應(yīng)用S7-300 PLC進(jìn)行罩式爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

（4）PIE自動(dòng)控制系統(tǒng)。由顯示器、工控機(jī)、打印機(jī)及PIE系統(tǒng)組成，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工藝曲線設(shè)置輸入，并按工藝曲線自動(dòng)控溫完成脈沖燃燒的加熱、冷卻控制；通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)記錄及工藝報(bào)表曲線等原始數(shù)據(jù)的處理及打印，并對(duì)設(shè)備的斷水保護(hù)及爐臺(tái)風(fēng)機(jī)高低速的切換實(shí)行自動(dòng)控制；同時(shí)，由PLC系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行安全連鎖檢查，確認(rèn)設(shè)備啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程的安全條件，并自動(dòng)進(jìn)行安全自鎖并切斷。

（5）風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。由電控元件、變頻器及壓力開(kāi)關(guān)組成，完成風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、壓力確認(rèn)及保證低負(fù)荷工況風(fēng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

針對(duì)各系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的控制功能以及硬件上的系統(tǒng)配置，設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的控制流程如圖2所示。圖2主要是根據(jù)2 加熱罩繪制的。

3 PID限幅溫度控制

罩式爐熱處理過(guò)程中，溫度的控制關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。溫度過(guò)低，達(dá)不到退火的預(yù)期目的；溫度過(guò)高將導(dǎo)致過(guò)熱，甚至過(guò)燒。本爐溫度控制系統(tǒng)采用西門(mén)子公司Step7 V5.2設(shè)計(jì)完成，應(yīng)用經(jīng)典PID控制算法，考慮到加熱保溫段易產(chǎn)生超調(diào)，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)PID輸出分3級(jí)限幅：過(guò)程值超過(guò)設(shè)定值8℃時(shí)，輸出最高限幅設(shè)為20%;過(guò)程值超過(guò)設(shè)定值4℃時(shí)，輸出最高限幅設(shè)為50%;過(guò)程值低于設(shè)定值5℃時(shí)，輸出最高限幅設(shè)為80%，最小限幅均設(shè)為20%。如果要進(jìn)一步提高控制精度，可進(jìn)一步細(xì)化分級(jí)，具體限幅形式及限幅值的設(shè)定，在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)定和實(shí)時(shí)修改。同時(shí)在上位機(jī)監(jiān)視界面，可進(jìn)行系統(tǒng)的手自動(dòng)模式切換、PID參數(shù)整定等。PID程序的輸出是送到脈沖控制器用以分頻的最終值，本爐采用脈沖控制方式控制各燒嘴的工作狀態(tài)。

4 脈沖燃燒控制

4.1 原理分析

在工業(yè)爐窯的燃燒控制系統(tǒng)中，對(duì)燒嘴的控制一般有兩種方式，即連續(xù)控制及脈沖控制。在連續(xù)燃燒控制方式下，燒嘴的供熱量連續(xù)可調(diào)，各燒嘴處于相同的燃燒狀態(tài)，即大火或小火，爐內(nèi)熱氣流直接上行。采用該控制方式，被加熱件表面容易受熱不均，加熱效率也不高。在脈沖燃燒控制方式下，相對(duì)的一對(duì)燒嘴的工作狀態(tài)正好相反，一臺(tái)燒嘴為大火時(shí)，另一臺(tái)為小火，可使熱氣流環(huán)形上行，在爐內(nèi)形成均勻的熱力場(chǎng)，這樣工件受熱均勻，加熱效率也大為提高。

