宇電程序控制儀表在退火爐溫控系統中的應用

關鍵詞：退火爐、智能程序型控制器AI-808P

一、概述
   本文著重論述了新型溫控裝置在退火爐溫控系統中的應用，較為詳細地對溫控系統的組成，構成器件的原理、性能、功用進行了闡釋說明。文中對系統的運行原理，使用效果進行了分析說明。指出，該溫控系統是一種應用廣泛、經濟適用、控制效果顯著并值得廣泛推崇使用的新型溫控裝置。

二、設備改造原因
   退火爐主要由輥子傳動系統和溫控加熱系統構成。原退火爐溫控加熱系統主要由接觸器及溫控儀表組成。退火爐加熱系統總功率為546KW，分5個加熱區。加熱體采用鐵鉻鋁材料，使用溫度為0～1100℃，采用鎳鉻鎳硅熱電偶做為溫度測量，溫度顯示儀表為圓圖式溫度記錄儀。同時利用圓圖式溫度記錄儀控制繼電器加熱，由繼電器控制接觸器通與斷，從而使加熱溫度與給定溫度基本一致。使用加熱電源為低壓380V三相動力電源。加熱體采用星形連接，它們布設在爐子的爐頂及爐底。應用此溫控加熱系統存在著諸多弊端，主要表現在以下幾個方面：

（1）由于該控制方式為三位式控制（加熱、保持、停止），這種控制方式存在著溫度控制波動大，溫度控制精度差（±10度），加熱功率不可調節，因而能源浪費大，加熱效率低。其它繼電器觸點動作頻繁，因而觸點磨損嚴重。故障率逐年攀升，已經給生產構成嚴重威脅。

（2）溫控儀表老化嚴重，存在控制失靈等故障，儀表控制精度也難以滿足現代生產工藝的精度要求。而且此儀表要求日常頻繁維護。    （3）系統運行時噪音大，振動較大（接觸器吸合不良形成）。這樣接觸器機構件極易松動，造成連接處發熱嚴重，極易形成火災事故及其它電氣故障。

三、先進溫度控制設備
   先進儀表的選擇：系統的改造中我們采用了先進的AI人工智能調節器。AI調節器是控溫系統的核心部分，AI儀表采用了平臺概念，將非常的數字調節儀表轉為平臺化設計的產品，采用的是AI人工智能調節算法是采用模糊規則進行PID調節的一種新型算法，在誤差大時，運用模糊算法調節，以消除PID飽和積分現象，當誤差趨小時，采用改進后的PID算法進行調節，并能在調節中自動學習和記憶被控對象的部分特征以使效果優化。                                                             
  自整定方法簡單應用方便：由于自整定執行時采用位式調節，經2~3次振蕩后，儀表內部微處理器根據位式控制產生的振蕩，分析其周期、幅度及波型來自動計算出M 5、P、t等控制參數。具有無超調、高精度、參數確定簡單、對復雜對象也能獲得較好的控制效果等特點。
在使用過程中AI調節器 結合PID調節、自學習及模糊控制技術，實現了自整定/自適應功能，及無欠調的精確調節，性能遠優于傳統PID調節器。

四、溫控系統的組成  

新型溫控加熱系統由AI-808PAI5X3L1L1S4程序型溫控調節器和三相可控硅觸發回路及AI-3070總線式無紙記錄儀等低壓控制元件組成。系統包括1臺進線柜，3臺控制柜，分別控制退火爐的主電源系統和五區加熱系統及爐門傳動控制系統（前后爐門的點動升降控制）。具體說明如下：
1進線柜操作    進線柜操作包括合閘及分閘操作。面板指示有電壓指示、工作電源正常指示、空開分離指示和有功功率計量。2爐門傳動控制系統    爐門傳動控制系統執行前后爐門的升降操作，爐門控制系統為點動操作控制。電氣控制上具有上下限及升降聯鎖控制。3控制電源系統    控制電源主要提供五區加熱回路的控制電源及儀表和爐門的控制電源。其中儀表電源為保證儀表的安全及可靠性，應用380V／220V隔離變壓器供電�？刂齐娫吹牟僮魍ㄟ^分合有關空氣斷路器及切合有關按鈕實現。4五區加熱回路操作    五區加熱回路操作分為單動及聯動操作。單動時選擇單動／聯動按鈕為單動位置，此時通過操作各區的起停按鈕實現各區的停送電操作，停送電時對應相應的指示燈亮。聯動時選擇在聯動位置，按下起動按鈕，各區接觸器吸合，對應運行指示燈亮；按對應聯動停止按鈕時，各區接觸器斷開，對應停止指示燈亮。聯動、單動操作前，各區動力空開及控制空開均在合位置。

