大型管材真空退火炉计算机监控系统研制(2)

2009-10-01 张乃禄 西安石油大学电子工程学院

2.2、系统硬件实现

  (1)监控主机:选择台湾研华公司工业控制计算机IPC-610H,工控机配置奔腾42.0G的CPU,512MB内存,80G硬盘,带有RS-485标准和PROFIBUS DP通讯接口及打印机并行口,监示器选择19寸三星显示器。

  (2) 过程控制机:选用德国西门子公司的PLCS7-300系列(CPU314C/DP)。该系列PLC具有模拟量输入和输出、数字量输入和输出功能,具有丰富的指令,能很好满足控制系统需要。CPU模块DI/DO完成炉室状态检测控制、系统启停操作等功能。3组SM321和SM322模块完成了料车转动、阀门状态、冷却水系统、真空系统的检测和操作控制等功能。

  (3) 温度检测与控制:采用英国欧陆公司3500系列温控仪,具有单回路多任务应用功能,如:单PID、ON/OFF、串联、比例、超驰控制、自检功能、可作编程器,九个加热区的温度的控制和显示均由欧陆温控仪3504来完成。九温区温度检测采用昆仑海岸XSR30系列智能仪表。

  (4)真空检测:真空检测由ZDF-Ⅲ复合真空计进行测量并配有控制输出,配合PLC 对抽空过程进行自动控制,同时根据真空度不同对系统进行连锁保护。高低真空度测量显示可自动转换。

3、系统控制软件设计

3.1、监控组态软件开发

  上位机监控画面采用组态王KingView6.51在Windows 2000 NT 系统上进行开发,监控系统软件运行画面分为密码登陆界面、总监控画面(工况图和真空系统图)、数据趋势曲线画面、报警画面、温控曲线设置和下传画面、报表画面等。监控软件组成如图3 所示。

系统软件模块结构图

图3 系统软件模块结构图

  该监控软件实现功能:退火和真空工况图对退火炉的工作状况进行实时监控,按照工况与工艺流程实时显示各主要工艺参数,如温度、真空度、加热电流和功率;温度和真空曲线画面可以完成实时曲线的监测和历史曲线的查询;历史报表画面可以查看温度实时报表和历史报表,并对生成记录数据进行存储和打印;实时报警画面可以对电极断水、气压不足、电极水流、炉体水流、扩散泵水流等需要报警的变量进行报警。系统在运行过程中各工艺参数如果出现异常情况,计算机监控系统控制柜上的红色报警灯闪动并且发出声音,同时工控机的监视主画面上会出现故障提示,系统自动停止动作。工控机自动对加热工艺参数和控制参数的故障记录并存盘,系统硬盘可以存储半年以上的数据,供用户实时和历史打印。

3.2、控制主程序设计

  控制主程序由1 个主程序和3个子程序组成,如图4所示。

控制主程序流程图

图4 控制主程序流程图

  控制主程序包括:

  (1)系统初始化程序:该程序完成了系统的初始化和故障诊断与连锁保护,在设备出现问题时,自动切换备用设备并用声光进行报警。

  (2)设备启/停与手动/自动程序:该程序不仅可以控制系统各个设备的起停控制,并且完成了系统工作模式切换的功能。

  (3)系统控制程序:该程序完成炉子装出料、真空机组、冷却水系统、加热等控制,分别调用相应的控制子程序。

3.3、控制子程序设计

  (1)送料小车运动控制子程序:该子程序完成送料小车从炉体外进入炉室的自动/手动运行控制。

  (2)退火炉真空系统控制子程序:该子程序完成炉室和加热室抽真空时泵和阀的手动/自动控制。

  (3)加热控制子程序:在加热设备中设计九个独立的温控器,其主要参数就是9个区的加热温度,针对9个温区加热,其特性不一,为了实现整个炉体的均温性,在控制策略中设计了9个独立的控制器, 每个控制器采用自整定Fuzzy-PID模糊控制器结构。在常规PID的基础之上,以偏差E 及偏差变化率dE/dt为输入,采用模糊自整定PID的方法实现参数KP、TI、TD,以满足不同时刻偏差E 和偏差变化率dE/dt对参数自调的要求。这样在实际控制过程中就使得加热系统具有很好的动态性能:PID的三个参数能依据当前系统的状况来做出相应的调整。从而实现了整个炉体九个温区的均温性,满足了退火工艺的要求。自整定Fuzzy-PID模糊控制器其原理如图5所示。

自整定Fuzzy-PID模糊控制器结构图

图5 自整定Fuzzy-PID模糊控制器结构图

4、结束语

  大型稀有金属管材真空退火炉计算机控制系统于2006年10月投入生产运行, 实际生产运行表明: 系统设计满足钛、锆等稀有金属管材真空退火工艺和控制要求,真空和温度控制精度高,炉温均匀性满足了钛、锆管材退火的苛刻要求,即炉温均匀度在±2℃以内, 工作真空度为1.33×10-2Pa,压升率小于1Pa/h,实现了真空退火炉抽真空、加热、退火、快冷工艺参数检测与全过程优化控制, 对改善工艺水平、提高产品质量有显著效果,具有广泛的应用推广价值。