張宏軍，李釗安，楊兆林

（西安西部新鋯科技股份有限公司，陜西西安 710200）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域加熱控制的核心是溫度控制，溫度控制應(yīng)用很廣泛，各類熱處理設(shè)備、清洗設(shè)備、輔助加熱設(shè)備等的加熱系統(tǒng)都涉及溫度控制。板材脫脂設(shè)備是一種清洗設(shè)備，主要用于鋯合金板材的表面清洗。鋯合金板材主要用于核電、核軍工，對(duì)產(chǎn)品的清潔度要求極高，通過(guò)脫脂去除板材在加工過(guò)程中粘附在板材表面的潤(rùn)滑、冷卻介質(zhì)或油污，為后續(xù)真空退火工序做準(zhǔn)備。工藝流程為60 ℃±5 ℃的脫脂液（配備一定比例脫脂劑的水）中對(duì)板材進(jìn)行不少于30 min 的脫脂，然后進(jìn)入65℃±5 ℃的水中進(jìn)行2～5 min 的漂洗，最后進(jìn)入90℃±5 ℃的水進(jìn)行2～5 min的燙干。脫脂、熱漂洗、燙干3 個(gè)工序都涉及溫度控制。為此，基于歐姆龍E5CC 型溫控器設(shè)計(jì)板材脫脂設(shè)備加熱控制系統(tǒng)。

1 歐姆龍溫控器工作原理

通過(guò)溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度自動(dòng)進(jìn)行采樣、即時(shí)監(jiān)控，當(dāng)環(huán)境溫度高于控制設(shè)定值時(shí)控制電路啟動(dòng)，溫控器的控制輸出斷開。為了減緩溫度的衰減，保持設(shè)定溫度波動(dòng)可控，這時(shí)通過(guò)電路控制，可以適當(dāng)降低加熱器的投放功率，進(jìn)行保溫控制。如果到達(dá)設(shè)定溫度后，溫度還在上升，當(dāng)升到設(shè)定的超限報(bào)警溫度點(diǎn)時(shí)，溫控器輸出報(bào)警，同時(shí)控制電路將會(huì)切斷加熱設(shè)備，停止加熱。歐姆龍E5CC-RX2ASM-800 型溫控器控制原理如圖1 所示。

圖1 歐姆龍E5CC 型溫控器工作原理

溫控器通過(guò)操作面板可以設(shè)定加熱溫度和超溫溫度。若加熱溫度設(shè)定80 ℃，超溫溫度可以設(shè)定至90 ℃。1、2 端子是溫控器控制輸出端子，當(dāng)檢測(cè)溫度未到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，1、2 端子閉合；當(dāng)檢測(cè)溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，1、2 端子打開。4、5、6 端子連接溫度傳感器；7、8，9、10端子為兩組輔助輸出端子，當(dāng)檢測(cè)溫度大于超溫溫度時(shí)，這兩個(gè)端子將閉合。通過(guò)該兩組端子與外圍控制器搭建控制回路，可以對(duì)加熱系統(tǒng)進(jìn)行控制。

溫控器控制方式一般有兩種，一種為上下限控制方式：即對(duì)溫控器設(shè)定兩個(gè)溫度點(diǎn)，當(dāng)溫度高于某一溫度時(shí)停止給加熱絲供電；當(dāng)溫度低于某一設(shè)定溫度時(shí)啟動(dòng)加熱絲供電加熱。這種方式的溫度可控制在0.2 ℃波動(dòng)。另外還有一種PID 調(diào)節(jié)方式：即對(duì)溫控器設(shè)定一個(gè)恒溫點(diǎn)，溫控器會(huì)根據(jù)檢測(cè)溫度與設(shè)定恒溫值差的大小，以及兩者溫差的變化速度通過(guò)PID 算法，自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱絲的加熱功率，使加熱環(huán)境溫度恒定為設(shè)定溫度。這種方式可控制溫度在0.1 ℃波動(dòng)。

