基于PLC的非晶铁心退火炉温度控制系统研究.pdf

基于 PLC 的非晶铁心退火炉温度 控制系统研究 杨旭东，王洪生，李文伟，常 欣 （西北工业大学机电学院，陕西 西安 710072） 摘要对非晶铁心退火炉温度控制系统进行了研究。 关键词非晶铁心；PLC；温度控制；PID 中图分类号TM405文献标识码B文章编号1001－8425（2010）06－0044－04 Research on Temperature Control System of Amorphous Core Annealing Furnance Based on PLC YANG Xu-dong, WANG Hong-sheng, LI Wen-wei, CHANG Xin （Northwestern Polytechnical University, Xian 710072, China） AbstractThe temperature control system of amorphous core annealing furnance is re- searched. Key wordsAmorphous core；PLC；Temperature control；PID 1 引言 非晶铁心变压器是一种环保节能变压器，与传 统变压器相比，具有性能稳定、空载损耗低和发热少 等优点。 非晶铁心是这种变压器的核心部件，在生 产过程中，必须进行退火加磁处理。 非晶铁心退火 炉是非晶铁心退火加磁的专用设备。 非晶铁心退火炉控制系统的好坏直接关系到非 晶铁心的退火性能和节能效果，因此设计一套自动 化水平高、可靠性好的控制系统非常必要。 该控制 系统根据功能可以划分为若干个子系统温度控制 系统、液压传动系统、加磁系统、抽真空系统、对流循 环系统、报警系统和主令电器。 其中温度控制系统 是该退火炉控制系统的核心部分，必须对退火温度 进行精确控制才能提高非晶铁心的退火性能。 笔者 主要对非晶铁心退火炉温度控制系统进行了设计， 研究了利用PLC实现PID控制的方法，开发了温度 控制系统的PLC程序和监控软件，并对系统进行了 调试。 2 硬件电路的实现 2.1温度控制系统的设计原理 非晶铁心退火炉在结构上可以分为准备室、加 热室和冷却室， 非晶铁心的退火加磁处理主要在加 热室中进行。由于退火炉的炉体较长，故将加热室等 分为三个区，分区进行加热和控制，加热方式采用电 热元件加热，具有安全、清洁及炉温均匀性好并且容 易控制的特点。 加热室中的各个区都有一套独立的 加热元件和一路独立的380V供电电路， 加热元件 固定在加热段内壁上，采用星形接线方法。每个区安 装两组，组与组之间并联连接。其中第三区下方还装 一套加磁装置，用于非晶铁心的加磁处理，这是非晶 铁心退火炉有别于普通退火炉的一个特点。 非晶铁心退火炉温度控制系统由温度采集和温 度控制两部分组成。 温度采集部分主要实现实时采 集各区内的温度， 并把该温度值存储在PLC中；温 度控制部分主要实现对炉温的控制。 具体的控制原 理如图1所示。 温度采集部分将热电偶采集到的温度信号送入 PLC温度处理特殊功能模块， 该特殊功能模块把来 自三个传感器的输入信号放大，并将模数转换成12 位可读数据，存储到PLC的主处理单元中。 温度控 制部分将所采集的温度值与设定温度值进行比较， 并将差值在主PLC中进行PID运算后进行D/A转 TRANSER 第 47 卷 第 6 期 2010 年 6 月 Vol.47 June No.6 2010 杨旭东、 王洪生、 李文伟等 基于 PLC 的非晶铁心退火炉温度控制系统研究第 6 期 换，得到模拟量控制信号输入给电力控制器，电力控 制器根据该模拟量信号控制主回路中晶闸管模组， 再由其输出模块改变主回路中电压的导通与通断来 控制加热元件的输出功率，进而控制炉温。 2.2温控系统的硬件配置 非晶铁心退火炉温度控制系统采用上下位机的 控制模式，上位机具有监控退火炉的工作状态、温度 控制参数的设置、PID参数的整定及生成报表等功 能。下位机主要完成对上位机操作的响应，进而实现 对退火炉温度的控制。 该温度控制系统具体的硬件 配置如图2所示，上位机（工控机）和下位机（PLC） 通过串口相连，可以相互交换数据，上下位机组成温 度控制系统的核心。 退火炉温控系统的硬件部分还 包括D/A转换模块、电力控制器、电加热丝、热电 偶、温度处理模块等五部分。 该系统的温度采集部分包括温度传感器和温度 处理模块。 选用K型热电偶作为温度传感器，K型 热电偶即镍铬－镍硅热电偶， 是一种能测量较高温 度的廉价热电偶， 它可长期测量1 000℃的高温，短 期可测到1 200℃； 另外K型热电偶比S型热电偶 便宜， 并且重复性好， 产生的热电势大， 约为 0.041mV/℃，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。 温度处理模块选用FX2N-4AD-TC模拟量特殊功能 模块，该模块将来自加热室三个区的3个K型热电 偶的输入信号放大， 并将其转化为12位的可读数 据，存储在FX2N主单元中，摄氏和华氏数据都可以 读取。 