一、概述

目前國(guó)內(nèi)的工業(yè)熱處理爐制造廠家在工業(yè)熱處理爐的電氣控制上大多還是停留在采用過去比較陳舊的控制方式，采用交流接觸器、有紙記錄儀、開關(guān)按鈕等設(shè)備控制，這樣的控制方式自動(dòng)化程度低、控制精度低、生產(chǎn)過程的監(jiān)控少、工業(yè)熱處理爐本身的檔次低。近年隨著電氣控制技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)界面的功能、可靠性和性價(jià)比不斷提高，在工業(yè)控制的各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用都得到了很大的發(fā)展。采用由溫控儀、人機(jī)界面、PLC組成的熱處理爐自動(dòng)控制系統(tǒng)，使工業(yè)熱處理爐的控制技術(shù)有極大的提高。

二、本系統(tǒng)控制的優(yōu)點(diǎn)

采用人機(jī)界面組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以取代記錄儀，利用人機(jī)界面存儲(chǔ)量大的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間無紙化記錄，而且記錄通道可以比記錄儀多得多；采用宇電智能調(diào)節(jié)器進(jìn)行溫度的設(shè)定顯示和過程的PID控制；在人機(jī)界面的觸摸屏上就可以進(jìn)行不同的控制操作，可以取代大部分開關(guān)按鈕。采用改進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，還有以下比普通控制系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：1.熱處理爐的各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)都可以在顯示屏上進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬；2.可以利用組態(tài)軟件的配方功能進(jìn)行工藝控制參數(shù)的設(shè)置、選擇和監(jiān)控；3.可以通過網(wǎng)線連接到工廠的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

三、設(shè)備選型

1、溫控儀：在熱處理系統(tǒng)中的溫度的控制是通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣電動(dòng)閥門的開度來實(shí)現(xiàn)的，閥門的精確控制對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制是非常重要的。在本系統(tǒng)中選用宇電AI-808P人工智能調(diào)節(jié)器來控制閥門，它的特點(diǎn)是：具備50段程序控制功能，可任意設(shè)置給定值升、降溫斜率；具有跳轉(zhuǎn)、運(yùn)行、暫停及停止等可編程/可操作命令，可在程序控制運(yùn)行中修改程序；具備二路事件輸出功能。可通過報(bào)警輸出控制其他設(shè)備聯(lián)鎖動(dòng)作，進(jìn)一步提高設(shè)備自動(dòng)化能力；可通過安裝外部開關(guān)執(zhí)行程序運(yùn)行/暫停/停止等操作，以實(shí)現(xiàn)連鎖、同步啟動(dòng)運(yùn)行或方便操作；具有停電處理模式、測(cè)量值啟動(dòng)功能及準(zhǔn)備功能，使程序執(zhí)行更有效率及更完善。能直接控制閥門電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，節(jié)省伺服放大器。儀表具體型號(hào)為：AI-808PAL5L2L2S。

2、人機(jī)界面：選用eView MT510T，10.4英寸。eView MT500系列觸摸屏采用強(qiáng)大的32位嵌入式高性能CPU,支持256色真彩顯示與敏捷的反應(yīng)速度，可以與多個(gè)廠家的產(chǎn)品通訊，兼容性極強(qiáng)，基于bbbbbbs98/NT操作平臺(tái)下的專用組態(tài)軟件，界面友好直觀，易學(xué)易用，大大節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)周期。且產(chǎn)品型號(hào)齊全有5.7、7.7、10.4、英寸單色彩色等，方便選型。具有RS232/485通訊口，可以直接連接各種主流的PLC，無需配置其它特殊的硬件和軟件就可以與PLC通訊。產(chǎn)品提供向量圖庫、位圖庫、群組圖庫等三種元件圖庫，且可以添加自己設(shè)計(jì)的元件圖形，可直接支持256色BMP格式的圖形，可支持元件的多層疊加實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。在編程軟件中可以設(shè)定觸摸屏背光燈的關(guān)閉時(shí)間，節(jié)省其使用壽命。具有128K的配方存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，支持方便易用的配方傳輸功能。觸摸屏中具有內(nèi)部編程指令宏命令，可以減輕編程負(fù)擔(dān)，由觸摸屏編程直接和其它設(shè)備通訊。觸摸屏上的并行口還可以直接和打印機(jī)連接實(shí)時(shí)或定時(shí)打印當(dāng)前或歷史數(shù)據(jù)。

