釬桿加熱過程中的自動控溫設計

丁勝利

（貴陽特殊鋼有限責任公司，貴州貴陽550005）

1 引言

多年來在釬桿加熱鍛造及熱處理生產(chǎn)過程中一直采用中頻發(fā)電機電源，近幾年由于注重節(jié)能降耗，淘汰了中頻發(fā)電機，采用了晶閘管中頻電源。晶閘管中頻電源是一種由大功率晶閘管元件組成的靜止式電源，廣泛應用于感應加熱領域。隨著電工電子技術的不斷進步，晶閘管中頻電源正在向大容量、高頻、智能化及高可靠性方向發(fā)展，為加熱過程中的自動控溫提供了前提條件。

晶閘管中頻電源在使用過程中，可以通過調(diào)整主回路上的三相全控整流電路導通角，來調(diào)節(jié)整流電路輸出直流電壓的大小，控制電源輸出功率。實際使用中，操作人員通過中頻電源柜上的調(diào)功旋鈕，調(diào)節(jié)中頻電源柜的直流電壓，控制中頻電源柜的輸出功率。在加熱工件的過程中，通常有兩種控溫方法，第一種是靠人工肉眼觀察加熱工件顏色，來判斷、控制工件的溫度。第二種是靠時間來控制工件的加熱溫度。這兩種方法由于受人為因素、電網(wǎng)波動、氣溫變化、工件的同一性等干擾因素的影響，造成工件加熱溫度不穩(wěn)定。為穩(wěn)定加熱溫度，保證所加熱工件溫度的一致性，可采用負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制中頻加熱溫度。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 晶閘管中頻主電路工作原理

晶閘管中頻電源是一種將三相工頻交流電轉(zhuǎn)變成單相中頻交流電的裝置。它采用交-直-交變換形式，即通過整流電路先將工頻交流電整流成直流電，再通過逆變電路將它轉(zhuǎn)變成中頻交流電。逆變電路輸出的中頻電通過感應線圈加載到負載上，進行感應加熱。圖1是中頻電源主電路原理圖。

（1）三相全控整流電路的原理

晶閘管三相全控整流電路見圖1，圖中，晶閘管T1和T4接R相電源，晶閘管T3和T6接S相電源，晶閘管T5和T2接T相電源。T1、T3、T5組成共陰極組，T4、T6、T2組成共陽極組。它們的觸發(fā)順序依次是T1、T2、T3、T4、T5、T6。三相晶閘管整流橋變換為直流電壓，通過改變晶閘管的導通角就可以改變直流電壓的大小。

（2）單相逆變電路的原理

逆變晶閘管一般采用快速晶閘管（見圖1），T7、T10與T8、T9以中頻頻率輪流導通，可在負載上得到中頻交流電。

2.2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖2。本系統(tǒng)對三相全控整流電路進行溫度負反饋閉環(huán)控制，以控制其輸出直流電壓，從而確保有一個相對穩(wěn)定的加熱溫度，提高了釬桿的鍛造和熱處理加工的質(zhì)量。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

（1）PLC可編程控制器

可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。可編程控制器可以執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出接口，控制各種類型的設備?？删幊炭刂破髟诠I(yè)現(xiàn)場有很高的可靠性。PLC在電路布局、機械結(jié)構(gòu)及軟件設計各方面決定了PLC的高抗干擾能力。電路布局方面的主要模塊都采用大規(guī)模與超大規(guī)模的集成電路，在輸入輸出系統(tǒng)中采用完善的隔離通道保護功能；在電路結(jié)構(gòu)上對耐熱、防潮、防塵及防震等各方面都做了周密的考慮；在電路硬件方面采用了隔離、屏蔽、濾波及接地等抗干擾技術；在軟件上采用了數(shù)字濾波及循環(huán)掃描、成批輸入、成批輸出處理技術。所有這些都使PLC具有非常高的抗干擾能力。

在本系統(tǒng)中PLC采用了西門子生產(chǎn)的S7系列產(chǎn)品，該系列有豐富的指令集，集成了多種功能，通訊能力強勁，內(nèi)置多種規(guī)格的擴展模塊。模擬量采用12位分辨率，實現(xiàn)高精度數(shù)/模、模/數(shù)換算，保障了系統(tǒng)控制精度。

（2）紅外測溫儀

自然界中，當物體的溫度高于絕對零度時，由于它內(nèi)部熱運動的存在，就會不斷地向四周輻射電磁波，溫度越高，物體輻射能力越強，紅外測量儀接收并將被測物體和反饋源的輻射線經(jīng)調(diào)制后輸入到紅外檢測器，兩信號的差值經(jīng)反饋放大器放大并控制反饋源的溫度，使反饋源的光譜輻射亮度和物體的光譜輻射亮度一樣，顯示器指示出被測物體的亮度溫度，紅外測溫儀就是通過測量輻射線亮度來達到測溫的目的。具有非接觸測量、反應速度快的特點。