该系统温度控制部分最初 设 计 思 路 是 由 可 编 程 控 制 器 （PLC）控制加热元件的通电时间 来控制炉温，即通过固态继电器 的接通和断开来控制加热元件。 但是这种设计方法温度控制精 度低，并且响应滞后，进而直接 影响非晶铁心的退火质量。 为提 高控制精度， 本文中最终选用电力控制器来控制炉 温， 具有输出特性好、 线性度好和控制精度高等特 点。 电力控制器选用台湾SCR电力控制器，通过控 制信号输入来改变主回路中电压的导通与关断，由 此达到调节加热元件输出功率的目的。 由于电力控 制器只能接受0到5V的模拟量信号， 而主PLC只 能输出数字量信号， 故选用了一块12位D/A转换 模块进行模数转换。 上位机采用IPC-610MB型工业控制计算机，具 有抗干扰性能好、连续工作时间长等特点。PLC选用 FX2N系列继电器输出型PLC， 它的最大输入输出 点数可达256点，内置的RAM存储器可存储8 000 步指令，经过扩展后可达16 000步。 电加热元件采 用镍铬电炉丝。 3 PID控制算法 3.1PID控制原理 PID控制器是一种线性控制器，它是比例控制、 积分控制和微分控制的线性组合。PID控制器具有 结构简单、稳定性高、工作可靠和调整方便等特点。 它主要适用于被控对象负荷变化较大、 容量滞后较 大、 干扰变化较强及工艺不允许有余差存在且控制 质量要求较高的场合。 比例控制是一种基本的控制。 其控制器的输出 与输入误差信号成比例关系， 具有反应速度快和控 制及时的特点。 但是当仅有比例控制时系统输出存 在稳态误差（或者称为静差）。 积分控制是具有控制 器的输出变化量与输入偏差值随时间的积分成正比 的控制规律， 即控制器的输出变化速度与输入偏差 值成正比，具有消除稳态误差的作用。积分控制一般 不单独使用， 而是与比例控制一起构成比例积分控 制器。 微分控制是指控制器的输出变化量与输入偏 差的变化速度成正比的控制规律， 具有预测误差变 化的趋势的作用。微分控制不能单独使用，需要依附 于比例控制或比例积分控制。 3.2PID控制算法的PLC实现 本系统使用的FX2N系列PLC提供了简单方 温度处理特殊功能模块 设定温度 PIDD/A转换 电力 控制器 加热元件 传感器 图1温控系统原理图 Fig.1Diagram of temperature control system IPC工控机打印机 PLC主机 温度处理模块 D/A转换模块 开 关 量 输 入 开 关 量 输 出 热 电 偶 电 力 控 制 器 图2温控系统的硬件配置 Fig.2Hardware distribution of temperature control system 45 第 47 卷 便的PID控制功能，可以通过PLC提供的PID指令 来完成温度控制系统的PID参数整定。PID运算指 令是专门为PID控制提供的专用指令，使用之前必 须要进行初始化。 图3为PID指令使用示例，为使 指令正确执行，需要指定四个软元件。S1用来设定目 标值（SV），S2用来设定测定值（PV），S3以及其后的 6个数据寄存器（S3S36）用来设定控制参数。 执行 程序时，运算结果（MV）被存入D中。 由图3可以看出，在PID运算前必须设定控制 参数D100，然后通过MOV等指令写入指定的软元 件中。 重要的控制参数有S3表示系统的采样时间， S33表示比例增益Kp，S34表示积分时间，5表 示微分时间，这些参数都必须设定。 在程序执行时， PLC将测定值与目标值按照公式进行运算， 求出输 出值。 退火炉加热室的三个区域是相对独立的， 都有 各自的控制回路，需要分别使用三组PID指令。 本 文中使用的三组PID指令中， 目标值SV是由上位 机设定的。 测定值PV来自温度测量模块，一个通道 对应一个测定值。 计算出的输出值MV通过D/A转 换模块输入给电力控制器， 以控制加热元件的输出 功率。 3.3PLC的参数自整定 PID的控制参数除了上述手动设定外，FX2N系 列PLC控制器还提供了参数自动调谐功能，通过该 功能，可以得到较好的PID控制参数。 在使用自动调谐功能前， 首先要设定自动调谐 输出值，该值是个固定值，PLC通过这种类似阶跃信 号的输出，根据系统动态响应计算出相应的PID参 数。 该值的设定范围是输出设备可能输出最大值的 50100。 其次，还要预先设定采样时间、输入滤 波常数、微分增益和目标温度值。 其中，采样时间必 须大于1s，并且尽量使用长于输出变化周期的时间 值，这样才能获得较准确的PID参数值。 自动调谐 开始时的测定温度值和目标温度值的差必须大于 150以上，否则自动调谐不能启动。 将相应的标志位置位后，自动调谐开始。自动调 谐开始后会根据输入与输出的变化情况计算出各个 参数， 当自动调谐开始时的测定值到目标值的差值 减小1/3以上时，则自动调谐结束。 调谐好的参数放 入对应数据区内，自动调谐结束。 4 软件的实现 4.1温控系统软件的设计 非晶铁心退火炉温度控制系统的软件设计采用 上下位机的设计方法， 用户只需在上位机的监控软 件上操作就可以实现对炉温的控制， 下位机用来响 应上位机的命令。 