一、概述
目前國內的工業熱處理爐制造廠家在工業熱處理爐的電氣控制上大多還是停留在采用過去比較陳舊的控制方式，采用交流接觸器、有紙記錄儀、開關按鈕等設備控制，這樣的控制方式自動化程度低、控制精度低、生產過程的監控少、工業熱處理爐本身的檔次低。近年隨著電氣控制技術的發展，人機界面的功能、可靠性和性價比不斷提高，在工業控制的各個環節的應用都得到了很大的發展。采用由溫控儀、人機界面、PLC組成的熱處理爐自動控制系統，使工業熱處理爐的控制技術有極大的提高。
二、本系統控制的優點
采用人機界面組成的自動控制系統，可以取代記錄儀，利用人機界面存儲量大的優勢進行溫度數據的長時間無紙化記錄，而且記錄通道可以比記錄儀多得多；采用宇電智能調節器進行溫度的設定顯示和過程的PID控制；在人機界面的觸摸屏上就可以進行不同的控制操作，可以取代大部分開關按鈕。采用改進的自動控制系統，還有以下比普通控制系統無可比擬的優點：1.熱處理爐的各個運行狀態都可以在顯示屏上進行動態模擬；2.可以利用組態軟件的配方功能進行工藝控制參數的設置、選擇和監控；3.可以通過網線連接到工廠的計算機系統，實現生產過程數據的遠程集中監控。
三、設備選型
1、溫控儀：在熱處理系統中的溫度的控制是通過調節進氣電動閥門的開度來實現的，閥門的精確控制對整個系統的控制是非常重要的。在本系統中選用宇電AI-808P人工智能調節器來控制閥門，它的特點是：具備50段程序控制功能，可任意設置給定值升、降溫斜率；具有跳轉、運行、暫停及停止等可編程/可操作命令，可在程序控制運行中修改程序；具備二路事件輸出功能。可通過報警輸出控制其他設備聯鎖動作，進一步提高設備自動化能力；可通過安裝外部開關執行程序運行/暫停/停止等操作，以實現連鎖、同步啟動運行或方便操作；具有停電處理模式、測量值啟動功能及準備功能，使程序執行更有效率及更完善。能直接控制閥門電機的正、反轉，節省伺服放大器。儀表具體型號為：AI-808PAL5L2L2S。
2、人機界面：選用eView MT510T，10.4英寸。eView MT500系列觸摸屏采用強大的32位嵌入式高性能CPU,支持256色真彩顯示與敏捷的反應速度，可以與多個廠家的產品通訊，兼容性極強，基于bbbbbbs98/NT操作平臺下的專用組態軟件，界面友好直觀，易學易用，大大節省產品開發周期。且產品型號齊全有5.7、7.7、10.4、英寸單色彩色等，方便選型。具有RS232/485通訊口，可以直接連接各種主流的PLC，無需配置其它特殊的硬件和軟件就可以與PLC通訊。產品提供向量圖庫、位圖庫、群組圖庫等三種元件圖庫，且可以添加自己設計的元件圖形，可直接支持256色BMP格式的圖形，可支持元件的多層疊加實現不同的控制功能。在編程軟件中可以設定觸摸屏背光燈的關閉時間，節省其使用壽命。具有128K的配方存儲器和實時時鐘，支持方便易用的配方傳輸功能。觸摸屏中具有內部編程指令宏命令，可以減輕編程負擔，由觸摸屏編程直接和其它設備通訊。觸摸屏上的并行口還可以直接和打印機連接實時或定時打印當前或歷史數據。
3、PLC：選用日本三菱公司的FX系列PLC作為邏輯控制，用于熱處理爐的所有開關量采集和控制。
四、宇電智能調節器算法介紹
AI系列智能工業調節器中的人工智能控制算法，既對PID算法加以改進和保留，加入模糊控制算法規則，并對給定值的變化加入了前饋調節。在誤差大時，運用模糊算法進行調節，以徹底消除PID飽和積分現象，如同熟練工人進行手動調節。當誤差趨小時，采用改進后的PID算法控制輸出。其控制參數采用被控對象特征描述方式。一組(MPT)參數即可同時確定PID參數和模糊控制參數。系統具有無超調和高控制精度等特點。針對不穩定的非線形復雜調節對象，表內設有自適應調節規則，可使系統進一步加快響應速度，改善控制品質。針對控制參數較難確定的現實，表內設有自整定專家系統，可使系統的控制參數確定簡單，準確度提高，因此，自整定系統的引入，不僅使復雜勞動簡化，節約了調試時間，而且提高了控制系統的調節品質。對于許多復雜的調節對象，例如電爐溫度控制中的電網電壓變化、外界干擾因素和工作環境多變等，針對有嚴重非線形的控制對象，國外儀表公司也推出了不少對策和方法。