五、系統控制功能  

制系統我們采用了 宇電AI-808PAI5X3L1L1S4溫控表：AI－808P程序型儀表用于需要按一定時間規律自動改變給定值進行控制的場合。它具有強大的編程及操作能力，可進一步提高控制設備的自動化程度。它具備50段程序編排功能，可設置任意大小的給定值升/降斜率；具有跳轉、運行、暫停及停止等可編程/可操作命令，可在程序控制運行中修改程序；具備二路事件輸出功能�？赏ㄟ^報警輸出控制其他設備聯鎖動作，進一步提高設備自動化能力；可通過安裝外部開關執行程序運行/暫停/停止等操作，以實現連鎖、同步啟動運行或方便操作；具有停電處理模式、測量值啟動功能及準備功能，使程序執行更有效率及更完善。   1、功能及概念：    程序段：段號可從1－30，當前段(STEP)表示目前正在執行的段。    設定時間：指程序段設定運行的總時間，單位是min，有效數值從1－9999。    運行時間：指當前段已運行時間，當運行時間達到設置時間時，程序自動跳下一段運行。    跳轉：程序段可編程為自動跳轉到1－30段中的任意段執行，可實現循環控制。通過修改STEP的數值也可實現跳轉。    運行/暫停（run/HoLd）：程序在運行狀態時，計時，給定值按預先編排的程序曲線變化。程序在暫停狀態下，停止計時，給定值保持不變。儀表能在程序段中編入暫停操作，也可由人隨時執行暫停/運行操作。暫停狀態下儀表仍然保持調節功能。
 停止（stoP）：執行停止操作，將使程序停止運行，此時運行時間被清0，事件輸出開關復位，并且停止控制輸出。在停止狀態下執行運行操作，則儀表將從STEP設置的段號啟動運行程序。可在程序段中編入自動停止的功能，并同時對運行段號STEP值進行設置。也可人為隨時執行停止操作（執行后STEP被設置為1，不過用戶可再進行修改）。    事件輸出：由程序編排發生�？稍诔绦蜻\行中控制2路報警開關動作，以方便控制各種外部設備同步或連鎖工作。    停電/開機事件：指儀表接通電源或在運行中意外停電，可提供多種處理方案供用戶選擇。用戶可以通過設置儀表的參數（run）設置儀表重新上電后的運行狀態。    準備（rdy）/測量值啟動功能：在啟動運行程序由于爐體的溫度和儀表設置的初始溫度之間有偏差，并且其差值大于正（或負）偏差報警值(dHAL及dLAL)時，儀表并不立即進行正（或負）偏差報警，而是先將測量值調節到其誤差小于偏差報警值，此時程序也暫停計時，也不輸出偏差報警信號，直到正、負偏差符合要求后才再啟動程序。準備/測量值啟動功能用于設置無法預知升／降溫時間的段也十分有用。要允許或取消準備/測量值啟動功能，可在run參數中進行設置。準備/測量值啟動功能可保證了運行整條程序曲線的完整性，準備/測量值啟動功能用于解決啟動運行時測量值與給定值不一致而對程序運行產生的不確定性，以獲得高效率、完整并符合用戶要求程序運行結果。
程序設置：                                                
程序曲線的編排；程序表調節器可用于按一定時間規律自動改變給定值進行控制的場
合。程序是按【溫度－時間－溫度】的格式來程序升溫，具有50段程序編程功能，可設置任意大小的給定值升、降斜率；具有跳轉（目標段只限于前30段）、運行、暫停及停止等可編程/可操作命令，可在程序控制運行中修改程序；具有二路事件輸出功能�？赏ㄟ^報警輸出控制其他設備聯鎖動作如：燈、風機、報警，進一步提高設備自動化能力；具有停電處理模式、測量值啟動功能及準備功能，使程序執行更有效率及更完善。
程序儀表自整定時把一段程序設置為常用溫度或高的溫度啟動自整定，此時時間停止運行。
