卧式真空炉计算机自动控温研制

摘要：本文介绍了以单片机为核心的智能温度控制器和监控上位计算机组成的DCS系统在卧式真空炉炉温自动控制改造中的应用，给出其软硬件的设计原理和实现方法，以及改造中的技术难点与处理措施。 关键词：DCS系统；PID控制；噪声屏蔽；比较及配比运算 GUAN Ming Liang,REN Xiao Hong (ZiGong Cemented Carbide Corporation .LTD. ZiGong SiChuan China 643011 minglian@zg163.net) Abstract: This text introduce taking one-chip computer as the core intellectual temperature controller and DCS system which is made up of upper level monitering computer applys to the temperature controlling transform of the horizontal vacuum furnace automatically, provide the design principle of its software and hardware and implementation method , and the technological difficult point and dealing with the measure while transforming . Keywords:DCS system;PID control;Noise shielding;Compare and matching operation 1 前言 自硬公司刀片分厂K88—IIA型卧式真空烧结炉系93年由中南工大粉冶设备公司为其设计的自动炉温控制系统。限于当时的设备技术条件，主机采用286兼容微机配合该公司自行研制的A/D、D/A板组成的超小型自控装置，无硬盘。该系统使用至今目前存在以下一些严重缺陷∶ 1.1主机使用年限过长，到了老化故障期，故障频发，软驱、彩显已无法正常使用； 1.2因无可更换的零配件，一旦系统故障将无法修复； 1.3系统软件存在严重的”Y2K”问题； 1.4操作繁琐，无中文提示，每一带炉温的曲线要多次重复输入，无中文提示，无法实现打印、控制、记录的协同操作； 1.5真空度控制、报警功能均已失效； 1.6系统抗干扰能力差，经常死机。 1.7炉体第二带的温度始终比一、三带高出一定的数值，无法矫正。 为提高产品质量和市场竞争力，严格工艺管理，必须整体淘汰原控制系统，代之以新型的流行工控机配合标准的组态软件及多输入输出温度智能控制器，实现符合工艺要求和升温特性的炉温自动控制 2 系统设计 2.1控制系统硬件设计 根据工艺技术要求及可靠性、经济、简便的原则，系统的控制方案见图1∶ 2.2根据控制系统待采集的模拟量和I/O量的量程及极性，确定温度变送器的选型和配套的过程控制器输入采集方式，如下所示∶ 输入输出信号定义及量程范围: 2.2.1模拟量输入： 2.2.1.1炉温：0―1600℃ 测温元件：B型双铂铑热电偶 温度变送器输出：0―5VDC，共3路 2.2.1.2真空度： 量程：100―105Pa 输出信号：0―5VDC/1KΩ 2.2.2开关量输入： 2.2.2.1启动按钮：三带温度控制器同时启动运行。 2.2.2.2停电恢复按钮：当控制器掉电后，重新启动未完成的程序。 2.2.2.3工艺复原按钮：清除当前运行的工艺曲线，程序回到初始未投运状态。 2.2.2.4冷却水流量检测开关： 如冷却水检测开关为”OFF”状态，计算机给出报警信息，同时暂停程序的执行，将输出完全关断。待故障处理完成后重新按”停电恢复”继续执行未完成的程序。 2.2.3开关量输出： 2.2.3.1电铃：1路，220VAC；继电器控制。 2.2.3.2炉温报警信号灯：1路，红色，24VDC。 2.2.3.3自动状态指示灯∶1路，24VDC。 2.2.3.4手动状态指示灯∶1路，24VDC。 2.2.3.5真空度上限报警指示灯∶1路，24VDC。 