虚拟仪器技术在退火炉温控系统中的应用
2008/1/14 13:55:00
摘 要： 介绍了虚拟仪器的概念及其软件开发平台Labview的功能与特点。运用Labview开发实现球墨铸管退火炉各段炉温自动控制的虚拟仪器，阐明了该虚拟仪器的硬件、软件设计原理及其应用。
关键词： Labview 温控系统 虚拟仪器
Application of Virtual Instrument in Temperature Control System
for Annealing Furnace
Han ShuJun ,Cui JunJie
( Anyang Iron & Steel Group Co. Ltd.)
ABSTRACT: This paper discusses concept of virtual instrument and function and characteristic of software. And it provides hardware, software and application of temperature-control of all sectors for annealing furnace automatically.
KEY WORDS: Labview, Temperature control system, Virtual instrument
我国球墨铸管生产起步于20世纪80年代后期，球墨铸管由于壁薄，较之连铸灰铁管可节省金属53%左右，抗拉强度、延伸率与钢管接近，而耐用腐蚀性大大优于普通钢管。因此，国际上广泛将其应用于输水、石油、天燃气等输送工程，有较好的发展前景，现在国内外大多采用冷模法生产球墨铸管。冷模法生产的毛管硬而脆，必须进行高温（>920℃）退火处理，以促进共晶渗碳体分解，形成以铁素体为主体，含少量珠光体的组织，才能具有较高的延伸率，从而使球墨铸铁管的机械性能达到国际标准。
目前，球墨铸铁管退火处理设备有多种型式，永通铸管公司采用60米长的卧式连续式退火炉，分为四个阶段进行退火处理，即经高温石墨化退火后，冷却至共析温度（750℃左右）再保温，以消除珠光体。所以整个退火曲线形成四段，分别为加热段、保温段、快冷段、缓冷段，图1为国内外一些铸管生产常用的退火曲线。
图1 离心球墨铸铁管退火曲线
温度控制系统主要完成各阶段对高炉煤气、空气的燃烧控制，对控制参数进行测量、显示和调节。我公司的退火炉温控系统主要完成对各段煤气、空气流量，温度，炉内压力的检测与调节。由于铸管连续退火工艺较复杂，特别是温度控制，对于不同产品，不同区段，退火温度和时间要求不同，需要及时人工或自动调节，误差要求在±20℃以内。很显然采用传统仪表控制，仪表的数量和系统将是庞大的，且易出故障，维护工作量大。公司本着经济实用的原则,大胆采用自动化过程控制的新技术LABVIEW为平台的数据采集温度测控系统，以满足铸管生产的更高的要求。
1 虚拟仪器及Labview
虚拟仪器的概念是美国NI公司(National Instrument)在20世纪80年代中期提出来的。所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点：对测试量的处理和计算可更复杂且处理速度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，可以方便地存储和交换测试数据，价格低，技术更新快。其最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了软件就是仪器的设计思想。
虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。其中最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的Labview(laboratory virtual instrument engineering workbench即实验室虚拟仪器工作平台)。它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统，它的目标就是简化程序的开发工作，提高编程效率，让科学家和工程技术人员充分利用计算机的资源和强大功能，快速简捷地完成自己的工作任务，它被称为科学家与工程师的语言。Labview使用了所见即所得的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。Labview提供了多种强有力的工具箱和函数库，并集成了很多仪器硬件库。Labview具有可移植性，支持多种操作系统，在任何一个平台上开发的Labview应用程序可直接移植到其它平台上。
2 退火炉温控系统的虚拟仪器的建立及应用
2.1仪表检测优化设计
