāng)時(shí)應(yīng)用2400系列,用于工業(yè)爐窯的溫度控制過程,后來隨著美國宇航規(guī)范AMS2750的引入對儀表的精度要求提升,用更高精度的3500系列和2600系列。儀表的穩(wěn)定性和可靠性均得到了設(shè)備使用方的認(rèn)可,筆者將儀表在設(shè)計(jì)和使用過程中的一些方法和思路進(jìn)行了總結(jié)。望得到更多幫助和指正。