3、PLC：選用日本三菱公司的FX系列PLC作為邏輯控制，用于熱處理爐的所有開關(guān)量采集和控制。

四、宇電智能調(diào)節(jié)器算法介紹

 AI系列智能工業(yè)調(diào)節(jié)器中的人工智能控制算法，既對(duì)PID算法加以改進(jìn)和保留，加入模糊控制算法規(guī)則，并對(duì)給定值的變化加入了前饋調(diào)節(jié)。在誤差大時(shí)，運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以徹底消除PID飽和積分現(xiàn)象，如同熟練工人進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法控制輸出。其控制參數(shù)采用被控對(duì)象特征描述方式。一組(MPT)參數(shù)即可同時(shí)確定PID參數(shù)和模糊控制參數(shù)。系統(tǒng)具有無超調(diào)和高控制精度等特點(diǎn)。針對(duì)不穩(wěn)定的非線形復(fù)雜調(diào)節(jié)對(duì)象，表內(nèi)設(shè)有自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)則，可使系統(tǒng)進(jìn)一步加快響應(yīng)速度，改善控制品質(zhì)。針對(duì)控制參數(shù)較難確定的現(xiàn)實(shí)，表內(nèi)設(shè)有自整定專家系統(tǒng)，可使系統(tǒng)的控制參數(shù)確定簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度提高，因此，自整定系統(tǒng)的引入，不僅使復(fù)雜勞動(dòng)簡(jiǎn)化，節(jié)約了調(diào)試時(shí)間，而且提高了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。對(duì)于許多復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)象，例如電爐溫度控制中的電網(wǎng)電壓變化、外界干擾因素和工作環(huán)境多變等，針對(duì)有嚴(yán)重非線形的控制對(duì)象，國(guó)外儀表公司也推出了不少對(duì)策和方法。例如，日本導(dǎo)電公司生產(chǎn)的儀表中，采用了多組算法；歐陸和歐姆龍儀表中采用了自適應(yīng)功能；KMM智能調(diào)節(jié)儀表中采用了折線模塊來適應(yīng)系統(tǒng)的非線性；還有的儀表公司在儀表中采用辯識(shí)方法來提高儀表在非線性系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)質(zhì)量。在AI系列智能工業(yè)調(diào)節(jié)器中，針對(duì)有嚴(yán)重中非線性的控制對(duì)象，選擇了自適應(yīng)方式來解決。其改進(jìn)的特點(diǎn)是：當(dāng)控制偏差大于估計(jì)的誤差時(shí)，自適應(yīng)系統(tǒng)不是修改MPT參數(shù)(國(guó)外儀表的自適應(yīng)功能是修改控制參數(shù))，而是修改輸出值來降低誤差。雖然修改范圍有限，但不會(huì)出現(xiàn)將原來正確控制參數(shù)改錯(cuò)的現(xiàn)象，使響應(yīng)速度加快，使控制精度大大提高。PID算法的改進(jìn)：

常規(guī)PID算法構(gòu)成如下：輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)

在常規(guī)PID的控制系統(tǒng)中，減少超調(diào)和提高控制精度是難以兩全其美的，這主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，則靜差不易消除，有擾動(dòng)時(shí)，消除誤差速度變慢，而當(dāng)加強(qiáng)積分作用時(shí)，又難以避免超調(diào)，這也是常規(guī)PID控制中經(jīng)常遇到的難題。

在AI系列智能工業(yè)調(diào)節(jié)器中，當(dāng)控制參數(shù)在比例帶以外時(shí)，采用模糊控制，不存在抗飽和積分問題，而對(duì)PID算法部分又加以改進(jìn)如下：輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)+微分積分作用(∫I)

由于儀表中增加了微分積分作用，所以，使常規(guī)PID算法中的積分飽和現(xiàn)象得到較大緩解。不過從上式中可以看到，原有參數(shù)已經(jīng)較難確定了，又增加了一個(gè)新參數(shù)(∫I)，所以，這些參數(shù)必然互相影響，使得新算法參數(shù)更加難以確定。為此，經(jīng)過認(rèn)真的研究和實(shí)驗(yàn)分析，比例作用與微分作用的比值和積分作用與微分作用的比值可取相同的值，并且比例作用與微分作用的最佳比值同控制對(duì)象的滯后時(shí)間有關(guān)。滯后時(shí)間越大，則比例作用響應(yīng)減少，而微分作用響應(yīng)增加。兩者存在的關(guān)系如下：

比例作用=K(1/t)

