小型PLC在电加热热处理炉改造中的应用(王胜利)

小型PLC在电加热热处理炉改造中的应用
王胜利，许庆谦
（马钢自动化工程公司计控部，安徽马鞍山 243000）
[摘要]本文主要介绍小型PLC系统在电加热炉中的应用及系统的硬件组成、软件结构等。

依据相关的技术要求，简述了电加热炉的温度控制原理及控制方案。

该系统运行稳定可靠，温度控制精度高，投资少，具有一定的应用推广价值。

[关键词]电加热炉、触摸屏、温度控制、位式调节
0 前言
马钢机制公司热处理车间1座用于热处理的4 m井式炉因设备陈旧、控制手段落后需要改造。

这座热处理炉采用电加热方式，额定电压为380 VAC，额定功率为264 kW，采用三角形联接方式，电加热功率元件采用的是双向晶闸管，从炉顶到炉底共设有4个加热段，每段设一根热电偶测量炉膛温度，使用带PID调节的记录仪表进行温度控制。

改造前该热处理炉已处于停运状态，要求控制系统这部分的改造费用不超过12万元。

1 技术要求
用户要求能按照给定的热处理温度曲线进行升温和保温。

在升温阶段，4段的实际炉膛温度与设定值的差值均不得超过±10 ℃，在保温阶段，4段的实际炉膛温度与设定值的差值均不得超过±5 ℃。

最高炉膛温度不高于900 ℃。

最复杂的热处理温度曲线为三阶段升温保温曲线，如图1所示。

系统应能编辑、保存和调用最多5组这样的热处理温度曲线。

升温保温过程要求全程自动控制，记录每段的实际炉膛温度，并要求设有温度超限报警。

2 控制方案
我们面对的控制对象虽然是一个简单的电加热炉，但是整个炉子的4个加热段在加热过程中会相互影响，若考虑这种影响，整个控制方案将会很复杂，幸而在加热过程中这种影响较小可以忽略。

因此为了简化控制方案，我们把整个炉子的4个加热段看成4个互不影响、相互独立的控制对象，这样采用小型的具有模拟量控制功能的PLC即能实现用户提出的要求，但需要采取一个合适的控制方法以满足用户对热处理温度控制的高要求。

下面以一个加热段为例，详细说明采用的控制方法。

首先我们认为升温阶段温度控制的目标是升温的速度，相当于随动控制，而保温阶段温度控制的目标是温度的恒定，是恒给定控制，两个阶段的控制特性不同，因此必须采用两套PID参数分别用于升温阶段的升温速度控制和保温阶段的温度控制，以满足不同阶段温度的控制要求。

其次，为了防止实际温度在调节过程中因超调而超出所要求的控制范围，我们还采用了位式调节以强制输出，即在升温阶段时，当炉温高出设定值8 ℃时，强制输出一个预先设定好的小的输出值，使炉温立即缓慢下降，当炉温降到高出设定值7 ℃时，又回到原来的PID调节；当炉温低于设定值8 ℃时，则强制输出一个预先设定好的大的输出值，使炉温立即缓慢上升，当炉温升到低于设定值7 ℃时，即又回到原来的PID调节，也就是说PID
调节在设定值±8 ℃的区间内起作用，超出这个区间由位式调节控制；同样，在保温阶段也是如此，但位式调节的强制输出是在温度超出设定值±4 ℃区间时起作用，恢复PID调节的限制值则设在超出设定值3 ℃或低于设定值3 ℃。

还有需要注意的是升温阶段PID参数与保温阶段PID参数之间的转换，为满足温度控制的要求，设立了两个转换条件，满足其中一条即进行转换。

一是当升温阶段的温度设定值达到保温阶段的温度设定值时，二是当实际炉温达到保温阶段温度控制范围的下限即低于设定值5 ℃时，即用保温阶段的PID参数进行调节。

其控制原理框图如图2所示。

图2 控制原理框图
按上述控制方案，我们预测炉膛温度的记录曲线会是一条以温度设定值为轴，升温阶段在±10 ℃区间波动，保温阶段在±5℃区间波动，幅度逐渐减小直至趋于直线的曲线。

另外，为了方便调试和处理意外情况，还保留有手动操作方式。

3 硬件配置
整个井式热处理炉的自动控制系统由小型PLC、触摸屏、检测元件、记录仪表以及功率控制柜组成一个整体。

操作人员通过触摸屏进行自动开炉、停炉以及编辑、调用、存储热处理温度曲线，通过选择开关来选择自动或手动操作方式，手动操作时可通过手动温控旋钮来手动控制炉温，使用小长图记录仪记录井式热处理炉4段的炉膛温度曲线。

具体的硬件配置如下。

（1）PLC采用的是GE VersaMax Rack，4通道AI模块、4通道AO模块、16通道DI模块、16通道DO模块各1块。

(2)操作界面采用的是6吋（1英寸=2.54 mm）触摸屏，触摸屏与PLC 之间的通信采用RS485串行方式。

(3)温度检测元件为K电偶，配以温度变送器将热电偶信号转换为4～20 mA。

（4）温度记录采用的是ER101系列的小长图记录仪，量程为0～1 000℃,
共4套。

（5）功率控制柜包含4套功率控制装置，采用的电加热功率元件是双向晶闸管，由PLC输出的4～20 mA信号到功率控制装置，以控制双向晶闸管的导通角，进而控制流过电阻丝的电流的大小，并最终控制炉子的温度。

整套控制系统的总费用在11万元左右。

4 软件的功能与设计
热处理炉控制软件的功能是实现热处理过程的自动运行，满足用户提出的控制要求，同时还要简化操作步骤，方便工作人员操作。

整套软件的设计包括两个部分：触摸屏画面设计和PLC程序编程。

我们为触摸屏设计了四幅画面：开炉停炉的操作画面、热处理温度曲线的编辑画面、温度趋势画面、功率控制装置的状态画面，工作人员操作起来非常方便。

这里需要特别说明的是热处理温度曲线的编辑，热处理温度曲线由三组加热（或保温）时间和目标温度共6个数据组成，在触摸屏上用热处理温度曲线的编辑画面进行编辑，编辑后的数据存储在PLC中，PLC中一共可存储五组热处理温度曲线的数据。

至于热处理温度曲线的初始温度按开炉那一时刻的炉膛温度计算。

PLC程序主要是实现我们设计的控制方案，完成热处理过程的全程自动控制，以及过程数据的采集、滤波和工程量转换，操作方式的手/自动切换，热处理温度曲线的存储等等。

最后，需要说明的是PLC程序用VersaPro编程组态软件编写，触摸屏画面则是用Quick Design触摸屏画面编辑软件编制的。

5 结束语
2002年8月份该电加热炉正式投入运行，由于在调试过程中，我们精心整定两套PID参数，使实际的炉温曲线与我们的设想极为接近，经炉子热处理后的工件温度、硬度非常均匀，用户很满意，改造后的4 m井式电阻炉成为用户的生产主力炉。

随后，我们又按照同一种技术方案改造了该用户的另一座4 m井式电阻炉和两座渗碳炉，取得了同样好的效果。