PLC在箱式热处理电阻炉中控制设计中的应用

箱式热处理电阻炉是金属热处理中应用最为广泛的一种周期式作业炉,其测温控温系统对于保证工件的热处理质量具有重要作用。传统箱式热处理电炉存在主要问题之一是炉温均匀度差,控温精度低,从而造成产品质量问题。控温方式采用位式调节的箱式热处理炉,在教学实验、科学研究和零件热处理中有着广泛的应用,但由于其控温系统相对落后,常常导致温度控制不准确而造成实验数据的不准确或产品缺陷。因此,针对位式调节的箱式热处理炉的温度控制系统进行改造设计,对于提高温控精度、保证产品质量具有十分重要的意义。

1　箱式热处理炉温度控制方案

1.1　热处理炉温度控制系统原理

炉温自动控制是将测温仪表与自动化装置组成一个自动控制系统来实现的。热处理炉温度控制系统原理如图1所示。该系统主要由调节对象(炉温)、检测元件(测温仪表)、调节器和执行器等四个大环节组成,各环节间用带有箭头的线表示相互作用的信号,每一个环节都接收它前面一个环节的作用,同时又对后一环节施加影响,构成负反馈闭环系统。

1.2　炉温测量技术

近年来,随着产品质量要求的提高和工艺复杂性的增大,炉温测量与控制的要求也越来越高。炉温测控技术正在向高精度、智能化、多功能和计算机控制方向发展。为实现对炉温的精确测量,可采用以下技术措施:

图1　热处理炉温度控制系统原理图

1)选择K型热电偶,其测量温度范围为-200~+1200℃,在工业上应用最多,适应氧化性气氛,线性度好,可以充分保证测量精度。

2)为了保证测量结果能充分反映炉内的实际情况,采用适当的测量点数量和位置。

3)为了节省昂贵的热电极金属以及避免热电偶冷端受炉体热辐射等的影响,在热电偶和测温仪表之间用补偿导线连接。

1.3　炉温调节方式

温度自动控制方式有位式调节、准连续式调节和连续式调节三种,其中连续调节方式技术最先进。为了获得精确的炉温调节质量,采用以比例积分微分调节器(简称PID调节器)组成的PID自动控制系统。在热处理中使用带PID调节器的温度指示记录调节仪和与之配套的执行器,可以达到连续调节炉温的目的。这种广泛应用的连续式调节器是具有比例、积分、微分调节规律的PID调节器,其输出信号是按与输入信号成比例(P)、积分(I)、微分(D)的运算规律而动作的,这三种调节规律的作用是:比例调节可产生强大的稳定作用;积分调节可消除静差;微分调节可加速过滤过程,克服因积分作用而引起的滞后,减小超调。只要将这三种规律调节适当,就能获得动作快而又稳定的调节过程,并能保持较高的炉温调节精度。

1.4　炉温控制系统核心硬件

炉温控制系统核心硬件采用可编程控制器(PLC)。PLC具有功能强、使用方便、可靠性高等优点,在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备。PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成, PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务[3]。

在整个炉温控制过程中,由热电偶采集炉温,其

输出形式是模拟量,而PLC处理的是数字量,因此需要一个特殊功能模块实现将采集到的模拟信号转换成与温度成比例的数字量。当PLC进行PID控制时向执行器输出运算结果,也就是控制量,而这个控制量是数字量,执行器所要求的信号是模拟量,所以还需要一个特殊功能模块将PLC输出的数字量转换为模拟量输入到执行器,进而对炉温进行控制。因此,箱式热处理炉温度控制方案为:利用热电

偶检测炉温; PLC的特殊功能模块1将热电偶采集到的温度模拟量转化为数字量送PLC的CPU与设定值对比; PLC进行PID运算得出控制量; PLC的特殊功能模块2将控制量由数字量转化为模拟量送加热器,从而实现对炉温的控制。

2　热处理炉温度控制系统硬件设计

2.1　确定控制系统输入输出(I/O)信号点数

1)输入信号点数

炉温控制系统的启动、风扇的手动开启和关闭、急停开关,各需点动按钮一个。因此,共需开关量输入4点。

2)输出信号点数

控制风扇电机运转的交流接触器1个,指示加

热、降温、保温和报警的指示灯各1个。因此,共需开关量输出5点。

2.2　模拟量输入、输出特殊功能模块

1)模拟量输入模块的选择与连接

本系统使用热电偶来测量炉温,为减少硬件设备数量并简化硬件接线,选用可以与热电偶直接相连而不需要温度变送器的模拟量输入特殊功能模

块。在三菱FX2N系列PLC的特殊功能模块中, FX2N-4AD-TC为12位4通道模块,它可以直接与热电偶相连,其综合精度为0. 5%,转换速度为240ms/通