微分作用=K(1-1/t)d

式中，K為系數(shù)；t為滯后時(shí)間與控制周期的比值；t≥1；d表示微分作用。

由此，可將人工智能控制算法公式改為：

輸出=P［1/t+(1-1/t)d］+(1/M)∫［1/t+(1-1/t)d］

式中，P用于調(diào)整微分和比例的大小，P增加，相當(dāng)于同時(shí)將微分時(shí)間增加及減少比例帶。反之，P減少，相當(dāng)于同時(shí)將微分時(shí)間減少和增大比例帶。M類似積分時(shí)間，可用于調(diào)整積分和微分積分的大小，t用于調(diào)整微分與比例的相互比例成分。如果t=1，則微分作用為0，如果1Ｍ＝０，則積分作用為0。這樣，控制參數(shù)又減少為3個(gè)，由于常規(guī)PID參數(shù)的定義只根據(jù)算法本身，其特點(diǎn)是不需要考慮被控對(duì)象的精確模型，而改進(jìn)后的3個(gè)控制參數(shù)，由于同原參數(shù)概念不同，所以，定義為MPT控制算法，具體含義如下：

M5為保持參數(shù)：M 5 定義為輸出值變化為5％時(shí)，控制對(duì)象基本穩(wěn)定后測(cè)量值的差值。5表示輸出值變化量為5%，同一系統(tǒng)的M 5參數(shù)一般會(huì)隨測(cè)量值有所變化，應(yīng)取工作點(diǎn)附近為準(zhǔn)。例如某電爐溫度控制，工作點(diǎn)為700℃，為找出最佳M 5值，假定輸出保持為50％時(shí)，電爐溫度最后穩(wěn)定在700℃左右，而55％輸出時(shí)，電爐溫度最后穩(wěn)定在750℃左右。則：M 5＝750-700＝50.0（℃）M 5參數(shù)PID調(diào)節(jié)的積分時(shí)間起相同的作用。M 5值越小，系統(tǒng)積分作用越強(qiáng)。M5值越大，積分作用越弱（積分時(shí)間增加）。如果，M=0，則系統(tǒng)取消積分作用。

P為速率參數(shù)：P與每個(gè)控制周期內(nèi)儀表輸出變化100%時(shí)測(cè)量值對(duì)應(yīng)變化的大小成反比，其數(shù)值定義如下：P=1000÷每秒鐘測(cè)量值升高值（測(cè)量值單位是0.1℃或1個(gè)定義單位）。例如電爐溫度控制，如果儀表以100%功率加熱，并假設(shè)沒有散熱，電爐每秒升高1℃時(shí)，則P=1000÷10=100，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，因?yàn)闆]有散熱的前提條件是無法滿足的，所以，用人工的方式確定P的最佳值是不可能的，因此，一般利用自整定方法確定P的最佳值，P值對(duì)調(diào)節(jié)中的比例和微分均有作用。P值越大，比例、微分作用成正比增加，而P值越小，比例、微分作用相應(yīng)減弱。P參數(shù)與積分作用無關(guān)。

T為滯后時(shí)間參數(shù)：T定義為某電爐以某功率開始升溫，當(dāng)其升溫速率達(dá)到最大值的63.5%時(shí)所需要的時(shí)間，T值單位是秒(s)。引入?yún)?shù)T并正確設(shè)置時(shí)可以完全解決溫度控制的超調(diào)現(xiàn)象及振蕩現(xiàn)象，同時(shí)使控制響應(yīng)速度最佳。T值的變化，可對(duì)調(diào)節(jié)作用中的比例和微分起作用，T值越小，比例作用越強(qiáng)，微分作用越弱。T值越大，則比例作用減弱，微分作用增強(qiáng)。如果T≤CTL(控制周期)，則微分作用被完全取消，這時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律將成為比例或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律。  

