宇电仪表在预氧炉控制系统中的应用

一、概述

      可控硅是硅可控整流元件的简称，亦称为晶闸管，具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。按其工作特性，可控硅（THYRISTOR)可分为普通可控硅（SCR）即单向可控硅、双向可控硅（TRIAC)和其它特殊可控硅。可控硅的触发分为过零触发：一般是调功，即当正弦交流电电压相位过零点触发，必须是过零点才触发，导通可控硅；非过零触发：无论交流电电压在什么相位的时候都可触发导通可控硅，常见的是移相触发，即通过改变正弦交流电的导通角（角相位），来改变输出百分比。可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不象继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性好，本文主要介绍宇电仪表结合可控硅在预氧炉温控加热系统改造中的应用。

二、原系统介绍

      某工厂预氧炉温控加热系统主要由接触器及温控仪表组成。预氧炉加热系统总功率为600KW，分35个加热区。加热体采用铁铬铝材料，使用温度为0～450℃，采用镍铬镍硅热电偶做为温度测量，由继电器控制接触器通与断，从而使加热温度与给定温度基本一致。使用加热电源为低压380V三相动力电源，加热体采用星形连接，它们布设在炉子的炉顶及炉底。应用此温控加热系统存在着诸多弊端，主要表现在以下几个方面：由于该控制方式为三位式控制（加热、保持、停止），这种控制方式存在着温度控制波动大，温度控制精度差（±10度），加热功率不可调节，能源浪费大且易断丝，生产成本高。继电器触点动作频繁，因而触点磨损严重，故障率逐年攀升，已经给生产构成严重威胁。温控仪表老化严重，存在控制失灵等故障，仪表控制精度也难以满足现代生产工艺的精度要求。而且此仪表要求日常频繁维护，系统运行时噪音大，振动较大（接触器吸合不良形成），这样接触器机构件极易松动，造成连接处发热严重，极易形成火灾事故及其它电气故障。

三、系统改造

       新型温控加热系统由宇电AI温控仪表和可控硅触发回路及AI-2070C无纸记录仪等低压控制元件组成。系统包括1台进线柜，4台控制柜，分别控制预氧炉的主电源系统和35区加热系统。进线柜操作包括合闸及分闸操作，面板指示有电压指示、三相电流指示、工作电源正常指示，主要提供35区加热回路的控制电源及仪表。其中仪表电源为保证仪表的安全及可靠性，应用380V/220V隔离变压器供电。4台控制柜分别控制35个加热区加热。面板上有无纸记录仪、温度控制仪表、加热指示灯、报警指示灯、电压指示、电流指示、启停按钮等。柜内包括接触器、可控硅、可控硅触发器、快熔、散热片等。35区加热回路操作分为单动及联动操作。单动时选择单动/联动按钮为单动位置，此时通过操作各区的起停按钮实现各区的停送电操作，停送电时对应相应的指示灯亮。联动时选择在联动位置，按下起动按钮，各区接触器吸合金属加工网版权所有，对应运行指示灯亮;按对应联动停止按钮时，各区接触器断开，对应停止指示灯亮。联动、单动操作前，各区动力空开及控制空开均在合位置。

1、控制仪表及记录仪选型：在温控系统中，是通过控制可控硅的导通和断开来实现温度调节的，为了能够更精确的调节温度和尽量延长加热器的使用寿命，采用可控硅移相触发模式工作。仪表选择宇电AI人工智能调节器，具体型号为AI-518FX3L2S。它具有以下的特点：(1) 采用万能输入，使仪表仅通过简单快捷的菜单选择，即可实现仪表的各种分度号、标准信号及远传压力信号、毫伏信号的输入。(2) 采用模块化通用电路结构，通过简单的模块组合，即可实现仪表的各种功能变换，通用性和灵活性显著增强。(3) 采用了集成度更高的IC芯片和先进的SMT表面元件贴装工艺以及独特的电路屏蔽技术，从而具备超强的抗干扰力和可靠性，可在十分严酷的电磁干扰环境下长期稳定工作。

    AI-2070C总线式无纸记录仪，使用宇电AI 系列调节仪表作为测控输入模块实现

        多通道数字全屏显示。测控仪表不仅包括各类温度、压力、流量、频率等信号，也包括人工智能PID 调节、流量积算、电量测量等功能，可连接1～32 通道仪表，按需要配置，任意组合。配合图标式功能选择，全中文触摸操作，操作方便，易于学习。触摸屏可以加入流程图，定制提供丰富多彩的工艺流程图，可连接PLC、变频器等设备，用于小型DCS 控制系统终端显示。功能上已超越了一般的无纸记录仪，综合了人机界面和无纸记录仪功能于一体；

