感应加热炉温度控制系统研究

宋云涛

摘要：针对在稀有金属加工过程中，根据感应加热炉的工艺特点及温度控制的要求，提出了基于智能算法控制和功率智能调节的双闭环温度控制策略，通过WINCC软件平台实现加热过程的实时监控和数据处理。生产运行表明：系统实现了感应加热炉温度高精度和均温性的要求，对提高稀有金属材料的性能具有重要意义。

关键词：感应加热炉；温度控制；均温性；WINCC

中图分类号：TP135 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）23-0226-02

近些年来，随着航空、航天、航海、核电、高铁等国家战略制工业的发展，对钛、锆、钼等稀有金属材料的技术性能要求极高。感应加热是稀有金属材料生产中的重要工艺过程，严格控制多感应加热炉炉室温度的准确度与均温性，对提高钛、锆等稀有金属的技术性能具有重要的意义。

在钛及其他稀有金属挤压成型工艺生产过程中，感应加热炉温度控制对挤压成品率及材料质量极其重要。本文某稀有金属加工企业挤压机配套多感应加热炉炉温控制系统为背景，结合钛、锆等稀有金属感应加热对控温精度及炉室均温性控制的要求，引进红外测温技术，采用智能控制算法，使用智能温控仪表，介绍多感应加热炉系统的测温、控温、示温及数据处理等温度过程控制。感应加热炉温度控制系统的实现，不仅提高温度控制的精度，满足控温要求，提升钛棒的成品率，而且为炉温控制系统的工程实践提供了思路，并具有一定的指导意义。

1 温度控制系统概况

本文针对感应加热炉温度控制系统进行研究，整个系统主要包括智能温度控制器单元，感应加热电源单元，炉温检测单元等组成。温度控制系统的装置图如图1所示：

1）感应加热电源单元：感应加热包括电磁感应和热传导过程感应加热电源主要向感应加热炉的线圈提供足够的能量，通过控制电源的输出，来控制能量的输出，来满足钛棒加热到目标温度所需的能量。

2）炉温检测单元：感应加热炉温度的检测过程，其主要检测对感应加热过程中工件表面所能承受的最大温度，选用红外测温仪进行检测；在感应加热过程中，炉体的目标点温度采用热电偶进行多点均温标定，当温度达到该目标点温度时，就认为热加工效果达到了。

3）温度控制器单元：智能温度控制器主要实现对于感应加热炉温度数据的处理。通过温度传感器采集到的显示温度和根据工艺参数所设定的温度进行比较获得偏差，智能控制算法根据模型参数对偏差数据进行一系列的处理，输出结果进入下一控制单元，以此来满足感应加热炉控温精度的要求。

2 温度控制系统的策略及实现

稀有金属加工企业挤压机配套6台感应加热炉系统，主要是为了进行钛材的前期热加工处理，以利于后面工件的挤压成型工艺。在稀有金属挤压生产过程中，多感应加热炉温度控制精度和均温性对挤压材料成品率及技术性能十分重要。该温度控制系统采用双闭环控制原理，调功器温度控制为内闭环，进行功率调节；智能算法温度控制为外闭环，进行温度调节。感应加热温度双闭环控制原理图如图2所示。

感应加热过程中，电源输出功率的大小及加热时间的长短决定着工件的温度分布情况，而温度分布情况又决定着工件热处理的效果。通过智能温控仪表单元和电源调功器单元组成的双闭环控制回路，可以实现炉体温度的高精度和均温性控制。

2 1 功率闭环控制

根据工件热处理的工艺要求，整个感应加热过程可分为两个阶段：温升阶段和均热阶段。针对加热过程中的两个阶段，电源功率输出是调功器根据智能温控仪表通过控制算法计算输出的结果作为输入，在经过基于DSP的数字PID控制方法来确定的。

加热阶段，电源以额定功率进行输出，在此阶段不进行闭环控制，目的是实现加热工件表面的快速升温，从常温升至表面承受的最大温度附近。均热阶段，考虑感应加热炉温度场的复杂性及温度导的滞后性，调节感应电源的供电功率。当工件表面温度高于要求温度时，取数字PID比例系数为0.30来降低电源的输出功率，当低于最大承受温度一定范围时，取数字PID比例系数为0.30来提高电源输出功率，根据温度控制仪表的实际输出调节数字PID积分系数。当温度达到工艺要求的目标温度时，均热阶段结束。

2.2 多段温闭环控制

根据工件热加工的工艺要求，为了提高锭料感应加热质量，降低坯锭表面和坯锭芯部的温度差，故采用不同的感应加热规范或多段温控的工艺曲线来确定控制策略。红外测温传感器将采集到的坯料表面实时温度，经过A/D转换传输到控制软件中，与设定的最佳工艺曲线进行比较求得偏差，考虑一定的温度裕量和温度惯性，通过温度控制模型计算及误差修正，在经过D/A转换后，进行控制输出。

根据钛及钛金属的材料特性和感应加热的热传导过程，按最佳工艺进行升温一均温一保温优化后的热加工工艺曲线可以拟合达到工业控制要求的温度曲线。在感应加热过程中，温度和功率构成的双闭环温度控制系统，减少了调节时间和动态误差，满足感应加热的温度要求，将工件表面温度稳定在785℃左右。此时，系统不仅向工件内部提供了稳定的热源，而且可以进行良好的导热传热，最终实现工件的稳定加热。

3 炉温数据处理及分析

该系统的上位处理界面采用西门子公司的WINCC界面处理软件，对6台炉子温度的数据进行保存，在线显示，处理，分析等作用，实现多炉群全过程温度实时控制。感应加热炉温度控制软件平台如图3所示。

WINCC开发的感应加热炉设备参数显示界面，创建温度测量的实时数据库，实时记录观测对象的参数数值，数据归档和保存；创建参数的实时趋势曲线，感应加热炉温度的实时趋势曲线可以在WINCC上进行显示，并跟踪温度的变化趋势，形成过程控制；通过对实时趋势曲线与设定曲线的对比，进行工艺参数解释；WINCC软件可以将温度数据以Excel表格形式导出，供技术人员进行工艺分析。

4 结论

该感应加热温度控制系统投入运行后，实现了温度精确度和感应炉的均温性的工艺要求，各项性能指标有较大提高，不仅提高了系统的可靠性和抗干扰能力，而且减少了调节时间和动态误差。该系统对强化材料技术性能、提高挤压材料的成品率等有显著效果。

参考文献：

[1] 张乃禄，任源.稀有金属感应加热炉微机群控系统[J].稀有金属材料与工程，1994，23（4）.

[2] 潘宇.轧钢厂加热炉温度控制系统研究[D].安徽理工大学，2014.

[3] 张乃禄，李鑫.大型板材真空退火炉多温区均温性控制研究[J].真空，2010，47（5）.