可控硅觸發采用移相觸發器    宇電AIJK6系列是應用了單片機技術的智能化三相移相觸發及周波過零兩用觸發器，功能強大且可靠性高，能適應各種電阻絲、硅碳棒及負載采用變壓器降壓的硅鉬棒、鎢絲等各種類型工業電爐，也可用于電機軟啟動的控制。    AIJK6的主要性能：0-20mA（0-5V）/4-20mA（1-5V）信號兼容輸入；采用計算機技術進行線性化功率修正，當負載為阻性時，其輸出功率與輸入信號成正比；缺相檢測、過流檢測及報警功能；AIJK6還具備可控硅擊穿及負載開路檢測功能；自動同步功能，連接可控硅觸發線時不需要對相序；AIJK3甚至不需要對極性；采用全光電隔離及“燒不壞”技術，可靠性非常高，對輸入端造成干擾�。浑娏鞣答伝蜓舆t時間可調的軟啟動/軟停止功能，適應硅鉬棒、鎢絲、電動機及感性負載；內含開關電源，可直接用220VAC電源供電，并具備5V及24V兩組直流電源輸出。     AIJK6在下述情況下報警：主回路斷線或缺相；主回路接觸器斷開；阻容壓敏吸收損壞（不影響加熱）。                                               
3、模塊過電壓保護：
一般采用阻容吸收和壓敏電阻兩種方式并用，對于吸收時間短，電壓不高的過壓，一般采用在器件兩端并聯阻容吸收回路的方法，吸收電容把過電壓的電磁能量變成靜電能量存貯，吸收電阻除可防止回路振蕩外，還可限制關斷的晶閘管在再次導通時，電容向晶閘管放電產生開通損耗和較大di/dt值，對于持續時間較長，產生能量較大的過電壓，如雷擊引起的過電壓，將采用壓敏電阻來吸收過電壓。
元器件選擇：在選取壓敏電阻時，首先要確定它的標稱電壓（ViMA ）值 ，這是指壓敏電阻流過1mA電流時，它兩端的電壓。在感應到電網波動以及安全系數后，一般380V電源采用1000V；220V電源采用630V的壓敏電阻。而壓敏電阻的通流容量 應大于電路實際浪涌電流值，一般為3～15KA。常用規格：單相過零40A以上壓敏電阻20D751K 750V；移相采用RC阻容模塊壓敏電阻20D751K,水泥電阻RX27-1/8W/6.8Ω，電容0.22uF/ 275V ～iv高壓電容。
6）斷偶超溫報警缺相保護：
在超溫報警時控制交流接觸器切斷加熱器電源。即使萬一可控硅被擊穿也能保護電爐安全。對于缺相保護建議采用三相缺相保護器獨立使用。AI系列控制柜與具備同等功能的電爐控制柜相比，AI系列具有簡單的線路及模塊化的結構，從維護到擴充功能都十分方便。
7）接線方式與零線：
每臺加熱設備的負載的接線方式是不同若負載是加熱爐，而且負載有可能不相等時（如硅碳棒爐），三相四線制要比三相三線制有更好的平恒度，并且當某相負載開路時，三相四線制能自動監測并報警(AIJK3)因此采用三線四線制要比三相三線制性能更好些，但必須注意正確選擇零線。常規的應用中，若三相負載完全平衡，則零線相互抵消為0，所以習慣上零線用比相線要小得多的線徑。但對于三相四線制調相觸發，當相移角小于60度時，零線的電流是三條相線電流之和（三相負載輪流導通，電流全部流過零線，且相互完全無法抵消），移相角為60－120度時，零線的電流為相線的3至1倍變化，只有當可控硅完全導通時且三相負載平衡時，零線電流才為0。所以對于普通電阻絲為負載時，零線必須采用與相線相同的線徑。而對于電阻會隨溫度或隨老化程度會變的負載，如硅碳棒電爐等，由于常常工作在小移相角，零線應該采用比相線還粗的線，可以是相線安全載流量的2－3倍。不僅柜子到供電變壓器的零線也要粗，以保證零線的安全，且避免將電能過多地損耗在零線上。
8）高頻干擾：
由于移相觸發會帶來較強的1－100KHZ頻率范圍的干擾，移相觸發器應安裝在離可控硅較進的位置，但應與動力線保持一定的距離，應盡量縮短觸發線的長度，并盡量不要將不同相的觸發線平行走線。
3、儀表控制    儀表控制分為單動與聯動，在儀表電源及變壓器正常的情況下，各柜內儀表空開在合狀態下，在2＃柜內選擇單動／聯動按鈕開關，儀表即可執行單動或聯動操作。儀表控制由運行（RUN）、停止（STOP）、保持（HOLD）三種狀態。    儀表單動操作用于控制1個區的1臺儀表運行，聯動操作用于控制1～5區的所有儀表運行。儀表運行的3種狀態無論在單動或聯動操作下，均可通過點動按住聯動溫控儀表按鈕進行轉換。
4、參數設置、調試方式：
  根據系統的要求我們可以選用各種儀表類型如AI-808PAI5X3L1L1S4+AIJK3，利用AI-808P的主輸出作為AIJK6的控制信號，來控制加熱輸出，
 AI-808P智能調節器增加了30+20段時間程序控制功能，前30段可編程為自動跳轉執行,實現循環控制,采用先進的模塊化設計，具備5個功能模塊插座：輔助輸入、主輸出、報警、輔助輸出及通訊，
