摘要：本文介紹了以單片機(jī)為核心的智能溫度控制器和監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)組成的DCS系統(tǒng)在臥式真空爐爐溫自動(dòng)控制改造中的應(yīng)用，給出其軟硬件的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法，以及改造中的技術(shù)難點(diǎn)與處理措施。 關(guān)鍵詞：DCS系統(tǒng)；PID控制；噪聲屏蔽；比較及配比運(yùn)算 GUAN Ming Liang,REN Xiao Hong (ZiGong Cemented Carbide Corporation .LTD. ZiGong SiChuan China 643011 minglian@zg163.net) Abstract: This text introduce taking one-chip computer as the core intellectual temperature controller and DCS system which is made up of upper level monitering computer applys to the temperature controlling transform of the horizontal vacuum furnace automatically, provide the design principle of its software and hardware and implementation method , and the technological difficult point and dealing with the measure while transforming . Keywords:DCS system;PID control;Noise shielding;Compare and matching operation 1 前言 自硬公司刀片分廠K88—IIA型臥式真空燒結(jié)爐系93年由中南工大粉冶設(shè)備公司為其設(shè)計(jì)的自動(dòng)爐溫控制系統(tǒng)。限于當(dāng)時(shí)的設(shè)備技術(shù)條件，主機(jī)采用286兼容微機(jī)配合該公司自行研制的A/D、D/A板組成的超小型自控裝置，無硬盤。該系統(tǒng)使用至今目前存在以下一些嚴(yán)重缺陷∶ 1.1主機(jī)使用年限過長，到了老化故障期，故障頻發(fā)，軟驅(qū)、彩顯已無法正常使用； 1.2因無可更換的零配件，一旦系統(tǒng)故障將無法修復(fù)； 1.3系統(tǒng)軟件存在嚴(yán)重的”Y2K”問題； 1.4操作繁瑣，無中文提示，每一帶爐溫的曲線要多次重復(fù)輸入，無中文提示，無法實(shí)現(xiàn)打印、控制、記錄的協(xié)同操作； 1.5真空度控制、報(bào)警功能均已失效； 1.6系統(tǒng)抗干擾能力差，經(jīng)常死機(jī)。 1.7爐體第二帶的溫度始終比一、三帶高出一定的數(shù)值，無法矯正。 為提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力，嚴(yán)格工藝管理，必須整體淘汰原控制系統(tǒng)，代之以新型的流行工控機(jī)配合標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)軟件及多輸入輸出溫度智能控制器，實(shí)現(xiàn)符合工藝要求和升溫特性的爐溫自動(dòng)控制 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)工藝技術(shù)要求及可靠性、經(jīng)濟(jì)、簡便的原則，系統(tǒng)的控制方案見圖1∶ 2.2根據(jù)控制系統(tǒng)待采集的模擬量和I/O量的量程及極性，確定溫度變送器的選型和配套的過程控制器輸入采集方式，如下所示∶ 輸入輸出信號(hào)定義及量程范圍: 2.2.1模擬量輸入： 2.2.1.1爐溫：0―1600℃ 測溫元件：B型雙鉑銠熱電偶 溫度變送器輸出：0―5VDC，共3路 2.2.1.2真空度： 量程：100―105Pa 輸出信號(hào)：0―5VDC/1KΩ 2.2.2開關(guān)量輸入： 2.2.2.1啟動(dòng)按鈕：三帶溫度控制器同時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行。 2.2.2.2停電恢復(fù)按鈕：當(dāng)控制器掉電后，重新啟動(dòng)未完成的程序。 2.2.2.3工藝復(fù)原按鈕：清除當(dāng)前運(yùn)行的工藝曲線，程序回到初始未投運(yùn)狀態(tài)。 2.2.2.4冷卻水流量檢測開關(guān)： 如冷卻水檢測開關(guān)為”O(jiān)FF”狀態(tài)，計(jì)算機(jī)給出報(bào)警信息，同時(shí)暫停程序的執(zhí)行，將輸出完全關(guān)斷。待故障處理完成后重新按”停電恢復(fù)”繼續(xù)執(zhí)行未完成的程序。 2.2.3開關(guān)量輸出： 2.2.3.1電鈴：1路，220VAC；繼電器控制。 2.2.3.2爐溫報(bào)警信號(hào)燈：1路，紅色，24VDC。 2.2.3.3自動(dòng)狀態(tài)指示燈∶1路，24VDC。 2.2.3.4手動(dòng)狀態(tài)指示燈∶1路，24VDC。 2.2.3.5真空度上限報(bào)警指示燈∶1路，24VDC。 2.2.3.6工藝復(fù)原指示燈∶1路，24VDC。 2.2.3.7保溫指示燈∶1路，24VDC。 2.2.3.7缺水報(bào)警指示燈∶1路，24VDC。 2.2.4模擬量輸出： 共3路：0―10mADC; 輸出至ZK-200可控硅調(diào)壓器作過零觸發(fā)的外部輸入信號(hào)。 2.3按以上要求設(shè)計(jì)出的溫度過程控制器原理框圖如圖2所示： 2.4上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 真空燒結(jié)爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)管理軟件運(yùn)行于PWindows9X平臺(tái)，操作界面直觀、友善、方便。只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)，就可完成對(duì)真空燒結(jié)爐控制器的管理和操作。 