基于PLC的工業燒結爐溫度控制系統設計與實現

李艷紅

(西安外事學院,陜西 西安 710077)

燒結爐是一種重要的化工設備,主要用于原料的加熱,使其在高溫環境下發生化學反應。隨著粉末冶金行業的快速發展,粉末冶金材料在生物、醫學以及工業等多領域實現了重要的應用,且滲透性越來越強。燒結爐作為粉末冶金行業的基礎設備之一,能夠使得粉末狀材料在高溫環境下發生鍵聯,減少分子間的空隙,提升合金的密度。材料燒結作為耗能最大的工序不僅影響了產品的燒結質量,也直接關系到行業的能源利用效率。隨著科學技術水平的提升,我國粉末冶金行業生產的自動化水平不斷提高。如何提升燒結爐的控制精度成為研究的重點。本文結合燒結爐的工作原理介紹一種溫度控制系統設計方案,希望能夠實現對燒結爐溫度的精準控制,保證工件的燒結質量。

1 燒結爐組成及工作原理

燒結爐主要用于制造各種金屬和非金屬材料,如粉末冶金材料、氧化物陶瓷、 高溫熱固塑料、花崗巖等,是一種非常重要的工業成型設備,可以用于制造各種復雜的金屬和非金屬材料[1]。通過精準的控制系統和高效的加熱器,燒結爐可以完成復雜的燒結操作,并實現高度自動化的生產流程。

1.1 燒結爐組成

燒結爐由以下幾個主要組成部分構成:

(1)爐體:爐體是燒結爐的主體,通常由一定厚度的高溫耐火材料制成。爐體內部通常有安裝在固定位置的加熱器、溫度傳感器和其他控制器。

(2)加熱器:加熱器是燒結爐的核心部分。加熱器通常由電阻絲、電加熱管或燃氣火爐組成,將燃氣或電能轉化為熱能,從而加熱爐體的材料。

(3)控制系統:燒結爐控制系統通常基于計算機或控制器,用于監控和控制爐體內的溫度、加熱器的運行溫度、爐門的開閉狀態等操作[2-3]。如圖1所示。

圖1 真空燒結爐

1.2 燒結爐工作原理

燒結爐的工作原理主要是利用高溫材料的熱力學性質對爐內不同種類材料進行加熱,使其燒結成為單個固體整體。通常,將要燒結的材料放入爐體中,然后關閉爐門,啟動加熱器進行加熱。加熱過程中,爐內材料會逐漸變軟,并形成不同種類的物質黏結在一起[4]。燒結材料形成的硬度和性質以及燒結后的形狀取決于材料種類和燒結過程中的具體參數。

燒結爐工作流程包括以下幾個環節:

(1)準備工作:對于初次使用的燒結爐,需要仔細檢查設備,確保設備運行正常。然后將需要燒結的材料放置在爐中并嚴密封閉爐門。

(2)啟動燃氣或電力加熱器:啟動加熱器以達到所需的加熱溫度。由控制系統進行實時監控和調控爐體溫度,確保加熱過程的穩定性和精準性[5]。

(3)燒結材料:在爐內加熱一段時間后,材料逐漸燒結成為一個整體。燒結后,關停加熱器,并讓整個爐體冷卻至室溫。

(4)清洗燒結爐:在燒結完成后,需要清理內部的材料殘留物,保持設備的清潔和衛生。

2 燒結爐溫度控制系統設計原則

2.1 穩定性

燒結爐溫度控制系統應該具有穩定性,能夠盡可能地保持系統的穩定狀態,防止溫度波動過大,從而導致爐內物料無法得到規律的加熱,進而影響爐內反應的進行[6]。在設計過程中,必須考慮到系統的各種因素,以確保溫度控制系統能夠在良好的狀態下長時間運行。

2.2 精度高

燒結爐溫度控制系統必須具備高精度的特點,以確保溫度的測量和控制能夠做到極致,并且對于爐內物料的加熱提供及時有效的控制,從而保證生產過程的正常運轉。精度高的溫度控制系統需要精確計算好各種因素的影響,如爐內物料的傳熱、發熱、外界溫度等等,確保溫度測量值的準確性[7]。

2.3 靈活性

溫度控制系統需要具有靈活性,以便能夠及時根據爐內物料的變化實時調整溫度控制,以適應各種不同的生產需求和條件變化。為此,需要采用先進的控制算法和軟件,實現快速、準確的溫度調節功能[8]。

2.4 經濟可靠性

燒結爐溫度控制系統需要具備經濟性,要以最小的成本實現最高的效益,確保溫度控制系統的設計和改進是高效的,能夠有效地降低生產成本,提高經濟效益。除此之外,燒結爐溫度控制系統需要具有高度的可靠性,以確保在嚴峻的工業條件下能夠長時間平穩運行,不受震動、振動等外部因素的干擾,從而確保生產過程的穩定性和效率的提高[9-10]。