3 控制方案

3.1 被控對象的選擇

在生產(chǎn)過程中，中頻電源不僅需要輸出一定的功率和頻率，而且還需要在各種擾動下維持或調(diào)整各種指標，在釬桿加熱鍛造及熱處理生產(chǎn)過程中，工件出口溫度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數(shù)。中頻輸出功率與工件的溫度TC存在著如下關系

式中PH——加熱功率，kW

其中，開放科學源自“地平線2020”下卓越科學這一優(yōu)先領域，目標在于支持高質(zhì)量前沿科學和研究成果的創(chuàng)造和擴散。該優(yōu)先領域包括3部分內(nèi)容：（1）由歐洲研究理事會（European Research Council）資助的科研人員自下而上的研究想法。（2）由瑪麗·居里人才流動計劃通過人才流動獎學金資助的歐洲境內(nèi)外科研人員的交流、互訪。（3）以及由歐洲科研基礎設施專項經(jīng)費資助的科研基礎設施的建造和升級換代。

G——工件質(zhì)量，kg

TC——工件加熱溫度，℃T0——工件初始溫度，℃C——工件比熱，kcal/kg t——加熱時間，s

η——電源的總效率

T0可近似為環(huán)境溫度，TC遠大于T0，所以

在其參數(shù)確定時，TC與PH之間存在著線性關系。因此，功率調(diào)節(jié)可達到溫度控制的目的。

式中Ud——直流電壓

Id——直流電流

UH——中頻電壓

RH——中頻負載電阻

無論選擇那個參數(shù)做控制對象，都需調(diào)節(jié)整流控制角α才能完成控溫。但實際應用中選用控制Id、UH作為被控對象時，取樣轉(zhuǎn)換為編程能夠識別的標準信號，成本較高，穩(wěn)定性較差。由上述推論選擇Ud做為在釬桿加熱鍛造及熱處理生產(chǎn)過程中溫度的被控對象。

3.2 溫度閉環(huán)控制方式

在圖2中，給定溫度值通過人機界面HMI傳送給PLC，反饋的中頻直流電壓模擬量信號和紅外線測溫儀測量的實際工件溫度模擬量信號輸入至PLC模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號。PLC用采集到的給定數(shù)值和反饋數(shù)值在PLC內(nèi)完成PID運算，通過PID運算確定中頻加熱所需的直流電壓值，由PLC的數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊輸出中頻直流電壓模擬量控制信號。中頻直流電壓控制模擬量信號通過手動、自動切換電路的自動部分輸入至中頻電源控制板，再由中頻電源控制板對接收到的中頻直流電壓控制信號進行處理，輸出脈沖觸發(fā)信號控制三相全控橋整流電路輸出所需的直流電壓，從而實現(xiàn)對釬桿加熱溫度的自動負反饋閉環(huán)控制。

3.3 數(shù)字模型的建立

采用閉環(huán)數(shù)字控制，必須建立合適的數(shù)學模型，才能避免系統(tǒng)振蕩。實現(xiàn)準確控溫需建立兩個數(shù)學模型：一個是實現(xiàn)輸出溫度與中頻電壓之間相匹配的數(shù)學模型，另一個是電壓PID調(diào)節(jié)器數(shù)學模型。前者是以溫度及中頻直流電壓之間曲線關系為基準，通過試驗描出曲線，再建立數(shù)字模型，可獲得不同加熱溫度所需的中頻直流電壓值，此值是電

式中U（t）——控制器的輸出

y（t）——被測變量值

Kp——比例系數(shù)

Ti——積分時間常數(shù)

Td——微分時間常數(shù)

e（t）=r（t）-y（t）稱為偏差值當數(shù)學模型建好后，在編寫和調(diào)試程序時，可對程序進行在線仿真和修改，因整個系統(tǒng)是閉環(huán)控制，即使溫度有波動，系統(tǒng)也會自動修正，使實際溫度最終穩(wěn)定在設定值上。

3.4 操作控制模式

采用STEP7 Windows NT/2000/xp操作系統(tǒng)和標準的接口進行程序編制及PLC的控制。通過WinCC flexible進行人機界面編制，這樣在人機界面上就可實現(xiàn)控制及其它自動化功能。系統(tǒng)的各參數(shù)及運行故障都可在人機界面上顯示。如加熱溫度值、工件、規(guī)格等，每一種規(guī)格產(chǎn)品都有一套相應的參數(shù)對應，人機界面上有鍵盤供設定和修改參數(shù)使用。在此種控制方式下，溫度就不會隨電網(wǎng)電壓及其它干擾影響而變化。壓閉環(huán)控制的給定值r（t）。后者是電壓閉環(huán)控制PID的數(shù)學模型，采用的是偏差控制，根據(jù)控制理論，PID控制的數(shù)學方程

4 結(jié)語

釬桿加熱設備增加閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)后，可有效避免加熱溫度不穩(wěn)定引起的金屬內(nèi)部缺陷，減少人為因素，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

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