井式電阻爐電控系統(tǒng)的改造

殷純宇，陳 甫，鐘廣明

(中國(guó)北車(chē)集團(tuán)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，遼寧 大連 116022)

一、前言

大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司有多臺(tái)RJ2井式電阻爐，是上世紀(jì)80年代和90年代的產(chǎn)品，主要用于加溫機(jī)車(chē)從動(dòng)齒輪、齒圈以及車(chē)輪輪芯和整體車(chē)輪。其工作原理是將電能轉(zhuǎn)化為熱能，借助熱輻射與對(duì)流的傳熱方式加溫工件。

原爐電氣控制方面根據(jù)其作用分為機(jī)械裝置的電氣控制(爐門(mén)的開(kāi)啟、工件進(jìn)和風(fēng)扇開(kāi)啟等)和溫度的測(cè)量控制。溫度控制部分是模擬儀表(中型圓圖衡儀)控制和數(shù)字式儀表控制，這種控制由人工選擇，不但需要配置專用的儀表人員，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，控制精度依賴于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié)，控制精度不高，一旦生產(chǎn)發(fā)生變化就需重新設(shè)置，操作不便，加熱溫度的數(shù)據(jù)無(wú)記錄，不利于對(duì)生產(chǎn)工藝的控制，還會(huì)因溫度控制不準(zhǔn)確而產(chǎn)生廢品和返工品，甚至造成產(chǎn)品質(zhì)量性能下降，為行車(chē)埋下安全隱患。為此在原有電氣控制基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，增加了帶有工控機(jī)的溫控系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但具有性能可靠、降低電耗、控制精度高和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而且還有良好人機(jī)界面和溫度曲線記錄，彌補(bǔ)了原系統(tǒng)的不足，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

二、系統(tǒng)功能

電爐控制是一個(gè)具有多輸入、多輸出、多回路、具有非線性和耦合特性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括爐蓋升降控制、風(fēng)機(jī)啟?？刂?、爐內(nèi)溫度控制和爐內(nèi)溫度記錄。為此，本系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能。

1.實(shí)時(shí)控制功能

實(shí)時(shí)控制功能是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)完成的基本功能，是保證系統(tǒng)正常工作的必要條件。在此基礎(chǔ)上要保證系統(tǒng)具有良好的控制品質(zhì)，以達(dá)到提高勞動(dòng)效率和電爐熱效率、降低耗能的目的。

2.顯示功能

系統(tǒng)能夠以數(shù)字及圖表兩種形式將當(dāng)前的工藝過(guò)程、工藝條件、重要的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、設(shè)備當(dāng)前工況及實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線圖顯示在監(jiān)控器上，便于操作人員隨時(shí)掌握當(dāng)前的生產(chǎn)狀況。

3.記錄和打印功能

系統(tǒng)自動(dòng)記錄爐內(nèi)溫度數(shù)據(jù)、曲線及工況參數(shù)，并可以隨時(shí)查看閱讀或打印，以便決策分析之用。

4.報(bào)警和連鎖保護(hù)功能

當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，有完善的聲光報(bào)警機(jī)制，同時(shí)自動(dòng)停止加溫，并對(duì)引起異常情況的原因進(jìn)行分析，以便操作人員及時(shí)判斷故障原因并加以排除。另外在啟機(jī)時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)后加熱器才能工作，必須按照一定的次序進(jìn)行操作，否則加熱器不工作。

5.操作指導(dǎo)功能

幫助是系統(tǒng)良好的人機(jī)對(duì)話部分，它不但能給操作人員提示信息，而且可以指導(dǎo)操作。

三、硬件系統(tǒng)

為了完成上述功能，硬件系統(tǒng)采用“工控機(jī)+溫控模塊”的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。整個(gè)硬件系統(tǒng)由工控機(jī)、溫控模塊、電源、打印機(jī)及輸出、輸入執(zhí)行元件等組成。

1.工控機(jī)的選擇

工控機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它要完成指令執(zhí)行、算法實(shí)現(xiàn)、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)和圖表的顯示以及打印等任務(wù)。其性能的好壞直接決定了控制系統(tǒng)的控制效果和控制質(zhì)量，因此要求工控機(jī)的可靠性高，實(shí)時(shí)性準(zhǔn)、抗干擾能力強(qiáng)。本系統(tǒng)選用研華公司生產(chǎn)的PPC-L128T工控機(jī)，其平板電腦是一款基于IntelAtomN270處理器的低功耗電腦，帶有12.1"的彩色TFTLCD顯示屏、板載PCTe以太網(wǎng)控制器和多COM端口界面控制器。

