張 鵬，吉玖男，范志山，楊亞斐，黃麗芳

(西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

加熱爐是熱處理車間的必備設(shè)備，承擔(dān)著物料熱加工的各個環(huán)節(jié)，而過程控制器便是熱處理爐的核心控制元件，對熱處理爐的溫度均勻性控制起著不可或缺的作用。根據(jù)2750《宇航材料技術(shù)規(guī)范高溫測定法》，熱處理設(shè)備被分為6級，溫度均勻性要求分別為±3 ℃(1級爐)、±6 ℃(2級爐)、±8 ℃(3級爐)、±10 ℃(4級爐)、±14 ℃(5級爐)、±28 ℃(6級爐)[1]。為了使得熱處理效果更好，對熱處理設(shè)備的溫均性要求也就越來越高，因此對于測試的要求也越來越嚴(yán)格。由于經(jīng)典參數(shù)調(diào)節(jié)方法過程復(fù)雜，實際生產(chǎn)應(yīng)用較難，因此，能有效應(yīng)用于現(xiàn)場測試需要的調(diào)節(jié)方法就越加重要。

1 爐溫均勻性測試儀表配置

1.1 爐溫均勻性測試儀表配置

根據(jù)2750《宇航材料技術(shù)規(guī)范高溫測定法》與HB5425《航空制件熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》，測定布置示意圖及實際圖分別見圖1、圖2，熱處理爐工藝儀表按照其傳感器和相關(guān)儀表的配置形式分為A、B、C、D、E五種類型，每種類型的所對應(yīng)的溫度傳感器及相應(yīng)儀表配置要求見表1[1-2]。

圖1 五點布置示意圖

圖2 五點布置實際圖

1.2 爐溫均勻性測量系統(tǒng)的組成與判定標(biāo)準(zhǔn)

熱處理爐有效加熱區(qū)測定的測溫系統(tǒng)通常由溫度傳感器、補償導(dǎo)線、測量儀表及測溫架組成。有效加熱區(qū)測定多采用體積法測試，傳感器的數(shù)量應(yīng)按照表2的要求[2]。

檢測時，數(shù)據(jù)采集與記錄應(yīng)在爐內(nèi)第一只傳感器溫度到達每一個測試溫度點要求的溫度均勻性允許的偏差范圍下限之前開始，測定過程中的任何時間內(nèi)，任何測量、控制或記錄傳感器的讀數(shù)均不應(yīng)超過爐子類別及測試溫度點要求的溫度均勻性允差的范圍上限，當(dāng)所有測量傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定后應(yīng)在連續(xù)至少30 min記錄所有測量傳感器的溫度數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)都應(yīng)保持在測量溫度點所要求的溫度均勻性允許的偏差范圍內(nèi)。一個規(guī)定的測試溫度點的有效加熱區(qū)測定要求在2 h內(nèi)完成，應(yīng)在盡量短的時間內(nèi)完成測定。

表1 儀表類型及對應(yīng)的溫度傳感器和配置要求

注：“●”表示要求配置：“×”表示不要求配置。

a 可以使用插在同一保護管內(nèi)的雙芯熱電偶結(jié)構(gòu)的溫度傳感器，一支用于控溫，一支用于記錄。

b最低和最高溫度記錄傳感器的初始安放位置根據(jù)有效加熱區(qū)初始測定結(jié)果決定，并在隨后的周期測定中可能會根據(jù)最近一次的測定結(jié)果而重新定位。

c如果載荷溫度傳感器用作溫度控制傳感器，則載荷溫度記錄儀應(yīng)為溫度顯示及控制儀或具有溫度顯示及控制功能。

d生產(chǎn)記錄檔案必須注明該溫控區(qū)是完全空置的。

e當(dāng)利用最高溫度記錄傳感器作保護傳感器時，與其連接的記錄儀表應(yīng)具有相應(yīng)的超溫保護功能。

表2 體積法測量傳感器數(shù)量 支(不少于)

注：傳感器數(shù)量適用于周期爐和采用體積法的連續(xù)爐。當(dāng)使用單支測量傳感器對鹽浴爐、溫度控制液體槽和流態(tài)床爐進行溫度均勻性測量時，該數(shù)量即標(biāo)識測量傳感器需要移動的位置數(shù)。

a當(dāng)有效加熱區(qū)體積大于113 m3時，根據(jù)爐子類別按下列要求計算測量傳感器數(shù)量，當(dāng)有效加熱區(qū)體積不大于113 m3范圍時，測量傳感器數(shù)量可按下列要求或根據(jù)本表采用內(nèi)插法計算。

