基于S7-300PLC的退火爐控制系統(tǒng)設計

周紅芳，王娟娟

(西安交通工程學院 電氣工程學院，陜西 西安 710300)

近年來，隨著航空、醫(yī)學器材等對鋁合金質(zhì)量要求越來越高，因此，對金屬熱處理的要求也越來越高。箱式退火爐用于對鋁板材或鋁卷材進行熱處理的大型熱處理設備，經(jīng)過退火去除內(nèi)部應力，減少工件的硬度，增加塑性，便于進一步加工。本文設計了西門子S7-300PLC作為控制中心，編寫控制精度高的溫度PID控制程序，精度范圍為±5 ℃，實現(xiàn)恒溫控制，組態(tài)西門子上位機軟件WinCC實現(xiàn)溫度實時監(jiān)控。

1 真空退火爐的基本結(jié)構(gòu)

箱式退火爐系統(tǒng)采用電阻帶加熱方式，爐體組成1 500 mm(長)×750 mm(寬)×450 mm(高)。退火爐基本組成包括爐體、進出料臺車、8個加熱區(qū)和冷卻部分。箱式退火爐的基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 退火爐基本組成結(jié)構(gòu)

(1)爐體。爐體由爐門、箱體、加熱元件組成。進出料小車送料時，安全銷拔出，壓緊缸放松，爐門上升到位，送料結(jié)束時，爐門下降到位，安全銷插入，壓緊缸壓緊，退火爐準備加熱。

(2)進出料臺車。進出料臺車由電動機進行驅(qū)動，限位開關(guān)控制臺車在退火爐內(nèi)運動的極限位置。被加熱的鋁材由移動式臺車送料到退火爐內(nèi)，加熱完成后，由臺車送料到爐體外，進行自然冷卻。

(3)加熱部分。加熱元件采用電阻帶加熱，電阻帶在爐體內(nèi)表面均勻分布成8個加熱區(qū)，每個加熱區(qū)的電阻采用星型接法，加熱電阻帶采用PID控制方法，實現(xiàn)恒溫過程。加熱過程分為三個階段，一次加熱設定溫度為800 ℃，加熱時間為90 min，一次加熱時間到，改溫開始二次加熱，設定溫度為600 ℃，加熱時間60 min，二次加熱時間到，停電保溫，保溫時間到，出爐自然冷卻。加熱曲線如圖2所示。

圖2 退火爐加熱曲線

(4)冷卻部分。停電保溫時間到，開始降溫，快速降溫的過程是：往爐體夾層中布置的冷卻水管中通入冷卻水進行降溫，在滿足退火曲線要求的情況下有效地縮短了退火時間。

2 控制系統(tǒng)的硬件設計

退火爐硬件控制系統(tǒng)用S7-300PLC作為控制中心，組態(tài)CPU315-2DP為主站，且站地址為2，組態(tài)從站變頻器MM440，站地址為3，MM440變頻器用來驅(qū)動退火爐的風機，組態(tài)遠程從站ET200M，站地址為4，MM440變頻器、ET200M為標準DP從站。因退火爐距離電磁站較遠，因此選用ET200M作為遠程控制站，組態(tài)接口IM153-1，其中，數(shù)字量輸入模塊控制風機起停、按鈕，爐門上升、下降按鈕，爐門限位。數(shù)字量輸出控制爐門電動機上升、下降，風機運行、停止，壓緊缸壓緊、放松，安全銷插入、拔出。模擬量輸入模塊控制8個加熱區(qū)熱電偶的檢測溫度值。上位機與CPU315-2DP之間通過MPI進行數(shù)據(jù)傳輸，溫度設定值等通過上位機寫入PLC，在上位機上組態(tài)各類電動機按鈕，實現(xiàn)遠程控制?？刂葡到y(tǒng)硬件組成如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成

3 控制系統(tǒng)軟件設計

退火爐溫度控制采用PID控制程序，調(diào)用連續(xù)PID控制器FB41，設置FB41的接口，F(xiàn)B41的運算結(jié)果作為脈沖發(fā)生器FB43的輸入，設置FB43的接口，形成具有固定周期脈沖。脈沖信號觸發(fā)固態(tài)繼電器的通斷，固態(tài)繼電器導通后，將三相電壓接至加熱電阻帶，退火爐開始加熱工作[1]。退火爐的實時溫度值通過熱電偶檢測，作為PID運算的反饋值，與溫度設定值進行比較形成溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.1 連續(xù)PID控制器FB41的設置

退火爐溫度控制系統(tǒng)采用PID閉環(huán)控制原理，F(xiàn)B41功能塊實現(xiàn)閉環(huán)控制，F(xiàn)B41主要參數(shù)設置如下：當退火爐系統(tǒng)風機啟動，生產(chǎn)準備好，溫度沒有超限，則開始生產(chǎn)，即M10.0為1，MAN_ON設置為自動控制方式，退火爐開始自動加熱；溫度設定值寫入上位機，通過MPI傳輸給PLC的MW200 ，作為PID運算SP_INT的輸入值；熱電偶檢測退火爐實際溫度，經(jīng)模擬量輸入模塊A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，存入PIW304，作為PID運算PV_PER的反饋信號，當設定溫度與反饋溫度的差值小于5 ℃時，M20.0為1，PID死區(qū)DEADB_W為1，死區(qū)工作，F(xiàn)B41運算結(jié)果為0；設置比例GAIN系數(shù)、積分時間TI和微分時間TD；PID運算結(jié)果LMN以百分數(shù)的形式輸出，作為FB43的輸入值，形成脈沖[2]。FB41的參數(shù)設置如圖4所示。