2.2.3.6工艺复原指示灯∶1路，24VDC。 2.2.3.7保温指示灯∶1路，24VDC。 2.2.3.7缺水报警指示灯∶1路，24VDC。 2.2.4模拟量输出： 共3路：0―10mADC; 输出至ZK-200可控硅调压器作过零触发的外部输入信号。 2.3按以上要求设计出的温度过程控制器原理框图如图2所示： 2.4上位机软件设计 真空烧结炉计算机控制系统管理软件运行于PWindows9X平台，操作界面直观、友善、方便。只需轻点鼠标，就可完成对真空烧结炉控制器的管理和操作。 上位机软件主要实现以下功能： 2.4.1实时显示各真空炉控制器的工况参数表、运行曲线，各真空炉控制器的运行状况一目了然。 2.4.2实时监测各真空炉的运行参数，参数异常时，自动切换到报警画面。历史报警记录保存在计算机上，可供事后的查询、打印。 2.4.3提供历史运行曲线的查询、打印功能。 2.4.4实时棒图、流程图形象直观地显示真空炉当前的运行参数。 2.4.5在线读取、修改真空炉控制器的运行曲线。工艺曲线可保存在计算机中，免去日后的烦琐录入。 2.4.6在线读取、修改真空炉阀门开度等运行参数。 2.4.7权限管理提供两极密码保护功能，防止无关人员使用相关功能。 2.4.8软件提供有数据库维护功能。 上位机软件流程图如图3所示： 2.5温度控制器软件设计 温度控制器软件采用8031单片机宏汇编语言编程，调用标准的PID模块及各种功能函数模块 其软件控制流程图见图4。 3 技术难点及解决方案 3.1原系统热电偶的引线采用非屏蔽电缆。在本次改造中，最初仍沿用原电缆。但实际使用中发现检测的温度信号总在大幅度漂移波动，开始未能找到原因，以为是模块化温度变送器不稳定，抗干扰能力差的缘故。但后来经用福禄克192型数字示波器在模块化温变的热电偶输入端检查后才发现加到热电偶上的干扰信号就达±4mv(B型热电偶的最大输入信号才10mv左右)，干扰信号已经达到了测量信号满量程的40%，这样的热电偶采样引线显然是无法使用的。后经改用四芯屏蔽电缆作为热电偶的引线(B型热电偶不用补偿导线)接到温变的输入端就解决了该问题。 3.2原设计为三带温度分别控制，相互间没有什么联系。但在实际使用中发现，由于热电偶安装的纵向位置不能完全保证一致，导致一~~三带的温度不可能完全一致，中间那一带(二带)的温度始终比一、三带高10℃左右。且即使中间那带不加热仍然高一个固定的温度。经打开炉体作仔细检查，才发现上述原因。考虑到这三带温度具有强耦合关系，必须采用某种算法退耦才能解决三带温度不一致的问题。后通过修改温度过程控制器程序，加入了比较及配比运算，才解决了该难题。 具体作法是∶ 在投入自动后计算机就一直检测一～三带的炉温是否一致。在1000℃以下时，当发现二带的温度高于一、三带中的任何一带温度时，二带立即停止加热，直到一、三带的温度都高于二带时，二带才恢复PID调节；而当温度高于1000℃时，一～三带均采用PID调节，这样才能保证炉温能升到预定值同时三带温度均匀一致。 4 研制结论及推广应用方案 4.1以监控管理计算机配合过程控制器组成的两级分布式DCS系统完全符合真空烧结炉的实际情况，能有效地控制炉温及处理各种异常情况，并具有可靠性高，控制精度高，控制风险分散，操作简便，投资少，维护方便等多项优点。 4.2小型模块化测温明显优于传统的温度变送器测温，具有体积小、功耗低、精度高、响应快、重现性好等多项优点，是自硬公司其他温度测量装置的理想升级换代品。 4.3计算机自动控温烧结的产品化学指标与传统控温相同，且磁力分布更均匀，能够完全满足公司旧式真空烧结炉的改造需求。 4.4由于自硬公司许多刀片产品都须经真空烧结，真空烧结炉较多；本次刀片分厂真空炉计算机自动控温改造的成功，其控制方案完全可以推广应用到其他高低温烧结炉上(现已推广应用至耐磨零件分厂的专线真空烧结炉上并取得较好效果)，仅稍作控制盘的布局修改及按钮定义即可。特别是对一些温度控制范围要求严格，工作环境恶劣，干扰因素较多的场合，应用计算机自动控温对传统的模拟仪表控温进行改造，更具有投资少，见效快，效益高，产品市场竞争力增强等诸多优点。 参考文献 [1]孙涵芳，徐爱卿. MCS-51/96系列单片机的原理与应用[M]。北京：北京航空航天大学出版社，1988年。