西门子PLC在退火炉温度控制系统中的应用.pdf

第2 3 卷第4 期 2 0 1 6 年4 月 仪器仪表用户 NS T RUM E NT A T I ON EI C V o1 ． 2 3 2 01 6 N o ． 4 西门子P L C 在退火炉温度控制系统中的应用 王敦坤，朱德明 徐州科融环境资源股份有限公司，江苏 徐州 2 2 1 0 0 4 摘要通过对用户的退火炉控制系统的成功改造案例分析，阐述了采用西门子2 0 0 P L C完成分段曲线程序设计的原 理及应用。经过系统的调试运行 ，P L C 程序能够精准的完成目标温度值的控制输出，每台温度控制器对P L C的输出 指令执行准确及时，提升了温度曲线的稳定性 ， 保证了产品的优良品质，实现了对退火炉全程 自动控制的目的。 关键词西门子P L C ；分段曲线；稳定 中图分类号T P 2 文献标识码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 1 0 4 1 ． 2 0 1 6 ． 0 4 ． 0 0 9 文章编号1 6 7 1 1 0 4 1 2 0 1 6 0 4 - 0 0 2 7 - 0 4 Ap p l i c a t i o n o f S I EM E NS P LC i n An n e a l F u r n a c e Co n t r o l S y s t e m ， ， Wa n gDu n k u n ， Zh u De mi n g Xu z h o u K e r o n g E n v i r o n m e n t a l R e s o u r c e s C o ． ， L t d ， J i a n g s u X u z h o u 2 2 1 0 0 4 ， C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n c a s e s a n a l y s i s o f a n n e a l f u r n a c e c o n t r o l s y s t e m mo d i f i c a t i o n ， t h i s a r t i c l e d e mo n s t r a t e s p r i n c i p l e a n d a p p l i c a t i o n o f p i e c e wi s e c u r v e p r o g r a m d e s i g n t h a t u s e s S I E MENS 2 0 0 P L C． A fte r c o mmi s s i o n i n g ， t h e P LC p r o g r a m c o u l d c o mp l e t e t h e o u t p u t o f t a r g e t t e mp e r a t u r e v a l u e a c c u r a t e l y ， a n d e a c h t e mp e r a t u r e c o n t r o l l e r c o u l d r e a c t i mme d i a t e l y a n d c o r r e c t l y u p o n P L C o r d e r w h i c h r a i s e t h e s t a b i l i t y o f t e mp e r a t u r e c u r v e ， g u a r a n t e e p r o d u c t p e r f o r ma n c e ， a n d r e a l i z e t h e a u t o c o n t r o l o f a nne a l f uma c e． K e y W o r d s s i e me n s P L C； p i e c e w i s e c u rve ； s t a b i l i t y 用 户是一家专 门加工制造 中小 型变压器磁 芯的企 业，产品所采用的原材料为冷轧硅钢板。通过对冷轧硅 钢板完成剪切、除锈 、冲压、机卷成型等工艺后，加工 成满足客户要求的变压器磁芯半成 品，然后再将磁芯半 成品批量装入退火炉 内完成退火处理，最终生产出合格 的磁芯成 品。当前退火炉功率分为 1 2 k W、1 8 k W、2 4 k W 和 4 0 k W 四种 炉 型，共 计 6套，最 大 的炉 型 尺 寸仅 为 1 5 0 0 m m X 9 0 0 m m X 7 0 0 mm，其他几台炉型尺寸更小，每台 退火炉均采用一支热电偶插入炉子中心，检测炉内温度 ， 退火工艺温度控制在 0 1 0 0 0 ℃之间。每台炉配备了一台 简易型温度控制器，通过设定目标温度，基本能够实现炉 内温度达到 目标值 ，但是升温和保温的过程是通过工人不 间断监控及频繁操作来实现的。由于炉子体积较小，炉内 温度升温速度特别快，并且在保温工艺阶段，特别是冬季 时节，环境温度对炉内温度的影响特别明显，所以需要安 排专门工人全程进行跟踪操作处理，但是仍然难免出现升 温曲线和保温曲线不能满足工艺要求的情况，最终导致产 品退火后晶粒长大不充分、不均匀，从而直接影响到磁芯 的导磁性指标与技术要求偏差较大，产品出炉后废 品率很 高。另外，负责操作的工人需要全程不停的根据工艺温度 要求进行频繁拉闸合闸操作 ， 导致电器设备经常出现故障， 也耗费了很大的电力资源，并且存在较大的安全隐患。为 了解决好这些控制工艺落后、产成品废品率高 、操作效率 低以及存在安全隐患的问题 ，本文为用户提出了对加热炉 控制系统升级改造的具体方案。 