圖4 溫度PID控制原理

3.2 脈沖發(fā)生器FB43的設置

FB43為脈沖發(fā)生器，與FB41控制器配合使用形成脈沖寬度調(diào)制的二級PID控制器。FB43的設置如下：FB41運算結(jié)果輸出值LMN作為FB43的INV的輸入值，執(zhí)行FB43將輸入值INV轉(zhuǎn)換為周期恒定的脈沖列；固定周期用PER_TM來設置，且與FB41的采樣周期相同，每個固定周期輸出的脈沖寬度與輸入變量INV成正比，即

脈沖寬度=INV×PER_TM/100

(1)

脈沖寬度通過開關(guān)量QPOS_P輸出單極性脈沖。當實際溫度值小于設定溫度時，F(xiàn)B41的輸出值百分比較大，則FB43形成的脈沖寬度較寬，Q0.0為高電平，固態(tài)繼電器導通，三相電源與退火爐加熱電阻接通；當實際溫度大于等于設定溫度時，F(xiàn)B43的輸出為0，Q0.0為低電平，固態(tài)繼電器關(guān)閉，三相電源與加熱電阻斷開，退火爐停止加熱[3]。

設置最小脈沖時間P_B_TM，當熱電偶檢測的溫度實際值接近設定值或者等于設定值時，PID運算結(jié)果輸出值LMN很小，按式(1)計算出的脈沖寬度小于P_B_TM設置值，將不輸出脈沖，可以減少開關(guān)元件的動作次數(shù)，提高執(zhí)行機構(gòu)的使用壽命。如剛開始解熱時，實際溫度值與設定值相差較大，PID運算結(jié)果LMN的接近于100%，按式(1)計算出的脈沖寬度大于PER_TM與P_B_TM的差值，此時的脈沖寬度等于脈沖周期PER_TM，即連續(xù)輸出脈沖，固態(tài)繼電器連續(xù)導通，加熱電阻持續(xù)加熱，爐溫快速上升，達到調(diào)功的目的[4]。退火爐溫度脈沖控制方式如圖5所示。

圖5 退火爐溫度脈沖控制方式

3.3 K型熱電偶測溫原理

K型熱電偶可以測量0～1 300 ℃的溫度，具有測溫范圍寬大，反映速度快，誤差小等特點。熱電偶是將物體測量點的溫度值轉(zhuǎn)換為電動勢，退火爐在加熱鋁材時，熱電偶的工作端或熱端置于爐體內(nèi)鋁材中間部位，實時檢測退火爐加熱溫度；熱電偶的自由端或冷端，也就是參比點應置于恒溫環(huán)境中，既有空調(diào)的電磁控制站，熱電偶冷端的補償方法采用補償導線法和軟件計算法，編寫PLC控制程序[5]。

因控制室內(nèi)有空調(diào)，所對應溫度T0是常數(shù)，且存儲于DB10.DBW0- DB10.DBW14中，將熱電偶產(chǎn)生的電動勢信號接至模擬量輸入模塊SM331， SM331將模擬量信號電動勢轉(zhuǎn)換為數(shù)字量溫度，則8個區(qū)測量值儲存在PIW304- PIW318中，根據(jù)式(2)：

T=TC+T0

(2)

式中：T為退火爐內(nèi)實際溫度，℃；TC為直接通過熱電偶測得的溫度，℃；T0為電控室環(huán)境溫度，℃。編寫相應的PLC程序?qū)B10.DBW0+PIW304÷10，便可得到1～8區(qū)退火爐內(nèi)測量點實際攝氏溫度。熱電偶溫度采集如圖6所示。

圖6 熱電偶溫度采集

4 CPU315-2DP與變頻器MM440的通信

當退火爐開始加熱時，循環(huán)風機同時開始啟動運行，使爐腔室內(nèi)溫度分布均勻。退火爐由8個加熱區(qū)組成，每2個加熱區(qū)有一臺循環(huán)風機。CPU315-2DP通過PROFIBUS-DP總線控制變頻器MM440，PLC調(diào)用系統(tǒng)功能SFC14與SFC15進行讀寫變頻器通信區(qū)數(shù)據(jù)。風機轉(zhuǎn)速設定值寫入上位機，控制字設置過程為：第0位上升沿啟動，第1位OFF2自由慣性停車，第2位OFF3快速停車，第10位由PLC進行控制，第14位電動機正向運行， 因此控制字設置值為16# 0477，SFC15將設置好的控制字與設定值寫入變頻器通信區(qū)，控制變頻器運行；風機的轉(zhuǎn)速實際值以及當前運行的電流值以及風機的運行狀態(tài)字通過SFC14讀入PLC，顯示在上位機畫面上[6]。變頻器通信控制程序如圖7所示。

圖7 變頻器通信控制程序

5 上位機監(jiān)控畫面

組態(tài)上位機參數(shù)設置畫面(見圖8)，設置退火爐的加熱時間，設置風機的運行轉(zhuǎn)速，退火爐工作設定溫度，及退火爐當前實際檢測溫度，方便工作人員及時查看。組態(tài)控制畫面，遠程控制風機、爐門等的電動機起停。

6 結(jié) 論

針對工業(yè)退火爐恒溫控制，本文設計了西門子S7-300PLC作為控制中心，編寫連續(xù)PID控制程序，實現(xiàn)了溫度恒定，產(chǎn)品質(zhì)量得到極大地提高。設計了三層控制結(jié)構(gòu)，上位層為工控機，中間層為S7-300PLC，下位層為變頻器與風機以及電阻加熱帶。組態(tài)上位機監(jiān)控畫面，實時監(jiān)控退火爐當前溫度，實現(xiàn)PLC執(zhí)行過程的可視化，提高了控制系統(tǒng)的自動化水平。