压力容器退火炉温度控制的分析与优化

杨伟强

摘要：通过对压力容器退火炉的温度进行合理的调控，有助于获得优良的热处理产品。针对当前退火炉的温度控制系统存在控制精度低、控制波动大等不足，提出了压力容器退火炉温度控制分析与优化的研究。通过研究压力容器退火炉的工作过程，明确控制对象，根据控制对象对温度控制系统的整体架构进行设计。以STM32F101R8单片机作为主控器对硬件电路进行实现，以达林算法作为控制策略对控制量进行计算，从而完成温度的控制。实验结果表明，该方法对压力容器退火炉的温度控制效果较好，为实现压力容器退火炉温度控制的优化提供了有效参考。

关键词：压力容器退火炉;温度控制系统;STM32F101R8;达林算法;温度控制

中图分类号：TG155.1文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2020）02-0040-04

Abstract： Reasonable temperature control of pressure vessel annealing furnace is helpful to obtain excellent heat treatment products. In view of the shortcomings of the current annealing furnace temperature control system， such as low control accuracy and large control fluctuation， the analysis and optimization of temperature control of pressure vessel annealing furnace was presented in this paper. By studying the working process of pressure vessel annealing furnace， the control objects was clearly defined. According to the control object， the overall structure of the temperature control system was designed. The hardware circuit was realized with STM32F101R8 MCU as the main controller， and the control quantity was calculated with Darling algorithm as the control strategy， so as to complete the temperature control. The experimental results show that the method has a good effect on temperature control of pressure vessel annealing furnace， which provides an effective reference for optimizing temperature control of pressure vessel annealing furnace.

Keywords：pressure vessel annealing furnace; temperature control system; STM32F101R8; dalin algorithm; temperature control

退火爐是一种热交换设备，可以对热处理的金属材料进行退火[1-2]。在热处理过程中，退火炉的温度控制尤为重要。温度过高将导致金属晶粒粗壮化，造成金属材料在机械等方面的性能下降[3]。温度过低则不能消除分子间的应力，导致金属材料出现易于老化等不良现象[4]。近年来，为了实现对退火炉的温度进行合理的控制，人们对退火炉温度控制的方法进行了大量的研究。李硕等[5]提出了一种基于PLC（Programmable Logic Controller， 可编程逻辑控制器）的退火炉温度控制系统，通过对退火工艺过程进行分析，明确了退火过程中对温度的控制要求，对退火炉温度进行控制，但PLC控制精度不够高、控制速度不够快，会出现控制准确度不佳、控制效率不高的现象。刘建新等[6]从控制策略的角度出发，通过对PI算法进行研究，设计了模糊-PI控制器下的温度控制策略，稳定性高、鲁棒性好，但对温度的调控精度还需要进一步改善。

对此，本文通过对压力容器退火炉的工作机理进行分析，明确控制对象以及控制要求，根据控制目的设计了温度控制系统的整体架构。选取STM32处理器作为主控器，联合达林算法作为系统的控制策略，实现了温度控制。

1 压力容器退火炉工作机理分析

退火包括了升温、保温、冷却3个温度控制阶段，其示意图如图1所示[7]。

压力容器退火炉工作时将根据处理材料的工艺要求对温度进行控制。压力容器退火炉是一个较为复杂的控制对象，其数学模型可表述为[8]：

压力容器退火炉可被视为一个纯电阻性质的负载，与普通退火炉的区别是，其有惯性及非线性，因此对其温度控制系统需要更高的要求[9]。通过对流过其电流信号的大小进行调控，使得退火炉的实时工作功率得到控制，进而实现对退火炉的温度进行调控。

2 温度控制系统整体架构设计

通过对压力容器退火炉的工作机理进行分析可知，在对压力容器退火炉温度进行调控的时候，不仅要求控制精度要高，而且还要求控制要平稳且快速。通过对流过其电流信号的大小进行控制，从而对退火炉的加热功率进行调节，进而实现温度控制。因此，采用STM32F101R8单片机作为主控器设计了压力容器退火炉温度控制系统，该温度控制系统的整体架构设计图如图2所示。系统以达林算法作为控制策略，以监测的实时温度信号为依据，通过执行单元控制流经退火炉的电流大小，从而实现对其温度的控制。

3 温度控制系统硬件电路

温度控制系统硬件原理框图如图3所示。用户设定好温度工艺参数后，主控器将接收经过调理电路处理后的监测到的温度信号，启动控制策略，获取控制信号。然后，主控器以控制量为导向，对执行单元中晶闸管的导通角度进行控制，从而控制流经调功器的电流信号大小，进而实现对功率的调节，达到对退火炉温度控制的目的。

