井式電阻爐電控系統的改造

殷純宇，陳 甫，鐘廣明

(中國北車集團大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116022)

一、前言

大連機車車輛有限公司有多臺RJ2井式電阻爐，是上世紀80年代和90年代的產品，主要用于加溫機車從動齒輪、齒圈以及車輪輪芯和整體車輪。其工作原理是將電能轉化為熱能，借助熱輻射與對流的傳熱方式加溫工件。

原爐電氣控制方面根據其作用分為機械裝置的電氣控制(爐門的開啟、工件進和風扇開啟等)和溫度的測量控制。溫度控制部分是模擬儀表(中型圓圖衡儀)控制和數字式儀表控制，這種控制由人工選擇，不但需要配置專用的儀表人員，費時、費力，控制精度依賴于試驗者的調節，控制精度不高，一旦生產發生變化就需重新設置，操作不便，加熱溫度的數據無記錄，不利于對生產工藝的控制，還會因溫度控制不準確而產生廢品和返工品，甚至造成產品質量性能下降，為行車埋下安全隱患。為此在原有電氣控制基礎上進行改造，增加了帶有工控機的溫控系統，該系統不但具有性能可靠、降低電耗、控制精度高和操作簡單等特點，而且還有良好人機界面和溫度曲線記錄，彌補了原系統的不足，提高了產品的質量。

二、系統功能

電爐控制是一個具有多輸入、多輸出、多回路、具有非線性和耦合特性的調節系統，包括爐蓋升降控制、風機啟停控制、爐內溫度控制和爐內溫度記錄。為此，本系統應具有如下功能。

1.實時控制功能

實時控制功能是計算機控制系統應當完成的基本功能，是保證系統正常工作的必要條件。在此基礎上要保證系統具有良好的控制品質，以達到提高勞動效率和電爐熱效率、降低耗能的目的。

2.顯示功能

系統能夠以數字及圖表兩種形式將當前的工藝過程、工藝條件、重要的現場數據、設備當前工況及實時趨勢曲線圖顯示在監控器上，便于操作人員隨時掌握當前的生產狀況。

3.記錄和打印功能

系統自動記錄爐內溫度數據、曲線及工況參數，并可以隨時查看閱讀或打印，以便決策分析之用。

4.報警和連鎖保護功能

當發生異常情況時，有完善的聲光報警機制，同時自動停止加溫，并對引起異常情況的原因進行分析，以便操作人員及時判斷故障原因并加以排除。另外在啟機時，啟動風扇電機后加熱器才能工作，必須按照一定的次序進行操作，否則加熱器不工作。

5.操作指導功能

幫助是系統良好的人機對話部分，它不但能給操作人員提示信息，而且可以指導操作。

三、硬件系統

為了完成上述功能，硬件系統采用“工控機+溫控模塊”的結構，如圖1所示。整個硬件系統由工控機、溫控模塊、電源、打印機及輸出、輸入執行元件等組成。

1.工控機的選擇

工控機是整個控制系統的核心，它要完成指令執行、算法實現、邏輯判斷、數據處理、數據和圖表的顯示以及打印等任務。其性能的好壞直接決定了控制系統的控制效果和控制質量，因此要求工控機的可靠性高，實時性準、抗干擾能力強。本系統選用研華公司生產的PPC-L128T工控機，其平板電腦是一款基于IntelAtomN270處理器的低功耗電腦，帶有12.1"的彩色TFTLCD顯示屏、板載PCTe以太網控制器和多COM端口界面控制器。

2.控制模塊的選擇

系統需處理的數據量包括2路模擬量輸入、5路開關量輸入和6路開關量輸出。模擬量輸入是用于測量爐內溫度，開關量輸入是讀入工作狀態，開關量輸出用來執行控制。考慮系統抗干擾性、實用性以及安裝空間，選擇了研華公司生產的USB-4718溫控模塊。該模塊提供了8路熱電偶輸入、16-bit分辨率、高達0.1%的輸入范圍精度或者4～20mA輸入。工作性能穩定、可應用于惡劣的工業環境，是一款支持USB模塊的計算機測量與控制功能的理想解決方案。該模塊易于使用，是USB即插即用設備，可從USB接口取電，無需外接電源。

3.防止超溫自動保護

為了防止執行元件失控而導致超溫的現象，采用多層自動保護。當溫度超過設定溫度上限值時報警黃燈閃爍，同時關閉全部加熱器；當超過設定報警值時，報警紅燈閃爍蜂鳴響，同時再次關閉全部加熱器，如果在單位時間內溫度還繼續上升，控制器斷開該設備電源，可及時提醒操作人員，幫助操作人員迅速判斷故障并加以有效排除。以保護工件和設備的安全。

四、軟件系統

在計算機控制系統中，計算機除了完成正常的顯示，處理工作外，更重要的是要實時完成爐內溫度檢測控制任務以及報警和連鎖等工作。這些任務之間是并行工作的關系，軟件系統必須具有處理多任務的能力，否則將會影響系統的性能。

1.軟件的選擇

運行平臺為Windows操作系統，具有多線程序執行機制，可滿足實時性要求。采用面向對象的程序設計技術VisualBasic為可視化開發環境，是Windows環境下優秀的程序設計工具之一。VisualBasic6.0語言提供的多線程序編程技術，功能性、易用性突出，適于應用程序、數據庫及人機界面的開發。

2.控件的選擇

ActiveDAQ控件是研華公司提供的一套高效數據采集開發組件，可以方便地應用于VisualBasic、VisualC++等以及支持ActiveX控件的組態軟件中，通過控件的屬性、事件、方法可以方便地進行編程，用來開發數據采集的的各種功能，包括模擬量輸入輸出(軟件中斷)、數字量輸入輸出、脈沖輸入和輸出等。

3.系統控制軟件的簡單介紹

應用VisualBasic軟件和ActiveDAQ控件進行開發的軟件系統流程如圖2所示。系統依據工件類型選擇設定爐溫、自動供給電爐熱源能量或連續改變熱源能量的大小，使爐溫穩定在設定范圍，滿足熱處理工藝的需要。溫度自動控制常用調節規律中有二位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。電阻爐爐溫控制是這樣一個反饋調節過程：比較實際爐溫和需要爐溫得到偏差—通過對偏差的處理獲得控制信號—調節電阻爐的熱功率—實現對爐溫的控制。

在系統控制中程序采用嵌套方式設計。首先使Timer1計時器產生定時系統的采樣周期。啟動A/D，讀入采樣數據，進行數字濾波、PID計算、上下限報警處理，然后輸出控制脈沖信號。采用三位式調節：有上下限兩個給定值，當爐溫低于下限給定值時加熱器全開；當爐溫在上、下限給定值之間時加熱器部分開啟；當爐溫超過上限給定值時加熱器全關閉。三位式調節實現加熱與保溫的功能。根據生產現場的運行情況，這種控溫方法，精度比較高，系統性能穩定，滿足生產的實際需要。改進后工控機運行主界面如圖3所示。

五、結語

該電控系統在2011年11月投入使用，至今運行良好，未出現超溫現象，保證了產品的質量，降低了電耗，杜絕了廢品和返工品，減輕了工人的勞動強度。該項目的應用，為舊式井式電爐溫度控制系統的改造起到了拋磚引玉作用。

[1]李江全,張麗,岑紅蕾.VisualBasic串口通信與測控應用技術實戰詳解[M].人民郵電出版社,2007.

[2]高春艷,劉彬彬,王斌.VisualBasic開發技術大全[M].人民郵電出版社,2007.

[3]李勇平等.中文VisualBasic案例教程[M].北京：希望電子出版社,2001.