五、系統(tǒng)功能介紹及儀表調(diào)試

   1、人機(jī)界面畫面

   主監(jiān)控畫面：上面有動(dòng)態(tài)監(jiān)控圖，爐門的開閉狀態(tài)、風(fēng)機(jī)啟停狀態(tài)、火咀燃燒狀態(tài)等可以在該畫面上實(shí)時(shí)顯示。通過畫面右上角的火咀燃燒狀態(tài)百分比顯示模擬火咀的實(shí)際輸出。當(dāng)火咀沒有輸出時(shí)，火咀模擬噴出的火焰消失。在動(dòng)態(tài)監(jiān)控圖的爐的上方標(biāo)注有測(cè)溫點(diǎn)的溫度值，其中PV為實(shí)時(shí)測(cè)量溫度值，SV為設(shè)定溫度值。動(dòng)態(tài)監(jiān)控圖的下方有各種狀態(tài)的指示燈。
    開關(guān)操作畫面：開關(guān)操作畫面的上半部分有各種狀態(tài)的指示燈，下半部分有各種操作按鈕和選擇開關(guān)。
    溫度記錄畫面：分別用兩種顏色記錄兩個(gè)參與實(shí)際控制的溫度表的實(shí)時(shí)溫度，在垂直軸上所標(biāo)注數(shù)值為溫度值，水平軸上所標(biāo)注數(shù)值為時(shí)刻值。
    溫度履歷畫面：在該畫面上可以查詢參與實(shí)際控制的溫控表的歷史溫度記錄數(shù)據(jù)，分別用兩種顏色記錄兩個(gè)通道的溫度數(shù)據(jù)。在垂直軸上所標(biāo)注數(shù)值為溫度值，水平軸上所標(biāo)注數(shù)值為時(shí)刻值。在查詢時(shí)可以按時(shí)間前移或時(shí)間后移 進(jìn)行前后時(shí)間段溫度數(shù)據(jù)的查詢，也可以按查詢歷史曲線后直接輸入時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。人機(jī)界面如有連接打印機(jī)，可以方便的把當(dāng)前畫面打印出來。
   工藝參數(shù)選擇設(shè)置畫面：在該畫面可進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置選擇操作。要進(jìn)行工藝參數(shù)選擇的操作需要進(jìn)行操作登陸，只有取得授權(quán)的人員才有資格對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行修改設(shè)置及查看工藝參數(shù)的具體數(shù)值。
   報(bào)警履歷畫面：記錄系統(tǒng)的相關(guān)歷史報(bào)警內(nèi)容。
   PLC I/O監(jiān)控畫面：上面顯示了PLC的各個(gè)輸入點(diǎn)的通斷工作狀態(tài)，方便對(duì)各電氣開關(guān)量進(jìn)行監(jiān)控和檢修。在輸入點(diǎn)的右邊標(biāo)注有該點(diǎn)I/O在系統(tǒng)控制中的具體使用意義。   2、儀表調(diào)試

    系統(tǒng)工作前須在儀表上進(jìn)行閥門定位操作，以保證儀表的輸出信號(hào)和閥門的開度相對(duì)應(yīng)。具體操作：系統(tǒng)通電后，把儀表輸出方式OPT改為7，確認(rèn)修改后儀表先自動(dòng)將閥門完全關(guān)閉（注意：此時(shí)需要由閥門上的限位開關(guān)進(jìn)行定位），測(cè)量閥門全關(guān)時(shí)的閥位信號(hào)大小，然后再完全打開，測(cè)量閥門全開時(shí)閥位信號(hào)大小。儀表要求閥門完全關(guān)閉時(shí)閥位信號(hào)為0－1.5V之間，閥門完全打開時(shí)閥位反饋信號(hào)比閥門完全關(guān)閉時(shí)信號(hào)大1V以上才能滿足整定要求。整定完畢后儀表自動(dòng)把OPT設(shè)置為6，如果要控制過程中要限制閥門開度，可利用參數(shù)oPL及oPH對(duì)閥門位置的上限及下限進(jìn)行限制。

    在閥門定位后，儀表還需要進(jìn)行PID自整定。系統(tǒng)在不同給定值下整定得出的參數(shù)值不完全相同，執(zhí)行自整定功能前，應(yīng)先將給定值設(shè)置在最常用值或是中間值上（對(duì)于AI-808P儀表，可通過修改當(dāng)前程序段值來改變給定值以滿足要求）。自整定時(shí)，儀表執(zhí)行位式調(diào)節(jié)，經(jīng)2－3次振蕩后，儀表內(nèi)部微處理器根據(jù)位式控制產(chǎn)生的振蕩，分析其周期、幅度及波型來自動(dòng)計(jì)算出M 5、P、t等控制參數(shù)。參數(shù)CtL及dF的設(shè)置，對(duì)自整定過程也有影響，一般來說，這2個(gè)參數(shù)的設(shè)定值越小，理論上自整定參數(shù)準(zhǔn)確度越高。但dF值如果過小，則儀表可能因輸入波動(dòng)而在給定值附近引起位式調(diào)節(jié)的誤動(dòng)作，這樣反而可能整定出徹底錯(cuò)誤的參數(shù)。推薦CtI=0-2，dF=0.3。此外，基于需要學(xué)習(xí)的原因，自整定結(jié)束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段時(shí)間（一般與自整定需要的時(shí)間相同）后方可獲得最佳效果。

六、結(jié)語

新型控制系統(tǒng)投入使用后，只需在設(shè)備進(jìn)行熱處理前通過人機(jī)界面輸入需要的系統(tǒng)升溫工藝曲線，系統(tǒng)就能自動(dòng)地完成整個(gè)熱處理過程。這不僅大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，更重要的是它能使設(shè)備的熱處理效果更符合熱處理工藝的要求，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。