宇电AI多段程序控制仪表在退火炉的应用

关键词：退火炉、智能程序型控制器AI-808P

一、概述
   本文着重论述了新型温控装置在退火炉温控系统中的应用，较为详细地对温控系统的组成，构成器件的原理、性能、功用进行了阐释说明。文中对系统的运行原理，使用效果进行了分析说明。指出，该温控系统是一种应用广泛、经济适用、控制效果显著并值得广泛推崇使用的新型温控装置。

二、设备改造原因
   退火炉主要由辊子传动系统和温控加热系统构成。原退火炉温控加热系统主要由接触器及温控仪表组成。退火炉加热系统总功率为546KW，分5个加热区。加热体采用铁鉻铝材料，使用温度为0～1100℃，采用镍鉻镍硅热电偶做为温度测量，温度显示仪表为圆图式温度记录仪。同时利用圆图式温度记录仪控制继电器加热，由继电器控制接触器通与断，从而使加热温度与给定温度基本一致。使用加热电源为低压380V三相动力电源。加热体采用星形连接，它们布设在炉子的炉顶及炉底。应用此温控加热系统存在着诸多弊端，主要表现在以下几个方面：

（1）由于该控制方式为三位式控制（加热、保持、停止），这种控制方式存在着温度控制波动大，温度控制精度差（±10度），加热功率不可调节，因而能源浪费大，加热效率低。其它继电器触点动作频繁，因而触点磨损严重。故障率逐年攀升，已经给生产构成严重威胁。

（2）温控仪表老化严重，存在控制失灵等故障，仪表控制精度也难以满足现代生产工艺的精度要求。而且此仪表要求日常频繁维护。    （3）系统运行时噪音大，振动较大（接触器吸合不良形成）。这样接触器机构件极易松动，造成连接处发热严重，极易形成火灾事故及其它电气故障。

三、先进温度控制设备
   先进仪表的选择：系统的改造中我们采用了先进的AI人工智能调节器。AI调节器是控温系统的核心部分，AI仪表采用了平台概念，将的数字调节仪表转为平台化设计的产品，采用的是AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果优化。                                                            
  自整定方法简单应用方便：由于自整定执行时采用位式调节，经2~3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M 5、P、t等控制参数。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。
在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能，及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。

四、温控系统的组成  

新型温控加热系统由AI-808PAI5X3L1L1S4程序型温控调节器和三相可控硅触发回路及AI-3070总线式无纸记录仪等低压控制元件组成。系统包括1台进线柜，3台控制柜，分别控制退火炉的主电源系统和五区加热系统及炉门传动控制系统（前后炉门的点动升降控制）。具体说明如下：
1进线柜操作    进线柜操作包括合闸及分闸操作。面板指示有电压指示、工作电源正常指示、空开分离指示和有功功率计量。2炉门传动控制系统    炉门传动控制系统执行前后炉门的升降操作，炉门控制系统为点动操作控制。电气控制上具有上下限及升降联锁控制。3控制电源系统    控制电源主要提供五区加热回路的控制电源及仪表和炉门的控制电源。其中仪表电源为保证仪表的安全及可靠性，应用380V／220V隔离变压器供电。控制电源的操作通过分合有关空气断路器及切合有关按钮实现。4五区加热回路操作    五区加热回路操作分为单动及联动操作。单动时选择单动／联动按钮为单动位置，此时通过操作各区的起停按钮实现各区的停送电操作，停送电时对应相应的指示灯亮。联动时选择在联动位置，按下起动按钮，各区接触器吸合，对应运行指示灯亮；按对应联动停止按钮时，各区接触器断开，对应停止指示灯亮。联动、单动操作前，各区动力空开及控制空开均在合位置。