本爐燃燒控制系統(tǒng)采用脈沖控制方式，從本質(zhì)上講，脈沖燃燒控制是通過(guò)改變燒嘴的啟、停時(shí)間及各個(gè)燒嘴的工作時(shí)序完成的。本爐每個(gè)爐罩設(shè)有9個(gè)燒嘴，各燒嘴只工作在開(kāi)/關(guān)兩種狀態(tài)下，系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，先根據(jù)對(duì)燒嘴的功率、混合比、噴出速度等要求將燒嘴一次性調(diào)至最佳狀態(tài)，這樣燒嘴每次啟動(dòng)，都處于最佳工作狀態(tài)，這對(duì)于提高燃燒效率，降低排放物污染水平都具有明顯效果。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，9個(gè)燒嘴根據(jù)程序輸出控制信號(hào)分時(shí)啟動(dòng)，每個(gè)燒嘴的工作時(shí)間是一定的，當(dāng)供熱量為100%時(shí)，每個(gè)燒嘴都處于連續(xù)工作狀態(tài)，當(dāng)供熱量降低為50% 、25% 、12.5% 時(shí)，各個(gè)燒嘴的停止時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。圖3為1個(gè)爐罩上9個(gè)燒嘴的工作時(shí)序圖，限于空間只給出控制值為100%和5o%時(shí)9個(gè)燒嘴的啟動(dòng)時(shí)序。通過(guò)此方法可線性地調(diào)節(jié)燒嘴的供熱量，從而調(diào)節(jié)爐子溫度。

脈沖燃燒系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：由于每個(gè)燒嘴啟動(dòng)時(shí)都處于其最佳工作狀態(tài)，因而熱效率、能耗、排放物的指標(biāo)都可大幅度提高；通過(guò)高速燒嘴產(chǎn)生的熱氣流，并使多個(gè)燒嘴配合工作，可在爐內(nèi)產(chǎn)生分布比較均勻的溫度場(chǎng)，提高被處理工件的加熱質(zhì)量與溫度均勻性；最后，如果選擇或設(shè)計(jì)分辨率較高的控制器并配合適當(dāng)功率的燒嘴，可使系統(tǒng)獲得很高的控制線性度。

4.2 程控脈沖分頻器

在脈沖燃燒控制的應(yīng)用中，大都采用硬件脈沖分頻設(shè)備對(duì)輸出控制值OUT進(jìn)行分頻，給出各燒嘴的控制信號(hào)，該方法費(fèi)用較高。本爐結(jié)合自身特點(diǎn)，應(yīng)用step7 V5.2軟件開(kāi)發(fā)程控脈沖分頻器，即通過(guò)PLC程序?qū)崿F(xiàn)硬件分頻器的功能。

程序設(shè)計(jì)中，先對(duì)輸出OUT進(jìn)行整理，即根據(jù)輸出值大小判斷是加熱還是冷卻，同時(shí)計(jì)算出用于操作的控制值；輸人脈寬時(shí)間，即各燒嘴啟動(dòng)后的工作時(shí)間，該時(shí)間可在上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面根據(jù)實(shí)際控制需要手動(dòng)輸人和調(diào)整；脈沖工作時(shí)間循環(huán)，根據(jù)燒嘴個(gè)數(shù)，設(shè)置多個(gè)定時(shí)器，并設(shè)定其工作時(shí)間，以控制各燒嘴的啟動(dòng)時(shí)序；對(duì)分頻數(shù)進(jìn)行限位；計(jì)算等待時(shí)間，即各燒嘴的延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間；等待循環(huán)，確定各燒嘴的等待時(shí)間及時(shí)序；最后根據(jù)最終操作數(shù)確定燒嘴工作方式。上述流程如圖4所示。

5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行曲線如圖5所示，其中爐罩曲線只作實(shí)時(shí)監(jiān)控用，并不對(duì)其進(jìn)行控制。由圖可看出，控制曲線從第1加熱段開(kāi)始，即很好地跟蹤了工藝曲線值，在第l保溫段、第2加熱段、第2保溫段、第l冷卻段，控制曲線和工藝曲線幾乎重合，溫差甚微，很好地滿(mǎn)足了工藝上的要求。系統(tǒng)在冷卻后期實(shí)行自然冷卻方式，故不再作控制。

該罩式爐控制系統(tǒng)實(shí)際投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，控制精度高，各段溫差基本控制在±2℃ 內(nèi)，所處理卷板質(zhì)量很好地滿(mǎn)足了廠家及客戶(hù)需求，同時(shí)在很大程度上為廠家節(jié)省了成本。由于運(yùn)行效果好，該系統(tǒng)又先后在江陰華西、無(wú)錫、揚(yáng)州等熱處理廠投人使用，控制效果均良好。

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