謝宜佳

摘要：鈦合金由于其成形性能差，對加熱條件的變化十分敏感。在其可鍛變化范圍內有相變行為，因此對其加熱條件有很高的要求。本文通過某航空鍛造公司的加熱爐設計應用實例，對鈦合金加熱爐PLC溫度控制系統(tǒng)的設計進行介紹，為今后類似工程提供參考。

關鍵詞：鈦合金；加熱爐；燃燒系統(tǒng)；PLC溫控

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0006-02

1 引言

鈦合金是以金屬鈦為基礎，加入其它元素而組成的合金。鈦合金由于其質量輕、比強度高、耐腐蝕性好、耐熱等良好的綜合性能，而被廣泛應用于航空領域。但是其價格昂貴，加工技術要求較高，特別是對軋制之前的熱處理要求十分嚴格，主要體現(xiàn)在對加熱的溫升速度、加熱的均勻性、保溫時的溫度控制等方面。目前鈦合金加熱爐的加熱形式有電阻式加熱法和燃氣式加熱法。其中燃氣式加熱法的溫度控制大多是通過日本的溫度控制儀來實現(xiàn)的。在此工程中，我們采用燃氣加熱法，但控制系統(tǒng)采用PLC來實現(xiàn)，采用串級PID的控制思路對加熱爐的溫度進行高精度自動控制，滿足了鈦合金對加熱溫度的要求。

2 鈦合金對加熱爐溫控系統(tǒng)要求

鈦合金在加熱過程中，對溫度的要求很高，在此項目中，對加熱爐爐溫的控制要求主要體現(xiàn)在升溫過程的可控性，其可控性具體要求為：在850～1200℃間保溫溫度可設置，達到保溫溫度后，要求控制精度≤±2℃，即在保溫階段，爐內溫度的實際值與設定值的誤差≤±2℃；爐溫過沖溫度≤10℃，即在升溫的過程中，爐溫的最高溫度不能超過設定溫度10℃。

3 加熱爐溫控系統(tǒng)硬件設計

為了滿足溫控的要求，工藝方面加熱爐的設計為，爐膛有效加熱尺寸：3.3（長）×1.0米（寬）×0.3米（高）。爐底帶有高度100mm耐熱墊塊，實現(xiàn)坯料四面加熱。燃料為天然氣，熱值為8050Kcal/Nm3±5%。

儀表自動化控制方面主要配置如圖1所示。在溫控區(qū)域上，將加熱爐分為兩個加熱區(qū)，在每個加熱區(qū)設置溫度檢測熱電偶，形成兩個溫度控制單元來自動控制溫度，兩個溫度檢測點沿加熱區(qū)長度方向布置，有利于控制加熱爐長度方向上的溫度均勻一致。該熱電偶為兩支式，一路溫度信號傳至PLC控制系統(tǒng)，用于溫度反饋，進行溫度調節(jié)，另一路信號傳至無紙記錄儀，把整個加熱過程的爐溫變化曲線記錄在案。

加熱爐每個加熱區(qū)分別設有助燃空氣和燃料的管路流量檢測和流量的自動調節(jié)，通過PLC計算使助燃空氣和燃料流量控制在最佳比值，保證達到較高的燃燒效率。為了進行溫度的微調，燃料管路設有大小兩個管路，每個管路上設有流量檢測裝置和流量調節(jié)裝置。其中B路管道管徑較大，在加熱爐升溫時使用，用較大量的天然氣進行爐溫的快速提升；A路管道管徑較小，在爐溫接近目標溫度時使用，用較小的天然氣量對爐溫進行微調和控制。

基礎自動化L1系統(tǒng)選用SIEMENS公司的S7-400PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)由CPU模塊、電源模塊、模擬量輸入、輸出模塊、數(shù)字輸入、輸出模塊等組成?，F(xiàn)場流量計、熱電偶、調節(jié)閥等構成了PLC的輸入設備，電磁閥、繼電器等構成了PLC系統(tǒng)的輸出設備。PLC系統(tǒng)接受現(xiàn)場儀表送來的溫度、壓力、流量等信號，并運算處理，向L0級執(zhí)行元件發(fā)送執(zhí)行指令。主要完成對燃燒過程中各種參量、數(shù)據(jù)的采集，輸入輸出信號的變換、處理、顯示、記錄、運算、聯(lián)鎖報警、回路控制、邏輯控制等功能。PLC控制系統(tǒng)配置見圖2。

在現(xiàn)場PLC柜集成面板式PC?？梢赃M行加熱爐各燒嘴風量、天然氣量、各區(qū)段爐溫的人工設定，同時具有故障顯示、各段溫度顯示信息顯示等功能。主要參數(shù)的數(shù)字量實時顯示、主要參數(shù)的模擬量棒狀圖實時顯示、系統(tǒng)單線圖的實時顯示功能；事故顯示、報警，故障診斷功能等。S7-400標準化程度高、可靠性高、操作性好、可維護性好、可擴展性好。