五、系统控制功能  

制系统我们采用了 宇电AI-808PAI5X3L1L1S4温控表：AI－808P程序型仪表用于需要按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场合。它具有强大的编程及操作能力，可进一步提高控制设备的自动化程度。它具备50段程序编排功能，可设置任意大小的给定值升/降斜率；具有跳转、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，可在程序控制运行中修改程序；具备二路事件输出功能。可通过报警输出控制其他设备联锁动作，进一步提高设备自动化能力；可通过安装外部开关执行程序运行/暂停/停止等操作，以实现连锁、同步启动运行或方便操作；具有停电处理模式、测量值启动功能及准备功能，使程序执行更有效率及更完善。   1、功能及概念：    程序段：段号可从1－30，当前段(STEP)表示目前正在执行的段。    设定时间：指程序段设定运行的总时间，单位是min，有效数值从1－9999。    运行时间：指当前段已运行时间，当运行时间达到设置时间时，程序自动跳下一段运行。    跳转：程序段可编程为自动跳转到1－30段中的任意段执行，可实现循环控制。通过修改STEP的数值也可实现跳转。    运行/暂停（run/HoLd）：程序在运行状态时，计时，给定值按预先编排的程序曲线变化。程序在暂停状态下，停止计时，给定值保持不变。仪表能在程序段中编入暂停操作，也可由人随时执行暂停/运行操作。暂停状态下仪表仍然保持调节功能。
 停止（stoP）：执行停止操作，将使程序停止运行，此时运行时间被清0，事件输出开关复位，并且停止控制输出。在停止状态下执行运行操作，则仪表将从STEP设置的段号启动运行程序。可在程序段中编入自动停止的功能，并同时对运行段号STEP值进行设置。也可人为随时执行停止操作（执行后STEP被设置为1，不过用户可再进行修改）。    事件输出：由程序编排发生。可在程序运行中控制2路报警开关动作，以方便控制各种外部设备同步或连锁工作。    停电/开机事件：指仪表接通电源或在运行中意外停电，可提供多种处理方案供用户选择。用户可以通过设置仪表的参数（run）设置仪表重新上电后的运行状态。    准备（rdy）/测量值启动功能：在启动运行程序由于炉体的温度和仪表设置的初始温度之间有偏差，并且其差值大于正（或负）偏差报警值(dHAL及dLAL)时，仪表并不立即进行正（或负）偏差报警，而是先将测量值调节到其误差小于偏差报警值，此时程序也暂停计时，也不输出偏差报警信号，直到正、负偏差符合要求后才再启动程序。准备/测量值启动功能用于设置无法预知升／降温时间的段也十分有用。要允许或取消准备/测量值启动功能，可在run参数中进行设置。准备/测量值启动功能可保证了运行整条程序曲线的完整性，准备/测量值启动功能用于解决启动运行时测量值与给定值不一致而对程序运行产生的不确定性，以获得高效率、完整并符合用户要求程序运行结果。
程序设置：                                                
程序曲线的编排；程序表调节器可用于按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场
合。程序是按【温度－时间－温度】的格式来程序升温，具有50段程序编程功能，可设置任意大小的给定值升、降斜率；具有跳转（目标段只限于前30段）、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，可在程序控制运行中修改程序；具有二路事件输出功能。可通过报警输出控制其他设备联锁动作如：灯、风机、报警，进一步提高设备自动化能力；具有停电处理模式、测量值启动功能及准备功能，使程序执行更有效率及更完善。
程序仪表自整定时把一段程序设置为常用温度或高的温度启动自整定，此时时间停止运行。
