徐錦華　陳清　羅華

摘要：在鋁箔退火生產(chǎn)過程中，常使用單體立式的退火爐，不但能耗高，而且各工藝段的溫度控制時滯性差，導(dǎo)致退火生產(chǎn)效率低。該文重點介紹設(shè)計了新型連續(xù)式退火爐系統(tǒng)的基本構(gòu)造、控制原理，簡述了實際應(yīng)用中涉及的全局直接補償與全局線性補償優(yōu)化控制策略，并總結(jié)了生產(chǎn)實踐中的優(yōu)缺點，對退火爐的后續(xù)改進具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：連續(xù)退火爐；溫度控制；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）05-0216-03

Abstract： In the process of aluminum foil annealing， the vertical annealing furnace is often used， which not only has high energy consumption， but also has poor temperature control delay， which leads to the low efficiency of annealing production. This paper focuses on the design of the basic structure， a new kind of continuous annealing furnace control system principle， the global application relates to the direct compensation and global linear compensation control strategy optimization， and summarizes the advantages and disadvantages of production practice， which provides guidance for the further improvement of annealing furnace.

Key words： continuous of annealing furnace； temperature control； control system

1 背景

退火爐是鋁箔生產(chǎn)的最后一個主要程序熱處理，它作為鋁箔生產(chǎn)的至關(guān)重要的步驟，可以優(yōu)化鋁箔的性能，在產(chǎn)品的質(zhì)量和效率方面有顯著的影響。退火爐在這重要的崗位上，對公司起著節(jié)能省錢的作用，所以退火爐的溫度如果把握好就有助于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提高以及減少耗能。退火爐的爐溫如果沒有把握好，很容易導(dǎo)致產(chǎn)品不合格，達不到要求[1]。

在鋁箔退火生產(chǎn)過程中，常用使用單體立式的退火爐，整個退火工藝完全在一個爐體內(nèi)完成。這樣的退火方式，不但能耗高，而且各工藝段的溫度控制時滯性差，導(dǎo)致退火生產(chǎn)效率低。本文設(shè)計的連續(xù)式退火爐系統(tǒng)是基于流水線生產(chǎn)的原理，依據(jù)鋁箔的退火工藝要求，由多個單體爐組成的，可連續(xù)實現(xiàn)鋁箔退火工藝從升溫、保溫、降溫等過程的自動溫控退火爐系統(tǒng)，能統(tǒng)籌控制單個退火工藝環(huán)節(jié)的鋁箔溫度，從而有效節(jié)省能耗，提高退火生產(chǎn)效率，溫度均勻性好。

2 退火爐結(jié)構(gòu)原理

2.1 常用單體退火爐結(jié)構(gòu)

立式退火爐一般由熱風(fēng)機、溫度控制器、爐體、溫度傳感器等構(gòu)成。如圖1所示，當(dāng)

物料在退火爐內(nèi)退火時，溫度控制器根據(jù)不

同的工藝段溫度設(shè)定值，自動控制調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度。

2.2 連續(xù)退火爐結(jié)構(gòu)

簡單地說，連續(xù)退火爐就是由多個單體爐拼湊而成的，可一次實現(xiàn)整個退火工藝的退火系統(tǒng)。如圖2所示，連續(xù)退火爐根據(jù)鋁箔退火工藝，分為進料口、升溫區(qū)、保溫區(qū)、降溫區(qū)、出料口等區(qū)，每個區(qū)根據(jù)退火工藝

需求由多個單爐體組成，各爐體之間由可升降隔離門分斷，保證爐體溫度控制的獨立性。由于整個退火工藝的連貫性、以及所有爐體的全局可控性，從而連續(xù)退火爐極大的提供了生產(chǎn)效率與熱能利用率。

3 退火爐控制原理

3.1 單體退火爐控制原理

退火爐作為典型的溫度控制系統(tǒng)，具有時滯特性。

如圖3所示，單爐體溫度控制系統(tǒng)由PID溫度控制器、熱風(fēng)機、溫度檢測反饋等組成。溫度設(shè)定由上位機PLC給定，溫度反饋由2路熱電偶提供，實現(xiàn)一用一備，通過調(diào)節(jié)爐體供熱的熱風(fēng)機出風(fēng)口溫度來實現(xiàn)爐體溫度的可控性。