1 控制系统硬件配置 本次控制系统改造，拆除了原来的通过断路器和交流 接触器搭建的简单电路系统 ，电气主回路改为固态继电器 元件；增加西门子 2 0 0 P L C控制柜一套 ，配备触摸屏 ，实 现不同阶段 目标时长和目标温度值的设定以及温度输出控 制功能；拆除原来的简易型温度控制器 ，选配智能温度控 制器作 为控制单元，实现与 P L C完成数据通讯功能 ；保 留每台炉原有的热电偶 ，并将温度检测信号接入温度控制 器 ；温度控制器输出信号直接接入固态继电器低压控制线 圈，实现对电加热设备的控制。程序控制系统硬件组态配 置见图 1 收 稿 日期 2 0 1 6 0 3 一 O 1 作者 简介 王敦坤 1 9 8 1 一，男 ，江苏徐州人 ，本科 ，工程 师 ，主要从事 自控仪 表选型与控制系统设计 工作 。 2 8 仪器仪表用户I N S T R U ME N T A T I O N 第2 3 卷 图 1 系统硬件组态图 F i g ． 1 Ha r d wa r e c o n fig u r a t i o n d i a g r a m 1 ． 1触摸屏单 元 触摸屏选用 O MR O N品牌 N B 7 W T WO O B型号，与 P L C 通过 R S 4 8 5接口实现数据通讯，主要用来完成时间、温度 等必要参数的设定 ，并完成对每台炉的启 ／ 停控制，实时 曲线显示，报警信息显示等。 1 ． 2 P L C处理 单元 采用西门子品牌 6 E S 7 2 1 6 2 B D 2 3 0 X B 8进行编程 ，通 讯接收触摸屏送出的控制指令，同时将相关数据传输到触 摸屏显示。考虑到企业 目前总计 6套退火炉需要通过 P L C 完成控制，并且每套炉子的工艺曲线及参数设定值较多， 如果通过 P L C自带的 P I D调节功能完全实现温度 自动控制， 已经接近了西门子 2 0 0 P L C只能处理 8 路 P I D控制的上限 【 1 】 ， 并且会大大影响 C P U的处理速度。所以本方案只通过 P L C 完成 目标温度曲线的生成与控制输出，以及各控制环节的 相关逻辑保护功能，具体的温度控制输出功能 ，则由各 自 的温度控制器来实现。 1 - 3 智能温度控制器单元 智能温度控制器采用 O MR O N品牌E 5 C C R X 2 A S M一 8 0 2 型号， 该控制器具备 自整定功能 ， 可以根据被控对象的特性， 自动寻找最优参数以达到很好的控制效果，无需人工整定 参数。 控温精度基本达 0 ． 1 c C ， 无明显超调、 欠调工况出现。 其输入 回路可接受多种类型热电偶、热电阻、电流以及电 压信号， 并配合执行器对电加热设备完成 P I D调节和控制、 报警控制、数据采集等功能。 1 ． 4固态继电器控制单元 固态继电器是一种新型无触点电子开关 ，在逻辑控制 电路中，可实现以弱电控制强电和弱强隔离的目的。固态 继电器具有工作安全可靠 、寿命长、无触点 、无火花 、低 触发电流、开关速度快、抗震动等性能，被广泛应用在电 加热装置、仪器设备 、多种机械、数控机床等 自动化设备 及控制系统中，是交直流接触器的更新换代产品。本方案 中采用固态继电器后，可以满足实现电加热装置的频繁通 ／ 断电控制， 不仅降低了能耗 ， 还大大提高了系统的安全性能。 2 系统控制要求 冷轧硅钢片，在冲压和弯曲等加工后，会产生机械应 力以及应变，导致磁性发生变化 ，铁损明显增大；因此加 工后的冷轧硅钢片需要进行退火工艺处理，来达到消除机 械应力和应变的 目的，从而恢复材料的磁性 】 。 在退火工艺过程中，影响最终结果的主要手段是对 退火温度和退火时间的控制。为保证材料能够恢复到原磁 性水平 ，退火温度不宜选得过高。如果退火温度偏高， 虽然可 以有效改善磁性，但会影响绝缘涂层进而导致叠 片粘结。所 以针对冷轧取 向硅钢片，通常将温度控制在 8 0 0 1 0 ℃一线。针对冷轧无取向硅钢片，通常将温度控制 在 7 0 0～7 5 0 ℃之间。低温阶段应合理控制升温速度，可 以减少钢板热应力，高温段控制升温速度可以确保晶粒的 充分长大且均匀 】 。由于实际退火时间是由退火方式、 炉型、 铁芯的装炉数量和尺寸等因素决定的，为了防止在加热和 冷却过程中，因热应力而导致铁芯片变形 ，所以必须严格 控制好升温速度和降温速度 ，并且还要做到加热均匀。在 退火工艺过程中，典型的工艺温度曲线如图2所示。 图 2 工 艺温度 曲线 F i g ． 2 P r o c e s s t e mp e r a t u r e c u r v e 由图可知，退火工艺可以分为多个曲线段，不同的时 间段需要有不同的温度，主要有升温、 保温、降温等过程。 根据所需退火的产品性能要求，在退火工艺过程中会有直 接升温到指定温度和按斜率均匀的升温到指定温度的工况； 同理，降温也分为直接降温到指定温度和根据斜率准确地 降温到指定温度。因此，在 P L C中设计了一套可以任意修 改时间区间和温度区间的分段曲线程序，具体是直接升温 按斜率升温、直接降温还是按斜率降温以及在哪一个时间 段保温多长时间，都是通过工艺需求在触摸屏中设定来完 成的，然后由 P L C通过编制好的程序完成 目标温度值的输 出，后面便是由温度控制器来精确完成加热温度的监控和 控制过程。由于所用的退火设备是一种结构简单 ，密封严 实的电加热炉，降温速度比较缓慢，所以降温过程采用的 是直接 自然降温的手段来实现的，只有少数产品根据工艺 特性才用到按斜率降温到指定温度的程序。 3 系统程序设计 3 ． 1通讯 程序设计 由于目标值的设定是在触摸屏里完成，温度的分段曲 线是在 P L C中生成，最终温度的精确控制是由智能温度控 制器来实现的，所以三种设备间顺利配合的关键就是要实