1 引言
工程公司主要生產液氯鋼瓶、液氨貯罐及氮氣包等各種三類容器。由于該類容器屬于劇毒、高壓類容器，其工作壓力一般在(2.0~16.0)MPa，因此對熱處理的要求也特別高。
公司原有熱處理爐的爐膛長12m、寬3.6m、高4m，熱處理爐共有14個加熱點，即14個燃氣噴嘴，左右兩側的下方各均勻地排列7個。另有4個溫度檢測點。在熱處理過程中，工人要密切注視著熱處理爐中溫度的變化，根據熱處理工藝要求及當前溫度值的大小，經常調節進氣量的大小以達到控制爐溫高低的目的。由于熱處理爐的容積較大，故熱處理爐內各部分的溫差也較大。在一次設備的熱處理過程中，工人往往要進行數十次進氣量的調整。這種控制方法不僅增大了工人的勞動強度，更重要的是熱處理爐進氣量調節的幅度是工人憑經驗來進行控制的，加上溫度變化的滯后性較大，常常會因為操作不當而引起爐內各處溫差較大或溫升速率偏離熱處理工藝要求過多(一般要求溫升速率為100℃/h)，使得被處理的設備可能會由于“嚴重網狀”而產生裂紋;有時也可能會因為加熱不足或過熱等現象，使得被處理的設備表現出硬度不足、球化不完全或晶粒粗大、碳化物粗厚等疵病。
熱處理質量一般需要通過專門的儀器才能得到鑒定，而要對出廠的每一個設備都做這樣的鑒定是有一定困難的。所以熱處理質量的好壞關系到設備使用的安全性能。為提高熱處理過程中的自動化程度，改善熱處理效果，保證產品質量，提出了對原有熱處理爐進行改造，設計一個新型的熱處理爐。
2 熱處理爐控制系統的設計
2.1 系統結構框圖
熱處理爐控制系統結構如圖1所示。為實現對熱處理爐進氣量的均勻控制，將原來1個點上只有1個噴嘴改成1個點上有3個噴嘴，這樣熱處理爐由原來的14個噴嘴增加至42個噴嘴。但總的進氣量基本保持不變。熱處理爐控制系統在工作中視爐內溫度的高低來決定打開幾個噴嘴。另外，為準確反映爐內溫度，溫度檢測點也由原來的左右各2個變成左右各4個，再加頂部4個，總共有12個溫度檢測點。系統選用日本三菱公司的FX2N-128MR作為數據采集、邏輯控制及實現PID調節的主控單元;選用上海嘉松機器有限公司生產的ZCZG高溫電磁閥作為進氣控制的執行元件。

圖1 熱處理爐控制系統結構圖

2.2 系統工作原理
系統人機對話功能模塊由BCD碼撥盤、顯示模塊和聲光報警等部分組成。BCD碼撥盤用來完成給定溫度的設定和溫度檢測點的選擇等功能;通過BCD碼撥盤的切換可顯示爐內任一個溫度檢測點的溫度;系統的控制信號是根據傳感器所檢測到的溫度與給定溫度進行PID運算后直接驅動可控硅對ZCZG高溫電磁閥進行控制;電磁閥通電后，閥中的連桿被提升，之后轉軸開始轉動并作用于導閥從而打開主閥，斷電后，在銜鐵自重及返回彈簧作用下關上導閥，靠壓差關閉主閥;當系統檢測到溫升速率大于給定溫升速率或恒溫時溫度偏離允許的范圍，系統都會為發出聲光報警。
2.3 PID調節算法及系統主要參數設定
在由數字PID調節算法來實現控制的系統中，過程控制對象需要的是控制對象的絕對值，而不是其增量。目前常用的PID調節算法有位置式算法和增量式算法兩種。位置式算法每次輸出均與整個過去的狀態有關，計算式中要用到過去誤差的累計值，因此容易產生較大的積累誤差。而增量式PID算法只需要計算其增量，計算誤差或精度不足對控制量的影響相對較小。故系統數據運算時采用增量式算法，而輸出控制采用位置式算法。其運算式為:

PID調節算法中參數的選擇是關系到PID調節性能好壞的關鍵所在。若簡單地用試湊法來整定PID的調節參數，需要進行多次的模擬或現場試驗才能得到所需參數。若先將調節器選為純比例調節器，并使之形成閉環，再根據經驗數據，使系統對階躍輸入響應達到臨界振蕩狀態，這時的比例系數記為Kr，臨界振蕩的周期記為Tr。根據齊格勒－尼柯爾斯(Ziegle-Nichols)提供的經驗公式，可求得不同類型調節器的參數?？紤]到控制對象的特點，經過試驗，最后確定比例常數Kp=4.5、積分常數Ti=8.0、微分常數Td=2.8。
系統的采樣周期T也是PID調節算法中的重要參數:從物理意義上講采樣周期的大小取決于被控參數的變化速率和被控過程對控制量的響應快慢。從理論上講采樣周期越短越好，但若采樣周期過短，則有可能將高頻噪聲當作有用信號引入系統，至使系統發生不必要的升階。系統實際選取的采樣周期T=18s。
3 可控熱處理爐控制系統的調試
首先，在PLC的輸入X0－X77加開關量，看PLC上X0－X77相應的燈是否亮。再通過三菱編程軟件FXGP_WIN_C強制輸出Y0－Y77，看PLC上Y0－Y77相應的燈是否亮。由此鑒定PLC本身的性能好壞。
接著，可用電阻箱來模擬溫度檢測模塊輸出的變化情況。把電阻箱打到1000Ω檔，相當于熱處理爐剛開始加溫，于是PLC送出打開全部噴嘴進氣的命令;把電阻箱打到2000Ω檔，相當于熱處理爐已達到給定的最高工作溫度，PLC送出關閉全部噴嘴進氣的命令;若使電阻箱的阻值在1250～2000Ω之間變化，PLC根據當前數據及PID運算的結果，發出關閉部分燃氣噴嘴進氣的命令，以保證熱處理爐中的溫度符合熱處理工藝的要求。
4 結束語
新型熱處理爐投入使用后，工人只需在設備進行熱處理前通過BCD碼撥盤輸入欲保溫的溫度值、恒溫的時間和允許的溫升速率，系統就能自動地完成整個熱處理過程。這不僅大大降低了工人的勞動強度，更重要的是它能使設備的熱處理效果更符合熱處理工藝的要求，提高了產品質量的可靠性。