加热炉炉温控制系统设计与实现

陈晓云

(烟台汽车工程职业学院 交通工程系，山东 烟台 265500)

随着我国科学技术的高速发展，使轧钢生产线对加热炉炉温的控制要求越来越高。在轧钢生产线中，加热炉的能源消耗较高，并且钢质量的优劣主要由加热炉的温度决定。但是传统加热炉的工作效率较低，生产的产品存在不同程度的质量问题，为提升加热炉的工作效率以及产品质量，实现节能减排的目的，本研究提出一种基于PLC控制器的加热炉炉温控制系统设计方案，将该系统应用于轧钢行业，对于轧钢行业具有推进作用。

1 加热炉炉温控制系统总体方案设计

1.1 步进式加热炉的炉温控制

本研究为实现对加热炉炉温的控制，采用步进式加热炉进行实现，并将炉温自动控制分为三个阶段：预热段、供热段以及均热段：

(1)预热段：该阶段主要指的是对加热炉的进料进行升温，通常情况下，当加热炉处于预热段时，炉内温度处于较低状态，为了充分利用加热炉的热量，将其应用于进炉板坯进行预热，从而实现提升加热炉热效率的目的，有利于节约资源。

(2)供热段：该阶段使是加热炉对炉温进行控制的主要加热部分，在持续高温状态下，可使受热体以最快的速度进行升温，最终实现系统设定的目标温度[1]。

(3)均热段：该阶段主要负责在最小的温差范围内，对炉内受热体的截面进行均匀加热。

步进式加热炉为实现对炉内温度的精准控制，主要利用S7-300控制脉冲燃烧技术的作用原理，将该技术作为核心技术。该加热炉的工作原理为：由于不同区域的实际温度均通过热电偶进行检测，热电偶检测完毕后可使该温度形成模拟量，并经过F105模块将实际温度模拟量转换为数字量，最后将该信息传输至S7-300的模拟信号输入端。为使加热炉内的温度可达到设定值，采用对比分析的方式将实际温度与STEP7中的设定温度进行比较。为得到该加热炉的实际控制量数值，通过FB43功能模块对PID进行操控，控制量数值获取成功后，可通过F106转换模型将该数值转换为模拟信号，并将其传输至加热装置，最终实现对温度的控制[2]。

1.2 步进式加热炉的控制模型

本研究为实现对加热炉炉温的控制，对步进式加热炉的控制模型进行设计。该模型的主要设计流程为：首先假设加热炉对温度进行控制时，各阶段之间的相互影响较低，并将该模型等效为一阶惯性环节，其公式为

(1)

式中:K为系统的增益；T为时间常数；τ为滞后时间常数。为获取各函数的数值，向系统增加阶跃信号，此时设阶跃输入u(t)的变化幅值为Δu(t)，若输出y(t)的初始值为y(0)，稳态值为y(∞)，则增益K的公式为

(2)

本研究为确定参数的实际数值，采用绘制阶跃响应曲线的方式进行实现，其实现流程为：首先在阶跃响应曲线的拐点A处作一切线，使其与时间轴相交于B点，与曲线的稳态近线交于A点，通过该方式即可确定参数的数值，阶跃响应曲线如图1所示[3]。

图1 阶跃响应曲线

1.3 炉温控制系统的总体方案

为实现对加热炉炉温的控制，本研究采用西门子PLC S7-300作为该系统的核心，并利用SIMATIC WINCC对加热炉炉温控制系统进行实时监控。该系统的工作流程为：首先利用温度压力传感器对加热炉中的炉温及炉压信号进行采集，将采集成功的数据信息通过变送器实现信号转换，并传送至PLC控制器中，最后通过对比分析的方式，将所得数值与上位机中设定值进行比较，即可获取偏差信号，将该数值分别输出至对应的执行器，以此实现对加热炉温度及压力的控制。该系统中的通信功能主要依靠PROFIBUS DP网络与WINCC监控系统进行实现，通过上层PROFIBUS DP网络与上位机及PLC进行连接，可使上位机和WINCC人机界面对PLC进行操作及控制，而现场的温度、压力等信号均可通过下层PROFIBUS DP与PLC连接，在PLC控制器的整体调控下，有利于对加热炉的炉温进行实时监控，加热炉炉温控制系统总体结构如图2所示[4]。

图2 加热炉炉温控制系统总体结构图

2 基于PLC的加热炉炉温控制系统硬件设计

2.1 检测、转换元件的选择

该系统中采用的传感器主要由敏感元件、转换元件以及转换电路共同组成。其中敏感元件可将测量数据输出，使测量数据与某个已知的被测量数据形成确定关系的元件。转换元件是该传感器的桥梁，通过该元件可将电信号与非电信号进行连接，有利于实现非电信号转变为电信号的目的。转换电路主要分为两种类别：D/A以及A/D转换电路，可将转换元件的输出信号转变为传感器可进行测量的电信号，而传感器的输出信号存在微小的变化，需要利用信号器将其放大、运算、滤波后，方可被使用[5]。

2.2 温度信号的检测

对加热炉的炉温进行控制时，需要控制器具有较强的测量精度及准确性，为保证加热炉温度测量的精准性，应选择正确的温度测量仪器。通常情况下，温度测量方法主要包括两种：非接触式测量以及接触式测量，其中非接触式测量属于一种间接测量方法，该方法只对流或者辐射进行热交换，以此实现对加热炉炉温进行测量的目的。接触式测量属于一种直接测量的方法，该方法内部测温元件以及被测介质存在直接接触现象[6]。