高炉煤气流量的检测通常采用孔板进行检测，经过两年的应用发现孔板在高炉煤气流量的检测中的缺点越来越明显了，不能满足退火炉生产的工艺要求，由于高炉煤气成分的复杂性导致孔板和导压管被堵塞，检测的精度大打拆扣，维护量也急剧上升。为此选用新一代专利产品智能靶式流量计，它具备孔板的所有优点，传感器不与介质接触，通过力学杆杠原理测量煤气的流速，易粘易腐介质不影响测量性能，可大大提高流量检测的可靠性和精确度。
温度检测将K型热电偶改为S型热电偶，使其检测温度可达1300℃，大大提高了热电偶的使用寿命。
缓冷段原来由鼓风机直接向缓冷一段和二段鼓风，风量大小通过调节鼓风管道上执行器调节阀门开度来调节的，在实际生产中常因为电机发热而烧毁，两台GT50型执行器维护量也逐渐上升。为此经认真分析原因和技术分析决定采用变频器直接驱动鼓风电机调节风量的大小，这样不仅可节能电能消耗，而且减少了调节阀的维护量。
2.2 虚拟仪器软件设计
软件设计由两部分组成：前面板和流程图。在前面板，输入用输入控件(Control)来实现，程序运行的结果由输出控件(Indicator)来完成。流程图是完成程序功能的图形化源代码，通过它对信号数据的输入和输出进行指定，完成对信号采集及分析处理功能的控制。采用Labview8.0开发的虚拟仪器，可以同时对退火曲线的各个加热区的温度、压力、流量等进行实时检测。面板中间具有4个数值显示窗口和4个图形显示窗口，分别显示数据。为了准确读取数据，设计两种读取方式：用鼠标读取；在显示屏上放一个游标，利用键盘控制。系统设置采样点数，采样频率等。通道选择按钮表示内存通道，与读数通道相对应，每个通道都可以放一组由外设端口或从数据文件中读出的原始信号数据。存储数据命令按钮与显示屏相对应，按下它就表示要把显示屏上的数据存储起来。存储方式有两种：存储在文件里或通过打印机打印。存储数据可以多种方式显示：如柱型图，三维立体图，直方图等。通过数据分析库(按钮)能够对所测数据进行统计、回归、分析(调用函数等)。使用帮助菜单(按钮)熟悉和了解仪器的功能、操作等。按下退出按钮后，将关闭虚拟仪器。
作为虚拟仪器的主流开发语言，优秀的图形语言开发环境使LabVIEW不仅包括了开发虚拟仪器面板的各种对象和进行信号分析的丰富的函数，而且提供了外挂的PID控制工具包，使用户可以将虚拟仪器拓展到工业自动控制领域。考虑到应用客户所具有系统的特点：对象比较简单，非线性程度不高，大多数不具有时变性和模糊不确定性，而且设备的投资成本要求较低，比较适合采用常规PID控制，故选择常规的PID控制算式。考虑到在生产过程中，如计算机出现故障，导致煤气、空气阀门自动关闭，可能导致整炉的铸管判废，故本方案采用增量式PID控制算法对退火炉温度进行自动控制，且该控制算法不会引起执行机构位置的大幅度变化，能够根据温度的变化自动调节阀门的开度大小，有效的保证了铸管生产的连续性和系统的可靠性。如图2为增量式PID控制系统框图。应用LabVIEW 提供的功能软件实现PID控制功能的程序如图3所示。
图 2 增量式PID控制系统框图
图3 PID控制功能程序流程图
2.4 虚拟仪器的硬件结构
虚拟仪器的硬件平台主要包括用于数据采集、信号分析处理和信号输出显示等硬件。由于从传感器直接得到的信号很微弱，因此选用了美国Burr Brown公司专门用于数据采集、具有高精度及强抗干扰能力的精密隔离仪表放大器作为信号处理单元的主放大器。数据采集系统采用美国Iotech WaveBook/512 Data Acquisition System，其主要性能指标为：采样频率，1MHz;通道数，8；A/D精度，±0.025%；抗混滤波器；FIFO缓冲器，64 k。
3、优化设计后的热处理曲线及应用效果
退火炉的升温速度和保温状态是靠调节煤气、空气的流量来实现的，经过系统的优化设计，最大升温速度由40℃/h提高到50℃/h，各段炉温的控制精度由原来的80℃提高到20℃，自从正常运行以来，仪表检测精度提高，运行稳定，尚未发生故障。系统保留了手动和自动控制两套方案，在电脑出故障的情况下仍可采用手动操作，并可随时进行手动和自动的无扰切换。热处理实测曲线如图4所示。
图4 热处理实测曲线图
4 结束语
虚拟仪器是电子技术和计算机技术相结合的产物，它是工业检测与控制的具有最佳性价比的高效率解决方案。通过采用Labview对退火炉温度控制系统的优化设计，解决了系统在生产过程中出现的各种问题，使系统的故障率大大降低，仪表检测参数准确度提高，既保障了生产的连续性，又提高的产品的合格率，经初步核算，产品的合格率由
关键词： Labview 温控系统 虚拟仪器
Application of Virtual Instrument in Temperature Control System
for Annealing Furnace
Han ShuJun ,Cui JunJie
( Anyang Iron & Steel Group Co. Ltd.)