儀表的輸入方式可自由設置為熱電偶、熱電阻和線性電流（電壓），具體模塊功能如下；
X3：光電隔離高精度線性電流輸出；
S4：自帶隔離電源的光電隔離RS485通訊接口模塊；
L1：繼電器觸點開關輸出模塊；
AIJK6系列是應用了單片機技術的智能化三相移相觸發及周波過零兩用觸發器，功能強大且可靠性高，能適應各種電阻絲、硅碳棒及負載采用變壓器降壓的硅鉬棒、鎢絲等到各種類型工業電爐，也可用于電機軟啟動的控制，其主要特點包括：
0-20mA(0-5V)/4-20mA(1-5V)信號兼容輸入；
采用計算機技術進行線性化功率修正，當負載為阻性時，其輸出功率與輸入信號成正比；
缺相檢測、過流檢測及報警功能；AIJK6還具備可控硅擊穿及負載開路檢測功能；
自動同步功能，連接可控硅觸發線時不需要對相序；AIJK6甚到不需要對極性；
采用錢光電隔離及“燒不壞”技術，可靠性非常高，對輸入端造成干擾�。�
電流反饋或延遲時間可調的軟啟動/軟停止功能，可適應硅鉬棒、鎢絲、電動機及感性負載；
內含開關電源，可直接220VAC電源供電，并具備5V及24V兩組直流電源輸出；
儀表的調節功能采用先進的AI人工智能PID調節算法。AI人工智能調節算法是采用模糊規則進行PID調節的一種新型算法，在誤差大時，運用模糊算法進行調節，以消除PID飽和積分現象，當誤差趨小時，采用改進后的PID算法進行調節，并能在調節中自動學習和記憶被控對象的部分特征以使效果優化。具有無超調、高精度、參數確定簡單、對復雜對象也能獲得較好的控制效果等特點。改進后的PID參數是采用宇電特有的M 5、P、t等控制參數來表示的。
調試方式：電熱鼓風干燥箱控制儀表AI-808PX3L1L1S4增強型智能調節器 ，三相過零觸發控制。
調試方式：
參數設定后首先要自整定。AI人工智能調節算法是采用模糊規則進行PID調節的一種新型算法，在誤差大時，運用模糊算法進行調節，以消除PID飽和積分現象，當誤差趨小時，采用改進后的PID算法進行調節，并能在調節中自動學習和記憶被控對象的部分特征以使效果優化。具有無超調、高精度、參數確定簡單、對復雜對象也能獲得較好的控制效果等特點。
AI系列調節儀表還具備參數自整定功能，AI人工智能調節方式初次使用時，可啟動自整定功能來協助確定M 5、P、t等控制參數。初次啟動自整定時，可將儀表切換到顯示狀態①是PV測量值SV給定值的狀態下，按住半園弧鍵并保持約2秒鐘，此時儀表下顯示器將閃動顯示“At”字樣，表明儀表已進入自整定狀態。自整定時，儀表執行位式調節，經2~3次振蕩后，儀表內部微處理器根據位式控制產生的振蕩，分析其周期、幅度及波型來自動計算出M 5、P、t等控制參數。如果在自整定過程中要提前放棄自整定，可再按住半園弧鍵并保持約2秒鐘，使儀表下顯示器停止閃動“At”字樣即可。視不同系統，自整定需要的時間可從數秒至數小時不等。儀表在自整定成功結束后，會將參數CtrL設置為3（出廠時為1）或4，這樣今后無法從面板再按住鍵啟動自整定，可以避免人為的誤操作再次啟動自整定。已啟動過一次自整定功能的儀表如果今后還要啟動自整定時，可以用將參數CtrL設置為2的方法進行啟動。具體的操作要參考說明書。
系統在不同給定值下整定得出的參數值不完全相同，執行自整定功能前，應先將給定值設置在常用值或是中間值上（對于AI-708P/808P程序型儀表，可通過修改當前程序段值來改變給定值以滿足要求），如果系統是保溫性能好的電爐，給定值應設置在系統使用的大值上，再執行啟動自整定的操作功能。參數CtI（控制周期）及dF（回差）的設置，對自整定過程也有影響，一般來說，這2個參數的設定值越小，理論上自整定參數準確度越高。但dF值如果過小，則儀表可能因輸入波動而在給定值附近引起位式調節的誤動作，這樣反而可能整定出徹底錯誤的參數。推薦CtI=0-2，dF=2.0。此外，基于需要學習的原因，自整定結束后初次使用，控制效果可能不是很好，需要使用一段時間（一般與自整定需要的時間相同）后方可獲得較好的效果。
  在使用過程中AI調節器 結合PID調節、自學習及模糊控制技術，實現了自整定/自適應功能及無欠調的精確調節，性能遠優于傳統PID調節器。

