萬明

（中航工程集成設備有限公司，北京102206）

時效退火爐控制方案

萬明

（中航工程集成設備有限公司，北京102206）

主要討論了時效退火爐自動控制系統(tǒng)的解決方案?？刂葡到y(tǒng)核心采用西門子S7-300系列可編程邏輯控制器（PLC）。上位機人機交互界面采用GE公司的IFIX4.0作為組態(tài)軟件。上位機和底層控制器PLC數(shù)據(jù)可靠連接，大大提高了工業(yè)爐控制系統(tǒng)的可靠性、人機交互的友好性、可操作性以及后期設備維護的方便性。

時效退火爐；自動控制；可編程邏輯控制器（PLC）；IFIX4.0組態(tài)軟件

隨著我國工業(yè)快速發(fā)展，航空航天領域和汽車制造業(yè)等領域?qū)τ阡X型材和鋁板材等鋁加工產(chǎn)品需求日益增加，對于產(chǎn)品質(zhì)量要求提高，這就對用于鋁產(chǎn)品時效和退火的熱處理工業(yè)爐控制精度上要求更高。時效退火爐主要用于鋁合金型材和板材進行時效和退火。目前我國工業(yè)爐行業(yè)的能源消耗大、浪費嚴重，普遍存在過剩，工業(yè)爐溫度控制精度不高，因此提高熱工檢測與控制水平，具有很大潛力。

本解決方案采用GE公司IFIX4.0軟件為上位軟件，底層連接西門子S7-300系列PLC作為核心控制系統(tǒng)。選用高精度N型熱電偶采集溫度數(shù)據(jù)，PLC自身PID模塊通過計算輸出控制信號驅(qū)動調(diào)功單元控制加熱功率，達到精確溫度控制。在時效溫度階段，通過溫度關聯(lián)循環(huán)風機轉速閉環(huán)控制，達到溫度的精確控制。針對工業(yè)爐行業(yè)特點，上位機系統(tǒng)采集實時數(shù)據(jù)，自動存儲歷史數(shù)據(jù)和曲線，生成Excel報表等功能，優(yōu)化工業(yè)爐的自動控制。

1　原理與設計

1.1設計組成

時效退火爐控制系統(tǒng)設計包括配電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、基礎自動化系統(tǒng)、上位機管理系統(tǒng)等組成。

1.2基礎自動化系統(tǒng)

西門子S7-300系列PLC系統(tǒng)組態(tài)方框如圖1所示。

PLC系統(tǒng)設計主站和從站模式，適應工業(yè)現(xiàn)場要求。PLC子站安裝熱電偶模塊采集現(xiàn)場熱電偶檢測的溫度信號，根據(jù)上位機設定工藝數(shù)據(jù)在PLC內(nèi)部的PID模塊自動計算，通過模擬量輸出模塊輸出工業(yè)標準信號到加熱器執(zhí)行機構進行溫度控制；PLC子站數(shù)字量模塊檢測設備按鈕、行程開關信號、報警信號等開關量，根據(jù)邏輯運算通過數(shù)據(jù)量輸出模塊控制各個執(zhí)行機構正常工作。

圖1　自動化方框圖

1.3上位機控制系統(tǒng)

上位機控制系統(tǒng)選用GE公司IFIX4.0作為組態(tài)軟件，通過安裝第三方OPC軟件Kapmware直接讀取PLC底層數(shù)據(jù)，并將其顯示在上位機人機界面上。能非常直觀了解與PLC連接的各類傳感器及動力機構的運行情況。上位機控制系統(tǒng)界面包括通訊狀態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)、工藝管理、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警總覽，如圖2所示。

圖2　上位機控制系統(tǒng)畫面

畫面中的通訊狀態(tài)指示、工藝管理實時數(shù)據(jù)均通過Kapware軟件直接從PLC讀取，如圖3所示。IFIX4.0的驅(qū)動軟件Powertool軟件讀取Kapware采集的數(shù)據(jù)（如圖4所示）后傳送到上位機內(nèi)存中，通過在畫面上插入數(shù)據(jù)對象進行顯示。

1.3.1上位機數(shù)據(jù)存儲

PLC采集的現(xiàn)場溫度信號通過OPC軟件傳送到上位機內(nèi)部存儲器當中，利用上位機IFIX4.0軟件的調(diào)度功能和鏈接數(shù)據(jù)庫功能完成內(nèi)存數(shù)據(jù)在計算機硬盤的存儲。IFIX4.0的調(diào)度按照每分鐘定時執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲程序。數(shù)據(jù)的存儲是運用ADO實現(xiàn)的。ADO實現(xiàn)過程分為5步：（1）創(chuàng)建ADO對象；（2）建立連接；（3）構造并執(zhí)行SQL語句；（4）處理查詢結果；（5）關閉和釋放ADO對象，如圖5所示。