可控硅触发采用移相触发器    宇电AIJK6系列是应用了单片机技术的智能化三相移相触发及周波过零两用触发器，功能强大且可靠性高，能适应各种电阻丝、硅碳棒及负载采用变压器降压的硅钼棒、钨丝等各种类型工业电炉，也可用于电机软启动的控制。    AIJK6的主要性能：0-20mA（0-5V）/4-20mA（1-5V）信号兼容输入；采用计算机技术进行线性化功率修正，当负载为阻性时，其输出功率与输入信号成正比；缺相检测、过流检测及报警功能；AIJK6还具备可控硅击穿及负载开路检测功能；自动同步功能，连接可控硅触发线时不需要对相序；AIJK3甚至不需要对极性；采用全光电隔离及“烧不坏”技术，可靠性很高，对输入端造成干扰小；电流反馈或延迟时间可调的软启动/软停止功能，适应硅钼棒、钨丝、电动机及感性负载；内含开关电源，可直接用220VAC电源供电，并具备5V及24V两组直流电源输出。     AIJK6在下述情况下报警：主回路断线或缺相；主回路接触器断开；阻容压敏吸收损坏（不影响加热）。                                              
3、模块过电压保护：
一般采用阻容吸收和压敏电阻两种方式并用，对于吸收时间短，电压不高的过压，一般采用在器件两端并联阻容吸收回路的方法，吸收电容把过电压的电磁能量变成静电能量存贮，吸收电阻除可防止回路振荡外，还可限制关断的晶闸管在再次导通时，电容向晶闸管放电产生开通损耗和较大di/dt值，对于持续时间较长，产生能量较大的过电压，如雷击引起的过电压，将采用压敏电阻来吸收过电压。
元器件选择：在选取压敏电阻时，首先要确定它的标称电压（ViMA ）值 ，这是指压敏电阻流过1mA电流时，它两端的电压。在感应到电网波动以及安全系数后，一般380V电源采用1000V；220V电源采用630V的压敏电阻。而压敏电阻的通流容量 应大于电路实际浪涌电流值，一般为3～15KA。常用规格：单相过零40A以上压敏电阻20D751K 750V；移相采用RC阻容模块压敏电阻20D751K,水泥电阻RX27-1/8W/6.8Ω，电容0.22uF/ 275V ～iv高压电容。
6）断偶超温报警缺相保护：
在超温报警时控制交流接触器切断加热器电源。即使万一可控硅被击穿也能保护电炉安全。对于缺相保护建议采用三相缺相保护器独立使用。AI系列控制柜与具备同等功能的电炉控制柜相比，AI系列具有简单的线路及模块化的结构，从维护到扩充功能都十分方便。
7）接线方式与零线：
每台加热设备的负载的接线方式是不同若负载是加热炉，而且负载有可能不相等时（如硅碳棒炉），三相四线制要比三相三线制有更好的平恒度，并且当某相负载开路时，三相四线制能自动监测并报警(AIJK3)因此采用三线四线制要比三相三线制性能更好些，但必须注意正确选择零线。常规的应用中，若三相负载完全平衡，则零线相互抵消为0，所以习惯上零线用比相线要小得多的线径。但对于三相四线制调相触发，当相移角小于60度时，零线的电流是三条相线电流之和（三相负载轮流导通，电流全部流过零线，且相互完全无法抵消），移相角为60－120度时，零线的电流为相线的3至1倍变化，只有当可控硅完全导通时且三相负载平衡时，零线电流才为0。所以对于普通电阻丝为负载时，零线必须采用与相线相同的线径。而对于电阻会随温度或随老化程度会变的负载，如硅碳棒电炉等，由于常常工作在小移相角，零线应该采用比相线还粗的线，可以是相线安全载流量的2－3倍。不仅柜子到供电变压器的零线也要粗，以保证零线的安全，且避免将电能过多地损耗在零线上。
8）高频干扰：
由于移相触发会带来较强的1－100KHZ频率范围的干扰，移相触发器应安装在离可控硅较进的位置，但应与动力线保持一定的距离，应尽量缩短触发线的长度，并尽量不要将不同相的触发线平行走线。
3、仪表控制    仪表控制分为单动与联动，在仪表电源及变压器正常的情况下，各柜内仪表空开在合状态下，在2＃柜内选择单动／联动按钮开关，仪表即可执行单动或联动操作。仪表控制由运行（RUN）、停止（STOP）、保持（HOLD）三种状态。    仪表单动操作用于控制1个区的1台仪表运行，联动操作用于控制1～5区的所有仪表运行。仪表运行的3种状态无论在单动或联动操作下，均可通过点动按住联动温控仪表按钮进行转换。
4、参数设置、调试方式：
  根据系统的要求我们可以选用各种仪表类型如AI-808PAI5X3L1L1S4+AIJK3，利用AI-808P的主输出作为AIJK6的控制信号，来控制加热输出，