2.控制模塊的選擇

系統(tǒng)需處理的數(shù)據(jù)量包括2路模擬量輸入、5路開(kāi)關(guān)量輸入和6路開(kāi)關(guān)量輸出。模擬量輸入是用于測(cè)量爐內(nèi)溫度，開(kāi)關(guān)量輸入是讀入工作狀態(tài)，開(kāi)關(guān)量輸出用來(lái)執(zhí)行控制?？紤]系統(tǒng)抗干擾性、實(shí)用性以及安裝空間，選擇了研華公司生產(chǎn)的USB-4718溫控模塊。該模塊提供了8路熱電偶輸入、16-bit分辨率、高達(dá)0.1%的輸入范圍精度或者4～20mA輸入。工作性能穩(wěn)定、可應(yīng)用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，是一款支持USB模塊的計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制功能的理想解決方案。該模塊易于使用，是USB即插即用設(shè)備，可從USB接口取電，無(wú)需外接電源。

3.防止超溫自動(dòng)保護(hù)

為了防止執(zhí)行元件失控而導(dǎo)致超溫的現(xiàn)象，采用多層自動(dòng)保護(hù)。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定溫度上限值時(shí)報(bào)警黃燈閃爍，同時(shí)關(guān)閉全部加熱器；當(dāng)超過(guò)設(shè)定報(bào)警值時(shí)，報(bào)警紅燈閃爍蜂鳴響，同時(shí)再次關(guān)閉全部加熱器，如果在單位時(shí)間內(nèi)溫度還繼續(xù)上升，控制器斷開(kāi)該設(shè)備電源，可及時(shí)提醒操作人員，幫助操作人員迅速判斷故障并加以有效排除。以保護(hù)工件和設(shè)備的安全。

四、軟件系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)除了完成正常的顯示，處理工作外，更重要的是要實(shí)時(shí)完成爐內(nèi)溫度檢測(cè)控制任務(wù)以及報(bào)警和連鎖等工作。這些任務(wù)之間是并行工作的關(guān)系，軟件系統(tǒng)必須具有處理多任務(wù)的能力，否則將會(huì)影響系統(tǒng)的性能。

1.軟件的選擇

運(yùn)行平臺(tái)為Windows操作系統(tǒng)，具有多線程序執(zhí)行機(jī)制，可滿足實(shí)時(shí)性要求。采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)VisualBasic為可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境，是Windows環(huán)境下優(yōu)秀的程序設(shè)計(jì)工具之一。VisualBasic6.0語(yǔ)言提供的多線程序編程技術(shù)，功能性、易用性突出，適于應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)及人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)。

2.控件的選擇

ActiveDAQ控件是研華公司提供的一套高效數(shù)據(jù)采集開(kāi)發(fā)組件，可以方便地應(yīng)用于VisualBasic、VisualC++等以及支持ActiveX控件的組態(tài)軟件中，通過(guò)控件的屬性、事件、方法可以方便地進(jìn)行編程，用來(lái)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集的的各種功能，包括模擬量輸入輸出(軟件中斷)、數(shù)字量輸入輸出、脈沖輸入和輸出等。

3.系統(tǒng)控制軟件的簡(jiǎn)單介紹

應(yīng)用VisualBasic軟件和ActiveDAQ控件進(jìn)行開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)流程如圖2所示。系統(tǒng)依據(jù)工件類型選擇設(shè)定爐溫、自動(dòng)供給電爐熱源能量或連續(xù)改變熱源能量的大小，使?fàn)t溫穩(wěn)定在設(shè)定范圍，滿足熱處理工藝的需要。溫度自動(dòng)控制常用調(diào)節(jié)規(guī)律中有二位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。電阻爐爐溫控制是這樣一個(gè)反饋調(diào)節(jié)過(guò)程：比較實(shí)際爐溫和需要爐溫得到偏差—通過(guò)對(duì)偏差的處理獲得控制信號(hào)—調(diào)節(jié)電阻爐的熱功率—實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。

在系統(tǒng)控制中程序采用嵌套方式設(shè)計(jì)。首先使Timer1計(jì)時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)系統(tǒng)的采樣周期。啟動(dòng)A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波、PID計(jì)算、上下限報(bào)警處理，然后輸出控制脈沖信號(hào)。采用三位式調(diào)節(jié)：有上下限兩個(gè)給定值，當(dāng)爐溫低于下限給定值時(shí)加熱器全開(kāi)；當(dāng)爐溫在上、下限給定值之間時(shí)加熱器部分開(kāi)啟；當(dāng)爐溫超過(guò)上限給定值時(shí)加熱器全關(guān)閉。三位式調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)加熱與保溫的功能。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，這種控溫方法，精度比較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要。改進(jìn)后工控機(jī)運(yùn)行主界面如圖3所示。

五、結(jié)語(yǔ)

該電控系統(tǒng)在2011年11月投入使用，至今運(yùn)行良好，未出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了電耗，杜絕了廢品和返工品，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。該項(xiàng)目的應(yīng)用，為舊式井式電爐溫度控制系統(tǒng)的改造起到了拋磚引玉作用。

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