4 爐溫控制設計

爐溫控制由爐溫的控制和燃燒控制兩部分來完成。

4.1 爐溫控制

爐溫通過PLC進行續(xù)PID控制，通過溫度測量值與溫度設定值的偏差進行連續(xù)比例、積分、微分控制。

其控制思路為在HMI客戶機（觸摸屏）上由人工給定溫度設定值作為控制回路的設定，通過溫度測量值與溫度設定值的偏差進行連續(xù)比例、積分、微分控制，然后由爐內溫度調節(jié)器輸出信號作為到煤氣和空氣調節(jié)回路的設定值，進行燃燒的調節(jié)，進而達到爐溫控制的目的。

4.2 燃燒控制

由爐內溫度調節(jié)器輸出信號連接到煤氣調節(jié)回路作為煤氣調節(jié)器的設定值，由PLC完成燃燒的溫度流量串級調節(jié)。

爐內溫度調節(jié)器輸出信號分出一路乘上比值（空燃比）連接空氣調節(jié)回路作為空氣調節(jié)器的設定值，進行燃燒的空氣流量的比值調節(jié)。

煤氣調節(jié)器的設定值為一流量設定值，對應了兩路煤氣管路控制閥門和流量檢測裝置，分別稱為大小流量控制調節(jié)閥，在設定值（流量）小于4.90Nm3/h時，控制選擇小流量控制調節(jié)閥，此時大流量控制調節(jié)閥鎖定位置（保持位置），同時連鎖切斷兩個燒嘴的大火電磁閥。采用小流量管路檢測和控制閥；在設定值（流量）大于5.10Nm3/h時，控制選擇大流量控制調節(jié)閥，此時小流量控制調節(jié)閥鎖定流量2.0Nm3/h控制設定值（保持設定值控制），同時連鎖打開兩個燒嘴的大火電磁閥。采用大流量管路檢測和控制，其控制流量設定值為（煤氣調節(jié)器的設定值-2.0Nm3/h）。

兩路煤氣管路控制閥門采用電動調節(jié)蝶閥。

空氣管控制閥門采用電動調節(jié)蝶閥。為了保護燒嘴，空氣調節(jié)閥自動關閉時保持一定的小開度。

空氣煤氣燃燒比的控制有三種方式可供選擇：

串級方式：由爐內溫度調節(jié)器輸出信號作為煤氣和空氣調節(jié)回路的設定值，進行燃燒的串級比值調節(jié)。

自動方式：在HMI客戶機（觸摸屏）上由人工給定煤氣、空氣流量設定值作為到煤氣和空氣調節(jié)回路的設定值，進行燃燒的比值調節(jié)。

手動方式：在HMI客戶機（觸摸屏）上由人工對空氣、煤氣流量調節(jié)器的輸出值手動控制。

5 升溫及保溫曲線

圖3為加熱爐驗收時，通過測溫熱電偶實測，由無紙記錄儀記錄的爐溫變化曲線。通過附圖我們可以看出加熱區(qū)一和加熱區(qū)二的溫度在升溫過程中溫度值基本完全重合。

在驗收的過程中，設置了兩個目標保溫溫度，800℃和950℃。溫度的設定通過PLC完成。在初始的加熱過程中，PLC調節(jié)天然氣流量控制調節(jié)閥處于全開狀態(tài)，進行快速升溫；在升溫至約70分鐘時，距設定溫度還有100℃的溫差，這時通過CPU計算，通過PLC輸出信號控制天然氣的流量調節(jié)閥，將天然氣供給量調小，對升溫速度進行控制，降低升溫速度；在99分鐘時，接近第一個目標溫度，此時天然氣大流量控制調節(jié)閥基本處于鎖定位置，通過小流量控制調節(jié)閥來進行緩慢加熱，防止溫度過沖，大量超過設定值；在110分鐘至442分鐘間，屬于保溫階段，通過小流量調節(jié)，使爐溫維持在800℃。

在442分鐘之后進行第二階段的升溫，在442-470分鐘間屬于快速升溫階段；470-491分鐘之間屬于緩慢升溫階段，通過對小流量的控制來實現(xiàn)；491分鐘之后屬于保溫階段。通過曲線可以看出，升溫過程中溫度的提升曲線平滑，保溫的過程中，溫度無急劇的變動，保溫過程穩(wěn)定，整個升溫和保溫過程處于可以控狀態(tài)。滿足鈦合金對加熱過程溫度控制的要求。

6 結語

通過該項目我們可以看出，利用天然氣作為燃料，通過PLC進行燃燒控制，可以實現(xiàn)對加熱爐的爐溫進行高精度的控制，將溫度精度控制在±2℃間，完全滿足鈦合金熱處理過程對溫控的要求。

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