基于PLC的高精度鈦合金加熱爐溫控系統設計

謝宜佳

摘要：鈦合金由于其成形性能差，對加熱條件的變化十分敏感。在其可鍛變化范圍內有相變行為，因此對其加熱條件有很高的要求。本文通過某航空鍛造公司的加熱爐設計應用實例，對鈦合金加熱爐PLC溫度控制系統的設計進行介紹，為今后類似工程提供參考。

關鍵詞：鈦合金；加熱爐；燃燒系統；PLC溫控

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0006-02

1 引言

鈦合金是以金屬鈦為基礎，加入其它元素而組成的合金。鈦合金由于其質量輕、比強度高、耐腐蝕性好、耐熱等良好的綜合性能，而被廣泛應用于航空領域。但是其價格昂貴，加工技術要求較高，特別是對軋制之前的熱處理要求十分嚴格，主要體現在對加熱的溫升速度、加熱的均勻性、保溫時的溫度控制等方面。目前鈦合金加熱爐的加熱形式有電阻式加熱法和燃氣式加熱法。其中燃氣式加熱法的溫度控制大多是通過日本的溫度控制儀來實現的。在此工程中，我們采用燃氣加熱法，但控制系統采用PLC來實現，采用串級PID的控制思路對加熱爐的溫度進行高精度自動控制，滿足了鈦合金對加熱溫度的要求。

2 鈦合金對加熱爐溫控系統要求

鈦合金在加熱過程中，對溫度的要求很高，在此項目中，對加熱爐爐溫的控制要求主要體現在升溫過程的可控性，其可控性具體要求為：在850～1200℃間保溫溫度可設置，達到保溫溫度后，要求控制精度≤±2℃，即在保溫階段，爐內溫度的實際值與設定值的誤差≤±2℃；爐溫過沖溫度≤10℃，即在升溫的過程中，爐溫的最高溫度不能超過設定溫度10℃。

3 加熱爐溫控系統硬件設計

為了滿足溫控的要求，工藝方面加熱爐的設計為，爐膛有效加熱尺寸：3.3（長）×1.0米（寬）×0.3米（高）。爐底帶有高度100mm耐熱墊塊，實現坯料四面加熱。燃料為天然氣，熱值為8050Kcal/Nm3±5%。

儀表自動化控制方面主要配置如圖1所示。在溫控區域上，將加熱爐分為兩個加熱區，在每個加熱區設置溫度檢測熱電偶，形成兩個溫度控制單元來自動控制溫度，兩個溫度檢測點沿加熱區長度方向布置，有利于控制加熱爐長度方向上的溫度均勻一致。該熱電偶為兩支式，一路溫度信號傳至PLC控制系統，用于溫度反饋，進行溫度調節，另一路信號傳至無紙記錄儀，把整個加熱過程的爐溫變化曲線記錄在案。

加熱爐每個加熱區分別設有助燃空氣和燃料的管路流量檢測和流量的自動調節，通過PLC計算使助燃空氣和燃料流量控制在最佳比值，保證達到較高的燃燒效率。為了進行溫度的微調，燃料管路設有大小兩個管路，每個管路上設有流量檢測裝置和流量調節裝置。其中B路管道管徑較大，在加熱爐升溫時使用，用較大量的天然氣進行爐溫的快速提升；A路管道管徑較小，在爐溫接近目標溫度時使用，用較小的天然氣量對爐溫進行微調和控制。

基礎自動化L1系統選用SIEMENS公司的S7-400PLC系統，PLC系統由CPU模塊、電源模塊、模擬量輸入、輸出模塊、數字輸入、輸出模塊等組成。現場流量計、熱電偶、調節閥等構成了PLC的輸入設備，電磁閥、繼電器等構成了PLC系統的輸出設備。PLC系統接受現場儀表送來的溫度、壓力、流量等信號，并運算處理，向L0級執行元件發送執行指令。主要完成對燃燒過程中各種參量、數據的采集，輸入輸出信號的變換、處理、顯示、記錄、運算、聯鎖報警、回路控制、邏輯控制等功能。PLC控制系統配置見圖2。

在現場PLC柜集成面板式PC。可以進行加熱爐各燒嘴風量、天然氣量、各區段爐溫的人工設定，同時具有故障顯示、各段溫度顯示信息顯示等功能。主要參數的數字量實時顯示、主要參數的模擬量棒狀圖實時顯示、系統單線圖的實時顯示功能；事故顯示、報警，故障診斷功能等。S7-400標準化程度高、可靠性高、操作性好、可維護性好、可擴展性好。