 AI-808P智能调节器增加了30+20段时间程序控制功能，前30段可编程为自动跳转执行,实现循环控制,采用先进的模块化设计，具备5个功能模块插座：辅助输入、主输出、报警、辅助输出及通讯，
仪表的输入方式可自由设置为热电偶、热电阻和线性电流（电压），具体模块功能如下；
X3：光电隔离高精度线性电流输出；
S4：自带隔离电源的光电隔离RS485通讯接口模块；
L1：继电器触点开关输出模块；
AIJK6系列是应用了单片机技术的智能化三相移相触发及周波过零两用触发器，功能强大且可靠性高，能适应各种电阻丝、硅碳棒及负载采用变压器降压的硅钼棒、钨丝等到各种类型工业电炉，也可用于电机软启动的控制，其主要特点包括：
0-20mA(0-5V)/4-20mA(1-5V)信号兼容输入；
采用计算机技术进行线性化功率修正，当负载为阻性时，其输出功率与输入信号成正比；
缺相检测、过流检测及报警功能；AIJK6还具备可控硅击穿及负载开路检测功能；
自动同步功能，连接可控硅触发线时不需要对相序；AIJK6甚到不需要对极性；
采用钱光电隔离及“烧不坏”技术，可靠性很高，对输入端造成干扰小；
电流反馈或延迟时间可调的软启动/软停止功能，可适应硅钼棒、钨丝、电动机及感性负载；
内含开关电源，可直接220VAC电源供电，并具备5V及24V两组直流电源输出；
仪表的调节功能采用先进的AI人工智能PID调节算法。AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果优化。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。改进后的PID参数是采用宇电特有的M 5、P、t等控制参数来表示的。
调试方式：电热鼓风干燥箱控制仪表AI-808PX3L1L1S4增强型智能调节器 ，三相过零触发控制。
调试方式：
参数设定后首先要自整定。AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果优化。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。
AI系列调节仪表还具备参数自整定功能，AI人工智能调节方式初次使用时，可启动自整定功能来协助确定M 5、P、t等控制参数。初次启动自整定时，可将仪表切换到显示状态①是PV测量值SV给定值的状态下，按住半园弧键并保持约2秒钟，此时仪表下显示器将闪动显示“At”字样，表明仪表已进入自整定状态。自整定时，仪表执行位式调节，经2~3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M 5、P、t等控制参数。如果在自整定过程中要提前放弃自整定，可再按住半园弧键并保持约2秒钟，使仪表下显示器停止闪动“At”字样即可。视不同系统，自整定需要的时间可从数秒至数小时不等。仪表在自整定成功结束后，会将参数CtrL设置为3（出厂时为1）或4，这样今后无法从面板再按住键启动自整定，可以避免人为的误操作再次启动自整定。已启动过一次自整定功能的仪表如果今后还要启动自整定时，可以用将参数CtrL设置为2的方法进行启动。具体的操作要参考说明书。
系统在不同给定值下整定得出的参数值不完全相同，执行自整定功能前，应先将给定值设置在常用值或是中间值上（对于AI-708P/808P程序型仪表，可通过修改当前程序段值来改变给定值以满足要求），如果系统是保温性能好的电炉，给定值应设置在系统使用的大值上，再执行启动自整定的操作功能。参数CtI（控制周期）及dF（回差）的设置，对自整定过程也有影响，一般来说，这2个参数的设定值越小，理论上自整定参数准确度越高。但dF值如果过小，则仪表可能因输入波动而在给定值附近引起位式调节的误动作，这样反而可能整定出彻底错误的参数。推荐CtI=0-2，dF=2.0。此外，基于需要学习的原因，自整定结束后初次使用，控制效果可能不是很好，需要使用一段时间（一般与自整定需要的时间相同）后方可获得较好的效果。
  在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。

