1 引言
物理變化和化學(xué)變化通常都和溫度有關(guān)，溫度成為許多工業(yè)生產(chǎn)過程中主要的控制參數(shù)。金屬材料在真空爐中高溫加熱改變其分子結(jié)構(gòu)的物理變化過程稱之為退火。退火后的材料加工性能優(yōu)異，是基本的金屬加工結(jié)構(gòu)材料。

2 工藝概述
真空退火爐爐身總長150米，爐體包括進(jìn)料和出料兩個料倉和十四個加熱區(qū)。另外還包括加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。工作時由真空泵將其內(nèi)部抽成1.00E-3Pa的真空環(huán)境。鋯管加熱時由進(jìn)料倉推入加熱區(qū)，在1.00E-3Pa的真空室里加熱。加熱溫度最高可達(dá)到750℃，通常在450～600℃區(qū)間。升溫速率小于２０℃／分鐘，溫度均勻性可控制在±3℃，可控制精度全程不超過±１℃，控溫曲線拐點(diǎn)過沖抑制要求在±3℃。加熱結(jié)束后自然冷卻至80℃以下，再由出料倉把材料推出獲得成品。

3 系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)分為操作站和控制站兩級。
3.1 監(jiān)控軟件包T3500
操作站采用bbbbbbs 2000操作系統(tǒng)平臺,監(jiān)控軟件包T3500是頗受業(yè)界推崇的FIX 32（由GE FANUC 公司開發(fā)的通用監(jiān)控軟件），32位體系結(jié)構(gòu),搶先式多任務(wù),多線程應(yīng)用,對稱多處理器支持,內(nèi)建的安全系統(tǒng)等特點(diǎn),使得整個系統(tǒng)安全可靠。采用面向?qū)ο蟮膱D形用戶接口（GUI）,T3500的操作和監(jiān)視可通過一系列成熟的操作面板和窗口（如總貌，組畫面，點(diǎn)顯示，報警，趨勢，系統(tǒng)信息，歷史記錄、 SPC/SQC等）生成，其刷新速率均不超過1秒。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為開放的Client/Sever（客戶機(jī)/服務(wù)器）模式，支持以集成I/O和充分利用bbbbbbS的DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換）資源，如EXCEL和WORD等等；其關(guān)系數(shù)據(jù)庫接口（SQL）采用ODBC（開放數(shù)據(jù)庫互連）以支持對關(guān)系式數(shù)據(jù)庫（如Oracle；Sybase；Ingres；Access；Paradox和dBase等）的雙向?qū)崟r訪問，并可通過Microsoft C++或Visual Basic用戶編程和DDE支持實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)存取與實(shí)時過程數(shù)據(jù)庫的接口。
3.2 現(xiàn)場控制站
現(xiàn)場控制站是系統(tǒng)主要的現(xiàn)場接口和過程控制硬件，其內(nèi)部可安裝多種現(xiàn)場控制單元，如英國歐陸公司T103系列T921控制器。T921控制器集常規(guī)的連續(xù)控制、順序控制和批量控制于一體，每臺控制器最大I/O容量128點(diǎn)；功能塊種類達(dá)80多種，最多可容納256個功能塊。為提高可靠性，其I/O、CPU、電源和通訊網(wǎng)絡(luò)均可冗余。除了可方便地集成其自身的所有產(chǎn)品外（包括TCS6000系統(tǒng)和其他歐陸產(chǎn)品），還針對RS-232/RS-422口提供了連接常見國外公司的PLC，SLC和I/O系統(tǒng)的通訊驅(qū)動軟件，如T3500操作站可提供300多種產(chǎn)品的驅(qū)動軟件，而T103控制單元則內(nèi)置RS232/RS-422口，支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議，可完成非歐陸產(chǎn)品與歐陸系統(tǒng)的連接。
選用SIEMENS S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)泵、閥啟?？刂坪蜖顟B(tài)監(jiān)視，以及限位控制等。其中包括加熱爐真空系統(tǒng)的狀態(tài)信號監(jiān)測，如滑閥泵，增壓泵、維持泵、預(yù)抽泵等的啟動、停止?fàn)顟B(tài)。前置閥、高真空、充大氣、充氬氣等閥的開、關(guān)狀態(tài)。以及限位信號監(jiān)測如抽閥、前置閥、高閥等開到位和關(guān)到位信號。程序運(yùn)行結(jié)束信號、溫控儀調(diào)功器狀態(tài)，水流量輸入狀態(tài)和其他輸入狀態(tài)。還有水系統(tǒng)水壓、爐體超溫、氣動系統(tǒng)氣壓監(jiān)測和報警測試、報警證實(shí)功能。