Ⅰ、Ⅱ類爐：9+1/2×[35.3×(有效加熱區(qū)體積-6.4)]1/2

Ⅲ～Ⅵ類爐：9+1/4×[35.3×(有效加熱區(qū)體積-6.4)]1/2

2 參數(shù)調(diào)節(jié)方法

本文的參數(shù)調(diào)節(jié)是基于歐陸3504過程控制器。

2.1 經(jīng)典調(diào)節(jié)方法(臨界比例帶法)

核心思想為:P=定值，I=0，D=0，調(diào)節(jié)P值使過程曲線得到等幅震蕩曲線。

如果系統(tǒng)震蕩，增加比例帶直至剛剛穩(wěn)定；如果系統(tǒng)穩(wěn)定，減小比例帶直至剛剛震蕩[3]。注意：不用關(guān)心過程值是否達到設(shè)定值。

通過實驗調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)，臨界比例帶法在加熱爐控制系統(tǒng)中只能得到相對等幅震蕩曲線。

如圖3所示：從750 ℃升至900 ℃，波谷1點坐標(biāo)(18:59，892.9)，波峰2點坐標(biāo)(19:06，895.4)，3點坐標(biāo)(19:02，894.1)。其中：橫坐標(biāo)代表時間，縱坐標(biāo)代表溫度。

圖3 臨界比例帶法實際震蕩曲線

溫度：3點—1點=1.2 ℃，2點—3點=1.3 ℃，振幅基本一致。

時間：3點—1點=180 s，2點—3點=240 s，存在較大差值(相對等幅震蕩)。

分析始終不能得到等幅震蕩原因：

臨界比例帶法適用于系統(tǒng)能量散失較少的對象(如等水位調(diào)節(jié)等)，而加熱爐的控制對象為溫度，系統(tǒng)散熱量較大(保溫過程輸出功率在20%～30%)，熱量散失無法忽略。

2.2 改進型調(diào)節(jié)方法(初始參數(shù)賦值法與自整定后PI調(diào)節(jié)法)

加熱爐控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵控制參數(shù)主要包含：比例、積分、微分、高過沖抑制參數(shù)，低過沖抑制參數(shù)。

圖4 溫度抑制作用點變化曲線

1)初始參數(shù)賦值法

初始參數(shù)賦值法，即給予過程控制器一個基礎(chǔ)控制參數(shù)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)情況，根據(jù)沖溫、升溫速率，再對PI參數(shù)進行調(diào)整，將系統(tǒng)調(diào)至小幅沖溫甚至不沖溫情況時，引入微分參數(shù)，微分參數(shù)自小向大調(diào)節(jié)(微分參數(shù)可以設(shè)為零，逐步增加)。

通過大量的測試數(shù)據(jù)，控制參數(shù)賦值基礎(chǔ)選為：P=13，I=680，D=0，高低過沖抑制參數(shù)均設(shè)為AUTO，能夠較快調(diào)節(jié)成功。

2)自整定后PI調(diào)節(jié)法

自整定后PI調(diào)節(jié)法，即利用過程控制器自整定功能，得到一組控制參數(shù)，再令微分參數(shù)為零，以此控制參數(shù)為基礎(chǔ)，測試過程中根據(jù)實驗現(xiàn)象對PI參數(shù)進行調(diào)節(jié)，得到小幅沖溫或者不沖溫數(shù)據(jù)，之后再引入微分參數(shù)。

改進型參數(shù)調(diào)節(jié)的方法的高效調(diào)試，需要結(jié)合參數(shù)調(diào)節(jié)理論。

(1)比例參數(shù)，在控制系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用，對系統(tǒng)的震幅作用顯著。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大幅沖溫時，增加比例參數(shù)P，將系統(tǒng)調(diào)節(jié)至小幅沖溫甚至不沖溫后，P基本不再發(fā)生變化，后續(xù)調(diào)節(jié)用微分積分進行。(爐內(nèi)沖溫在2 ℃以內(nèi)可利用微分調(diào)節(jié))

3504過程控制器的最大優(yōu)勢，能夠進行定量抑制，溫度抑制作用點=SV-3P(SV為設(shè)定溫度，P為比例參數(shù))，可根據(jù)沖溫幅值，調(diào)節(jié)比例參數(shù)。增加了比例參數(shù)后，溫度抑制作用點將降低。即：SV與SV-3P的反應(yīng)區(qū)間將增大，提供給系統(tǒng)更大的溫度反應(yīng)，可明顯消除大幅沖溫現(xiàn)象，如圖4所示。