例如，日本導電公司生產的儀表中，采用了多組算法；歐陸和歐姆龍儀表中采用了自適應功能；KMM智能調節儀表中采用了折線模塊來適應系統的非線性；還有的儀表公司在儀表中采用辯識方法來提高儀表在非線性系統中的調節質量。在AI系列智能工業調節器中，針對有嚴重中非線性的控制對象，選擇了自適應方式來解決。其改進的特點是：當控制偏差大于估計的誤差時，自適應系統不是修改MPT參數(國外儀表的自適應功能是修改控制參數)，而是修改輸出值來降低誤差。雖然修改范圍有限，但不會出現將原來正確控制參數改錯的現象，使響應速度加快，使控制精度大大提高。PID算法的改進：
常規PID算法構成如下：輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)
在常規PID的控制系統中，減少超調和提高控制精度是難以兩全其美的，這主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，則靜差不易消除，有擾動時，消除誤差速度變慢，而當加強積分作用時，又難以避免超調，這也是常規PID控制中經常遇到的難題。
在AI系列智能工業調節器中，當控制參數在比例帶以外時，采用模糊控制，不存在抗飽和積分問題，而對PID算法部分又加以改進如下：輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)+微分積分作用(∫I)
由于儀表中增加了微分積分作用，所以，使常規PID算法中的積分飽和現象得到較大緩解。不過從上式中可以看到，原有參數已經較難確定了，又增加了一個新參數(∫I)，所以，這些參數必然互相影響，使得新算法參數更加難以確定。為此，經過認真的研究和實驗分析，比例作用與微分作用的比值和積分作用與微分作用的比值可取相同的值，并且比例作用與微分作用的最佳比值同控制對象的滯后時間有關。滯后時間越大，則比例作用響應減少，而微分作用響應增加。兩者存在的關系如下：
比例作用=K(1/t)
微分作用=K(1-1/t)d
式中，K為系數；t為滯后時間與控制周期的比值；t≥1；d表示微分作用。
由此，可將人工智能控制算法公式改為：
輸出=P［1/t+(1-1/t)d］+(1/M)∫［1/t+(1-1/t)d］
式中，P用于調整微分和比例的大小，P增加，相當于同時將微分時間增加及減少比例帶。反之，P減少，相當于同時將微分時間減少和增大比例帶。M類似積分時間，可用于調整積分和微分積分的大小，t用于調整微分與比例的相互比例成分。如果t=1，則微分作用為0，如果1Ｍ＝０，則積分作用為0。這樣，控制參數又減少為3個，由于常規PID參數的定義只根據算法本身，其特點是不需要考慮被控對象的精確模型，而改進后的3個控制參數，由于同原參數概念不同，所以，定義為MPT控制算法，具體含義如下：
M5為保持參數：M 5 定義為輸出值變化為5％時，控制對象基本穩定后測量值的差值。5表示輸出值變化量為5%，同一系統的M 5參數一般會隨測量值有所變化，應取工作點附近為準。例如某電爐溫度控制，工作點為700℃，為找出最佳M 5值，假定輸出保持為50％時，電爐溫度最后穩定在700℃左右，而55％輸出時，電爐溫度最后穩定在750℃左右。則：M 5＝750-700＝50.0（℃）M 5參數PID調節的積分時間起相同的作用。M 5值越小，系統積分作用越強。M5值越大，積分作用越弱（積分時間增加）。如果，M=0，則系統取消積分作用。
P為速率參數：P與每個控制周期內儀表輸出變化100%時測量值對應變化的大小成反比，其數值定義如下：P=1000÷每秒鐘測量值升高值（測量值單位是0.1℃或1個定義單位）。例如電爐溫度控制，如果儀表以100%功率加熱，并假設沒有散熱，電爐每秒升高1℃時，則P=1000÷10=100，在實際應用時，因為沒有散熱的前提條件是無法滿足的，所以，用人工的方式確定P的最佳值是不可能的，因此，一般利用自整定方法確定P的最佳值，P值對調節中的比例和微分均有作用。P值越大，比例、微分作用成正比增加，而P值越小，比例、微分作用相應減弱。P參數與積分作用無關。