3.2 連續(xù)退火爐控制原理

如圖4 所示，連續(xù)退火爐控制系統(tǒng)由整個工藝段單爐體的控制器單元組成，單爐體溫度控制原理類似，主PLC實現(xiàn)控制信息集中采集、分析、決策、存儲。由于溫度控制的時滯性問題存在、以及退火工藝過程已連貫性實現(xiàn)，從而要求主PLC控制系統(tǒng)具備溫度超前控制優(yōu)化策略設(shè)計。

4 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)置如圖5所示，在工控機上運行羅克韋爾的RSVIEW32監(jiān)控軟件，通過以太網(wǎng)與連續(xù)退火爐控制器通訊；溫度控制單元由歐姆龍的可編程控制器、歐姆龍溫控智能儀表、以及數(shù)字量、模擬量輸入輸出模塊組成。歐姆龍PLC與溫控智能儀表之間通過485通訊連接，實現(xiàn)溫度控制參數(shù)的讀寫操作。電加熱系統(tǒng)通過上位機設(shè)定溫度值后，每個加溫區(qū)配置2只熱電偶，一用一備的設(shè)計反饋給控制器，由溫控智能儀表驅(qū)動臺灣的樺特調(diào)功器輸出驅(qū)動各區(qū)加熱風(fēng)機，根據(jù)熱電偶反饋值進行溫度自動調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)還配置了調(diào)節(jié)負壓、溫度、排污等管路調(diào)節(jié)閥，由控制器輸出模擬量信號來進行動作，可實現(xiàn)自動、手動靈活操作。

5 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 單爐體單元的溫度控制

如圖3所示，單體爐的溫控控制單元是以循環(huán)熱空氣為控制對象，通過PID調(diào)節(jié)器控制熱風(fēng)機加熱絲來調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度，從而實現(xiàn)爐體內(nèi)溫度的穩(wěn)定、可控。但退火爐的爐溫設(shè)定值要隨著物料規(guī)格、工藝參數(shù)的改變而進行調(diào)整，進而影響到爐溫穩(wěn)定性。

主控制PLC通過將爐體溫度的實際值為參考進行簡單計算，限制熱風(fēng)溫度設(shè)定值的上下波動幅度控制在合理值以內(nèi)，以有效保證無論在過渡情況下還是在穩(wěn)態(tài)情況下，爐體溫度都能保持一個較好的穩(wěn)定性。

PID控制器[2]對溫度系統(tǒng)進行控制，通常不需要微分作用。如果加入微分作用，微小的爐溫控制器輸出變化都會引起可控硅開度的大幅度變化，進而影響到控制的效果。熱電偶溫度檢測處于爐體中，主要用于對物料爐體內(nèi)的溫度進行檢測，然后在主控制器中經(jīng)過濾波處理后，參與控制策略運行，最后修改PID控制器的設(shè)定值。

5.2 爐體的全局補償策略[3]

本文根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，重點介紹兩種料溫統(tǒng)籌控制補償策略，結(jié)合不同爐溫工藝條件下的料溫經(jīng)驗值，通過對各爐段溫控控制器的設(shè)定值補償來實現(xiàn)退火物料料溫的精確控制。

5.2.1 直接補償法

主PLC控制器基于工藝經(jīng)驗值對各爐體溫度控制器設(shè)定值進行修正，通過改變單爐體爐溫控制溫度來達到控制物料料溫的目的，如圖6所示。

圖6以升溫段前4區(qū)為列，SP為主控PLC在退火工藝段的基準(zhǔn)溫度設(shè)定值，由人為或自動程序設(shè)置；MV0為人工經(jīng)驗獲取的不同爐溫工藝條件下物料與爐溫的保溫時間的變化關(guān)系后，經(jīng)主控制器全局統(tǒng)籌原則修正作用于溫控器控制的補償輸出。