4 爐溫控制設計

爐溫控制由爐溫的控制和燃燒控制兩部分來完成。

4.1 爐溫控制

爐溫通過PLC進行續PID控制，通過溫度測量值與溫度設定值的偏差進行連續比例、積分、微分控制。

其控制思路為在HMI客戶機（觸摸屏）上由人工給定溫度設定值作為控制回路的設定，通過溫度測量值與溫度設定值的偏差進行連續比例、積分、微分控制，然后由爐內溫度調節器輸出信號作為到煤氣和空氣調節回路的設定值，進行燃燒的調節，進而達到爐溫控制的目的。

4.2 燃燒控制

由爐內溫度調節器輸出信號連接到煤氣調節回路作為煤氣調節器的設定值，由PLC完成燃燒的溫度流量串級調節。

爐內溫度調節器輸出信號分出一路乘上比值（空燃比）連接空氣調節回路作為空氣調節器的設定值，進行燃燒的空氣流量的比值調節。

煤氣調節器的設定值為一流量設定值，對應了兩路煤氣管路控制閥門和流量檢測裝置，分別稱為大小流量控制調節閥，在設定值（流量）小于4.90Nm3/h時，控制選擇小流量控制調節閥，此時大流量控制調節閥鎖定位置（保持位置），同時連鎖切斷兩個燒嘴的大火電磁閥。采用小流量管路檢測和控制閥；在設定值（流量）大于5.10Nm3/h時，控制選擇大流量控制調節閥，此時小流量控制調節閥鎖定流量2.0Nm3/h控制設定值（保持設定值控制），同時連鎖打開兩個燒嘴的大火電磁閥。采用大流量管路檢測和控制，其控制流量設定值為（煤氣調節器的設定值-2.0Nm3/h）。

兩路煤氣管路控制閥門采用電動調節蝶閥。

空氣管控制閥門采用電動調節蝶閥。為了保護燒嘴，空氣調節閥自動關閉時保持一定的小開度。

空氣煤氣燃燒比的控制有三種方式可供選擇：

串級方式：由爐內溫度調節器輸出信號作為煤氣和空氣調節回路的設定值，進行燃燒的串級比值調節。

自動方式：在HMI客戶機（觸摸屏）上由人工給定煤氣、空氣流量設定值作為到煤氣和空氣調節回路的設定值，進行燃燒的比值調節。

手動方式：在HMI客戶機（觸摸屏）上由人工對空氣、煤氣流量調節器的輸出值手動控制。

5 升溫及保溫曲線

圖3為加熱爐驗收時，通過測溫熱電偶實測，由無紙記錄儀記錄的爐溫變化曲線。通過附圖我們可以看出加熱區一和加熱區二的溫度在升溫過程中溫度值基本完全重合。

在驗收的過程中，設置了兩個目標保溫溫度，800℃和950℃。溫度的設定通過PLC完成。在初始的加熱過程中，PLC調節天然氣流量控制調節閥處于全開狀態，進行快速升溫；在升溫至約70分鐘時，距設定溫度還有100℃的溫差，這時通過CPU計算，通過PLC輸出信號控制天然氣的流量調節閥，將天然氣供給量調小，對升溫速度進行控制，降低升溫速度；在99分鐘時，接近第一個目標溫度，此時天然氣大流量控制調節閥基本處于鎖定位置，通過小流量控制調節閥來進行緩慢加熱，防止溫度過沖，大量超過設定值；在110分鐘至442分鐘間，屬于保溫階段，通過小流量調節，使爐溫維持在800℃。

在442分鐘之后進行第二階段的升溫，在442-470分鐘間屬于快速升溫階段；470-491分鐘之間屬于緩慢升溫階段，通過對小流量的控制來實現；491分鐘之后屬于保溫階段。通過曲線可以看出，升溫過程中溫度的提升曲線平滑，保溫的過程中，溫度無急劇的變動，保溫過程穩定，整個升溫和保溫過程處于可以控狀態。滿足鈦合金對加熱過程溫度控制的要求。

6 結語

通過該項目我們可以看出，利用天然氣作為燃料，通過PLC進行燃燒控制，可以實現對加熱爐的爐溫進行高精度的控制，將溫度精度控制在±2℃間，完全滿足鈦合金熱處理過程對溫控的要求。

參考文獻

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