歐陸904P溫度控制儀具有控溫精度高，自適應(yīng)、自整定等特點(diǎn)，其作為控制器的在線熱備系統(tǒng)，在控制器出現(xiàn)故障時可以無擾動切換到溫控儀運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 系統(tǒng)功能
（1）控溫功能。退火爐分為十四個控溫區(qū)，其控溫部分由控制器和溫控儀組成互為備用系統(tǒng)，可由控制器或控溫儀單獨(dú)控溫，兩者之間可以無擾動切換。通過操作站可以向控制器和溫控儀下傳控溫曲線，以保證二者控溫的同步性。每個溫區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)手/自動控溫，切換無擾動，并可單區(qū)切手動。操作站顯示曲線號、段號、狀態(tài)（升溫或恒溫）、當(dāng)前段的運(yùn)行時間和剩余時間、爐內(nèi)真空度、左右冷卻室的真空度、手自動狀態(tài)。其主要的功能為：跳段功能：可以跳過當(dāng)前段的剩余時間運(yùn)行下一段曲線；延時功能：當(dāng)前恒溫段時間可以在線延長；暫停功能：具有升溫暫停功能，控制保持當(dāng)前設(shè)定溫度；斷點(diǎn)查找功能：程序中途停止（停電、誤操作），重新恢復(fù)運(yùn)行時，控溫系統(tǒng)能自動確定工藝曲線及斷點(diǎn)位置，并從斷點(diǎn)處開始執(zhí)行；限幅功能：具有輸出信號限幅功能；報警功能：斷偶報警、超溫報警、加熱器故障報警、調(diào)功器故障；偏差設(shè)定功能：各區(qū)控溫設(shè)定值可分別加偏差。
（2）通信功能。操作站與控制站用低成本雙絞線實(shí)現(xiàn)的ALIN對等通訊，進(jìn)一步提高了通訊速率，高達(dá)2.5Mbps。ALIN網(wǎng)符合IEEE802.4協(xié)議，是無主令牌的高速總線網(wǎng)絡(luò)。傳輸數(shù)率為20Mbit/sec，通信介質(zhì)可以是采用交換機(jī)的雙絞線、環(huán)型光纜（距離3000km），最多256個站點(diǎn)。
控制站與904P溫度控制儀通過通訊轉(zhuǎn)換器通訊。從而可以實(shí)現(xiàn)控制器和溫度控儀之間的在線熱備，當(dāng)一方出現(xiàn)故障時可以無擾動切換到另一方運(yùn)行。大大提高了系統(tǒng)的可靠性，同時還可以通過操作站向控制器和溫度控制儀傳遞溫度曲線。使兩者設(shè)定值保持一致。
操作站與SIEMENS S7-300 PLC通過符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet（以太網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)通信，傳輸介質(zhì)為同軸電纜。其傳輸速率高達(dá)10MB/S。在通信前需在通信軟件SOFTNET中設(shè)置NetType：Ethernet,Remote Address：06.06.08.08.00.00,lcaol TSAP：01.00, Remote TSAP：01.02等參數(shù)。
（3）存儲功能。在升溫時，根據(jù)工藝要求要預(yù)先設(shè)定升溫曲線，升溫曲線是包括升溫段和恒溫度段的一條折線。升溫曲線設(shè)置段號、起始溫度、結(jié)束溫度、升溫時間、恒溫時間等參數(shù)。恒溫段設(shè)有保溫時間參數(shù)。系統(tǒng)預(yù)存儲十條曲線供升溫時選用。升溫曲線如果在操作站存儲會占大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，使軟件成本加大，因而可將曲線存儲在EXECL表中，在選擇曲線時可通過DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換，它使用共享的內(nèi)存在應(yīng)用程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換）的方式將曲線從EXCEL表中讀取。DDE的讀取格式為：=EXCEL|[FILE.XLS]SHEET1!R1C1
（4）趨勢和報表功能。趨勢圖以曲線形式記錄控溫過程的變化，可以用來查詢、存檔和打印，便于上級生產(chǎn)管理人員對生產(chǎn)進(jìn)行管理和監(jiān)督。也是事故分析的歷史依據(jù)，是生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)中的重要手段。報表以數(shù)據(jù)形式記錄控溫過程的變化，其中包括生產(chǎn)過程中的一些重要參數(shù)的記錄，如：溫度、真空度、爐內(nèi)壓力等，報表可以根據(jù)需要實(shí)時打印，也可定時打印，還可以電子文檔的形式存檔。
（5）CIMS接口功能。為實(shí)現(xiàn)CIMS（計算機(jī)集成制造系統(tǒng)）的集成，便于形成大型的管理與控制信息系統(tǒng)，系統(tǒng)提供了CIMS功能接口，便于生產(chǎn)管理部門通過CIMS系統(tǒng)向控制系統(tǒng)傳遞生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)工藝曲線，實(shí)施網(wǎng)上管理。