2 加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

板材脫脂設(shè)備主要用于鋯合金板材表面的清洗。脫脂、熱漂洗、燙干的溫度要求不同，但是加熱方式、溫度控制的原理、方法相同。因此，分析研究燙干的工藝要求及板材脫脂設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)加熱控制系統(tǒng)。該加熱控制系統(tǒng)也可用于脫脂、熱漂洗槽體的加熱。通過(guò)循環(huán)加熱的方式對(duì)燙干槽體的水進(jìn)行加熱，由循環(huán)泵將槽體的液體抽出，通過(guò)加熱水箱再回流到燙干槽。加熱水箱中設(shè)計(jì)安裝加熱管，每個(gè)加熱管中安裝2 支測(cè)溫鉑電阻，一支用于控制加熱溫度、一支用于監(jiān)控超溫溫度。設(shè)計(jì)兩個(gè)溫控器的目的是，一個(gè)用于溫度設(shè)定、一個(gè)用于溫度監(jiān)控，溫控器將采集的信號(hào)反饋到PLC，通過(guò)PLC 模擬量輸出（4～20 mA）控制調(diào)壓器的輸出電壓，最終達(dá)到控制加熱功率的目的。

2.1 循環(huán)加熱泵控制設(shè)計(jì)

循環(huán)泵主電路常規(guī)設(shè)計(jì)，通過(guò)三相空氣斷路器將電源接入接觸器，接觸器連接熱繼電器帶有熱保護(hù)功能，通過(guò)接觸器的通斷對(duì)循環(huán)泵電機(jī)進(jìn)行控制。

2.2 加熱功率設(shè)計(jì)

燙干槽槽體尺寸7000 mm×640 mm×1500 mm（L×W×H）；設(shè)計(jì)要求在滿槽滿功率的條件下，水溫由室溫（25 ℃）加熱至90 ℃：

其中：Q 為發(fā)熱量（kW）；C 為水的比熱容（4.2 kJ/kg·℃）；ρ 為水的密度（kg/m3）；V 為水容量L（m3）；ΔT 為水在1 min 內(nèi)的最大溫升。

代入計(jì)算：

取總功率120 kW，設(shè)計(jì)單根加熱管12 kW，共安裝10 支即可滿足要求。加熱水箱安裝結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 加熱水箱安裝結(jié)構(gòu)

2.3 加熱電路設(shè)計(jì)

通過(guò)加熱管設(shè)定溫控器（ct1）設(shè)定加熱溫度（t1），超溫溫度（t2）；通過(guò)加熱管監(jiān)控溫控器（ct2）設(shè)定超溫監(jiān)控溫度（t3）；一般t3＞t2＞t1，根據(jù)使用要求，設(shè)定t1、t2、t3溫度。當(dāng)未達(dá)到設(shè)定溫度t1時(shí)，加熱功率100%投入；當(dāng)?shù)竭_(dá)超溫溫度t2時(shí)，加熱功率50%投入；當(dāng)達(dá)到超溫溫度t3時(shí)，停止加熱，加熱功率為0?？刂圃砣鐖D3 所示。

圖3 加熱電路控制原理

循環(huán)水箱10 支加熱管分5 組，2 支為1 組，由5 個(gè)LSATH3P 120Y 型調(diào)壓器通過(guò)控制輸出電壓對(duì)加熱管加熱功率進(jìn)行控制，每支加熱管安裝2 支PT100的鉑電阻，一支用于設(shè)定溫度測(cè)量、一支用于監(jiān)控超溫溫度測(cè)量。

PT100 鉑電阻接入歐姆龍溫控器，電氣原理如圖4 所示。其中I8.0 是設(shè)定溫度到達(dá)反饋信號(hào)、I8.1 是超溫溫度到達(dá)反饋信號(hào)、I12.4 是超溫監(jiān)控反饋信號(hào)，接入PLC 數(shù)字量輸入模塊。調(diào)壓器電路原理如圖5 所示，其中R1、S1、T1 為輸入主電源，L11、N1 為工作電源、E1、E2 為加熱管、TY1+、TY1-為模擬量輸出4～20 mA。每支加熱管的控制方法相同，以E1（1#）加熱管為例，總結(jié)歸納控制實(shí)施過(guò)程。

圖4 溫控器電氣原理

圖5 調(diào)壓器電氣原理

2.4 控制程序設(shè)計(jì)