圖3　KAPWARE軟件讀取PLC數(shù)據(jù)界面圖

圖4　POWERTOOL軟件讀取數(shù)據(jù)界面圖

圖5　IFIX4.0調(diào)度腳本實現(xiàn)ADO數(shù)據(jù)存儲界面圖

采集數(shù)據(jù)在上位機以曲線形式顯示，可以讓操作人員直觀查看工藝運行狀態(tài)，通過第三方Teechart軟件實現(xiàn)，此軟件提供了完整、快速易用的圖表解決方案，支持 .NET、Java、ActiveX/COM、PHP和Delphi VCL格式，適合一些實時、科學計算以及金融應用程序等。同時支持查看曲線擴大和縮小功能。

1.4溫度控制

溫度控制是時效退火爐控制系統(tǒng)的核心。本設計采用西門子S7-300專用溫度控制軟件FB58作為溫度控制模塊，具有溫度自整定功能。在使用FB58進行溫度控制前，必須進行溫度自整定操作，使得FB58模塊根據(jù)現(xiàn)場的具體工況得到最優(yōu)PID參數(shù)，從而更好發(fā)揮控制作用。溫度整定分以下幾個步驟：（1）整定前保持爐內(nèi)溫度穩(wěn)定，保持模塊的設定值（SP）等于實際值（PV）；（2）將整定變量TUN_ON置位；（3）給模塊設定值（SP）一個階躍變化；（4）模塊就啟動自整定過程，過程參數(shù)的計算、控制器設計、使控制器處理新的可調(diào)節(jié)變量、檢查過程類型；（5）整定結束。整定過程模塊的各個階段可以從相對應的背景數(shù)據(jù)塊DBX.DBW108讀取。整定過程如圖6所示。

圖6　FB58自整定各階段描述圖

整定完成后，記錄PID參數(shù)，按照設定曲線升溫，檢測控制效果，手動調(diào)整PID參數(shù)，直到達到滿意的控制效果。

2　試驗

2.1溫度曲線

按照上述設計思路設計的控制系統(tǒng)在現(xiàn)場設備控制中得到了驗證，升溫階段爐氣溫度超調(diào)2℃之內(nèi)，從上位機操作系統(tǒng)的歷史曲線得到曲線圖如圖7所示。

在歷史曲線界面，通過鼠標點擊，可以實現(xiàn)曲線的擴大和縮放，如圖8所示。

用Teechart軟件制成歷史曲線畫面還支持打印功能。直觀的歷史曲線還可以通過按鈕導出Excel報表的格式，便于用戶存儲和打印數(shù)據(jù)。導出數(shù)據(jù)存儲在上位機的硬盤上，如圖9所示。

2.2系統(tǒng)報警信息記錄和顯示

設備在運行過程中出現(xiàn)的故障信息均通過IFIX4.0的報警總覽空間記錄在上位機的硬盤中，便于操作人員換班和維護人員的檢查，如圖10所示。

圖7　歷史曲線圖

圖8　歷史曲線擴大圖

圖9　歷史曲線導出Excel報表

圖10　報警總覽界面

3　結論

（1）本次設計調(diào)試的時效退火爐設備滿足美國宇航標準AMS2750E的要求，系統(tǒng)精度≤±1.1℃。設備溫度均勻性≤±2℃，滿足用戶要求。本次控制系統(tǒng)增加了對于設備產(chǎn)品溫度的檢測和判斷工藝。每次帶料生產(chǎn)時在料上安裝熱電偶對料溫進行檢測，當料溫到達工藝要求溫度后，工藝自動跳段到下一工藝段。在工藝程序設計過程中增加對于料溫的實時檢測，當料溫滿足工藝要求后執(zhí)行下段工藝。

（2）本次設計選用西門子S7-300系列PLC的溫度采集模塊采集熱電偶溫度并讀取到上位機系統(tǒng)。由于PLC溫度模塊采取內(nèi)部補償?shù)姆绞阶x取熱端溫度，當溫度采集模塊所處的環(huán)境溫度有較大波動時，會導致采集的溫度出現(xiàn)相對較大偏差，在參考了其他國外工業(yè)爐控制系統(tǒng)設計后，項目設計中增加冰點參考裝置，將熱電偶冷端放置于0℃的穩(wěn)定環(huán)境中，冰點參考裝置輸出信號再進入PLC的溫度采集模塊，這樣就會提高設備的檢測精度，達到更好的控制效果。

Control Solution of Aging Annealing Furnace

WAN Ming
（China Aviation Engineering Integrated Equipment Co.，Ltd，Beijing 102206，China）

The solution of the automatic control system of the aging annealing furnace is discussed. The SIEMENS S7-300 series programmable logic controller（PLC）is used in the control system center.The human-machine interaction interface of the host computer selects IFIX4.0 of GE Company as the configuration software.The data connection between the upper computer and the bottom controller PLC is reliable，which greatly improves the reliability of the control system of the industrial furnace，the friendliness and maneuverability of human computer interaction，and the convenience of the later maintenance.

aging annealing furnace；automatic control；programmable logic controller（PLC）；IFIX4.0 configuration software

TG155.1

B

1001-6988（2016）04-0064-04

2016-04-25

萬明（1982—），男，工程師，主要從事工業(yè)自動化方面工作.