4 控溫算法
4.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)
本系統(tǒng)主要的控制對象是真空爐內(nèi)的溫度，溫度控制系統(tǒng)純滯時間大，受爐內(nèi)真空度影響大，且低溫段、高溫段和恒溫段溫度的變化速率差異較大，拐點(diǎn)過沖難以控制，靠常規(guī)的PID調(diào)節(jié)很難達(dá)到預(yù)期的控制效果。在大量分析人工控溫過程參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行理論分析和推理后，采用了雙閉環(huán)模糊控制系統(tǒng)，如圖2所示。其中外環(huán)是溫度變化速度環(huán)，內(nèi)環(huán)是加熱器功率環(huán)，系統(tǒng)運(yùn)行時，先運(yùn)行外環(huán)的模糊控制計算，根據(jù)系統(tǒng)檢測到的爐溫的實(shí)際溫度，與溫度設(shè)定值比較得到溫度偏差e和偏差變化率△e,然后按各自所屬的函數(shù)計算出各自的模糊量。模糊控制器由這兩個模糊輸入量，綜合人工經(jīng)驗的模糊控制規(guī)則計算得到輸出的模糊量，對其反模糊化后就可以得到輸出的精確控制量。將此量作為內(nèi)環(huán)的加熱器功率設(shè)定值，參與內(nèi)環(huán)的PID運(yùn)算。內(nèi)環(huán)通過PID運(yùn)算得到精確的輸出功率控制量。

圖2 雙閉環(huán)系統(tǒng)方框圖

4.2 模糊控制器設(shè)計
模糊控制器的設(shè)計,在控制系統(tǒng)外環(huán)的模糊控制其中，輸入量有偏差e和偏差變化率△e,輸出有u一種。對于誤差輸入e可以定義5個模糊子集：Nl（負(fù)大）,Ns（負(fù)中）、Zre（零）、Ps（正大）、Pl（正?。?。相應(yīng)地，對于誤差變化輸入△e業(yè)已定義5個模糊子集：Nl（負(fù)大）,Nse（負(fù)中）、Zr（零）、Ps（正大）、Pl（正?。８鶕?jù)偏差e、偏差變化率△e和輸出量u,總結(jié)在實(shí)際升溫中的人工經(jīng)驗，可以算出模糊控制規(guī)律，低溫段溫度變化速度偏小時，模糊控制器送出較大的輸出信號驅(qū)動功率輸出模塊。在高溫段溫度變化速度較大時，模糊控制器送出較小的輸出信號驅(qū)動功率輸出模塊。因此可以得到控制規(guī)律如表1所示。

表1 FUZZY控制規(guī)律

偏差e、偏差變化率△e經(jīng)所隸屬函數(shù)求出各自在模糊量e與△e中的隸屬度，然后應(yīng)用加權(quán)平均法反模糊化：

式中，n為模糊子集數(shù)；Fi為模糊I的隸屬度，SI為模糊子集I的單點(diǎn)值。
以此得出外環(huán)的精確的輸出量，作為內(nèi)環(huán)PID運(yùn)算的設(shè)定值，經(jīng)過PID離散算法：

計算出控制功率輸出模塊的控制量，來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)爐溫的目的。
溫度拐點(diǎn)過沖是控制中的一個難點(diǎn)，當(dāng)溫度曲線從升溫段到恒溫段過渡前，PID運(yùn)算需保持一定輸出量才能維持爐內(nèi)溫度以一定的速率繼續(xù)上升，當(dāng)溫度曲線從升溫段過渡到恒溫段后，溫度曲線的變化速率突然變?yōu)椤傲恪?，此時由于溫度的滯后性爐內(nèi)溫度繼續(xù)上升，而只有爐內(nèi)溫度高于保溫段溫度設(shè)定值時PID輸出才逐漸減弱，短短時間內(nèi)溫度很容易過沖。在總結(jié)多次升溫的經(jīng)驗后。在溫度即將經(jīng)過拐點(diǎn)的一個范圍根據(jù)e和△e應(yīng)用模糊PID算法，滿足拐點(diǎn)的過沖的控制精度。
實(shí)際控制效果如圖3。

圖3 實(shí)際控制效果

5 結(jié)束語
系統(tǒng)自投運(yùn)以來，以其調(diào)節(jié)精度高、均溫性好和操作方便、安全可靠、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)已得到應(yīng)用方和同行的一致認(rèn)可，同時也創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。