ABSTRACT: This paper discusses concept of virtual instrument and function and characteristic of software. And it provides hardware, software and application of temperature-control of all sectors for annealing furnace automatically.
KEY WORDS: Labview, Temperature control system, Virtual instrument
我国球墨铸管生产起步于20世纪80年代后期，球墨铸管由于壁薄，较之连铸灰铁管可节省金属53%左右，抗拉强度、延伸率与钢管接近，而耐用腐蚀性大大优于普通钢管。因此，国际上广泛将其应用于输水、石油、天燃气等输送工程，有较好的发展前景，现在国内外大多采用冷模法生产球墨铸管。冷模法生产的毛管硬而脆，必须进行高温（>920℃）退火处理，以促进共晶渗碳体分解，形成以铁素体为主体，含少量珠光体的组织，才能具有较高的延伸率，从而使球墨铸铁管的机械性能达到国际标准。
目前，球墨铸铁管退火处理设备有多种型式，永通铸管公司采用60米长的卧式连续式退火炉，分为四个阶段进行退火处理，即经高温石墨化退火后，冷却至共析温度（750℃左右）再保温，以消除珠光体。所以整个退火曲线形成四段，分别为加热段、保温段、快冷段、缓冷段，图1为国内外一些铸管生产常用的退火曲线。
图1 离心球墨铸铁管退火曲线
温度控制系统主要完成各阶段对高炉煤气、空气的燃烧控制，对控制参数进行测量、显示和调节。我公司的退火炉温控系统主要完成对各段煤气、空气流量，温度，炉内压力的检测与调节。由于铸管连续退火工艺较复杂，特别是温度控制，对于不同产品，不同区段，退火温度和时间要求不同，需要及时人工或自动调节，误差要求在±20℃以内。很显然采用传统仪表控制，仪表的数量和系统将是庞大的，且易出故障，维护工作量大。公司本着经济实用的原则,大胆采用自动化过程控制的新技术LABVIEW为平台的数据采集温度测控系统，以满足铸管生产的更高的要求。
1 虚拟仪器及Labview
虚拟仪器的概念是美国NI公司(National Instrument)在20世纪80年代中期提出来的。所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点：对测试量的处理和计算可更复杂且处理速度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，可以方便地存储和交换测试数据，价格低，技术更新快。其最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了软件就是仪器的设计思想。
虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。其中最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的Labview(laboratory virtual instrument engineering workbench即实验室虚拟仪器工作平台)。它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统，它的目标就是简化程序的开发工作，提高编程效率，让科学家和工程技术人员充分利用计算机的资源和强大功能，快速简捷地完成自己的工作任务，它被称为科学家与工程师的语言。Labview使用了所见即所得的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。Labview提供了多种强有力的工具箱和函数库，并集成了很多仪器硬件库。Labview具有可移植性，支持多种操作系统，在任何一个平台上开发的Labview应用程序可直接移植到其它平台上。
2 退火炉温控系统的虚拟仪器的建立及应用
2.1仪表检测优化设计
高炉煤气流量的检测通常采用孔板进行检测，经过两年的应用发现孔板在高炉煤气流量的检测中的缺点越来越明显了，不能满足退火炉生产的工艺要求，由于高炉煤气成分的复杂性导致孔板和导压管被堵塞，检测的精度大打拆扣，维护量也急剧上升。为此选用新一代专利产品智能靶式流量计，它具备孔板的所有优点，传感器不与介质接触，通过力学杆杠原理测量煤气的流速，易粘易腐介质不影响测量性能，可大大提高流量检测的可靠性和精确度。