由图3可知，硬件电路主要由人机交互接口平台、主控器模块、温度监测模块、执行单元模块组成。人机交互接口平台采用了中显科技的工控屏，用户可以设定工艺参数并查看当前温度控制状态，同时配备了急停按键以及报警喇叭。主控器采用STM32F101R8，能够快速精确地进行数据计算以及信号调控。在温度监测部分，选用WRN-220热电偶作为温度传感器，该热电偶具有高灵敏度、强稳定性等特点，能够对退火炉的温度进行快速准确的监测。在执行单元，选用Q8025L6型大功率晶闸管作为调控器件。

4 温度控制系统控制策略

从退火炉温度控制的数学模型式（1）可见，其为一个带有滞后的惯性环节。为了实现对温度进行准确快速的调控，采用达林算法作为本文温度控制系统的控制策略。

5 仿真分析

仿真实验环境为：Lenovo，Intel Core-I5，3.3 GHz处理器，500 GB硬盘，操作系统为Windows XP。并將文献[13]中的温度控制方法作为对照组。实验中设定温度目标曲线，然后利用本文方法以及对照组方法对目标曲线进行跟踪，形成跟踪轨迹。通过对跟踪轨迹的跟踪效果进行分析，以对不同方法的控制性能进行分析。

图4和图5展示了本文方法与文献[13]方法的测试结果。从测试结果发现，在对目标曲线进行跟踪时，本文方法的跟踪轨迹相对于对照组方法的跟踪轨迹更接近于目标曲线，而且跟踪过程中波动较对照组方法更小。说明本文方法能对温度进行精准、快速、平稳的控制，能对压力容器退火炉的温度控制进行优化。

压力容器退火炉使用时的实测温度曲线如图6所示，实测时升温的最高温度设定为600 ℃。

通过对炉1和炉2的实测温度进行对比可见，2个炉温的差异较小，各炉温间的温度都较为接近，温度范围也较为合理。2个炉温的最高温度与设定的600 ℃都较为接近，各炉温都没有出现较为严重的超调现象，也没有较大的波动情况，炉温相对较为稳定而且准确。2个炉的炉温变化过程也符合要求，各炉温的调节过程基本一致，温度变化差异度较小。说明本文方法的温度控制性能较好。

6 小结

本文设计的温度控制系统具有以下特点：

1）采用高速、稳定的STM处理器作为核心，搭建了控制电路;

2）利用简单易实现、控制精度高的达林算法作为控制策略;

3）通过对整个温度控制系统的性能进行实验测试，表明了本文温度控制系统具有对温度进行精准、快速调控的特点。

参考文献：

[1]王彦华，贾祥才.热处理工艺对低合金钢组织和性能的影响[J].铸造技术， 2013，34（4）：429-431.

[2]黄斌.中碳钢亚温淬火热处理工艺研究[J].铸造技术，2013，34（8）：994-996.

[3]于谨， 李晓峰. 基于T-S模型模糊神经网络预测的退火炉温度控制[J]. 沈阳建筑大学学报（自然科学版）， 2014（1）：181-186.

[4]郭雯，金蒙蒙，袁宁.基于模糊PID的退火炉温度控制研究[J]. 辽宁化工，2014，43（6）：801-804.

[5]李硕，李鹏阳.基于PLC的退火炉温度控制系统[J].计算机工程，2010，36（5）：245-247.

[6]刘建新，李小颖，李平.退火炉温度模糊PI控制器的设计与仿真[J].计算机技术与发展，2012，22（11）：190-192.

[7]游忠瑛.解决真空退火炉工艺参数与MES系统数据传输问题的措施[J]. 新疆有色金属，2016，40（6）：97-98.

[8]赵云飞.全氢罩式退火炉工艺设备及工程化特点[J].山东工业技术，2014，32（17）：36.

[9]梁满朝，伍玉霞.基于ANSYS Workbench退火机退火炉的结构优化[J].大众科技，2014，16（12）：61-64.

[10]曹满婷，张秀玲.达林算法的应用研究[J]. 自动化技术与应用，2001，23（2）：5-6.

[11]张银君.催青室温度控制器的设计与仿真[J].铸造技术，2012，37（12）：27-28.

[12]金光龙，李英俊，郝金莹，等.真空冷冻干燥设备中达林算法的应用[J].延边大学学报（自然科学版），2006，32（1）：51-54.

[13]萧育青，鲁军生，崔亮，等.球墨铸铁管连续式退火炉温度控制[J].铸造技术，2011，32（10）：1413-1416.