上位机程序主要实现对炉温目标 值的设定，PID的调节和生成报表等功能，上位机软 件采用资源丰富， 使用方便的Visual C6.0软件 进行开发， 利用VC的MSComm控件可以方便地 进行上位机与PLC串口通信的开发。 上位机程序利 用VC的MFC AppWizard创建单文档程序，采用 菜单式设计，主窗口的菜单主要包括实时通信、温度 采集及实时显示、 状态监控、PID设定及生成报表 等。 本文中主要介绍温度控制系统的PID调节模 块。PID设定菜单下有两个按钮，分别是手动设定和 自动调谐。 点击“手动设定”按钮弹出图4所示的窗 口。 在此窗口中可以单独修改某一区域的PID参 数， 各区的当前PID参数值被显示在窗口的顶部， 可作为调节时的参考。单击“设定”按钮，新输入的参 数就会成为当前值，单击“默认值”恢复到初始设定 值。 点击“自动调谐”按钮弹出图5所示窗口。 将各 参数设定后单击“开始调谐”按钮进行自动调谐。“调 谐进行中指示灯”在自动调谐进行的过程中点亮，自 动调谐结束后熄灭。 可以通过单击“强行停止”按钮 终止自动调谐过程。 自动调谐完成后得到的PID参 数显示在下方的文本框中。 4.2系统的调试 在系统调试时采用PLC自整定为主，人工修正 X000 FNC88 PID D0D1D100D150 S1S2S3D 输出值 MV 目标值 SV 测定值 PV 参数 图3PID指令示例 Fig.3Example of PID command 图4手动设定PID窗口 Fig.4PID window set with manual control 46 杨旭东、 王洪生、 李文伟等 基于 PLC 的非晶铁心退火炉温度控制系统研究第 6 期 为辅的整定策略。 整定过程必须在炉温未达到目标 温度之前进行，因为PLC要在炉内升温的过程中测 量并计算出PID参数值。 整定的步骤如下 加热室的3个区分别使用3个PID程序控制， 因为它们相互影响，所以应同时进行自动调谐。从监 控软件主界面调出自动调谐窗口， 首先设置自动调 谐不能设定的参数。 本文中参考手册并结合现场实 际， 选择采样时间为30 000ms、 输入滤波常数为 70、微分增益为0、输出值上限为10 000ms，下限 为0ms。 另外，还需要设定PID运算的输出值，设定 为9 000ms。 参数设定完毕，点击自动调谐按钮，加 热系统按照固定的输出值开始工作。 经过一段时间的测量和运算，PLC自动计算出 3组PID程序的参数值。 一旦得到PID参数，加热过 程随即停止。自动调谐停止后，点击查看按钮查看调 谐得到的PID参数值。 表1为三个区域的PID参数 值。 使用自动调谐得到的PID参数进行试车，三个 区域的目标温度均设定为365℃， 通过温度数据采 集得到图6所示的温度曲线。 图6中， 初始升温时升温速度最快的曲线是一 区温度曲线，其次是二区温度曲线，升温速度最慢的 是三区温度曲线。从图6中可以看出，一区和二区温 度从室温达到目标温度用时较短，约为30min。 三区 温度升温较慢，达到目标温度需要约90min。 经过约 90min后，温度稳定在目标值附近，即使有扰动，误 差始终保持在3℃之内。 如果对自动调谐得到的控 制结果不满意，还可通过手动设定对PID参数做进 一步的调整。 5 结论 该温控系统采用电力控制器代替继电器来控制 炉温，运用PLC进行系统的PID调节。 通过现场调 试，该控制系统运行可靠，PID调节温度稳定在目标 值附近，即使有扰动，误差始终保持在3℃之内，克 服了普通退火炉的加热滞后和温度控制精度低等缺 点。 参考文献 [1]方可行.高效节能的非晶态合金变压器[J].电力情报， 1998，（4）66-67. [2]陶永华.新型PID控制及其应用[J].工业仪表与自动化 装置，1997，（4）60-62. [3]杨帆.具有PID自整定功能的温度控制器研究与实现 [D].大连大连理工大学，2006. [4]张文亮.污水处理厂自动控制系统设计[D].长沙湖南 大学，2007. 图5自动调谐窗口 Fig.5Automatic tuning window 表1自动调谐得到的PID参数值 Table 1Automatic tuning PID values 区域TD 一区274 二区311 三区367 KP 489 533 738 TI 2 020 1 997 1 703 一区 二区 三区 0 100 200 300 365 400 T/℃ 306090120 t/min 图6加热室三区温度曲线 Fig.6Temperature curves in three areas of heating room 收稿日期2008-10-08 作者简介杨旭东（1962-），男，山西垣曲人，西北工业大学机电学院副教授，主要研究方向为工业自动化控制与数控技术； 王洪生（1984-），男，河北承德人，西北工业大学机电学院在读硕士研究生，主要研究方向为机电控制与自动化； 李文伟（1982-），男，河南开封人，西北工业大学机电学院在读硕士研究生，主要研究方向为机电控制与自动化。 47