对加热炉温度进行测量时需要使用热电偶，该系统中使用的热电偶具有测量范围广、使用方便、结构简单、测量结果准确以及支持信号远程传输等特点。本研究为提升系统对温度的测量精度，选用热电偶作为该系统的温度检测传感器，使加热炉炉温控制系统可更加真实地反映出温度的变化情况[7]。

为此本研究采用镍铬—镍硅热电偶(K型)作为该系统的温度检测传感器，该热电偶具有成本低、测量范围广、灵敏度高等优势。将该传感器与温度变送器充分结合，可使两点之间的温差转换为4～20 mA的电流信号或者1～5 V的电压信号，利用控制单元以及显示单元等部分实现对温度的操控。其中温度变送器型号为TT320，该型号的变送器具有较大的测温范围以及高精度等特点，有利于系统的快速安装。

2.3 压力信号的检测

在加热炉的正常运转中，压力参数的检测对炉温的控制至关重要，而压力传感器的主要作用为：对加热炉内的压力信号进行检测，将该信号转换为系统可测量的电信号，转换完毕后将该信号输出，并通过相关变化转换为标准信号。对检测压力仪表进行选择时，应遵循两条原则：①若介质存在一定腐蚀性，应选择膜片压力表；②若使用场地存在一定爆炸风险，应选择防爆型电接点压力表[8]。

通过对弹性式压力检测传感器进行分析可知，该传感器可应用于加热炉中进行压力的检测，内部弹性元件的变形位移与压力成正比关系变化。其主要实现方式为：利用压力敏感元件的弹性部件，将压力转换为位移，以此实现对炉压的检测。

在加热炉的压力控制系统中，由于加热炉对自身压力具有明确要求：炉膛压力约为5～20 kPa、煤气管道压力约为35～150 kPa、空气管道压力约为25～130 kPa。因此，本研究采用压力变送器与弹簧管压力充分结合的方式，实现对炉膛压力的检测。其中弹簧管可将自由端的位移转换为电信号后，输出该信号至传感器进行测量，为保证被测压力可得到有效显示，可在该系统中应用传动装置[9]。

2.4 执行器的选择

2.4.1 压力执行器

对压力执行器进行选择时，由于加热炉极易发生煤气爆炸，为最大限度地降低该现象的发生概率，本研究选用气动执行器作为加热炉炉温控制系统的核心压力执行器，该执行器主要包括两种类型：薄膜式以及活塞式，其中薄膜式更适合应用于加热炉的炉温监测。但是该执行器存在不能远程传输的缺陷，为此在该系统中加入电气转换器，使其与气动执行器相互配合，达到降低事故发生概率的目的。其实现流程为：通过气动执行器的执行机构可将电气执行器的气压信号转换为推杆直线位移，实现对被控量的调节。

该系统为更加有效的对压力进行控制，选择具有结构简单、造价不高、适用于大流量气体控制场合等特点的烟道百叶窗，该百叶窗对加热炉压力控制的整体影响较小，可忽略不计。

2.4.2 温度执行器

本研究对加热炉炉温控制系统进行设计时，主要选用脉冲燃烧控制技术作为该系统的核心技术。因此，选用固态继电器作为该系统的温度执行器。该继电器实际上是一种没有可动接点的继电器，主要包括2个控制端以及2个输出端，各部分之间选用光照的方式进行隔离。该方式可将输入控制端输入的直流电及脉冲信号进行数值设定，在信号达到一定数值后，输出端可将断路状态转换为连通状态，具有耐机械冲击、干扰性较小以及安装范围广等优势，并且采用导电率超高的报道提器件作为主要切换装置，有利于保证加热炉炉温控制系统对温度进行精准控制。

3 基于PLC的加热炉炉温控制系统软件设计

3.1 加热炉炉温控制系统程序流程

为保证加热炉炉温控制系统可稳定运行，本研究对软件程序进行设计，其主要工作流程为：首先应启动加热炉炉温控制系统，并按下启动按钮SB2，若加热炉的炉温低于40 ℃，此时加热炉中加热棒处于最大功率状态下工作；若加热炉的炉温处于40～55 ℃，此时加热炉中加热棒处于正常功率状态下输出；若加热炉的炉温处于55～60 ℃，此时加热炉中加热棒的功率降至处于正常功率之下；若加热炉的炉温大于60 ℃，此时加热棒停止对加热炉进行加热。在加热棒停止工作后，应按下SB3，停止加热炉炉温控制系统的正常工作，加热炉炉温控制系统软件程序流程如图3所示[10]。

图3 加热炉炉温控制系统软件程序流程图

3.2 加热炉炉温控制系统监控界面

该系统的监控界面主要由主控、设备、用户等窗口以及实时数据库、运行策略等部分共同组成。为保证该界面的稳定运行，在界面内设置初始工作状态、最小采集周期、串口端口号以及数据校验方式等属性值，并在该程序内建立人机界面，有利于用户通过该系统对数据进行实时监测和处理。在监控界面内主要包括启动、停止以及急停三个按钮，在系统出现紧急情况时，操作者可按下急停按钮，使整个系统处于停止状态，有利于对控制系统进行操控及安全性的保证。并且该监控界面上设有低温指示灯、正常温度指示灯、急停指示灯以及高温报警指示灯等，通过指示灯的设置，有利于用户更加直观地观察到系统的工作情况。

4 结 语

本研究为实现对加热炉炉温的整体控制，提出一种基于PLC控制器的加热炉炉温控制系统，该系统可对加热炉的炉温进行实时监测，并且在系统出现不同运行状态时，可发出相应的信号对操作者进行提示，有利于加热炉炉温控制系统的稳定运行。由于该系统的自动化程度较高，将该系统应用于实际生活中，可为后期维护、扩展功能等提供巨大便利。