這種補償策略將人工經(jīng)驗獲取的料溫變化所需的能量變化平均分布到各個爐區(qū)，因而各爐區(qū)的溫控波動相對比較小，有利于爐體溫度穩(wěn)定。但是人工經(jīng)驗畢竟存在缺陷，在不同物料的溫度退火時，這種經(jīng)驗式的各區(qū)均衡補償可能會成為一種擾動，從而影響單爐體的溫度穩(wěn)定性。各區(qū)的爐溫波動之間相互影響，從而大大增加爐溫穩(wěn)定調(diào)整時間，影響物料的退火質(zhì)量。

5.2.2 線性補償法

為了克服直接補償法對整個爐區(qū)爐溫影響大、爐溫調(diào)整滯后的缺點，參考人工智能策略，根據(jù)爐區(qū)對物料影響的大小，將主控制器對溫控儀表的設(shè)定值的補償分段作用于各個爐區(qū)。

同樣以升溫段前4區(qū)為列，當(dāng)爐內(nèi)能量交換達到平衡后，物料溫度本身波動就比較小。當(dāng)各爐體溫度控制器輸出調(diào)節(jié)值很小時，只需對第4區(qū)的爐體溫度控制器進行修正即可達到對物料溫度的修正；當(dāng)爐內(nèi)負荷波動變化較大時，比如新物料加入時，能量交換需求巨大，故此時需對第1、2、3、4區(qū)爐體溫度控制器均進行差異修正，通過這種方式可以減小對爐區(qū)溫度的影響，大大縮減爐溫調(diào)整的時間，提供生產(chǎn)效率。

如圖7所示，主控制器修正的時間t，修正量MV1、MV2、MV3、MV4等均由上位機控制系統(tǒng)中，根據(jù)以往人工生產(chǎn)經(jīng)驗建立的人工智能專家?guī)鞌?shù)據(jù)提供，并可隨時調(diào)整優(yōu)化后，供主控制器讀取，實現(xiàn)溫度控制的人工智能超前控制優(yōu)化。

由于這種優(yōu)化策略也是基于人工經(jīng)驗建立的專家?guī)煜到y(tǒng)，故在調(diào)試過程中只能得出一些特定物料的退火控制工藝參數(shù)修正值，需人工在后續(xù)生產(chǎn)過程中，根據(jù)經(jīng)驗對新產(chǎn)品優(yōu)化策略參數(shù)不斷完善、補充。

6 連續(xù)退火爐的使用優(yōu)缺點

通過實際生產(chǎn)實踐，連續(xù)退火爐系統(tǒng)具有以下特點：

1）通過流水線生產(chǎn)方式的退火工藝，可以極大的提供生產(chǎn)效率，降低能耗；

2）由于極大的細化各工藝環(huán)節(jié)的時間、溫度控制，能很好地改進溫度控制的均勻性、可控性，降低鋁箔退火的廢品率；

3） 通過加入全局優(yōu)化補償控制策略后，相比簡單的PID溫度控制方式，能較好的優(yōu)化溫度滯后的缺陷，減少人工干預(yù)的次數(shù)，提供設(shè)備自動化水平；

4） 由于爐體只有一進一出的物料口，當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常情況時，不能及時將中間爐體中的物料轉(zhuǎn)運出來，存在增大了一次廢品量的概率。

7 結(jié)束語

本文主要簡單介紹鋁箔連續(xù)退火爐的結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)原理，簡述了基于人工智能專家?guī)煜到y(tǒng)的退火優(yōu)化補償策略思想，并對實際生產(chǎn)使用過程中優(yōu)缺點進行了總結(jié)。由于此設(shè)計是源于生產(chǎn)實踐，設(shè)計實施于生產(chǎn)實踐，因此具有較高的改進指導(dǎo)意義。

參考文獻：

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[2] 馮海濤， 李界家. 工業(yè)退火爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 科技廣場， 2010（5）.

[3] 楊亮明. 連續(xù)退火爐板溫控制策略討論[J]. 工業(yè)控制與應(yīng)用， 2014， 33（9）.