3 基于PLC工業燒結爐溫度控制系統設計

3.1 系統架構設計

燒結爐溫度控制系統架構如圖2所示。

圖2 燒結爐溫度控制系統架構

PLC燒結爐溫度控制系統主要由以下模塊組成:

(1)人機交互模塊:包括人機界面、觸摸屏、按鍵等,可通過PLC控制爐子的工作狀態、溫度、運行時間等參數。人機交互模塊選用昆侖通態觸摸屏,采用Cortex-A8作為核心控制單元以及MCGS作為組態軟件,能夠支持對燒結爐實時數據的采集以及監測,為數據的控制和處理提供參考依據[11]。

(2)輸入輸出模塊:包括傳感器、執行器等,用于監測爐子狀態,控制爐子溫度、加熱、冷卻等。由于在燒結爐的溫度控制系統設計中需要將溫度傳感器采集到的溫度信號轉化為模擬信號,因此系統配備模擬量實現信號的轉換[12]。選擇西門子EM235模擬量輸入/輸出模塊進行轉換,用戶可以使用DIP開關實現對輸入輸出模塊的控制。

(3)PLC溫度控制模塊:采用可編程控制器(PLC)進行燒結爐的自動化控制,通過PLC對電磁閥、溫度傳感器等進行控制。PLC硬件選擇日本三菱的FX3U-64MR主控制器進行組態編程與數據庫實施對應。

(4)通信模塊:可將燒結爐的運行狀態、參數等信息上傳到計算機,進行數據采集和遠程監控。本系統的溫度控制系統設計建立在通信方案基礎上,選用符合通信協議的自由口通信設計,物理層協議為RS485,數據層協議包含數據信息、地址信息等,應用層協議定義系統的信息格式以及封裝方法,盡可能提升系統通信的可靠性[13]。

3.2 系統功能設計

PLC燒結爐溫度控制系統的功能設計包括以下方面:

(1)溫度控制功能:通過PLC對燒結爐的加熱、冷卻進行控制,保證燒結爐溫度在設定范圍內穩定運行。

(2)工藝參數設定功能:可通過人機界面對燒結爐的燒結時間、溫度、加熱功率、冷卻時間、冷卻速度等工藝參數進行設定。

(3)自動控制功能:燒結爐控制系統可根據設定的工藝參數,自動控制燒結爐的加熱、冷卻等操作,提高生產效率。

(4)報警功能:燒結爐控制系統可對燒結爐的異常情況進行監測,當溫度過高、電流異常、傳感器斷開等情況發生時會進行報警提示。

3.3 PLC燒結爐溫度控制程序設計

1)確定I/O口

明確控制系統所需要的信號,即:溫度傳感器信號與加熱器控制信號。通常燒結爐的溫度控制系統需要使用模擬信號,因此需要確定模擬輸入口和模擬輸出口的設置。

2) 程序框圖設計

在PLC開發軟件中,可以使用ladder圖或SFC圖等編程語言進行程序設計。針對燒結爐的溫度控制,可以采用SFC圖進行程序設計。SFC圖中,可以將程序分為不同的步驟,也可在不同步驟間進行跳轉,直接實現程序的控制邏輯[14]。

3) 設定PID控制算法

PID控制是常見的控制算法之一,常用于工業應用中。可使用PLC開發軟件中的PID控制模塊,將其與模擬輸入口進行關聯,實現溫度控制過程,并將結果通過模擬輸出口發送給加熱器。

4)監控與報警設定

針對燒結爐溫度控制,監控程序的總體運行情況非常必要。可通過監控功能實現對程序以及控制系統的狀態監測,并及時給出相關的報警信息,如溫度過高或過低[15]。

5) 進行實驗驗證

完成以上步驟后,需要對程序進行實驗驗證。在實際調試中,應先保證特定的燒結點可穩定達到所需溫度,再進一步進行程序優化。

3.4 系統安全設計

PLC燒結爐控制系統的安全設計需要考慮以下方面:

(1)燒結爐環境安全:必須確保燒結爐的外觀不燙傷,同時需要設置保護裝置,以避免機器意外啟動。

(2)加熱安全:必須確保燒結爐的加熱能力正常,并采取措施以保護人員不受高溫影響。

(3)冷卻安全:必須確保燒結爐的冷卻能力正常,并采取措施以避免冷卻部件損壞。

(4)PLC系統安全:需要對PLC系統進行適當的加密和安全控制,以避免信息泄露和不正當訪問。

4 結 語

采用PLC控制系統可以實現燒結爐的自動化控制水平,提高生產效率,降低生產成本。燒結爐的溫度控制直接影響產品的質量,采用PLC控制系統可以實現精確控制溫度,提高產品的質量和一致性。此外,采用PLC控制系統可以監測燒結爐的運行狀態,及時發現故障并提示維修,降低了維護成本。但設計PLC燒結爐溫度控制程序時需要根據實際需求進行具體的設置,方案的最終效果也需要通過實驗驗證。在設計完成后,還需要考慮系統的可維護性與穩定性,以確保在生產落地中的順利使用。