六、AI-2070C/3070分体式无纸记录仪功能
   采用AI－2070C/3070C分体式无纸记录仪 来记录数据。主要功能为：丰富的显示画面；强大的设置功能；完善的数据处理；实用的U盘与CF卡记录数据功能；方便的数据统计功能；灵活的报警功能；可靠的通讯功能；随机提供的数据管理软件。
数据记录功能应用：
数据记录功能发展很快，从有纸记录到无纸记录；无纸记录模拟量输入到数字无纸记录仪；由于电炉控制柜是采用通讯功能的数字调节仪表来控制电炉可控硅，就需要记录电炉控温曲线。
控制柜安装数字式AI-2070S/3070S无纸记录仪，通过RS485通讯接口，采用上下位机的方式，能方便地与AI智能程序型PID温度调节器配合使用。
在电炉程序控温时在触摸屏上可显示双曲线运行图、屏内储存15段升降温程序、程序图形重显；可即时设置、读取，上下传升温、恒温、降温程序配方；无纸记录仪曲线图。
  在屏上控制操作程序仪表【启动】【停止】【暂停】、在运行状态下切换【手动/自动】状态，手动控制输出量；即时修改【段号】，指定运行段；及修改仪表控制参数等多种功能；追忆记录的温度曲线数据。数据报表、报警报表的打印
1、PC机数据处理
  在数据记录仪中，即可以根据客户的实际需要，设置数据的采样时间，存储间隔以及是否保存记录，是否立即保存数据到CF卡等功能，来满足不同的需求。采样时间默认为6秒，用户可以设定的范围是：6秒~3600秒；
触摸屏的外插CF卡来保存数据；标配1G的电子硬盘。可扩展CF卡1～4G存储记录空间；数据可通过微型打印机打印数据报表、曲线；或通过CF卡存储数据用读卡器在PC上复制数据包到PC机用图形软件打开数据；也可用串行COM2口备份Excel电子表格数据至上位计算机。CF卡内：【AL】数据包是报警报表；【DL】数据包是数据报表；按年/月/日/小时来保存数据源文件。可以显示打开的记录数据与报警记录的文件或是用户从CF卡里查询到的数据，以报表的形式显示出来；保存数据的数据是加密的必须采用专用的宇电PC图形软件来阅读。
  查看曲线：点击【查看曲线】按钮，可以显示在报表中已查询到的并以报表方式显示出来的数据，以曲线的形式显示出来。上图显示的曲线可分为几个部分的内容：
2、微型打印机方式
   配备微型打印机在触摸屏上直接点击打印按钮可打印历史数据、曲线。
数据曲线查询打印：手动设置查询的报表时间内容，打印每行5个数据；
数据曲线即时打印：手动打印当前刚刚采集到的报表内容，每行5个数据，连续换行；

七、结束语：
   加热炉的改造中由于采用了AI人工智能调节器具备优良的测量和控制性能，采用可控硅控制为电炉控制柜改造设计带来方便。例如其输出可配用具备“烧不坏”特性的可控硅触发模块，能直接用时间比例过零、周波过零或移相方式触发各种单向、双向可控硅及功率模块，不仅降低成本，简化了安装并提高了可靠性。
   近年随着电气控制技术的发展，电加热炉自动控制系统得到了快速的发展，数字无纸记录仪的功能不断提高，控制系统都得到了很好应用和发展。开发采用由数字通讯控制仪表＋人机界面触摸屏数字无纸记录仪的电加热炉自动控制系统，使电加热炉的技术改造更具有飞跃的提高。