上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能： 2.4.1實(shí)時(shí)顯示各真空爐控制器的工況參數(shù)表、運(yùn)行曲線，各真空爐控制器的運(yùn)行狀況一目了然。 2.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)測各真空爐的運(yùn)行參數(shù)，參數(shù)異常時(shí)，自動(dòng)切換到報(bào)警畫面。歷史報(bào)警記錄保存在計(jì)算機(jī)上，可供事后的查詢、打印。 2.4.3提供歷史運(yùn)行曲線的查詢、打印功能。 2.4.4實(shí)時(shí)棒圖、流程圖形象直觀地顯示真空爐當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)。 2.4.5在線讀取、修改真空爐控制器的運(yùn)行曲線。工藝曲線可保存在計(jì)算機(jī)中，免去日后的煩瑣錄入。 2.4.6在線讀取、修改真空爐閥門開度等運(yùn)行參數(shù)。 2.4.7權(quán)限管理提供兩極密碼保護(hù)功能，防止無關(guān)人員使用相關(guān)功能。 2.4.8軟件提供有數(shù)據(jù)庫維護(hù)功能。 上位機(jī)軟件流程圖如圖3所示： 2.5溫度控制器軟件設(shè)計(jì) 溫度控制器軟件采用8031單片機(jī)宏匯編語言編程，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的PID模塊及各種功能函數(shù)模塊 其軟件控制流程圖見圖4。 3 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案 3.1原系統(tǒng)熱電偶的引線采用非屏蔽電纜。在本次改造中，最初仍沿用原電纜。但實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)檢測的溫度信號(hào)總在大幅度漂移波動(dòng)，開始未能找到原因，以為是模塊化溫度變送器不穩(wěn)定，抗干擾能力差的緣故。但后來經(jīng)用福祿克192型數(shù)字示波器在模塊化溫變的熱電偶輸入端檢查后才發(fā)現(xiàn)加到熱電偶上的干擾信號(hào)就達(dá)±4mv(B型熱電偶的最大輸入信號(hào)才10mv左右)，干擾信號(hào)已經(jīng)達(dá)到了測量信號(hào)滿量程的40%，這樣的熱電偶采樣引線顯然是無法使用的。后經(jīng)改用四芯屏蔽電纜作為熱電偶的引線(B型熱電偶不用補(bǔ)償導(dǎo)線)接到溫變的輸入端就解決了該問題。 3.2原設(shè)計(jì)為三帶溫度分別控制，相互間沒有什么聯(lián)系。但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，由于熱電偶安裝的縱向位置不能完全保證一致，導(dǎo)致一~~三帶的溫度不可能完全一致，中間那一帶(二帶)的溫度始終比一、三帶高10℃左右。且即使中間那帶不加熱仍然高一個(gè)固定的溫度。經(jīng)打開爐體作仔細(xì)檢查，才發(fā)現(xiàn)上述原因?？紤]到這三帶溫度具有強(qiáng)耦合關(guān)系，必須采用某種算法退耦才能解決三帶溫度不一致的問題。后通過修改溫度過程控制器程序，加入了比較及配比運(yùn)算，才解決了該難題。 具體作法是∶ 在投入自動(dòng)后計(jì)算機(jī)就一直檢測一～三帶的爐溫是否一致。在1000℃以下時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)二帶的溫度高于一、三帶中的任何一帶溫度時(shí)，二帶立即停止加熱，直到一、三帶的溫度都高于二帶時(shí)，二帶才恢復(fù)PID調(diào)節(jié)；而當(dāng)溫度高于1000℃時(shí)，一～三帶均采用PID調(diào)節(jié)，這樣才能保證爐溫能升到預(yù)定值同時(shí)三帶溫度均勻一致。 4 研制結(jié)論及推廣應(yīng)用方案 4.1以監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)配合過程控制器組成的兩級(jí)分布式DCS系統(tǒng)完全符合真空燒結(jié)爐的實(shí)際情況，能有效地控制爐溫及處理各種異常情況，并具有可靠性高，控制精度高，控制風(fēng)險(xiǎn)分散，操作簡便，投資少，維護(hù)方便等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。 4.2小型模塊化測溫明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的溫度變送器測溫，具有體積小、功耗低、精度高、響應(yīng)快、重現(xiàn)性好等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，是自硬公司其他溫度測量裝置的理想升級(jí)換代品。 4.3計(jì)算機(jī)自動(dòng)控溫?zé)Y(jié)的產(chǎn)品化學(xué)指標(biāo)與傳統(tǒng)控溫相同，且磁力分布更均勻，能夠完全滿足公司舊式真空燒結(jié)爐的改造需求。 4.4由于自硬公司許多刀片產(chǎn)品都須經(jīng)真空燒結(jié)，真空燒結(jié)爐較多；本次刀片分廠真空爐計(jì)算機(jī)自動(dòng)控溫改造的成功，其控制方案完全可以推廣應(yīng)用到其他高低溫?zé)Y(jié)爐上(現(xiàn)已推廣應(yīng)用至耐磨零件分廠的專線真空燒結(jié)爐上并取得較好效果)，僅稍作控制盤的布局修改及按鈕定義即可。特別是對(duì)一些溫度控制范圍要求嚴(yán)格，工作環(huán)境惡劣，干擾因素較多的場合，應(yīng)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控溫對(duì)傳統(tǒng)的模擬儀表控溫進(jìn)行改造，更具有投資少，見效快，效益高，產(chǎn)品市場競爭力增強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) [1]孫涵芳，徐愛卿. 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