道。选用此特殊功能模块作为模拟量输入模块,在程序中占用8个I/O点。模拟量输入端的接线方式如图2所示。

2)模拟量输出模块的选择与连接

模拟量输出模块所要控制的是加热器,考虑到系统的扩展,选用三菱FX2N系列PLC的FX2N-4DA

模拟量输出特殊功能模块。FX2N-4DA有12位4通道,输出量程为DC -10~+10V和4~20mA,转换速度为4ms/通道,在程序中占用8个I/O点。模拟电路和数字电路间有光隔离。模拟量输出端的接线方式如图3所示。

2.3　热电偶的选择及补偿线连接

设计中考虑到系统扩展和其它高温热处理的要求,选择K型热电偶。K型热电偶的测量温度范围为-200~+1200℃,在工业应用最多,适应氧化性气氛,线性度好[4]。K型热电偶必须采用K型热电偶用的补偿导线,热电偶与补偿导线接线如图4所示,图中1为热电偶, 2为测温结点, 3为补偿结点, 4

为基准结点,⑤为补偿导线。

2.4　PLC选型及连接设计

根据开关量输入4点,开关量输出5点,模拟量

输入模块FX2N-4AD-TC和模拟量输出模块FX2N-4DA各占用8点I/O量,因此总的I/O点数为25点,考虑到I/O留10%的余量,所以应选开关量输入

16点,开关量输出16点的PLC。因此,确定采用FX2N-32MR-001继电器输出型PLC,该型PLC使用AC电源,DC 24V输入,可以同时给两个特殊功能模块提供电源。PLC与输入、输出设备之间的接线

图如图5所示。

图2　FX2N-4AD-TC模拟量输入模块接线图

图3　FX2N-4AD-TC模拟量输出模块接线图

图4　热电偶与补偿导线接线图

图5　PLC与输入、输出设备之间的接线图

根据温度控制系统的功能,建立PLC温度控制系统输入/输出地址分配如表1所示。

3　热处理炉温度控制程序设计及仿真

热处理炉温度控制程序设计是与具体的热处理 工艺密切相关的[5]。现以小型箱式炉对45钢零件进行等温球化退火热处理工艺(如图6)为例,说明

热处理炉温度控制程序设计及其仿真。

图6　45钢等温球化退火工艺曲线

3.1　PID参数的确定

为了实现对炉温的PID控制,必须确定PID参数。由于炉温控制传递函数无法确定,故PID的参数只能根据经验来选取。PID指令的数据堆栈如表

2所示。

3.2　炉温控制系统SFC状态功能图及梯形图

程序设计

SFC功能图设计方法是设计电器控制系统的重要方法,能够描述控制系统的工作过程[6]、[7]。本文设计的热处理炉温度控制系统的SFC状态功能图设计主要包括以下几个部分:

1)PID参数写入功能图设计。

2)特殊功能模块设置及系统急停状态功能图设计。

3)45钢等温球化退火热处理工艺第一阶段程序功能图设计。

4)45钢等温球化退火热处理工艺第二阶段程序功能图设计。根据SFC状态功能图,可编制出热处理炉温度控制系统的梯形图程序。限于篇幅,此处从略。

3.3　炉温控制系统程序调试与仿真

1)调试软件

MELSOFT系列的GX Developer软件是专门用来进行三菱系列PLC编程、调试、诊断和仿真的,所以选用GX Developer结合GX Simulator对温度控制程序进行仿真调试。GX Developer具有制作程序、对可编程控制器CPU的写入/读出、监视、调试和PC诊断等功能。

2)温度控制系统的调试

由于控制系统涉及到两个模拟量输入、输出殊功能模块,有温度的测量和模拟量的输出。但是,在软件中没有特殊功能模块的设置。因此,在调试过程中,将存放温度测量值的数据寄存器D201强制设置温度数据以调试系统运行状态。调试主要过程

如下:

①将程序指令输入调试软件环境中。

②软元件登录。

③系统初始化。

④PID运算。

⑤热处理工艺第一阶段(开始保温计时)程序调

试见图7。

⑥第一阶段加热保温完成后进行炉冷。

⑦热处理工艺第二阶段(开始保温计时)程序调

试见图8。

⑧保温完成后开始炉冷。

⑨第二阶段炉冷结束,所有工作状态复位。工

件出炉,热处理工艺结束。

⑩监视急停状态程序调试见图9。

对热处理炉温度控制程序之调试与仿真的结果

表明:控制程序是正确的,能满足热处理工艺的要

求。

图7　急停状态调试

图8　热处理工艺第二阶段

4　结语

设计便捷、可靠、高精度的温度控制系统是改造老式热处理炉和设计新型热处理炉的重要内容。本文提出了基于PLC为核心硬件的热处理炉温度控制系统设计的总体方案,完成了热处理炉温度控制系统的硬件设计和程序设计。以对45钢零件进行等温球化退火处理为例,说明箱式热处理电阻炉温度控制系统的具体应用。控制程序仿真的结果表明,热处理炉温度控制系统的设计是成功的。

图9　急停状态调试