       采用高亮度TFT 真彩液晶显示屏的总线式无纸记录仪；接口多样化可选RS232/485、USB；每通道数据刷新时间50 毫秒。主机屏内存20M 空间可记录保存数据及报警参数，内存数据记录周期默认为每60000 毫秒（1分钟），各通道记录存储的天数为：大约为4 通道：约560 天；8 通道：约346 天；16 通道：约196 天；如：修改记录周期为2 分钟，4 通道1120 天。数据保存按先进先出的原则。可自由设置最小1000 毫秒（1 秒）；实时导出数据到U 盘；U 盘中导入数据格式为CSV 的Excel 报表，数据备份至计算机用CSV 的Excel 报表直接打开上。数据文件导出有【自动导出】、【立即导出】；【自定义文件名手动导出】导出方式；导出文件的大小可自由设定如：1 小时、2 小时、3 小时、8 小时等。

    2、宇电AI调节器PID算法：AI系列智能工业调节器中的人工智能控制算法，既对PID算法加以改进和保留，加入模糊控制算法规则，并对给定值的变化加入了前馈调节。在误差大时，运用模糊算法进行调节，以彻底消除PID饱和积分现象，如同熟练工人进行手动调节。当误差趋小时，采用改进后的PID算法控制输出。其控制参数采用被控对象特征描述方式。一组(MPT)参数即可同时确定PID参数和模糊控制参数。系统具有无超调和高控制精度等特点。针对不稳定的非线形复杂调节对象，表内设有自适应调节规则，可使系统进一步加快响应速度，改善控制品质。针对控制参数较难确定的现实，表内设有自整定专家系统，可使系统的控制参数确定简单，准确度提高，因此，自整定系统的引入，不仅使复杂劳动简化，节约了调试时间，而且提高了控制系统的调节品质。对于许多复杂的调节对象，例如电炉温度控制中的电网电压变化、外界干扰因素和工作环境多变等，针对有严重非线形的控制对象，国外仪表公司也推出了不少对策和方法。例如，日本导电公司生产的仪表中，采用了多组算法；欧陆和欧姆龙仪表中采用了自适应功能；KMM智能调节仪表中采用了折线模块来适应系统的非线性；还有的仪表公司在仪表中采用辩识方法来提高仪表在非线性系统中的调节质量。在AI系列智能工业调节器中，针对有严重中非线性的控制对象，选择了自适应方式来解决。其改进的特点是：当控制偏差大于估计的误差时，自适应系统不是修改MPT参数(国外仪表的自适应功能是修改控制参数)，而是修改输出值来降低误差。虽然修改范围有限，但不会出现将原来正确控制参数改错的现象，使响应速度加快，使控制精度大大提高。PID算法的改进：

常规PID算法构成如下：输出=比例作用(P)+积分作用(I)+微分作用(D)

      在常规PID的控制系统中，减少超调和提高控制精度是难以两全其美的，这主要是积分作用有缺陷造成的。如果减少积分作用，则静差不易消除，有扰动时，消除误差速度变慢，而当加强积分作用时，又难以避免超调，这也是常规PID控制中经常遇到的难题。

      在AI系列智能工业调节器中，当控制参数在比例带以外时，采用模糊控制，不存在抗饱和积分问题，而对PID算法部分又加以改进如下：输出=比例作用(P)+积分作用(I)+微分作用(D)+微分积分作用(∫I)

       由于仪表中增加了微分积分作用，所以，使常规PID算法中的积分饱和现象得到较大缓解。不过从上式中可以看到，原有参数已经较难确定了，又增加了一个新参数(∫I)，所以，这些参数必然互相影响，使得新算法参数更加难以确定。为此，经过认真的研究和实验分析，比例作用与微分作用的比值和积分作用与微分作用的比值可取相同的值，并且比例作用与微分作用的最佳比值同控制对象的滞后时间有关。滞后时间越大，则比例作用响应减少，而微分作用响应增加。两者存在的关系如下：

比例作用=K(1/t)

微分作用=K(1-1/t)d

式中，K为系数；t为滞后时间与控制周期的比值；t≥1；d表示微分作用。

由此，可将人工智能控制算法公式改为：

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