例如：工作區(qū)為尺寸為300 mm×400 mm×250 mm的熱處理爐，溫均性為±5 ℃，從300 ℃升至450 ℃。

(a)P=13，I=680，D=0，高低過沖抑制參數(shù)設(shè)為AUTO，11:42時，爐內(nèi)溫度沖溫達峰值12.8 ℃，此時控溫表溫度并未達到設(shè)定溫度，仍然升溫，但升溫功率降低，爐內(nèi)溫度開始回落，實驗數(shù)據(jù)見表3。

(b)將P增至17，其余參數(shù)不變(相對于a階段，過程抑制提前12 ℃介入)。20:38時，爐內(nèi)最高點達到峰值452.4 ℃，并未達到上限455 ℃，測試合格。實驗數(shù)據(jù)見表4。

表3 實驗數(shù)據(jù)(P=13,I=680,D=0)

時間控溫表溫度/℃爐內(nèi)傳感器溫度最大值/℃11:34381.3435.711:36396.5441.211:38405.6450.611:40411.1458.511:42425.2462.811:44430.0462.411:46434.7462.311:48437.1462.211:50439.2462.211:52440.0462.111:54440.3462.011:56440.7461.811:58441.1461.1

表4 實驗數(shù)據(jù)(P=17,I=680,D=0)

時間控溫表溫度/℃爐內(nèi)傳感器溫度最大值/℃20:24429.8440.920:26438.5446.120:28439.9451.320:30441.7450.820:32443.5450.120:34445.6451.820:36446.2452.120:38447.0452.420:40447.8451.320:42448.0450.120:44448.2450.720:46448.9451.520:48449.6451.9

(2)積分參數(shù)，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，與系統(tǒng)的響應(yīng)速率有關(guān)。

積分參數(shù)增加，穩(wěn)態(tài)誤差將減小，但是系統(tǒng)的響應(yīng)速率將變慢，增長了升溫時間。另外，增加積分參數(shù)，也可以減小沖溫現(xiàn)象(見圖5、圖6)。

圖5 實驗曲線(P=14.5,I=455,D=50)

圖6 實驗曲線(P=14.5,I=505,D=50)

例如：設(shè)定值為900 ℃，19:50在到達上限溫度905℃時，升溫速率開始降低，19:55，爐內(nèi)傳感器溫度最大值為907.3 ℃，沖溫7.3 ℃，之后溫度回落，但是溫度回落速率較慢。如圖5所示。

設(shè)定值為700 ℃，16:03在到達上限溫度755 ℃時，16:05爐內(nèi)沖溫達到極值756.5 ℃，沖溫6.5 ℃。如圖6所示。

對比積分參數(shù)增加前后，沖溫幅值減小了0.8 ℃，并且自到達沖溫上限后，溫度回落速率變快，控制效果更佳。

(3)微分參數(shù)，它對系統(tǒng)的影響情況并沒有比例與積分參數(shù)的影響那么大，增加微分參數(shù)可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速率，但是同時又增加系統(tǒng)沖溫的可能性。

結(jié)合經(jīng)典控制理論與實際試驗結(jié)果，微分參數(shù)的調(diào)節(jié)原則為：自小向大調(diào)節(jié)，其典型值可取積分參數(shù)的1/4 至1/3。

實際測試時，可將微分參數(shù)直接置0，再逐漸小幅增加；也可在比例與積分參數(shù)基本確定后，賦值(1/4～1/3)×I。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，在加熱爐系統(tǒng)中，PID參數(shù)對系統(tǒng)的影響并不是等量的，比例參數(shù)影響最大，其次為積分，微分影響最弱。

比較兩種調(diào)節(jié)方法，初始參數(shù)賦值法更適用于周期性測試，原因在于賦值參數(shù)可在上一周期的基礎(chǔ)上進行PID調(diào)節(jié)，節(jié)省了自整定過程。自整定后PI調(diào)節(jié)法更適用于新增設(shè)備調(diào)試，原因在于新增設(shè)備無前期調(diào)節(jié)參數(shù)參考，只能通過自整定后得到基礎(chǔ)控制參數(shù)，在此基礎(chǔ)上再進行PID調(diào)節(jié)。

3 結(jié) 語

本文針對經(jīng)典參數(shù)調(diào)節(jié)方法在實際生產(chǎn)實現(xiàn)復(fù)雜的技術(shù)難點，以經(jīng)典參數(shù)調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)場測試實際，提出了改進型參數(shù)調(diào)節(jié)方法并進行現(xiàn)場生產(chǎn)實驗驗證，且效果良好，同時又給出了兩種方法的測試優(yōu)缺點。通過改進型參數(shù)調(diào)節(jié)方法，將爐溫均勻性檢測的參數(shù)調(diào)節(jié)方法進行了系統(tǒng)化與便捷化，為檢測人員提供了高效的參數(shù)調(diào)節(jié)指導(dǎo)。