温度检测将K型热电偶改为S型热电偶，使其检测温度可达1300℃，大大提高了热电偶的使用寿命。
缓冷段原来由鼓风机直接向缓冷一段和二段鼓风，风量大小通过调节鼓风管道上执行器调节阀门开度来调节的，在实际生产中常因为电机发热而烧毁，两台GT50型执行器维护量也逐渐上升。为此经认真分析原因和技术分析决定采用变频器直接驱动鼓风电机调节风量的大小，这样不仅可节能电能消耗，而且减少了调节阀的维护量。
2.2 虚拟仪器软件设计
软件设计由两部分组成：前面板和流程图。在前面板，输入用输入控件(Control)来实现，程序运行的结果由输出控件(Indicator)来完成。流程图是完成程序功能的图形化源代码，通过它对信号数据的输入和输出进行指定，完成对信号采集及分析处理功能的控制。采用Labview8.0开发的虚拟仪器，可以同时对退火曲线的各个加热区的温度、压力、流量等进行实时检测。面板中间具有4个数值显示窗口和4个图形显示窗口，分别显示数据。为了准确读取数据，设计两种读取方式：用鼠标读取；在显示屏上放一个游标，利用键盘控制。系统设置采样点数，采样频率等。通道选择按钮表示内存通道，与读数通道相对应，每个通道都可以放一组由外设端口或从数据文件中读出的原始信号数据。存储数据命令按钮与显示屏相对应，按下它就表示要把显示屏上的数据存储起来。存储方式有两种：存储在文件里或通过打印机打印。存储数据可以多种方式显示：如柱型图，三维立体图，直方图等。通过数据分析库(按钮)能够对所测数据进行统计、回归、分析(调用函数等)。使用帮助菜单(按钮)熟悉和了解仪器的功能、操作等。按下退出按钮后，将关闭虚拟仪器。
作为虚拟仪器的主流开发语言，优秀的图形语言开发环境使LabVIEW不仅包括了开发虚拟仪器面板的各种对象和进行信号分析的丰富的函数，而且提供了外挂的PID控制工具包，使用户可以将虚拟仪器拓展到工业自动控制领域。考虑到应用客户所具有系统的特点：对象比较简单，非线性程度不高，大多数不具有时变性和模糊不确定性，而且设备的投资成本要求较低，比较适合采用常规PID控制，故选择常规的PID控制算式。考虑到在生产过程中，如计算机出现故障，导致煤气、空气阀门自动关闭，可能导致整炉的铸管判废，故本方案采用增量式PID控制算法对退火炉温度进行自动控制，且该控制算法不会引起执行机构位置的大幅度变化，能够根据温度的变化自动调节阀门的开度大小，有效的保证了铸管生产的连续性和系统的可靠性。如图2为增量式PID控制系统框图。应用LabVIEW 提供的功能软件实现PID控制功能的程序如图3所示。
图 2 增量式PID控制系统框图
图3 PID控制功能程序流程图
2.4 虚拟仪器的硬件结构
虚拟仪器的硬件平台主要包括用于数据采集、信号分析处理和信号输出显示等硬件。由于从传感器直接得到的信号很微弱，因此选用了美国Burr Brown公司专门用于数据采集、具有高精度及强抗干扰能力的精密隔离仪表放大器作为信号处理单元的主放大器。数据采集系统采用美国Iotech WaveBook/512 Data Acquisition System，其主要性能指标为：采样频率，1MHz;通道数，8；A/D精度，±0.025%；抗混滤波器；FIFO缓冲器，64 k。
3、优化设计后的热处理曲线及应用效果
退火炉的升温速度和保温状态是靠调节煤气、空气的流量来实现的，经过系统的优化设计，最大升温速度由40℃/h提高到50℃/h，各段炉温的控制精度由原来的80℃提高到20℃，自从正常运行以来，仪表检测精度提高，运行稳定，尚未发生故障。系统保留了手动和自动控制两套方案，在电脑出故障的情况下仍可采用手动操作，并可随时进行手动和自动的无扰切换。热处理实测曲线如图4所示。
图4 热处理实测曲线图
4 结束语
虚拟仪器是电子技术和计算机技术相结合的产物，它是工业检测与控制的具有最佳性价比的高效率解决方案。通过采用Labview对退火炉温度控制系统的优化设计，解决了系统在生产过程中出现的各种问题，使系统的故障率大大降低，仪表检测参数准确度提高，既保障了生产的连续性，又提高的产品的合格率，经初步核算，产品的合格率由
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