T為滯后時間參數：T定義為某電爐以某功率開始升溫，當其升溫速率達到最大值的63.5%時所需要的時間，T值單位是秒(s)。引入參數T并正確設置時可以完全解決溫度控制的超調現象及振蕩現象，同時使控制響應速度最佳。T值的變化，可對調節作用中的比例和微分起作用，T值越小，比例作用越強，微分作用越弱。T值越大，則比例作用減弱，微分作用增強。如果T≤CTL(控制周期)，則微分作用被完全取消，這時，系統的調節規律將成為比例或比例積分調節規律。
五、系統功能介紹及儀表調試
1、人機界面畫面
主監控畫面：上面有動態監控圖，爐門的開閉狀態、風機啟停狀態、火咀燃燒狀態等可以在該畫面上實時顯示。通過畫面右上角的火咀燃燒狀態百分比顯示模擬火咀的實際輸出。當火咀沒有輸出時，火咀模擬噴出的火焰消失。在動態監控圖的爐的上方標注有測溫點的溫度值，其中PV為實時測量溫度值，SV為設定溫度值。動態監控圖的下方有各種狀態的指示燈。
開關操作畫面：開關操作畫面的上半部分有各種狀態的指示燈，下半部分有各種操作按鈕和選擇開關。
溫度記錄畫面：分別用兩種顏色記錄兩個參與實際控制的溫度表的實時溫度，在垂直軸上所標注數值為溫度值，水平軸上所標注數值為時刻值。
溫度履歷畫面：在該畫面上可以查詢參與實際控制的溫控表的歷史溫度記錄數據，分別用兩種顏色記錄兩個通道的溫度數據。在垂直軸上所標注數值為溫度值，水平軸上所標注數值為時刻值。在查詢時可以按時間前移或時間后移 進行前后時間段溫度數據的查詢，也可以按查詢歷史曲線后直接輸入時間段數據進行查詢。人機界面如有連接打印機，可以方便的把當前畫面打印出來。
工藝參數選擇設置畫面：在該畫面可進行工藝參數設置選擇操作。要進行工藝參數選擇的操作需要進行操作登陸，只有取得授權的人員才有資格對工藝參數進行修改設置及查看工藝參數的具體數值。
報警履歷畫面：記錄系統的相關歷史報警內容。
PLC I/O監控畫面：上面顯示了PLC的各個輸入點的通斷工作狀態，方便對各電氣開關量進行監控和檢修。在輸入點的右邊標注有該點I/O在系統控制中的具體使用意義。 2、儀表調試
系統工作前須在儀表上進行閥門定位操作，以保證儀表的輸出信號和閥門的開度相對應。具體操作：系統通電后，把儀表輸出方式OPT改為7，確認修改后儀表先自動將閥門完全關閉（注意：此時需要由閥門上的限位開關進行定位），測量閥門全關時的閥位信號大小，然后再完全打開，測量閥門全開時閥位信號大小。儀表要求閥門完全關閉時閥位信號為0－1.5V之間，閥門完全打開時閥位反饋信號比閥門完全關閉時信號大1V以上才能滿足整定要求。整定完畢后儀表自動把OPT設置為6，如果要控制過程中要限制閥門開度，可利用參數oPL及oPH對閥門位置的上限及下限進行限制。
在閥門定位后，儀表還需要進行PID自整定。系統在不同給定值下整定得出的參數值不完全相同，執行自整定功能前，應先將給定值設置在最常用值或是中間值上（對于AI-808P儀表，可通過修改當前程序段值來改變給定值以滿足要求）。自整定時，儀表執行位式調節，經2－3次振蕩后，儀表內部微處理器根據位式控制產生的振蕩，分析其周期、幅度及波型來自動計算出M 5、P、t等控制參數。參數CtL及dF的設置，對自整定過程也有影響，一般來說，這2個參數的設定值越小，理論上自整定參數準確度越高。但dF值如果過小，則儀表可能因輸入波動而在給定值附近引起位式調節的誤動作，這樣反而可能整定出徹底錯誤的參數。推薦CtI=0-2，dF=0.3。此外，基于需要學習的原因，自整定結束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段時間（一般與自整定需要的時間相同）后方可獲得最佳效果。
六、結語
新型控制系統投入使用后，只需在設備進行熱處理前通過人機界面輸入需要的系統升溫工藝曲線，系統就能自動地完成整個熱處理過程。這不僅大大降低了勞動強度，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。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