六、AI-3070C分體式無紙記錄儀功能
   采用AI－3170C分體式無紙記錄儀 來記錄數據。主要功能為：豐富的顯示畫面；強大的設置功能；完善的數據處理；實用的U盤與CF卡記錄數據功能；方便的數據統計功能；靈活的報警功能；可靠的通訊功能；隨機提供的數據管理軟件。
數據記錄功能應用：
數據記錄功能發展很快，從有紙記錄到無紙記錄；無紙記錄模擬量輸入到數字無紙記錄儀；由于電爐控制柜是采用通訊功能的數字調節儀表來控制電爐可控硅，就需要記錄電爐控溫曲線。
控制柜安裝數字式AI-3170S無紙記錄儀，通過RS485通訊接口，采用上下位機的方式，能方便地與AI智能程序型PID溫度調節器配合使用。
在電爐程序控溫時在觸摸屏上可顯示雙曲線運行圖、屏內儲存15段升降溫程序、程序圖形重顯；可即時設置、讀取，上下傳升溫、恒溫、降溫程序配方；無紙記錄儀曲線圖。
  在屏上控制操作程序儀表【啟動】【停止】【暫停】、在運行狀態下切換【手動/自動】狀態，手動控制輸出量；即時修改【段號】，指定運行段；及修改儀表控制參數等多種功能；追憶記錄的溫度曲線數據。數據報表、報警報表的打印
1、PC機數據處理
  在數據記錄儀中，即可以根據客戶的實際需要，設置數據的采樣時間，存儲間隔以及是否保存記錄，是否立即保存數據到CF卡等功能，來滿足不同的需求。采樣時間默認為6秒，用戶可以設定的范圍是：6秒~3600秒；
觸摸屏的外插CF卡來保存數據；標配1G的電子硬盤�？蓴U展CF卡1～4G存儲記錄空間；數據可通過微型打印機打印數據報表、曲線；或通過CF卡存儲數據用讀卡器在PC上復制數據包到PC機用圖形軟件打開數據；也可用串行COM2口備份Excel電子表格數據至上位計算機。CF卡內：【AL】數據包是報警報表；【DL】數據包是數據報表；按年/月/日/小時來保存數據源文件�？梢燥@示打開的記錄數據與報警記錄的文件或是用戶從CF卡里查詢到的數據，以報表的形式顯示出來；保存數據的數據是加密的必須采用專用的宇電PC圖形軟件來閱讀。
  查看曲線：點擊【查看曲線】按鈕，可以顯示在報表中已查詢到的并以報表方式顯示出來的數據，以曲線的形式顯示出來。上圖顯示的曲線可分為幾個部分的內容：
2、微型打印機方式
   配備微型打印機在觸摸屏上直接點擊打印按鈕可打印歷史數據、曲線。
數據曲線查詢打�。菏謩釉O置查詢的報表時間內容，打印每行5個數據；
數據曲線即時打�。菏謩哟蛴‘斍皠倓偛杉�到的報表內容，每行5個數據，連續換行；

七、結束語：
   加熱爐的改造中由于采用了AI人工智能調節器具備優良的測量和控制性能，采用可控硅控制為電爐控制柜改造設計帶來前所未有的方便。例如其輸出可配用具備“燒不壞”特性的可控硅觸發模塊，能直接用時間比例過零、周波過零或移相方式觸發各種單向、雙向可控硅及功率模塊，不僅降低成本，簡化了安裝并提高了可靠性。
   近年隨著電氣控制技術的發展，電加熱爐自動控制系統得到了快速的發展，數字無紙記錄儀的功能不斷提高，控制系統都得到了很好應用和發展。開發采用由數字通訊控制儀表＋人機界面觸摸屏數字無紙記錄儀的電加熱爐自動控制系統，使電加熱爐的技術改造更具有飛躍的提高。