2.4.1 程序設(shè)計(jì)

在觸摸屏上設(shè)計(jì)手動(dòng)加熱按鈕，同時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定畫面，修改PLC 的內(nèi)部寄存器VD200（1 組快速加熱）、VD204（1 組慢速加熱）參數(shù)，實(shí)現(xiàn)加熱功率的改變。手動(dòng)加熱界面如圖6 所示，參數(shù)設(shè)定界面如圖7 所示。

圖6 燙干槽手動(dòng)控制界面

圖7 參數(shù)設(shè)定界面

參數(shù)設(shè)計(jì)有保護(hù)程序，VD200 最大設(shè)定100，VD204 最大設(shè)定70，超過(guò)設(shè)定保護(hù)值時(shí)，參數(shù)無(wú)效。參數(shù)保護(hù)程序如圖8 所示，PLC 輸入、輸出分配表見(jiàn)表1。

表1 PLC 輸入、輸出分配表

圖8 參數(shù)保護(hù)梯形圖

加熱分3 種方式，一種手動(dòng)方式，通過(guò)觸摸屏手動(dòng)加熱按鈕進(jìn)行加熱，加熱按鈕地址M0.0；第二種是自動(dòng)加熱方式；第三種為定時(shí)加熱，到達(dá)定時(shí)器設(shè)定時(shí)間后，開始加熱。加熱準(zhǔn)備控制程序如圖9 所示。

圖9 加熱準(zhǔn)備控制梯形圖

參數(shù)VD200、VD204 通過(guò)條件判斷送給寄存器VD100，通過(guò)VD100 將參數(shù)送給模擬量輸出模塊6ES7 288-3AQ04，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出4～20 mA 電流信號(hào)，觸發(fā)調(diào)壓器輸出動(dòng)態(tài)電壓，控制加熱管的輸出功率。控制邏輯為在外圍條件滿足的情況下，如果檢測(cè)溫度沒(méi)有達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，溫控器控制輸出I8.0 閉合，VD200 寄存器數(shù)據(jù)傳送給VD100，通過(guò)模擬量輸出模塊數(shù)模轉(zhuǎn)換，將20 mA 電流送給調(diào)壓器模擬量控制端子，輸出端電壓100%輸出，加熱管滿功率工作；當(dāng)檢測(cè)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，I8.0 斷開，調(diào)壓器模擬量輸入12 mA 電流信號(hào)，觸發(fā)調(diào)壓器輸出端電壓50%輸出，加熱功率投放25%，處于保溫狀態(tài)，使槽體的水溫保持在設(shè)定溫度。加熱控制程序如圖10 所示。模擬量輸出模塊控制程序如圖11 所示。

圖10 加熱控制梯形圖

圖11 模擬量控制梯形圖

經(jīng)驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)完全滿足燙干工藝溫度使用要求。目前該溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到板材脫脂設(shè)備的脫脂、熱漂洗的溫度控制，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，滿足工藝溫度使用要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于歐姆龍E5CC型溫控器設(shè)計(jì)的加熱控制系統(tǒng)應(yīng)用于板材脫脂設(shè)備，溫度控制完全滿足板材脫脂工藝要求，設(shè)備自投入使用以來(lái)，加熱系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。對(duì)于板材脫脂設(shè)備，冬季時(shí)，保溫階段投入30%的功率即可滿足溫度控制要求；夏季時(shí)，保溫階段投入25%的功率即可滿足工藝要求。通過(guò)設(shè)計(jì)可以總結(jié)溫度控制系統(tǒng)一般由被控對(duì)象、測(cè)量裝置、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成。被控對(duì)象是一個(gè)裝置或過(guò)程，它的溫度是被控制量。測(cè)量裝置對(duì)被控溫度進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值與給定值比較，若存在偏差便由調(diào)節(jié)器對(duì)偏差信號(hào)處理，在輸送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)增加或減少供給被控對(duì)象熱量，使被控溫度調(diào)節(jié)到設(shè)定值。在被控對(duì)象確定的情況下，布置的測(cè)量裝置精度越高、數(shù)量越多、加熱分區(qū)越多，則被控對(duì)象的溫度控制精度相對(duì)更高。